Bestimmung der lokalen spezifischen Enthalpie in Plasmawindkanalanlagen
Final Report Abstract
Hitzeschutzmaterialien, die für Flüge aus dem All in die Atmosphäre eines Planeten eingesetzt werden, müssen am Boden im Hinblick auf die zu erwartenden chemischen und thermischen Lasten getestet werden, was spätestens seit dem Unglück des Space Shuttle Columbia auch für die breite Öffentlichkeit offensichtlich sein dürfte. Derartige Tests werden in Bodentestanlagen durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften der Körperumströmung beim Wiedereintritt resultieren aus der hohen Geschwindigkeit des Raumflugkörpers, was zu einem Gaszustand hoher Enthalpie führt, der durch den Verdichtungsstoß vor dem Flugkörper entsteht. Das Gas wird hierbei teilweise dissoziiert und ionisiert und ist in Oberflächennähe weder im thermischen noch im chemischen Gleichgewicht. In Bodentestanlagen, sogenannten Plasmawindkanälen, die zur Qualifikation von Hitzeschutzmaterialien benötigt werden, wird der entsprechende Gaszustand in Oberflächennähe dadurch erreicht, dass der ruhende Testkörper einer durch Plasmageneratoren erzeugten Hochenthalpieströmung ausgesetzt wird. Die möglichst genaue Bestimmung dieser Enthalpie ist von großer Bedeutung für die Nachbildung der Wiedereintrittsbedingungen in Oberflächennähe. Im Rahmen des Vorhabens wurde mit Hilfe optischer Messtechniken die lokale massenspezifische Enthalpie bestimmt und mit Sondenmessmethoden bestätigt. Dabei stellen sowohl die Messungen der laserinduzierten Fluoreszenz an induktiv erzeugten reinen Sauerstoff- und Stickstoffplasmen als auch die modifizierten Enthalpiemessungen wissenschaftliche Neuerungen dar. Die erzielten Ergebnisse aus den laserspektroskopischen Messungen dienen darüber hinaus in Zukunft auch der Kalibrierung von Sensorsystemen, die voraussichtlich 2010 auf der Raumkapsel EXPERT mitfliegen werden. Insofern können dann auch die Ergebnisse dieses Vorhabens in Bezug zu realen Flügen gesetzt werden. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens konnte die Enthalpie lokal in einer hochenthalpen Plasmaströmung gemessen werden. Die Ergebnisse werden bereits für die Kalibrierung von Flugexperimenten auf der Mission EXPERT verwendet. Die im Rahmen des Vorhabens verbesserte Sondenmesstechnik ist nun qualifiziert einsetzbar und aufgrund der Robustheit in vielen sowohl raumfahrtrelevanten als auch plasmatechnologischen Anwendungen und Fragestellungen von Interesse. Ein Problem, dem sich die Wissenschaftler zum Ende der Antragsphase auch bereits gewidmet haben, ist die vielfach unzureichende Kenntnis atomphysikalischer Größen (vor allem Übergangsraten und –querschnitte) bei den laserinduzierten Fluoreszenzmessungen. Hier besteht großes Potential, die Messgenauigkeit noch zu verbessern.
Publications
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"Laser-induced Fluorescence Measurements in Inductively Heated High-Enthalpy Plasma Flows", 38th AIAA Thermophysics Conference, Toronto, Canada, 2005
Löhle, S., Auweter-Kurtz, M., Pidan, M., Herdrich, G.
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"Atomic Oxygen Number Density Measurements in Inductively Heated Air Plasma Flows", 37th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, San Francisco, USA, 2006
Löhle, S., Auweter-Kurtz, M.
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"LIF-Measurements of Atomic Oxygen in Inductively Heated Plasma Flows Using Two Calibration Methods", 25th Aerodynamic Measurement and Ground Testing Conference, San Francisco, USA, 2006
Löhle, S., Auweter-Kurtz, M.
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"Untersuchung von Wiedereintrittsplasmen mit Hilfe laserinduzierter Fluoreszenzmessungen", Universität Stuttgart, Fakultät für Luftund Raumfahrttechnik und Geodäsie, Dissertation, 2006
Löhle, S.
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"Laser-Induced Fluorescence Measurements of Atomic Oxygen Using Two Calibration Methods", AIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.21, No.3, 2007
Löhle, S., Auweter-Kurtz, M.
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"Local Enthalpy Measurements in a Supersonic Arcjet Facility", AIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 21, No.4, 2007
Löhle, S., Auweter-Kurtz, M., Eberhart, M.
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"On Calibration of Laserinduced Fluorescence Measurements in Plasma Flows Using Rare Gases", 14th Int. Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lissabon, Portugal, 2008
Eichhorn, C., Löhle, S., Knapp, A., Auweter-Kurtz, M.
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"Oxygen Flow Properties deduced from Laser-induced Fluorescence and Probe Measurements", Applied Optics, Vol. 47, No. 11, 2008
Löhle, S., Eichhorn, C., Steinbeck, A., Lein, S., Herdrich, G., Röser, H.-P., Auweter-Kurtz, M.
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"Two-Photon Excitation of some np(p>8) and nf(f>5) Levels in Neutral Xenon", 39th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, Seattle, USA, 2008
Eichhorn, C., Löhle, S., Knapp, A., Fritzsche, S., Auweter-Kurtz, M.
