Charakterisierung eines Mini-Lichtbogenbrenners (Characterization of a miniature arcjet heater)

Kurzfassung

Ein Raumfahrzeug wird beim atmosphärischen Eintritt hohen thermischen Lasten ausgesetzt und benötigt zum Schutz der Struktur ein zuverlässiges Thermalschutzsystem. Für den Entwicklungsprozess neuartiger Materialien für Thermalschutzsysteme ist die Kenntnis der unter den Hochtemperaturbedingungen auftretenden Prozesse wie Ablation oder Pyrolyse, von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Betriebsverhalten eines am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelten miniaturisierten Lichtbogenbrenners für Materialtests charakterisiert. Als Kenngrößen für den Betrieb wurden die Strom-Spannungskennlinien für verschiedene Betriebsparameter erstellt und hieraus die Leistungscharakteristik ermittelt. Zudem wurden Druckmessungen zur Untersuchung der Strömungsprozesse der konvergentdivergenten Düse durchgeführt, die Messwerte wurden im Anschluss mit der theoretischen Düsenströmung verglichen. Die auf eine zu untersuchende Materialprobe wirkenden Wärmestromdichten wurden mittels Non-Integer-System-Identification ermittelt. Das Betriebsverhalten wurde sowohl für das bisherige Arbeitsgas Argon als auch für Stickstoff als mögliches Arbeitsgas charakterisiert. Hierbei konnte für die Strom-Spannungs-Kennlinien eine deutliche Abhängigkeit vom Massenstrom des Arbeitsgases und des Kathodenabstands gefunden werden. Für Materialtests wurde ein Betriebszustand mit Argon als Arbeitsgas festgelegt und ausführlich charakterisiert, bei einer Leistungseinkopplung von 2,6 kW konnten eine mittlere spezifische Enthalpie von 11,2 MJ/kg und eine mittlere Wärmestromdichte von 120 kW/m2 ermittelt werden. Beim Betrieb mit Stickstoff wurden bei einer eingekoppelten Leistung von 3,3 kW mit 82 kW/m2 deutlich niedrigere Wärmestromdichten ermittelt. Die Ergebnisse der Messungen werden im Kontext des atmosphärischen Eintritts betrachtet, hierbei erfolgt der Vergleich der Messdaten mit realen Flugtrajektorien. Mit dem charakterisierten Lichtbogenbrenner wurden Versuche mit Ablatormaterialien durchgeführt, das Materialverhalten während des Ablationsprozesses wurde hierbei während des Experiments mit in-situ-Röntgenbildgebung erfasst.