Aerothermodynamische Untersuchung einer Wiedereintrittskonfiguration und ihrer Komponenten in einem impulsbetriebenen Hochenthalpie-Stoßkanal

Abstract

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wird in einer Flughöhe von 60 km bis 80 km über Grund die hohe kinetische Energie eines Raumfahrzeuges überwiegend in thermische Energie des vor dem Körper befindlichen Gases umgewandelt und führt so zur aerodynamischen Erwärmung des Raumfahrzeuges. Diese Erwärmung erreicht solche Größenordnungen, dass sie für die Auslegung und den sicheren Betrieb eines Raumfahrzeuges eine maßgebliche Bedeutung hat. Durch die hohe thermische Energie des Gases vor dem Körper tritt neben anderen chemischen Reaktionen vor allem Dissoziation der Gasmoleküle auf. Im interessierenden Flugbereich ist die Zeitdauer des Ablaufes der chemischen Reaktionen von der Größenordnung der Verweildauer des Fluides in einem lokalen thermodynamischen Zustand. Deshalb sind Relaxationseffekte von Bedeutung. Hochenthalpie-Windkanäle können die Umströmung eines Raumfahrzeuges in diesem Flugbereich im Experiment kurzzeitig (Messzeit ca. 1 ms) nachbilden. Zur Übertragung der realen Flugsituation in das Windkanalexperiment am skalierten Modell dient die strömungsmechanische Ähnlichkeitstheorie. Eine wichtige Kennzahl, neben der Machzahl und der Reynoldszahl, ist der binäre Skalierungsparameter, das Produkt aus Gasdichte und einer Bezugslänge, der die Dissoziationsrate bestimmt. Zur Auslegung eines Raumfahrzeuges werden numerische Verfahren angewandt, um die Umströmung während des Wiedereintrittes zu bestimmen. Zur Validierung der chemischen Modellierung innerhalb dieser Verfahren werden experimentelle Daten aus Versuchen in Hochenthalpie-Windkanälen verwendet. In dieser Arbeit werden im Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) experimentell Druck und Wärmestromdichte an der Oberfläche eines skalierten Windkanalmodells des Experimentalfahrzeuges X-38 ermittelt und mit numerischen Ergebnissen verglichen und diskutiert. Das X-38 wurde als Technologiedemonstrator für ein zukünftiges Rettungsfahrzeug für die Internationale Raumstation von der NASA in enger Kooperation mit der ESA entworfen und gebaut. Wichtige Strömungsbereiche befinden sich im Bereich der Nase und der Steuerklappen dieser Wiedereintrittskonfiguration. Zur detaillierten Untersuchung der Umströmung dieser Bereiche, die am Modell nur eingeschränkt möglich ist, werden weitere Experimente mit vergrößerten und vereinfachten Windkanalmodellen durchgeführt. An einem Zylindermodell zur Nachbildung des Nasenbereiches werden Dichtegradienten der Umströmung mit der Methode der holographischen Interferometrie vermessen und mit numerischen Ergebnissen verglichen. Diese Messdaten lassen eine Validierung der Relaxationsmodellierung in den numerischen Verfahren zu. Die Umströmung der Steuerklappen wird mit einem Doppelrampenmodell nachgebildet. Aufgrund der Größe dieses Modells können Strömungsablösungen zeitlich sichtbar gemacht werden. Ein Vergleich mit gängigen analytischen Modellen für nicht chemisch reagierende Überschallströmungen wird durchgeführt. Für diese Messungen wird eine Hochgeschwindigkeits-Sichtbarmachung aufgebaut und optimiert.