SFB-TR 40

Die Forschungsaktivitäten im geplanten SFB-TR befassen sich mit komplexen Wechselwirkungsproblemen wie sie an hochbelasteten Komponenten eines Raumtransportsystems auftreten. Dies sind im einzelnen:

Langfristiges Ziel des SFB-TR ist es, Methoden zur genauen und effizienten Vorhersage der komplexen Wechselwirkungsprobleme, die bei mechanisch und thermisch hochbelasteten Komponenten von Raumtransportsystemen auftreten, zu entwickeln und schrittweise in den Entwurfsprozeß einzufügen. Dieses Ziel kann nur erreicht werden, wenn diese Methoden anhand von Prinzipexperimenten validiert werden und schließlich anhand relevanter Testfälle erprobt werden. Diese Testfälle stellen gleichzeitig für die Anwendung relevante Demonstratoren dar und sind daher im TB K (Kooperation) angesiedelt:

Die Modellbrennkammer wird bereits in der ersten Förderperiode durch TP K1 genutzt, sie soll sukzessive in den folgenden Förderperioden mit den neugewonnenen Kenntnissen und Methoden aufgerüstet werden, z.B. durch Beschichtungen oder keramische Brennkammerwände. Gleiches gilt für die Dual-Bell-Modelldüse, die bereits in der ersten Förderperiode in TP K2 prinzipiell untersucht wird und auch als Testumgebung für innovative Materialien dient. Auch in diesen Demonstrator sollen sukzessive die relevanten Erkenntnisse und Methodenentwicklungen in den folgenden Förderperioden einfließen.

Besondere Maßnahmen werden ergriffen, um sicherzustellen, daß Methodenentwicklung und Datenexploration zu einem gemeinsamen Nutzen und Erkenntnisgewinn aller Mitglieder des SFB-TR40 und der mit ihnen kooperierenden Gruppen führen. Dazu sollen genutzte Simulationsverfahren schrittweise standarisiert werden. Methodenentwicklungen, die zu numerischen Modellen führen, sollen modular mit gemeinsam vereinbarten Schnittstellen zu den Simulationsverfahren programmiert werden, um Portabilität zu erreichen. Im Lauf der zweiten und dritten Förderperiode soll eine allgemeine Kopplungsumgebung, die sich an den speziellen Notwendigkeiten der im SFB-TR40 auftretenden Probleme orientiert, es ermöglichen, verschiedene Modellierungsebenen transparent miteinander zu verbinden. Erzeugte Simulationsdaten sollen standarisierte Datenformate annehmen und anhand klar definierter Schnittstellen zu einer gemeinsamen Datenauswertung führen. Die Überwachung dieser Aufgaben sind neben den rein administrativen im Zentralprojekt TP Z angesiedelt.

Im folgenden wird das Forschungsprogramm in den jeweiligen Teilbereichen zusammengefaßt und die Wechselwirkung zwischen den Teilbereichen dargestellt. Die Teilprojekte sind besonders innerhalb der einzelnen Teilbereiche eng miteinander verzahnt. Zur Handhabung der dadurch entstehenden Abhängigkeit wurden zeitkritische Kooperationen in den Arbeits- und Meilensteinplan der Partnerteilprojekte mit aufgenommen. Anhand dieser Darstellung kann auch der gegenseitige Kooperationsnutzen nachvollzogen werden.

Schubkammern von Hochleistungsantrieben kommender Raumtransportsysteme sind erhöhten thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Brennkammer und des Düsenhalses aufgrund hoher Druck- und Temperaturverhältnisse. Heutige Antriebe sind in diesen Bereichen meist regenerativ durch Konvektionsmethoden gekühlt. Die Wärmebelastungen erreichen dabei flächenspezifische Wärmeströme von ca. 80 MW/m2 (VULCAIN I) und es werden zukünftig Werte bis zu 170 MW/m2 erwartet. Dies erfordert verbesserte regenerativ gekühlte Systeme. Rein konvektiv gekühlte Systeme müßten zur Anwendung bei steigenden Wärmebelastungen erhöhte Kühlmittelgeschwindigkeiten oder Methoden zur Wärmeübergangssteigerung aufweisen, was zu stark anwachsenden Druckverlusten im Kühlsystem führen würde. Hier können verbesserte, effusionsgekühlte Systeme Abhilfe schaffen.

Die genaue Modellierung des Wärmeübergangs an der Wand erfordert eine gleichzeitige experimentelle und numerisch-theoretische Betrachtung der Vorgänge. Besonders schwierig vorherzusagen sind solche Kühlmethoden, bei denen ein Kühlmittel in die Hauptströmung eingeblasen wird. Das Potential derzeit eingesetzter Filmkühlungsmethoden ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft und soll in dem Kooperationsprojekt TP K1 zusammen mit dem Industriepartner Astrium weiter verbessert werden. In dem TB A liegt der Schwerpunkt aber auf der Transpirations- und Effusionskühlung, die mittel- und langfristig ein größeres Potential aufweisen. Obwohl poröse keramische Werkstoffe eine natürliche Möglichkeit zur Transpirationskühlung bieten, ist derzeit unklar ob nicht optimierte metallische Werkstoffe mit aktiver Kühlung ein besseres Aufwand-Nutzen-Verhältnis bieten als keramische Werkstoffe. Daher kann vor Beginn des SFB-TR noch keine Festlegung bezüglich des Werkstoffes getroffen werden, und beide Konzepte werden in Konkurrenz verfolgt (siehe auch TP K1 und TP D2). Es wird erwartet, daß im Lauf der ersten Förderperiode eine gesicherte Aussage über eine optimale Kombination von Kühlmethode und Werkstoff getroffen werden kann.

