DE19653887C1

DE19653887C1 - Prüfvorrichtung zum Beaufschlagen einer Probe mit einem hochenergetischen Gasstrahl

Info

Publication number: DE19653887C1
Application number: DE19653887A
Authority: DE
Inventors: Karl-Aloys Dr Buetefisch
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1996-12-21
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2016-12-22
Also published as: FR2757738B1; FR2757738A1; US5935459A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüfvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum definierten Beaufschlagen einer Probe mit einem hochenergetischen Gasstrahl, um beispielsweise aerodynamische Materialbelastungen zu simulieren.

Das Verhalten gegenüber der Beaufschlagung mit hochenergetischen Gasstrahlen ist immer dann von Interesse, wenn Materialien für Anwendungen ausgewählt werden, bei denen solche Gasstrahlen auf treten oder zumindest auftreten können. Dies ist beispielsweise bei den Materialien der Fall, die die Oberfläche des Suchkopfs eines Flugkörpers ausbilden. Diese Materialien müssen auch bei hohen Machzahlen ihre Durchsichtigkeit beibehalten. Typisch ist, daß nur für einen begrenzten Zeitraum die relevanten Material eigenschaften erhalten bleiben müssen, da die Beaufschlagung mit hochenergetischen Gasstrahlen auch in der Realität nur über einen kurzen Zeitraum erfolgt. Entsprechend reicht es im Prinzip aus, bei der Prüfung von Materialien die Beaufschlagung mit einem hochenergetischen Gasstrahl für einen begrenzten Zeitraum auszuführen.

Eine Prüfvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 52 07 388 bekannt. Die ältere Patentschrift beschreibt das Prüfen von Materialien, die hohen thermischen und Druckbeanspruchungen beispielsweise bei Raumflugkörpern ausgesetzt sind, durch Beaufschlagung einer Probe der Materialien mit einem hochenergetischen Gasstrahl. Konkret betrifft die ältere Patentschrift die Ausgestaltung einer einem Plasmabrenner nachgeschalteten Düse zum Richten des hochenerge tischen Gasstrahls auf die jeweilige Probe.

Bekannte Prüfvorrichtungen zum Beaufschlagen einer Probe mit einem hochenergetischen Gasstrahl weisen einen stationären Auf bau auf. Bei der Durchführung einer einzelnen Prüfung vergeht ein gewisser Zeitraum, bis sich der die Probe beaufschlagenden Gasstrahl stabilisiert hat und definierte Bedingungen der Beaufschlagung vorliegen. Unkontrollierte Bedingungen liegen auch vor, während der Gasstrahl wieder abgeschaltet wird, nachdem die eigentliche Prüfung beendet ist. Das Anfahren und Abschalten der Prüfvorrichtung macht sich insbesondere dann als Unsicherheit negativ bemerkbar, wenn die definierte Beauf schlagung mit dem Gasstrahl nur über einen sehr kurzen Zeitraum erfolgen soll.

Andere bekannte Prüfvorrichtungen zum Beaufschlagen einer Probe mit einem hochenergetischen Gasstrahl basieren auf Windkanälen oder Testschlitten, die hauptsächlich dazu dienen, aerodynamisch hervorgerufene Kräfte zu erfassen. Der Betrieb von Windkanälen oder Testschlitten zum Beaufschlagen einer Probe mit einem hoch energetischen Gasstrahl ist extrem kostenintensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfvorrichtung zum definierten Beaufschlagen einer Probe mit einem hochener getischen Gasstrahl aufzuzeigen, die mit geringem Aufwand betreibbar ist und die die Beaufschlagung der Probe mit einem definierten Gasstrahl für definierte kurze Zeiträume ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Plasmabrenner vorgesehen ist, der einen durch ein Plasma aufgeheizten, auf die Probe gerichteten Gasstrahl erzeugt, und daß vor der Probe eine massive Metallplatte angeordnet ist, die eine Gegenelektrode des Plasmabrenners bildet, die um eine Drehachse drehantreibbar gelagert ist und die eine Durchbrechung aufweist, welche in einer bestimmten Drehstellung der Metallplatte um die Drehachse die Probe für den Gasstrahl freigibt. Der hochenergetische Gasstrahl wird bei der neuen Prüfvorrichtung von einem Plasmabrenner bereitgestellt. Solche Plasmabrenner sind bekannt und werden üblicherweise für das Schneiden von Metall und anderen Materialien verwendet. Beim Zünden und Löschen eines Plasmabrenners treten zwar für gewisse Zeiträume undefinierte Zustände auf. Dies ist jedoch unerheb lich, weil der Gasstrahl in diesen Zeiträumen nicht auf die Probe auftrifft, sondern von der massiven Metallplatte zurückge halten wird. Erst wenn sich das Plasma in dem Plasmabrenner und damit der aufgeheizte Gasstrahl stabilisiert hat, wird die Metallplatte so um ihre Drehachse verdreht, daß die Durch brechung die Probe für den Gasstrahl freigibt. Nach und/oder während der gewünschten Dauer der Beaufschlagung wird die Metallplatte weitergedreht, so daß der Gasstrahl anschließend wieder auf die Metallplatte auftrifft. Dann kann der Plasma brenner gelöscht werden, ohne daß dies undefinierte Bedingungen für die Prüfung verursacht.

