Entwicklung einer temperaturempfindlichen anorganischen Farbe zum Einsatz bei hohen Temperaturen auf einem Keilmodell

Abstract

Zur Untersuchung der strömungsmechanischen Eigenschaften von Luft- und Raumfahrtsystemen werden häufig Messungen in Windkanälen durchgeführt. Die Strömungsbedingungen spiegeln sich in den Oberflächentemperaturen des Modells wider. Die Wandtemperaturen lassen sich mit temperatursensitiver Farbe (TSP) bestimmen. Diese ändert ihre Leuchtkraft bzw. die Quanteneffizienz der Lumineszenz in Abhängigkeit von der lokalen Temperatur. Somit kann, je nach ausgewähltem Leuchtstoff, die Oberflächentemperatur von Objekten sichtbar gemacht werden, ohne dass es zu einem Flächenverlust durch Messinstrumente kommt. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen wurde in der Vergangenheit viel zu organischen Leuchtstoffen für kryogene und RaumtemperaturAnwendungen geforscht. Diese zeichnen sich durch hohe Präzision aus. Allerdings ist der Temperaturbereich auf maximal 100 °C beschränkt. Um Messungen unter realistischen Bedingungen durchzuführen, sind Farbstoffe für höhere Temperaturen erforderlich. Hierfür bieten sich anorganische Leuchtstoffe an. Am DLR Göttingen wurden hierfür bereits Vorarbeiten geleistet und in Zusammenarbeit mit der FH Münster der Phosphor Sr,CaAlSiN₃:Eu²⁺ entwickelt. Dieser ist für den Bereich von 150–450 °C geeignet und aufgrund seiner Abklingzeit von ca. 1 µs auch für die Beobachtung schneller Prozesse geeignet. In dieser Arbeit wird der europiumdotierte Phosphor auf seine Anwendbarkeit in einem Ludwig-Rohr-Windkanal geprüft. Der in Göttingen befindliche Hypersonische Prüfstand Göttingen (HPG) wurde erstmals eingesetzt, um die Forschung an Hochtemperatur-TSP (HTSP) voranzutreiben. Der Phosphor wurde spektroskopisch charakterisiert, bei Temperaturen bis 400 °C in der Hochtemperaturkalibrierkammer kalibriert und es wurde der Einfluss der Atmosphäre auf die Leuchteigenschaften untersucht. Für die Beschichtung von Oberflächen wurden verschiedene Binder getestet und bewertet. Auch die Oberflächenrauigkeit der Farbe wurde bestimmt. Anschließend wurde in dieser Arbeit ein erster Anwendungsversuch im neu wiederaufgebauten Ludwiegrohr-Windkanal in Göttingen durchgeführt. Dabei wurde die HTSP bei hypersonischer Strömung von Mach 9und Temperaturen bis zu 400°C getestet. Neben der verwendeten HTSP wurden zudem Vergleichsmessungen mit denTSPs Eu(C₁₁H₇O₂S₂) (OV322) und [Ru(phen)₃]Cl₂ durchgeführt, um mögliche Grenzen der Auflösung der HTSP zu ermitteln.