Eine gesicherte strömungsphysikalische und thermomechanische Analyse der Kühlmethoden erfordert leistungsfähige Meßverfahren. Diese müssen zum einen eine genügend hohe Auflösung des Strömungs- und des Temperaturfeldes erreichen und zum anderen auch in der Lage sein, flächige Temperaturverteilungen an den Oberflächen zu erfassen. Hierzu sollen verschiedene Meßverfahren eingesetzt und weiterentwickelt werden. Für die Messung des Wärmeübergangs sollen z.B. die Infrarot-Thermographie und thermochromatische Flüssigkristalle (TLC) eingesetzt werden. Für die Vermessung des Strömungsfeldes ist geplant z.B. die Dreikomponenten-Particle-Image-Velocimetry (3C-PIV) einzusetzen. Da es mit 3C-PIV sehr schwierig ist in Wandnähe gut aufzulösen, soll diese Methode noch durch detaillierte Messungen mittels der Hitzdrahtanemometrie unterstützt werden.

Die in diesem Teilbereich geplanten Untersuchungen lassen sich inhaltlich in zwei Gebiete unterteilen. Zum einen handelt es sich um strömungsmechanische Grundlagenuntersuchungen zu innovativen Kühlkonzepten zum anderen um konkrete Fragestellungen der Brennkammerkühlung.

Die turbulenten Heckströmungen von raketengetriebenen Raumtransportern sind durch eine Zahl komplexer, aerodynamischer Wechselwirkungen gekennzeichnet. Sie weisen sowohl im äußeren Bereich des Nachlaufs des Raketenkörpers als auch im Bereich der Düsenströmung große, instationäre Schwankungen auf, die Ursache für unerwünschte Strukturschwingungen sein können. Für den Entwurf von zuverlässigen Raumtransportern müssen die grundlegenden aerodynamischen Phänomene am Heck und ihre Wechselwirkungen verstanden sein. Darüber hinaus muß analysiert werden, mit welchen mathematischen Modellen die relevante Dynamik und die Wechselwirkungen der Heckströmungen aufgelöst und aerodynamische Lasten effizient vorhergesagt werden können.

In einer ersten, vergröberten Darstellung besteht die Heckströmung von raketengetriebenen Raumfahrzeugen aus dem Nachlauf der stumpfen Heckfläche verbunden mit einer in dieser Heckfläche angeordneten Düsenströmung. Hier kommt es zu aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen den Scherschichten des Nachlaufs und der heißen Düsenströmung. In der Vergangenheit wurde dieses Problem vorwiegend mit Methoden analysiert, die eine zeitliche Mittelung des Strömungsfeldes voraussetzen. Bei numerischen Simulationen hat diese Vorgehensweise große Diskrepanzen bezüglich der aerodynamischen Lasten am Heck ergeben, und die Dynamik konnte nicht berücksichtigt werden. Vorhandene experimentelle Daten für umströmte, stumpfe Hecks mit Strahl behandeln Fälle mit kalten Strahlströmungen. Bisherige experimentelle Untersuchungen heißer Raketenströmungen beschränken sich dagegen auf die Simulation der Düsenströmung ohne Außenströmung. Sie dienten vorwiegend der Qualifikation der Raketendüsen und sind für die Validierung von Rechenverfahren wenig geeignet. Fortschritte in den experimentellen und numerischen Methoden der Strömungsanalyse lassen nunmehr erwarten, daß im Bereich der Heckströmungen von raketengetriebenen Raumfahrzeugen wesentliche Fortschritte erzielt werden können.

Bei genauerem Hinsehen ergeben sich weitere wissenschaftliche Fragestellungen. Hierzu zählt der Einfluß der durch den Raketenkörper erzeugten Zuströmung zum Heck und deren Variation z.B. durch Leitwerke oder Tragflügel. Ferner ist die Beeinflussung der Heckströmung durch Steuerklappen zu analysieren, wobei hier insbesondere der transsonische Geschwindigkeitsbereich mit hohem dynamischem Druck der Außenströmung relevant ist. Weitere Komplexitäten entstehen dadurch, daß bei Raumtransportern im Allgemeinen mehrere Raketendüsen am Heck angeordnet werden und so die Heckströmung in einem geometrisch zerklüfteten Gebiet verläuft.

Heutige Raketendüsen werden über weite Bereiche der Flugtrajektorie entweder überexpandiert oder unterexpandiert betrieben. Aufgrund hoher Umgebungsdrücke in der Anfangsphase des Steigflugs reagiert die Strömung in der überexpandierten Düse sehr empfindlich auf Schwankungen in der Raketenumströmung und auf Strukturschwingungen. Hierdurch entstehen Impulsverluste und Ablösungen innerhalb der Düsenkontur, begleitet von erheblichen Seitenkräften. Es ist auch bislang unerforscht, welche Einflüsse die chemischen Reaktionen in der Mischungsschicht zwischen Strahlströmung und Außenströmung auf das Verhalten der Heckströmung insgesamt haben.