Die Metallplatte wird vorzugsweise kontinuierlich gedreht, wobei die Durchbrechung den aufgeheizten Gaststrahl kreuzt und diesen dabei freigibt.

Auch während der Gasstrahl auf die Metallplatte auftritt, wird diese vorzugsweise weitergedreht, damit der Gasstrahl kein Loch durch die Metallplatte hindurchbrennt. Ein lokales Aufschmelzen der Metallplatte am Auftreffpunkt des Gasstrahls wird dabei in Kauf genommen. Nach dem Weiterdrehen der Metallplatte erstarrt das geschmolzene Metall in diesem Bereich wieder, weil die Schmelzwärme in das umliegende Metall abgeleitet wird.

Die neue Prüfvorrichtung besteht aus einfachsten Komponenten und ist dennoch geeignet, genau definierte kurzzeitige Beaufschla gungen einer Probe mit einem hochenergetischen Gasstrahl durchzuführen.

Grundsätzlich kann die Metallplatte auch mehrere Durchbrechungen aufweisen. Dies ist jedoch in der Regel nicht erforderlich. Die Durchbrechung kann geradlinig oder rund begrenzt sein, wobei ein runder Querschnitt wegen der symmetrischen Anordnung um einen im Querschnitt runden Gasstrahl bevorzugt ist.

Um die Drehstellungen der Metallplatte um die Drehachse genau vorgeben zu können, kann ein bezüglich der Drehstellung der Metallplatte um die Drehachse ansteuerbarer Drehantrieb für die Metallplatte vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispiels weise um einen rechnergesteuerten Schrittmotor handeln.

Wenn der Gasstrahl auf dem Grund einer ringförmigen Nut in der Oberfläche der Metallplatte auf die Metallplatte auftrifft, wird verhindert, daß aufgeschmolzenes Metall der Metallplatte in der Ebene der Oberfläche der Metallplatte wegfließt.

Die Nut weist vorzugsweise einen abgerundeten Querschnitt auf, damit die Oberflächenspannungen des geschmolzenen Metalls genutzt werden, das Metall an seinem ursprünglichen Ort zu halten.

Der Grund der Nut kann mit einer keramischen Abdeckung versehen sein. Diese keramische Abdeckung verhindert ein Aufschmelzen der Metallplatte an ihrer Oberfläche. Das an den Grund der Nut angrenzende Metall der Metallplatte dient als Gegenelektrode des Plasmabrenners und auch dazu, die auftretende Wärmeenergie schnell von der keramischen Abdeckung abzuleiten und zu verteilen.

Auch die Durchbrechung kann eine keramische Auskleidung aufwei sen, um das Metall der Metallplatte dort vor dem hochenergeti schen Gasstrahl zu schützen.

Ein abgerundeter Querschnitt der Nut verhindert das Auftreten von Feldspitzen an der Oberfläche der Metallplatte. Die keramische Abdeckung, dort wo der Gasstrahl auf die Metallplatte auftrifft und die keramische Auskleidung der Durchbrechung sorgen dafür, daß die Ionenströme unabhängig davon, ob der Gasstrahl von der Metallplatte aufgefangen wird oder durch die Durchbrechung zu der Probe gelangt etwa den selben Verlauf aufweisen. Sie laufen in jedem Fall zu den Bereichen der Metallplatte, die seitlich an die keramische Abdeckung, beziehungsweise die keramische Auskleidung angrenzen.

Die Metallplatte kann nicht nur als Gegenelektrode, sondern auch als Zündelektrode des Plasmabrenners vorgesehen sein.

Um Ladungseffekte bei der Beaufschlagung der Probe mit dem hoch energetischen Gasstrahl zu vermeiden, kann eine Absaugelektrode zum Entfernen geladener Teilchen aus dem Gasstrahl vor der Probe angeordnet sein.

