Numerische Untersuchung von VLEO-Testanlagen

Es wird eine experimentell gut charakterisierte Bodenversuchsanlage realisiert, die auf einem mit einem Skimmer adaptierten Plasmawindkanal basiert (siehe Bild). Hier sollen Tests unter VLEO-Bedingungen stattfinden, die einen Einblick in das Materialverhalten in den sehr niedrigen Erdorbits geben. Die zugehörige Methodik für kombinierte experimentelle und numerische Untersuchungen von Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen wird etabliert und evaluiert. Dies wird insbesondere eine experimentelle Validierung der physikalischen Modelle ermöglichen, die in den numerischen Werkzeugen verwendet werden.

Zur Untersuchung der post-Skimmer-AO-Strömung wird der PIC-DSMC-Solver PICLas eingesetzt, um damit eine numerisch gestützte Optimierung des austauschbaren Skimmer-Moduls der Anlage (Öffnungsdurchmesser, Längen-/Durchmesserverhältnis, Winkel etc.) zu ermöglichen. Zu den betrachteten Aspekten zählen der Einfluss von Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen zwischen der Strömung und dem Skimmer sowie den Wänden des Vakuumbehälters auf die innerhalb der Anlage durchgeführten Messungen. Während die Gasphasenchemie in freimolekularen Strömungsregimen vernachlässigbar ist, können heterogene katalytische Rekombinationsreaktionen und Reflexionen an diesen Strukturen zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen. Diese Effekte werden in Kooperation mit Projekt A02 (Gas-Oberflächen-Interaktionen im sehr niedrigen Erdorbit) analysiert, um den experimentellen Aufbau iterativ zu verbessern.

Aufgrund des Funktionsprinzips der zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des sekundären Niederdruckbereichs in der Testanlage eingesetzten Turbomolekularpumpen variiert deren Förderleistung zwischen verschiedenen Gasspezies. Dies führt zu unterschiedlichen Absaugraten der jeweiligen Restpartialdrücke sowie zu unterschiedlichen Gleichgewichtsniveaus der Partialdrücke bei einem gegebenen Zustrom durch den Skimmer.

Insbesondere Restwasserstoff oder Wasser, die in Hochvakuumsystemen allgegenwärtig sind, können experimentelle Ergebnisse verfälschen, beispielsweise durch chemische Reaktionen mit AO an Oberflächen oder in der Gasphase. Um solche Effekte in der numerischen Rekonstruktion zu berücksichtigen, wird die derzeit in PICLas implementierte adaptive Randbedingung, mit der ein homogener Rückstrom am Auslassrand modelliert werden kann, um eine speziesunterscheidende Methode erweitert. Die Simulationsergebnisse können anschließend Aufschluss über die Notwendigkeit sowie die optimale Positionierung zusätzlicher Abschirm- und/oder Absorptionswände in der Vakuumkammer geben, um diese Effekte zu minimieren.

Die post-Skimmer-Kernströmung weist eine vergleichsweise hohe makroskopische Geschwindigkeit auf. Die Umgebung dieser Kernströmung wird jedoch von der zufälligen thermischen Geschwindigkeitsverteilung der vorhandenen Spezies dominiert. Bei der Simulation von Strömungen mit geringen makroskopischen Geschwindigkeiten mittels partikelbasierter Methoden ist das statistische Rauschen bei der Bestimmung makroskopischer Größen relativ hoch, insbesondere für Spezies, die erst in der Simulation entstehen. Die Bestimmung genauer zeitlich gemittelter Werte mit ausreichend geringer Unsicherheit kann daher mit hohem Rechenaufwand verbunden sein. Da dieses Projekt eine effiziente numerische Untersuchung mehrerer unterschiedlicher Strömungszustände erfordert, werden Strategien zur effektiven Rauschreduktion implementiert und bewertet.