Die hier beschriebenen Fragestellungen lassen sich in einer Serie von generischen Raketenkonfigurationen abbilden, welche die gemeinsame Systematik für die im Projektbereich B kooperierenden Teilprojekte bilden, Abbildung 3. Konfiguration B.A bildet die Referenzströmung eines stumpfen Hecks ab und soll auch zum Abgleich verschiedener experimenteller Anlagen und numerischer Methoden dienen. Die Schwerthalterung dieser Konfiguration erzeugt eine gewünschte Störung im Unterschied zu einer ideal achsensymmetrischen Konfiguration, die in Konfiguration B.B untersucht wird. Durch einen Vergleich von Konfiguration B.A und B.B können die Einflüsse der Modellhalterung untersucht werden. Konfiguration B.C ermöglicht die Analyse von kalten und heißen Düsenströmungen und ihrer Wechselwirkungen mit dem Nachlauf des Hecks. Während Konfiguration B.D die Analyse der Strömungsphänomene mehrerer Raketendüsen am Heck ermöglicht, ist Konfiguration B.E das generische Modell für die aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen Steuerklappe, Hecknachlauf und Strahlströmung.

Mit den geplanten Untersuchungen der Scherströmungen im Heckbereich erarbeitet der Teilbereich B des SFB-TR wesentliche aerodynamische Grundlagen für die in Teilbereich D geplanten Analysen der Wechselwirkungen zwischen Strömung und Struktur. Ein längerfristiger Arbeitsschwerpunkt des Teilbereichs B besteht in der Erforschung der technologischen Möglichkeiten für eine Beeinflussung und Kontrolle der Heckströmungen mit dem Zweck der Minderung von unerwünschten Schwankungen der Strömung und somit der Anregung von Strukturschwingungen.

Die experimentellen Untersuchungen des Teilbereichs B zielen auf systematische Daten zur Analyse der wesentlichen Strömungsphänomene und zur Validierung der numerischen Methoden. Bei den Untersuchungen in Windkanälen für grundlegende Forschungsarbeiten lassen sich die Flug-Reynoldszahlen eines raketengetriebenen Raumtransporters allerdings nicht über die gesamte Trajektorie erreichen. Die charakteristischen Abmessungen der generischen Rumpfkörper für Experimente an den generischen Konfigurationen sind 550mm in der Länge und 110mm im Durchmesser in den Hochgeschwindigkeitskanälen und doppelt so große Werte im Niedergeschwindigkeitsbereich. Während die auf den Durchmesser der Ariane V bezogenen Reynoldszahlen etwa 5x107 im Transschall und 5x105 im Hyperschall (Ma=6) betragen, liegt der erreichbare Wert im Aachener Niedergeschwindigkeitswindkanal um 1x106. In den Hyperschallkanälen des DLR in Köln (H2K) und der TU Braunschweig (HLB) können Flug-Reynoldszahlen und sogar darüber hinausgehende Größen erreicht werden. Insbesondere zeichnet sich der DLR Kanal durch vergleichsweise lange Meßzeiten von bis zu 30 sec. aus. Um unerwünschte Einflüsse der wandernden laminarturbulenten Transition in den Experimenten auszuschließen, soll eine künstliche Fixierung der Transition erfolgen. Mit den erwähnten Anlagen können die Partner im ersten Beantragungszeitraum jeweils besondere Beiträge zu den wissenschaftlichen Fragestellungen der Heckströmungen erbringen.

Im Hochgeschwindigkeitsbereich ermöglicht die Nutzung des Ludwieg-Rohrs der TU Braunschweig im Teilprojekt B4 die Klärung grundlegender Fragen bei den berührungslosen, bildgebenden Meßmethoden mit vergleichsweise geringen Kosten beim Betrieb der Anlage. Anwendungen der Particle-Image-Velocimetry (PIV) sind im Überschall und Hyperschall und bei heißen Strömungen nicht Stand der Technik. Vielmehr müssen hier insbesondere Fragen des Seedings mit geeigneten Partikeln und Analysen von zeitlich hochauflösenden Daten aus Mehrebenen-PIV Konfigurationen zur Auflösung der Dynamik der großen, energietragenden Strömungsstrukturen bearbeitet werden. Im Teilprojekt B4 liegt der Schwerpunkt der Analysen in der ersten Förderperiode auf der Konfigurationen B.A und B.B.

In Teilprojekt B1 beim DLR in Köln werden die Konfigurationen B.A, B.C und B.E im Überschall und Hyperschall untersucht. Das DLR bringt außerdem den Windkanal VMK ein, bei dem eine leistungsfähige Strahlsimulation mit Gastotaltemperaturen bis 3000K für Analysen der Wechselwirkungen der Düsenströmung genutzt werden kann. Ferner sollen die Interaktionen der instationären Heckströmung mit einer Steuerklappe analysiert werden.

Das Teilprojekt B2 der RWTH Aachen untersucht die komplexen Heckströmungen zunächst im Niedergeschwindigkeitswindkanal. Dazu werden die Konfigurationen B.A, B.C und B.D herangezogen. Insbesondere soll auch der Einfluß von Störungen der Zuströmung systematisch betrachtet werden. Konfiguration B.D ist wegen der optischen Zugänglichkeit im Heckbereich meßtechnisch anspruchsvoll. In B2 sollen auch die durch die Strahlströmung erzeugten Druckschwankungen in ihrem Einfluß auf das dynamische Verhalten der Nachlaufströmung betrachtet werden.