Die Neutralität des Gasstrahls kann vor der Probe mit einer Langmuirsonde überwacht werden, wobei die Anzahl der geladenen Teilchen durch einen aufgrund eines Absaugpotentials auftretenden Strom quantitativ bestimmt werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbei spielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform der Prüfvorrichtung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Prüfvorrichtung in den gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 abweichen den Details und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Metallplatte der Prüfvorrich tung gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Prüfvorrichtung 1 dient zum defi nierten Beaufschlagen einer Probe 2 mit einem hochenergetischen Gasstrahl 3, der hier in Form von Teilstrahlen zeichnerisch dargestellt ist. Der Gasstrahl 3 tritt ursprünglich aus einem Bauteil 4 aus, das eine Zündelektrode 5 aufweist und das hier immer als Plasmabrenner bezeichnet wird, obwohl zu dem Plasmabrenner 4 auch noch eine Gegenelektrode gehört, die hier von einer Metallplatte 6 außerhalb des Bauteils 4 gebildet wird. Zwischen dem Plasmabrenner 4 und der Metallplatte 6 liegt eine Hochspannung 8 an, die eine Lichtbogenentladung zwischen dem Plasmabrenner 4 und der Metallplatte 6 aufrechterhält, welche zunächst mit der Zündelektrode 5 gezündet wurde. Das heißt, zwischen dem Plasmabrenner 4 und der Metallplatte 6 brennt ein Plasma, das den Gasstrahl 3 aufheizt. Der Gasstrahl 3 gelangt nur in der in Fig. 1 dargestellten Drehstellung der Metall platte 6 um eine Drehachse 9 bis auf die Probe 2. Ansonsten trifft der Gasstrahl 3 auf dem Grund einer Nut 10 mit abgerunde tem Querschnitt auf die Metallplatte 6 auf und wird von dieser zurückgehalten. Dabei wird die Metallplatte 6 lokal aufge schmolzen. Das aufgeschmolzene Metall wird jedoch durch von der Formgebung der Nut 10 unterstützte Oberflächenspannungen an seinem ursprünglichen Ort zurückgehalten. Ein Verdrehen der Metallplatte 6 um die Drehachse 9 verhindert, daß der Gasstrahl 3 ein Loch durch die Metallplatte 6 brennt. Die Durchbrechung 11, durch die der Gasstrahl 3 in der Drehstellung der Metall platte 6 um die Drehachse 9 gemäß Fig. 1 auf die Probe 2 fällt, ist gezielt in die Metallplatte 6 eingebracht und dient als Blendenöffnung für den Gasstrahl 3. Verdreht wird die Metallplatte 9 in Richtung eines Drehpfeils 12 von einem Drehantrieb 7, der von einer Steuereinrichtung 13 bezüglich der Drehstellung der Metallplatte 6 um die Drehachse 9 ansteuerbar ist. Dabei kommt es nicht allein darauf an, die Durchbrechung 11 für einen definierten Zeitraum über der Probe 2 anzuordnen, damit der Gasstrahl 3 die Probe beaufschlagt. Vielmehr ist ein kontinuierliches Verdrehen der Metallplatte 6 sinnvoll, damit der auftreffende Gasstrahl die Metallplatte 6 zwar lokal aufschmelzt, aber niemals so lange einwirken kann, daß ein Loch durch die Metallplatte 6 hindurchgebrannt wird. Die Steuer einrichtung 13 steuert überdies den Gasfluß durch den Plasmabrenner 4 über ein Ventil 14, das in einer Gaszuleitung 15 des Plasmabrenners 4 angeordnet ist. Weiterhin ist die Steuer einrichtung 13 vorgesehen, die Hochspannung 8 zwischen dem Plasmabrenner 4 und der Metallplatte 6 zu regeln. Beispielsweise kann die Hochspannung 8 nach dem Zünden des Plasmas zum Aufrechterhalten des Plasmas deutlich heruntergefahren werden. Darüberhinaus legt die Steuereinrichtung 13 an eine Absaug elektrode 16 zwischen der Metallplatte 6 und der Probe 2 ein Absaugpotential an, um geladene Teilchen aus dem Gasstrahl 3 zu entfernen. Hierdurch werden Ladungseffekte bei der Beaufschla gung der Probe 2 mit dem Gasstrahl 3 verhindert. Die Absaug elektrode 16 kann vorgesehen sein, entweder Elektronen oder Gasionen abzusaugen. Dies hängt von dem angelegten Potential ab. Mit einer Langmuirsonde 17 stellt die Steuereinrichtung 13 fest, welche Art von geladenen Teilchen im Überschuß in dem Gasstrahl 3 vorliegen und abgesaugt werden sollten. Neben der Absaug elektrode 16 kann aber auch eine zweite Absaugelektrode vorgesehen sein, so daß sowohl negativ, als auch positive Teil chen aus dem Gasstrahl 3 entfernt werden können.

