Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde für die Plasmawindkanäle PWK2 und PWK3 des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart ein neues massenspektrometrisches Meßsystem entwickelt, installiert und in Betrieb genommen. Das konusförmige, zweistufige Einlaßsystem hat eine geringe Verdrängungswirkung und ermöglicht daher Messungen in Generatornähe. Die trennbare Konusspitze erlaubt ein schnelles, unkompliziertes Wechseln zwischen dem Einlaßkopf für Freistrahltests und dem an die europäische Standardprobengeometrie angepaßten Materialtestkopf. Bei der Interpretation der Meßergebnisse wurden Computersimulationen mit dem Programm ARCHE des IRS für die Generatorströmung und mit dem DSMC-Verfahren von Bird für die Strömungssimulation im Versuchstank miteinbezogen. Mit ARCHE wurde erstmals eine Strömung aus reinem Sauerstoff im induktiven Plasmagenerator IPG3 simuliert. Durch umfangreiche numerische Experimente wurde herausgefunden, daß durch den starken Einfluss des Magnetfelds die Gyrationsfrequenz der Elektronen größer als ihre Stoßfrequenz wird, sodaß die elektrische Leitfähigkeit sinkt. Die hier eingeführte Modifikation der Berechnungsformel für die elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe eines Koeffizienten führt zu einer guten Übereinstimmung der numerisch berechneten Werte von Strahlleistung und Brennkammerdruck mit den experimentell ermittelten Werten. Sowohl die ARCHE-Simulation als auch eine eindimensionale Berechnung ergeben einen hohen Dissoziationsgrad. Mit dem PWK3/IPG3 ist also eine exzellente Möglichkeit zur Untersuchung von Detailaspekten der Wechselwirkung von Materialien, die Komponenten von Hitzeschutzsystemen für in die Erdatmosphäre eintretende Raumflugkörper sein können, mit einer hochenthalpen, reinen Sauerstoffströmung gegeben.

    In this work, a new mass spectroscopic system was developed in the Institute of Space Systems. It was installed and operated in the plasma wind tunnels PWK2 and PWK3. The cone-shaped, two-stage inlet system leads to a low flow displacement and, hence, enables measurements near the plasma generator nozzles. The tip of the cone can be exchanged easily so that both free stream tests and material investigations with the European standard probe geometry can be performed. For the interpretation of measurement data, computer simulations were conducted for the generator flows with the code ARCHE of the Institute of Space Systems and for the tank flows with the DSMC code of Bird. For the first time, the flow of pure oxygen in the inductive plasma generator IPG3 was simulated with ARCHE. During extensive numerical experiments it was found that the strong influence of the magnetic field causes the gyration frequency of the electrons to be higher than their collisional frequency, so that the electrical conductivity decreases. With the help of a coefficient, the formula for the electrical conductivity was modified, leading to a good agreement of the numerically calculated values for plasma jet power and chamber pressure with the experimentally obtained values.


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    Titel :

    Beiträge zur Massenspektroskopie in hochenthalpen Plasmawindkanalströmungen


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2009


    Format / Umfang :

    118 Seiten, Bilder, Tabellen, 121 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch





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