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. Beschreibung der Anlagen und Messsysteme
3.1. Die Vakuumanlage und der Tank
Für die Versuche im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Vakuumtank Nr. 4 im IRS-Labor eingesetzt (s. Bild 3.1 ). Dieser hat eine zylindrische Form mit einer Länge von 4.5 m und einem inneren Durchmesser von 2 m. Der Zylinder endet auf der einen Seite mit einem Deckel, der auf einer mobilen Stütze montiert ist, um so das Öffnen und Schließen zu ermöglichen. Der Deckel ist mit zahlreichen Öffnungen für Stromkabel und Wasserversorgungsleitungen versehen, die z.B. zum Betrieb der Pendelwaage notwendig sind. Eine detaillierte Beschreibung ist in [1] zu finden. Der Tank ist doppelwandig und wassergekühlt, wobei das Kühlwasser im Zwischenraum der beiden Wände zirkuliert um der hohen Temperatur während des Betriebs des Triebwerks zu widerstehen.
Bild 3.1. Der Vakuumtank Nr. 4 des IRS
Das Pumpsystem besteht aus 4 Stufen. In den ersten drei Stufen beträgt die Saugleistung der Pumpen 6000 m3/h bei Atmosphärendruck und steigt bis zu 140000 m3/h bei 10 Pa, gemessen im Ansaugrohr des Systems, das einen Durchmesser von 1 m hat. Der minimale Druck des Systems beträgt 0.5 Pa. Mit Hilfe der vierten Stufe kann die Saugkapazität auf 250000 m3/h erhöht werden. Sie besteht aus einer Alcatel Rootspumpe mit einer Saugleistung von 120000
m3/h und ist parallel zu den ersten drei Stufen installiert. Der Druck der im Tank erzielt werden soll, wird durch die Beimischung von Umgebungsluft reguliert.
3.2. Der Koordinatentisch
Jede Sonde, die für Messungen im Plasmastrahl benutzt wird, ist auf eine Stütze geschraubt, die auf einen Koordinatentisch montiert ist. Dieser kann durch zwei Schrittmotoren in X-und Y- Richtung in einem Bereich von 400 mm bzw. 300 mm bewegt werden. Diese Bewegungen werden von einem Computerprogramm mit einer Genauigkeit von ±0.1 mm gesteuert, das auch die Auswahl der geeigneten Geschwindigkeit zur Ausführung der programmierten Verfahrbewegungen erlaubt. Der Koordinatentisch ist gegen Wärme durch wassergekühlte Kupferbleche geschützt.
Bild 3.2. Der Koordinatentisch im Vakuumtank 4
3.3. Die Pendelwaage zur Schubmessung
Im Tank 4 ist eine Schubmesspendelwaage installiert. In Bild 3.3 ist diese Vorrichtung mit ihren Hauptkomponenten graphisch dargestellt. Im Allgemeinen stellt die Verbindung zwischen der Wasser und Stromversorgung und dem mobilen Teil des Messsystems ein Problem dar. Deswegen erfolgt die Versorgung im Tank 4 über frei hängende Leitungen, die
er in der Nulllage immer eine Signalspannung zwischen 0.8 V und 1.2 V zurückgibt. Die Verriegelung soll das Pendel halten, während der Tankdeckel geöffnet und geschlossen wird. Die Verriegelungsstange ist eine Zahnstange. Die Verriegelung wird durch einen Motor geöffnet und geschlossen, der über ein Zahnrad die Zahnstange bewegt. Mit den Ausgleichsgewichten wird die Nulllage der Pendelwaage eingestellt.
Bild 3.3. HIPARC-R montiert an Pendelwaage. A) HIPARC-R mit abgeklebter Kathode, B) Pendel, C) Versorgungsleitungen für Strom und Gas, D)
Ausgleichsgewichte, E) Auslenkungssensor, F) Schrittmotor für die Sensorverstellung, G) Pendelverriegelung, H) Schneidenlagerung des Pendels
3.4.
Die Pitot-Sonde
Die für die Pitotdruckmessungen benutzte Sonde besteht aus Kupfer und hat eine Länge von 152 mm und einen äußeren Durchmesser von 35 mm. Sie ist charakterisiert durch eine ebene Stirnfläche mit einem Loch mit einem Durchmesser von 17.5 mm. Damit beträgt das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der Sonde und dem Lochdurchmesser 0.5. Aufgrund ihrer großen Abmessungen stellt die Sonde ein erhebliches Störelement für den Plasmastrahl dar. Sie sind aber trotzdem notwendig um das Wasserkühlungssystem, das sich im Sondenkopf befindet aufzunehmen. Das Wasserkühlungssystem ist ein wesentliches Element der Sonde, damit sie der hohen Temperatur im Plasmastrahl während den Tests widerstehen kann. Die Sonde ist durch einen flexiblen Schlauch mit einer Druckmessdose und durch zwei Schläuche mit dem Wasserversorgungssystem verbunden.
Bild 3.4. Die Pitot-Sonde
3.5. Die Druckmessdose
3.5.1. Der Druckaufnehmer
Der Druckaufnehmer, der für die Pitotdruckmessungen benutzt wurde, ist ein Kapazitätsvakuummeter der Firma MKS, ein sogenanntes Baratron, vom Typ 122.
Das Gerät benötigt lediglich eine ±15V Gleichspannungsversorgung und liefert ein Gleichspannungssignal zwischen 0 und 10V, das direkt proportional zum Druck ist. Es mißt den Absolutdruck, und die Messung ist unabhängig von der Gasart. Bild 3.5 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Aufnehmers, in Bild 3.6 ist eine Schnittdarstellung des verwendeten Baratrons gezeigt.