In den Teilprojekten B1, B2 und B4 werden moderne optische Meßverfahren für Hochgeschwindigkeitsströmungen weiterentwickelt und angewendet. Insbesondere soll die Laser-Induced-Fluorescence (LIF) Methode zu Temperaturmessungen weiterentwickelt und eingesetzt werden. Ebenfalls soll in TP B1 die Global-Doppler-Velocimetry für die Anwendung in Hochgeschwindigkeitsströmungen untersucht und ggfs. zur Anwendung kommen. Gemeinsam mit TP B4 wird die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Particle-Image-Velocimetry vorangetrieben, für die Auflösung von Hochgeschwindigkeitsgrenzschichten sollen in TP B4 auch Entwicklungen aus der Mikro-PIV weitergeführt werden. Im TP B2 soll das Tomographische PIV zur Analyse komplexer 3D Wirbelströmungen erprobt werden.

Die numerischen Projekte sollen die Modellbildung für die Simulation der Scherströmungen des Hecks und ihrer Dynamik voranbringen. Das Teilprojekt B3 der RWTH konzentriert sich auf die grundlegende Modellierung der turbulenten Strömung des stumpfen Hecks ohne und mit Triebwerksstrahl und nutzt dabei blockstrukturierte Rechennetze. Hier sollen die Nutzung hochwertiger, statistischer Turbulenzmodelle und ein hybrider Simulationsansatz, der LES und URANS kombiniert, bewertet werden. Der Schwerpunkt der numerischen Strömungsanalysen liegt auf den Einflüssen der Zuströmung zum Heck und der wechselseitigen Beeinflussung der Scherschichten vom Nachlauf des Raketenkörpers und des Strahls, Konfigurationen B.A und B.C.

Das Teilprojekt B5 des DLR in Braunschweig/Göttingen bearbeitet die Modellbildung für die Wechselwirkungen des heißen Triebwerksstrahls mit der Außenströmung. Durch die Verwendung unstrukturierter, hybrider Rechennetze können auch sehr komplexe Geometrien behandelt werden. Es bestehen grundlegende Erfahrungen mit der Detached Eddy Simulation, die zur Berechnung der instationären Heckströmung bzw. der Wechselwirkungen mit den Abgasstrahlen und Steuerflächen, Konfigurationen B.A, B.C, B.D, B.E, genutzt werden soll. Darüber hinaus soll eine mathematische Modellierung verwendet werden, welche die chemischen Reaktionen der in der Brennkammer erhitzten Mischungsschichten des Strahls berücksichtigt.

Die Leistung von Raketenmotoren wird von zahlreichen Prozessen bestimmt, die zum Teil noch nicht richtig verstanden werden. Als Leistungsmaß dient der spezifische Impuls, der angibt, wie effizient das Triebwerk den Brennstoff in Schub umwandelt. Effizienz und Zuverlässigkeit dieses Energieumwandlungsprozesses hängen von den verwendeten Treibstoffen ab, von der Art des turbulenten Einspritz- und Mischvorgangs, von der Geometrie und Anordnung der Düsen und von der Kühlung von Brennkammer und Düse. Außerdem werden sie vom Verbrennungsablauf, seiner Beeinflussung durch Strahlungsphänomene und von der Gestaltung der Schubdüse bestimmt.

Maßnahmen zur Steigerung von Leistung und Zuverlässigkeit eines Raketenmotors sind heute mehr denn je gefragt. Sie setzen eine fundierte Kenntnis der komplexen thermofluiddynamischen Prozesse voraus, die in einem Raketenmotor beim Start, im kontinuierlichen Betrieb und beim Ausschalten ablaufen. Es besteht kein Zweifel daran, daß bei der enorm hohen Leistungsdichte solcher Systeme die allermeisten dieser Prozesse turbulent ablaufen. Die einge-spritzten koaxialen Oxidator- und Brennstoffstrahlen, befinden sich bereits in der Düse in turbulentem Zustand. Sie vermischen sich nach dem Austritt aus der Düse turbulent und treten untereinander und mit der Brennkammerwand in Wechselwirkung. Aktive Wandkühlung durch Flüssigkeitsfilme, Oberflächenstrahlung und Kühlung durch externe Kühlsysteme haben weite-ren Einfluß auf die turbulenten Transportvorgänge im Nahbereich der Einspritzebene und natürlich im ganzen Brennraum. Von großer Bedeutung ist der Brennkammerdruck. Liegt er unter dem kritischen Wert eines der flüssig zugeführten Strahlen, dann setzt primärer Strahlzerfall, Spraybildung und Sprayverbrennung ein. Bei überkritischem Brennkammerdruck liegen nach dem Austritt aus der Düse Einspritzstrahlen vor, die Realgaseigenschaften und alle Anomalien der Stoffeigenschaften im transkritischen Zustand aufweisen. Tropfenverdampfung und Tropfenverbrennung verlaufen unter turbulenten Umgebungsbedingungen zweifellos anders ab als in ruhender Umgebung. Turbulente Durchmischung und Verbrennung setzen sich stromab in der Brennkammer fort. Unter nicht genau bekannten Umständen tritt eine Kopplung zwischen Verbrennungsvorgängen und Druckwellen ein, die zu Oszillationen und Instabilitäten im Motor führen kann. Diese Vorgänge zu verstehen und zu kontrollieren, stellt eine wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Schließlich kommt es während der Startphase von Raketenmotoren häufig zu unsymmetrischen Strömungsablösungen in der Düse, die Ursache für dramatische Strömung-Struktur-Wechselwirkungen sind.

