Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung transsonischer Plasmaströmungen unter Vakuumumgebung

In dieser Arbeit wird die Durchströmung eines thermoelektrischen Lichtbogentriebwerks anhand eines Experimentes und eines numerischen Modells untersucht.

Bei diesen Triebwerkstypen wird Gas zwischen zwei konzentrisch angeordneten Elektroden in einer Vakuumkammer ionisiert. In einem Versuchsaufbau werden mehrere verschieden komplexe Experimente nacheinander aufgebaut. Begonnen wird mit einem einfachen Ringspalt-Experiment, in dem das Zündverhalten der Edelgase Argon und Neon untersucht wird. Die Ergebnisse zu diesem Experiment und die daraus gezogenen Schlüsse für eine Weiterentwicklung des Experimentaufbaus werden in dieser Arbeit dokumentiert und dem Leser aufgezeigt. Bei der letzten gezeigten Ausbaustufe des Experiments handelt es sich um ein thermoelektrisches Lichtbogentriebwerk, dass über 30 min kontinuierlich mit über 600 W betrieben wurde, ohne zu versagen.

Parallel zum Experiment wird ein numerischer Code, eine Open-Source-Software, schrittweise weiterentwickelt, um die Experimente numerisch abbilden zu können. Hierfür werden mehrere Tests anhand der real durchgeführten Experimente durchgeführt, um die Qualität des numerischen Codes zu bewerten. Alle vorgenommenen Anpassungen im Code, als auch an den Versuchsaufbauten werden in dieser Arbeit skizziert.

Für die Simulation des thermoelektrischen Lichtbogentriebwerks wird ein Aufheizterm abgeschätzt. Dieser Aufheizterm wird in Kapitel 7.4 über eine Parameterstudie ermittelt. Final wird gezeigt, dass Experiment und das numerische Modell gut übereinstimmen. Auf Grund der guten Übereinstimmung der Experimente mit dem numerischen Modell kann auch die Ursache der Triebwerksabnutzung aufgezeigt werden. Der Verschleiß des Triebwerks ist am Größten in den Bereichen, in denen die lokalen Temperaturen weit oberhalb der Schmelztemperaturen der Werkstoffe liegen.