Entwicklung eines auf Emissionsspektroskopie basierenden Sensorsystems zum Einsatz auf Wiedereintrittsplattformen

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung eines auf dem Prinzip der Emissionsspektroskopie basierenden Flugexperiments beschrieben, dessen Auslegung sich an den Randbedingungen der EXPERT Mission der europäischen Raumfahrtagentur (ESA) orientiert. Das Ziel des Experiments, wie auch der gesamten Mission, ist die Erforschung des atmosphärischen Eintritts und der damit verbundenen aerothermodynamischen Phänomene. Das in dieser Arbeit entwickelte Spektroskopieexperiment, welches den sichtbaren (VIS) und ultravioletten (UV) Spektralbereich abdeckt, dient in diesem Kontext zur Detektion der während des Wiedereintritts auf den Hitzeschild treffenden elektromagnetischen Strahlung. Die Messdaten des noch ausstehenden Fluges werden Rückschlüsse auf die Chemie- und Strahlungsprozesse im sich vor dem Raumfahrzeug ausbildenden Verdichtungsstoß und dem sich anschließenden Nachstoßgebiet ermöglichen. Zudem sollen die Daten der Untersuchung und Weiterentwicklung von Chemie- und Strahlungsmodellen, wie sie in den numerischen Werkzeugen zur Simulation des atmosphärischen Eintritts verwendet werden, dienen. Die vorliegende Arbeit umfasst die messtechnische Auslegung des Sensorsystems auf Basis von CFD-Simulationen der Kapsel- Anströmung und darauf aufbauenden numerischen Berechnungen der emittierten Strahlung. Im untersuchten Spektralbereich kann gezeigt werden, dass für den Eintritt der EXPERT Kapsel die emittierte Strahlung von Stickstoffmonoxid- und, in geringerem Maße, von Sauerstoff-Molekülbanden dominiert wird. Bezieht man das ebenfalls vorhandene 777nm Sauerstofftriplett mit ein, lässt sich schließen, dass die zu erwartenden Messdaten primär für die Überprüfung und im Idealfall auch für die Validierung chemischer Reaktionen unter Sauerstoffbeteiligung, inklusive der Bildung von Stickstoffmonoxid (Zeldovich Mechanismus), und der Strahlungsmodellierung der entsprechenden Spezies geeignet sind. Darüber hinaus werden der Aufbau, die Funktionsweise und die erfolgreiche Qualifikation des Sensorsystems beschrieben.

Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Simulation des Flugexperiments in Form von Plasmawindkanalversuchen. Hierfür wurden dem Flugexperiment vergleichbare Messungen durch eine im Plasma-Freistrahl positionierte Sonde vorgenommen. Weitere umfangreiche Versuche erfolgten zur Charakterisierung der Sondenanströmung, deren Ergebnisse präsentiert werden. Diese beinhalten Radialprofile der Wärmestromdichte, des Pitotdrucks, der lokalen massenspezifischen Enthalpie, der Strahlgeschwindigkeit und der Translationstemperaturen des im Plasma enthalten atomaren Sauerstoffs und Stickstoffs. Die Messungen der Geschwindigkeit und der Temperatur basieren auf dem Prinzip der Fabry-Perot-Interferometrie, wobei erstmalig im Rahmen von Plasmawindkanalversuchen ein Messaufbau zum Einsatz kam, welcher die simultane Erfassung mehrerer Spezies ermöglicht. Alle Messungen wurden an einem Luftplasma vorgenommen, welches durch einen thermischen Lichtbogengenerator erzeugt wird. Basierend auf den Freistrahlmessungen konnten Eingabeparameter für die CFD-Simulation der Sondenanströmung erzeugt werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden ebenso präsentiert, wie die darauf aufbauenden Strahlungssimulationen. Die Diskussion der Ergebnisse beinhaltet den Vergleich mit den im Experiment gemessenen Größen und zeigt, dass eine gute numerische Reproduktion der von den molekularen Spezies emittierten Strahlung erzielt wurde. Damit konnten im PWK-Experiment sowohl die prinzipielle Funktionalität des Flugexperiments als auch eine mögliche Vorgehensweise zur Analyse der Flugdaten demonstriert werden.

In the present thesis, the development of an in-flight experiment, intended for application on re-entry vehicles, which is based on the principle of optical emission spectroscopy, is presented. The design of the experiment is oriented on the boundary conditions of ESA's EXPERT (European Experimental Re-Entry Testbed) mission. The experiment, as well as the whole mission, aims on the research of the atmospheric entry and the related aero-thermodynamic phenomena. The optical emission spectroscopy experiment developed in the present work, which covers the visual (VIS) and ultra-violet (UV) spectral range, contributes by measuring the electromagnetic radiation on the heat shield of the re-entry vehicle. The measurement data of the future flight will gain insight in the chemical and radiation processes in the bow shock and post shock regime forming in front of the spacecraft. Furthermore, the collected in-flight data will be used to investigate and further improve the chemical and radiation models applied in the numerical tools used to simulate atmospheric entry. Within this thesis the design of the measurement chain is evaluated based on numerical flow field and radiation simulations of the planned flight trajectory. It is shown, that in case of the EXPERT re-entry, the emitted radiation in the analysed spectral range is dominated by nitrogen monoxide and oxygen molecular bands. Considering also the 777nm oxygen triplet predicted in the simulated spectra, it is concluded that the expected flight data is primarily suitable to investigate and potentially validate the modelling of chemical reactions involving oxygen, including formation of nitrogen monoxide (Zeldovich mechanism) and of the radiation models of the corresponding species. In addition, the design, the functional principle and the successful qualification of the developed sensor system is described.

Further emphasis is laid on the simulation of the new developed in-flight experiment in plasma wind tunnel tests. For this purpose, optical emission spectroscopic measurements based on a plasma wind tunnel probe placed in the centre of a plasma jet were performed, which are representative for the in-flight experiment. In addition, the incident ow on the probe was intensively characterized. All measurements are carried out in an air-plasma generated by a thermal arc jet. The obtained free-stream data includes radial profiles of heat flux density, total pressure, local mass specific enthalpy, free-stream velocity and translational temperatures of the plasma species atomic oxygen and atomic nitrogen. To obtain free-stream velocities and translational temperatures, Fabry-Perot-interferometry was applied. Here, a test set-up for the simultaneous observation of several species within a single measurement could be applied for the first time in plasma wind tunnel experiments. Evaluating the free-stream measurements, input parameters for the numerical simulation of the flow field around the optical emission spectroscopy probe were derived. The findings of these computational fluid dynamics (CFD) simulations are presented together with the outcome of the subsequent numerical calculation of the emitted radiation. The discussion of the results includes the comparison with the measured quantities. It is shown, that radiation emitted by the molecular species is well reproduced by the performed numerical simulations. Thus, the plasma wind tunnel experiment does not only successfully demonstrate the fundamental principles of the flight experiment itself, but also the feasibility of the approach proposed for the post-flight analysis of the in-flight measurement data.