Eine fundierte Kenntnis der beschriebenen Prozesse läßt sich heute mit modernen numerischen und experimentellen Methoden erarbeiten. Die verfügbaren Rechnerleistungen steigen jährlich und sind derzeit bereits so hoch, daß Direkte Numerische Simulationen (DNS), Large-Eddy Simulationen (LES) und aufwendige statistische Turbulenzmodelle als Analysewerkzeuge gezielt eingesetzt werden können. Auf experimenteller Seite stehen Laser-Meßmethoden und verfeinerte klassische Meßmethoden zur Verfügung.

Geplante Untersuchungen:

Teilprojekt C1 hat sich die LES der Einspritz-, Mischungs- und Verbrennungsvorgänge in der gesamten Brennkammer bis zum Düsenhals bei überkritischen Brennkammerdrücken zum Ziel gesetzt. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Entwicklung von Feinstrukturmodellen für Mischung und Verbrennung unter Realgasbedingungen. Spätestens in der dritten Projektphase ist eine Kopplung des mathematischen Modells mit dem Strahlungsmodell aus Teilprojekt C2 vorgesehen. Ergebnisse für die Wärmefreisetzung werden dem Projekt C3 als verbesserte Basis für die akustische Simulation zur Verfügung gestellt. Das geplante Projekt liefert Zuströmdaten für Teilprojekte D2 und D4, die sich mit der Fluid-Struktur-Wechselwirkung in der Schubdüse, basierend auf einer instationären, lokalen Kopplung zwischen Strömung und heißer, elastischer Struktur beschäftigen. Vergleiche zwischen LES-Ergebnissen für die Brennkammer und statistischen Vorhersagen des Teilprojekts C5 werden letztere auf gesicherten Boden stellen und für Entwurfszwecke von großem Nutzen sein.

Mit der Modellierung des Strahlungstransports leistet Teilprojekt C2 einen wichtigen Beitrag zur verbesserten Vorhersage aller Wärmetransport-Phänomene im Raketenmotor. Dabei geht es nicht nur darum, die Aufheizung der Brennkammerwände durch die strahlenden Abgase (Gasstrahlung) vorherzusagen, sondern auch die Oberflächenstrahlung richtig zu modellieren, welche die Verdampfung flüssiger Treibstoffanteile fördert und generell zu einer komplizierten Wechselwirkung mit den turbulenten Misch- und Verbrennungsvorgängen führt. Zur Modellentwicklung und -validierung werden u.a. experimentelle Daten aus den Teilprojekten A5 und K1 herangezogen. Bei der Lösung der Strahlungstransportgleichung in der frequenzabhängigen Form wird in der Anfangsphase von Algorithmen ausgegangen, die im Rahmen des SFB 568 in Darmstadt von Klar und Lang erarbeitet wurden. Die spätere Kopplung der adaptierten und weiterentwickelten Strahlungsmodelle mit den in TP C1 und C5 verwendeten Verfahren ist wesentliches Ziel der Arbeiten.

Um Oszillationen und Instabilitäten im Raketenmotor zu verstehen und besser vorhersagen zu können, ist in Teilprojekt C3 die numerische Untersuchung der linearen und nichtlinearen Stabilität der Brennkammerströmung geplant. Dazu soll zunächst ein lineares, dann ein nichtlineares, dreidimensionales thermoakustisches Berechnungsverfahren entwickelt werden, das den Bereich der gesamten Brennkammer bis zum engsten Querschnitt einschließt und ohne Annahmen für die Düsenimpedanz auskommt. Die verwendeten akustischen Randbedingungen sind zunächst einfach (geschlossene Ränder, auch an den Injektoren, Düsenhals nicht-reflektierend). Sie werden später verfeinert. Die Wärmefreisetzung wird als räumlich verteilte Quelle modelliert, weswegen Kooperationen mit dem Teilprojekten C1 und C5 geplant sind. Die in TP A3 geplanten Untersuchungen zum Wärmeübergang bei oszillierender Strömung beruhen ebenfalls auf enger Kooperation mit TP C3.

In Teilprojekt C4 ist eine systematische experimentelle und numerische Untersuchung der Tropfenverdampfung in der Nähe des kritischen Punktes geplant. Im transkritischen Bereich verliert die klassische Beschreibung des Verdampfungsprozesses ihre Richtigkeit. Daher soll durch Messungen in einer Hochdruckkammer (Betrachtung des einzelnen Tropfens) und im Stoßrohr (Tropfensprays) eine experimentelle Datenbasis erarbeitet werden, die zur Validierung und Verbesserung von Verdampfungsmodellen im sub-, trans- und superkritischen Druckbereich dient. Alle experimentellen Untersuchungen werden durch DNS-Rechnungen begleitet. Moderne Meßmethoden wie Mie- und Raman-Streulichtverfahren werden zu diesem Zweck weiterentwickelt und eingesetzt. Diese Methoden erlauben die Erfassung von Tropfengrößen, Temperatur- und Konzentrationsverteilungen. Die erarbeiteten Daten und Modelle sind auch für die Turbulenzmodellierung in den Projekten C1 und C5 (hier insbesondere für die Vorhersage der Tropfengrößenverteilung) wichtig. Langfristig dienen sie auch zur Verbesserung der Strahlungsmodelle in TP C2.