Die Sensorkapsel enthält die Membran und die auf eine Keramik aufmetallisierte Elektrodenstruktur. Die Referenzseite (Rückseite) der Membran ist auf einen sehr geringen Druck evakuiert, viel geringer als die Drücke, die gemessen werden sollen. Mit Hilfe einer internen chemischen Getterpumpe wird das Hochvakuum auf der Referenzseite über die Lebensdauer des Manometers aufrechterhalten.
Der Sensor besteht aus Inconel. Der Druck wird bestimmt, indem die Kapazitätsänderung zwischen der metallenen Membran und einer benachbarten zweiten Elektrode gemessen wird. Die Meßmethode besitzt eine sehr geringe Hysterese, ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit, hohe Auflösung (1·10-5 des Skalenendwertes) und eine kurze Ansprechzeit.
Normalerweise wird der Druckaufnehmer innerhalb des Vakuumtanks montiert, um eine kurze Entfernung zwischen der Pitotsonde und dem Druckaufnehmer zu erreichen. Am Tank waren jedoch nur Schlauchdurchführungen, die normalerweise für die Kühlwasserversorgung benutzt werden, verfügbar, aber keine elektrischen Durchführungen zum Anschluß des Baratrons. Deshalb wurde der Aufnehmer außerhalb des Tanks befestigt, und durch einen flexiblen Schlauch mit einem KF-Flansch mit der Sonde verbunden. Trotz der recht großen Entfernung zwischen Sonde und Aufnehmer wurden jedoch keine signifikanten Fehler in der Druckmessung erwartet, da die Schlauchleitung einen großen Durchmesser von 10 mm hatte und die Verfahrgeschwindigkeit mit 10mm/s sehr gering war.
Das Signal des Druckaufnehmers wurde mittels eines Transientenrekorders aufgezeichnet, da das Meßprogramm zur Steuerung des HIPARC-Triebwerks bzw. der Pendelschubmeßwaage nur für Druckmessungen mit einem piezoelektrischen Aufnehmer vorbereitet war, der sich aber für die Pitotdruckmessungen als nicht empfindlich genug erwies.
Bild 3.6. Der Baratron Sensor Typ 122.
3.6. Die Wärmeflussdichtesonde
Zur Bestimmung des Wärmeflusses kann man ganz generell zwei verschieden Möglichkeiten unterschieden: die stationäre und die instationären Methoden. In dieser Arbeit ist eine stationäre Methode benutzt worden. Die Sonde, besteht aus einem Messwertaufnehmer in einem wassergekühlten Sondenhalter. Der Wärmeflusssensor ist, nach seinem Erfinder Robert Gardon, Gardon Gage genannt. Er besteht aus einer Wärmesenke in der Form eines Hohlzylinders aus Kupfer und eine darauf gelöteten Konstantanfolie. Die Folie ist in ihrem
Mittelpunkt mit einem Kupferdraht verbunden. Wird die Wärmesenke durch den wassergekühlten Sondenkörper auf einer konstanten Temperatur gehalten, so bildet sich aufgrund der endlichen Wärmeleitfähigkeit des Konstantans ein radiales Temperaturgefälle auf der Folie aus. Die Beziehung zwischen der Temperaturgradienten, gemessen zwischen dem Mittelpunkt und dem Rand der Folie, und den Wärmeflusswert wird in Kapitel 4.2 erklärt. Der Sondenkörper ist aus Kupfer, mit einem äußeren Durchmesser von 50 mm und 250 mm Länge.
Wärmefluß
Gardon Gage Wärmeflußsensor
Gehäusekühlung
Bild 3.7. Die Wärmeflussdichtesonde
3.7. Die Flugzeitssonde
Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas werden Fluktuationen in der Ladungsträgerdichte ausgenutzt, die in strömenden Plasmen oft auftreten. Dafür wird eine Flugzeitsonde benutzt. Eine Flugzeitsonde besteht aus zwei elektrischen Doppelsonden, die in einem definierten Abstand hintereinander angeordnet sind. Eine Doppelsonde besteht aus zwei zylindrischen Sondenelektroden die vollständig in das Plasma eintauchen, und gegen ihren Halter isoliert sind. Jede Sondenelektrode besteht aus einem geraden Wolframdraht, der in ein isolierendes Aluminiumoxidröhrchen eingebettet ist. Wolframdraht ist aufgrund seines hohen Schmelzpunktes besonders geeignet. Die Aluminiumoxidröhrchen wiederum stecken in einer metallischen Halterung (in diesem Fall aus Messing), die die elektrische Abschirmung gewährleistet. Außerdem ist, als Schutz vor der Wärme des Plasmastrahls, um jede Doppelsonde eine zusätzliche Isolierung aus Keramik angebracht.
3.8. Die Flugzeitsonde
3.8. Die gekreuzten Einzelsonden
Eine solche Sonde besteht aus zwei zylindrischen elektrostatischen Sondenelektroden von denen eine um einen Winkel von 90° gebogen ist. So bei der Flugzeitsonde, sind die Sondenelektroden aus zwei Hauptteilen zusammengesetzt: dem Wolframdraht und dem Aluminiumoxidisolator. Diese sind wiederum in einen Messingkopf gesteckt. Der Aluminiumoxidisolator steht ca. 5 mm bzw. 10 mm. aus dem Sondenmesskopf vor. Die Aluminiumoxidröhrchen sind mit Keramikkleber an dem Sonden fixiert. Der Sondenkopf für die gekreuzten Einzelsonden ist so ausgelegt, dass sich beide Sonden mittig kreuzen. Der Sonden wurde in den in Bild 3.9 gezeigten Sondenhalter eingebaut.