Bei dem Betrieb der Prüfvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 ist insbesondere vorgesehen, das Zünden des Plasmas zwischen dem Plasmabrenner 4 und der Metallplatte 6 mit Hilfe der Zünd elektrode 5 und auch das Löschen des Plasmas bei durch die Metallplatte 6 abgedeckter Probe 2 durchzuführen. Erst bei einem stabilen Plasma wird dann die Durchbrechung 11 für einen defi nierten Zeitraum über die Probe 2 verschwenkt. Ansonsten wird die Metallplatte 6 unter dem Plasmabrenner 4 verdreht, um die Probe 2 abzuschirmen, ohne daß es zu einem Durchbrennen der Metallplatte 6 kommt.

Die in Fig. 2 skizzierte Ausführungsform der Prüfvorrichtung 1 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 dahingehend, daß die Metallplatte 6 auch die Zündelektrode des Plasmabrenners 4 bildet und daß keine separate Absaugelektrode vorgesehen ist. Weiterhin ist bei der Metallplatte 6 gemäß Fig. 2 dort, wo der Gasstrahl 3 am Grund der Nut 10 auftrifft, eine Abdeckung 17 aus einem keramischen Material vorgesehen. Eine Auskleidung 18 aus keramischen Material umgibt die Durchbrechung 11 in der Metall platte 6. Dies ist auch aus der Draufsicht gemäß Fig. 3 ersichtlich, die nur die Metallplatte 6 zeigt. Die keramische Abdeckung 17 verhindert ein Aufschmelzen der Metallplatte 6 am Grund der Nut 10 durch den auftreffenden Gasstrahl 3. Der Stromfluß erfolgt dabei nur über die an die keramische Abdeckung 17 angrenzenden Bereiche der Metallplatte 6. Die Metallplatte 6 leitet die Wärme von der Rückseite der keramischen Abdeckung 17 ab und verteilt sie. Die keramische Auskleidung 18 der Durchbrechung 11 schützt die Metallplatte 6 im Bereich der Durchbrechung 11 und verhindert, daß sich ein Stromfluß über die Innenwandung der Durchbrechung 11 ausbildet. Zusammen sorgen die Abdeckung 17 und die Auskleidung 18 der Durchbrechung 11 für eine etwa gleichmäßige Ionen- beziehungsweise Elektronen stromverteilung im Randbereich des Gasstrahl 3. Die leitenden Teile der Metallplatte 6, über die die diese Ströme fließen, sind immer in in etwa gleicher Geometrie zu dem Gasstrahl angeordnet, egal ob die Durchbrechung 11 den Gasstrahl 3 durchläßt oder nicht.

Bezugszeichenliste

1 Prüfvorrichtung
2 Probe
3 Gasstrahl
4 Plasmabrenner
5 Zündelektrode
6 Metallplatte
7 Drehantrieb
8 Hochspannung
9 Drehachse
10 Nut
11 Durchbrechung
12 Drehpfeil
13 Steuereinrichtung
14 Ventil
15 Gaszuleitung
16 Absaugelektrode
17 Abdeckung
18 Auskleidung
19 Langmuirsonde

Claims

1. Prüfvorrichtung zum Beaufschlagen einer Probe mit einem hochenergetischen Gasstrahl, wobei ein Plasmabrenner vorgesehen ist, der einen durch ein Plasma aufgeheizten, auf die Probe gerichteten Gasstrahl erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Probe eine massive Metallplatte (6) angeordnet ist, die eine Gegenelektrode des Plasmabrenners (4-6) bildet, die um eine Drehachse (9) drehantreibbar gelagert ist und die eine Durch brechung (11) aufweist, welche in einer bestimmten Drehstellung der Metallplatte (6) um die Drehachse (9) die Probe (2) für den Gasstrahl (3) freigibt.

2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bezüglich der Drehstellung der Metallplatte (6) um die Drehachse (9) ansteuerbarer Drehantrieb (7) für die Metallplatte (6) vorgesehen ist.

3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gasstrahl (3) auf dem Grund einer ringförmigen Nut (10) in der Oberfläche der Metallplatte (6) auf die Metall platte (6) auftrifft.

4. Prüfvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (10) eine abgerundeten Querschnitt aufweist.

5. Prüfvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Metallplatte (6) am Grund der Nut (10) mit einer keramischen Abdeckung (17) versehen ist.

6. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung (11) eine keramische Auskleidung (18) aufweist.

7. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (6) auch als Zündelektrode (5) des Plasmabrenners (4-6) vorgesehen ist.

8. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absaugelektrode (16) zum Entfernen geladener Teilchen aus dem Gasstrahl (3) vor der Probe (2) angeordnet ist.

9. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Langmuirsonde (19) die Neutralität des Gasstrahls (3) vor der Probe (2) überwacht.