Ergebnisse, die für die Praxis von unmittelbarem Nutzen sind, sollen in Teilprojekt C5 erarbeitet werden. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines statistischen Turbulenzmodells zur Vorhersage der Spray-Verbrennung im Raketenmotor auf der Basis eines Transportgleichungs-PDF-Verfahrens, das die drei Geschwindigkeitskomponenten und thermochemischen Variablen einschließlich des Druckes enthält. Parallel dazu soll ein multidimensionaler „Assumed-PDF“-Ansatz weiterentwickelt werden, der weniger Rechenaufwand erfordert. Die numerische Lösung der anfallenden Transportgleichungssysteme (in drei Raumdimensionen) wird durch Mehrgittertechniken beschleunigt und mit Gebietszerlegung parallelisiert. So ergeben sich effiziente Lösungsverfahren, die sich auch für schnelle Entwurfsaufgaben in der Praxis eignen. Enge Kooperationen mit den Teilprojekten C1, C3 und C4 wurden oben angesprochen.

Raumfahrzeuge sind besonders während der Start- und Aufstiegsphase sowie der Wiedereintrittsphase extremen Lasten ausgesetzt, die aus fluidmechanischen, strukturmechanischen, thermodynamischen und akustischen Anteilen bestehen. Die Bedeutung des Einflusses der einzelnen Lasten und deren Zusammenwirken weist eine extreme Abhängigkeit von der Flug-phase sowie der speziellen Fahrzeuggeometrie auf. Vom Start bis zum Erreichen hoher Transschallgeschwindigkeiten sind vor allem die Außenstrukturen der Aufstiegskonfiguration hohen aerodynamischen und akustischen Belastungen ausgesetzt, wobei Untersuchungen die starke Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur als besonders kritisch ausweisen.

Strömung-Struktur-Wechselwirkung ist für die Funktionalität und Integrität von Schubdüsen wichtig, da auf deren dünnwandige Struktur neben den axialen Kräften auch erhebliche asymmetrische radiale Kräfte wirken können. Letztere sind von der Instationarität und Asymmetrie des externen Strömungsfeldes der inhärenten Komplexität der Düseninnenströmung verursacht. Innerhalb der Atmosphäre ist die Düsenströmung meist überexpandiert, sodaß Verdichtungsstöße in der Düse entstehen, die zu geschlossenen (restrictedshock separation) oder freien (freeshock separation) Grenzschichtablösungen führen können. Asymmetrien dieser Stoß-Ablösung-Systeme in Umfangsrichtung führen zu einer Deformation der Düsenwand, die auf das Stoß-Ablösung-System zurückwirkt. Darüberhinaus wird durch diese Deformation auch die Außenströmung beeinflußt. Selbst wenn diese so resultierenden asymmetrischen radialen Drucklasten (side loads) nicht zum Strukturversagen führen, stellen die angeregten Strukturschwingungen eine erhebliche Belastung der Düse, der angeschlossenen Brennkammer, der Stufenstrukturen bis hin zur Nutzlast dar. Werden solche dynamischen Belastungen beim Entwurf unzureichend berücksichtigt, kann dies zum Verlust des Triebwerkes führen.

Einen möglichen Ausweg bieten adaptive Düsen, die eine diskrete Anpassung der Düsenströmung an die Außenbedingungen erlauben, wodurch infolge einer Stabilisierung der Strömung, d.h. einer Fixierung der stoßinduzierten Ablösung, und der daraus folgenden Reduktion der Seitenlasten eine Erhöhung des spezifischen Impulses und eine Verringerung der Strukturmasse erreicht werden kann.

Die Schwingungseigenschaften konventioneller Düsen sind weiterhin durch die geringe Eigensteifigkeit und die unzureichende Dämpfung der heute verwendeten metallischen Düsenstrukturen bestimmt. Dieses Verhalten ist durch die dünnwandige Kontur bedingt, die bei klassischen Triebwerken aus einem verschweißten gewundenen Metallrohr besteht, das zur Kühlung mit flüssigem Wasserstoff durchströmt wird. Durch das Versagen der inneren Wand im Bereich der Kühlkanäle infolge zyklischer thermomechanischer Belastungen ist die Lebensdauer dieser Antriebe begrenzt. Dieser sogenannte Doghouse-Effekt ist auch das entscheidende Versagensmuster der regenerativ gekühlten Brennkammerstrukturen. Um einerseits auf die aufwendige Kühlung verzichten zu können und andererseits die Lebensdauer chemischer Raketenantriebe, die durch die mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen gering ist, erhöhen zu können, sollen für zukünftige innovative Triebwerke Wärmedämmschichten oder hochtemperaturbeständige, faserverstärkte Keramiken eingesetzt werden. Erste Untersuchungen zeigen z.B., daß diese Verbundwerkstoffe mit eingelagerten Fasern ein hohes Dämpfungsvermögen sowie ein günstiges Thermoschockverhalten in Verbindung mit einer hohen Schadenstoleranz besitzen.

Die Modellbildung für die Kopplung verschiedener Werkstoffe beim Einsatz von Wärmedämmschichten und von faserkeramischen Werkstoffen in Schubdüsen wird systematisch in diesem Teilbereich durch die Verknüpfung numerisch-theoretischer und experimenteller Teilprojekte verfolgt. Ebenso beschäftigen sich einige Teilprojekte speziell mit Fertigungsfragen und Materialtests und stellen somit eine direkte Verbindung zum Kooperationsbereich TB K dar.

Im Teilbereich Strömung-Struktur-Wechselwirkung des SFB-TR40 werden numerische Verfahren entwickelt, welche die Interaktion zwischen den mechanischen, thermischen und chemischen Lasten erfassen, um somit in einem zukünftigen Auslegungsprozeß die Wechselwirkungen zwischen diesen Belastungen nicht iterativ, sondern gekoppelt simultan zu berücksichtigen. Zur Validierung der Methoden werden sowohl generische als auch anwendungsorientiert ausgelegte Experimente durchgeführt. Der Schwerpunkt der Arbeiten dieses interdisziplinären Ansatzes bezieht sich auf die Auslegung und Analyse innovativer Düsen und Brennkammerstrukturen. Jedoch sind die Methoden innerhalb der im folgenden kurz dargestellten Teilprojekte allgemein ausgelegt, so daß sie auch auf Probleme bei der Betrachtung anderer kritischer Strukturkomponenten wie z.B. der Brennkammer, der Flügelvorderkante etc. eingesetzt werden können.

Geplante Arbeiten:

Mit einem der grundlegenden Hauptprobleme der aerothermoelastischen Simulationen bei statistischer Beschreibung der turbulenten Strömung und der algorithmischen Kopplung der verschiedenen Lösungsverfahren für Strömung und Struktur beschäftigt sich TP D1. Es sollen fundamentale theoretische und numerische Erkenntnisse über die Vorgehensweise zur gekoppelten Lösung von 4-Feld-Problemen erarbeitet werden. Als Basis für die Entwicklung werden die Experimente an generischen Modellkonfigurationen aus TP D6 herangezogen, wobei sowohl metallische als auch faserkeramische Werkstoffe bei den Analysen zur Strömung-Struktur-Wechselwirkung berücksichtigt werden. An der strukturseitigen Auslegung der Experimente sind TP D1 im Bereich der Metalle und TP D7 bei den Faserkeramiken beteiligt. Die Arbeiten bezüglich der Kopplungsalgorithmen sowie der zu verwendenden Strukturelemente in TP D1 stehen in engem Zusammenhang mit den TP D3, D4, D5 und D7.

Während faserkeramische Werkstoffe eine Möglichkeit zur Umgehung des Kühlungsproblems bei metallischen Werkstoffen darstellen, erscheint das Potential einer Beschichtung metallischer Werkstoffe zur Wärmedämmung noch nicht ausgeschöpft. Mit diesem Problem beschäftigt sich das TP D2 sowohl hinsichtlich der experimentellen Grundlagen als auch der numerischen Modellierung. Der Einsatz von Wärmedämmschichten hängt davon ab, ob ein strukturelles Versagen der Beschichtung während der projizierten Lebensdauer des Triebwerkes vermieden werden kann. Die dazu benötigten Vorhersagemethoden sollen in TP D2 erarbeitet werden, wozu die Entstehung von Anrissen in der mikroskopischen Skala mit Modellen für die weitere Rißentwicklung auf der makroskopischen Skala kombiniert werden muß. Aus dieser Motivation entstehen die Verbindungen zu den TP D1 und D3, welche realistische Belastungen liefern, zu TP D6, das experimentelle Vergleichsmöglichkeiten für unbeschichtete Werkstoffe bietet und zu TP D5, das numerische Modelle für die mesoskalige Beschreibung von Rißentwicklungen aufstellt.

In TP D3 wird die Problemstellung bearbeitet, wie lange hochbeanspruchte Strukturen komplexen thermomechanischen Belastungen infolge der Heißgasströmung standhalten können. Hierzu soll ein neues Konzept zur Beschreibung des Versagens- und Nachversagensverhalten sowie für die Abschätzung der Lebensdauer entwickelt werden. Basis dafür ist eine sowohl thermomechanisch als auch in Bezug auf die Strömung-Struktur-Wechselwirkung voll gekoppelte Modellierung. Die Analyse des bisher nur schlecht verstandenen Doghouse-Effektes von Brennkammer- und Düsenstrukturen mit Kühlkanälen steht als konkrete, anwendungsorientierte Herausforderung im Mittelpunkt. Neben der Berücksichtigung der Strömung-Struktur-Wechselwirkung sind der Aufbau eines Materialmodells, das Verfestigungs- und Kriecheffekte, Schädigung und Niedriglastwechselermüdung hinreichend genau darstellt, und die Entwicklung numerisch effizienter Verfahren, um die komplexe Gesamtproblematik vollständig handhaben zu können, wichtige Schwerpunkte des Projektes. Dieses TP wird bei der Materialmodellierung mit TP D2 und D5 zusammenarbeiten. Experimentelle Referenzdaten liefern die gekühlten Konfigurationen aus TP D6. Im Hinblick auf die vollkommen unterschiedlichen Belastungsvorgänge unterscheidet sich TP D3 deutlich vom TP D4, bei dem der Fokus auf der höherfrequenten aeroelastischen Analyse von Düsenstrukturen liegt. Ein Austausch zur SSW-Methodik mit TP D1 und D4 ist vorgesehen.

Die Auflösung aller relevanten zeitlichen und räumlichen Skalen für die Strömung und die Struktur und die detaillierte Kopplungsmodellierung steht im Vordergrund von TP D4. Im Unterschied zu TP D1 werden sowohl Strömung als auch Struktur jeweils detailliert mittels Grobstruktursimulation bzw. geometrisch und materiell nichtlinearer, thermomechanisch gekoppel-ter 3D-Schalen-Strukturmodelle dargestellt. Die Arbeiten in TP D4, die sich auf die zweiseitige gekoppelte, feinskalige aeroelastische Analyse der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung in der Düse beziehen, bilden somit die Modellierungsgrundlage für die statistischen bzw. zeitlich gemittelten Ansätze in den TP D1 und für die Teilprojekte D2 und D3, die detaillierte Strömungslasten benötigen. Das Materialverhalten wird makroskopisch, aber dennoch feinskalig, modelliert und stellt daher eine Verbindung zur Mesoksalenmodellierung in TP D5 dar. Experimentelle Referenzdaten werden von TP D6 geliefert, mit dem gemeinsam ebenfalls eine phänomenologische Untersuchung des Buffeting-Problems in Schubdüsen erfolgen soll. In späteren Förderperioden sollen die Untersuchungen von den Prinzipexperimenten auf realistische Düsenkonfigurationen erweitert werden, zu welchem Zweck eine Verbindung zu den TP D7 und K2 entsteht.

Vorhersagen der Einsatzdauer von Raketenantrieben hängen von der Art der thermischen, chemischen und mechanischen Belastung und damit von der konstruktiven Ausführung des Triebwerkes ab. Voraussetzung für eine zuverlässige Vorhersage ist eine richtige Beschreibung der Mikromechanik, was lokale Mesoskalenmodelle zur Lebensdauerabschätzung unter den vorliegenden komplexen Beanspruchungssituationen erfordert. Dieser Forderung wird in TP D5 sowohl für metallische als auch für faserkeramische Werkstoffe Rechnung getragen. Diese Modelle werden in Zusammenarbeit mit den TP D6 und D7 experimentell verifiziert. Eine direkte Anknüpfung der mikromechanischen Modellierung ergibt sich an die makromechanische Modellierung in TP D3. Realistische Belastungsmuster werden von den TP D1, D4 und D6 zur Verfügung gestellt. Langfristig soll das TP D5 mit den TP D3, D1 und D4 zu einer integrierten Lebensdauervorhersage von Düsenstrukturen führen.

Für die numerischen Entwicklungen im TB D ist eine phänomenologische und quantitative experimentelle Grundlage notwendig. Nach unserem Wissen existiert weltweit keine vergleichbare Initiative, in der maßgeschneiderte Experimente zur numerischen Modellierung der komplexen thermischen und mechanischen Kopplung in Schubkammern, gemeinsam mit und parallel zu den numerischen Modellierungsvorhaben entwickelt und durchgeführt werden. Dies ist im TP D6 verwirklicht, das sich der experimentellen aeroelastischen Untersuchung des Buffeting Phänomens vom hohen Unterschall bis hin in den relevanten moderaten Überschallbereich bei kalter und heißer Strömung widmet. Insbesondere sollen unter Einsatz zeitgemäßer Meßmethoden genaue experimentelle Daten über Strömungs- und Temperaturfelder und der aus der Strömung-Struktur-Wechselwirkungen Strukturverformung gewonnen werden. Dabei wird auch der Einfluß der Strukturkühlung experimentell dargestellt. Parallele numerische Modellierungen erfolgen in den TP D1, D2, D3, D4 und D5. Das Ergebnis intensiver Vorgespräche zwischen diesen TP sind die in Abbildung 4 dargestellten vier Referenzkonfigurationen, die in TP D6 untersucht werden sollen.

Konfiguration D.A: Das aus metallischen konvex oder konkav vorverformten Paneelen soll im Transschall und im moderaten Überschall kalt durchströmt werden. Ziel der Untersuchungen an dieser Konfiguration ist die quantitative Analyse des Buffeting Phänomens ohne signifikante thermomechanischen Effekte.

Konfiguration D.B: Das Modell besteht aus keramischen Paneelen und wird im Hochenthalpieströmungsfeld bei Temperaturen bis 1500 K untersucht. Alternativ werden die Paneele isoliert oder über einem Hohlraum angebracht, sodaß der Strahlungskühlungseinfluß bestimmt werden kann. Ebenfalls soll der Einfluß der Oberflächenoxidation bestimmt werden.

Konfiguration D.C: Das Modell ist in Erweiterung der Konfiguration D.A mit Kühlung versehen. Neben dem Einfluß der aktiven Kühlung auf die Strömungs-Struktur-Wechselwirkung, werden das Ausdünnen und das Wölben der Kühlkanalwand unter zyklischen Hochtemperaturbelastungen bei verschiedenen Kühlkanalgeometrien untersucht.

Konfiguration D.D: Mit dieser Konfiguration soll sowohl der Einfluß einer etwas komplizierteren Geometrie als auch die Rolle der vorbeschädigten Strukturen sowohl beim Buffeting als auch bei thermischer Strömungs-Struktur-Wechselwirkung analysiert werden. Diese Konfiguration wird erst in einer späteren Förderperiode untersucht.

Die Untersuchungen in TP D7 setzen die Prinzipstudien in TP D6 mit der Zielrichtung praxisrelevanter Düsengeometrien und der Entwicklung geeigneter faserkeramischer Werkstoffe fort und bereiten somit die für solche Werkstoffe speziellen materialwissenschaftlichen Grundlagen für eine spätere Anwendung der im TB D entwickelten Simulationsmodelle. Besonders mit Blick auf adaptive Düsen werden grundlegende Fragestellungen nach der Beschaffenheit der faserkeramischen Werkstoffe u.a. bezüglich der Porosität und der Struktur der Faserverstärkung experimentell behandelt, um später innovative, höchsttemperaturbeständige faserkeramische Düsen zu entwerfen und im Subscale-Maßstab herzustellen. Weiterhin besteht eine Kooperation hinsichtlich der Auslegung der Experimente in TP D6. Die Herstellung der als Demonstrator dienenden faserkeramischen Dual-Bell-Düse in TP D7 erfolgt in einer Kooperationskomponente innerhalb dieses TP, siehe hierzu Abschnitt 1.2.4.5.