Experimentelle Untersuchungen zur Abgasstrahl-Wechselwirkung von zwei Kleintriebwerken unter weltraumähnlichen Hochvakuumbedingungen

Abstract

Die Abgasstrahl-Wechselwirkung von zwei Kleintriebwerken wird in der Hochvakuum-Umgebung der Simulationsanlage für Treibstrahlen in Göttingen (STG) untersucht. Um wesentliche Parameter bei der Erzeugung der Abgasstrahlen und ihrer Wechselwirkung, wie Ruhedruck p0, Ruhetemperatur T0 und Düsenabstand Dy, systematisch verändern zu können, wird die Strömung durch zwei mit Stickstoff betriebene Kaltgastriebwerke erzeugt. Zur Strömungsvermessung dient die Patterson-Sonde, mit der in verdünnten Strömungen ein Teilchenfluss bestimmt wird. Sie werden mittels eines extra konstruierten und gebauten Zwei-Düsen-Gestells eingestellt.

Grundlage für die Beurteilung der Wechselwirkung ist der Abgasstrahl der Einzeldüse, bei dem p0, T0 und die Reynolds-Zahl Re variiert wurden (Basis-Parameter sind T0 =300 K, p0 = 1660 mbar und Re = 1457). Als wichtige Vorarbeit für die Untersuchung der Wechselwirkung konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Abgasstrahls unempfindlich gegenüber kleinen Schwankungen der Ruhegrößen ist. Hieraus folgt, dass im Falle von zwei aktiven Triebwerken, Veränderungen am Abgasstrahl ausschließlich auf der Wechselwirkung basieren. Des Weiteren ist die Vermessung des angularen Dichteverlaufs durchgeführt worden, da er die Grundlage für die Berechnung der Wechselwirkungs-Knudsenzahl KnP bildet.

Zur Charakterisierung der Wechselwirkung stromab der Düsenaustrittsebene wird die Anwendbarkeit der bereits existierenden Kennzahl KnP erweitert. Zudem wird besonders auf signifikante Eigenschaften des Strömungsfeldes, wie beispielsweise den Abstand der Wechselwirkungs-Stöße und seine Veränderung bei variablem Düsenabstand, eingegangen.

Messungen in der Rückströmung zeigen, dass diese Wechselwirkung anders strukturiert ist als diejenige stromab der Düsenaustrittsebene. Es sind in diesem Gebiet keine Wechselwirkungs-Stöße vorhanden. Über weite Bereiche weisen die normierten Flussverteilungen eine Unabhängigkeit von p0 auf. Die Verteilung von Linien gleichen Flusses der Rückströmung ist Ellipsen-ähnlich. Diese Ellipsen-ähnliche Struktur bleibt bei einer Variation des Düsenabstandes erhalten, wobei mit geeignet gewählter Normierung eine Selbstähnlichkeit bis zum Düsenabstand Dy = 10DE vorliegt. Hierbei ist DE der Düsenaustritts-Durchmesser. Auf dieser Basis ist die Rückströmung quantitativ beschrieben worden.

Die Messergebnisse sind geeignet, auf die Entstehungsmechanismen der Rückströmung schließen zu lassen. Obwohl die Patterson-Sonde hier nur eingeschränkte Aussagen erlaubt, kann aus der kombinierten Auswertung verschiedener Profile der Entstehungsmechanismus plausibel erklärt werden.

Neben der strömungsphysikalischen Untersuchung ist in dieser Arbeit Wert auf die raumfahrttechnische Nutzbarkeit der Ergebnisse gelegt worden. Eine Übertragung der Ergebnisse auf Triebwerke mit Verbrennung soll auf Basis der Ähnlichkeitstheorie gemäß eines Konzeptes stattfinden, das im Rahmen dieser Arbeit entwickelt worden ist. Des Weiteren ist der durch die Rückströmung hervorgerufene Schubgewinn abgeschätzt und die Verstärkung von Wärmelasten auf eine Raumfahrzeugstruktur stromauf der Düsenaustrittsebene berechnet worden.

The plume-plume interaction of two small thrusters is investigated under high vacuum conditions in the DLR high vacuum plume test facility STG. In order to systematically vary essential parameters of the plumes and their interaction, total pressure p0, total temperature T0, and nozzle distance Dy, the flow is generated by two cold-gas-thrusters with nitrogen as test gas. To measure the rarefied plume-flow, the Patterson-probe for determining a particle flux is used.

The assessment of interaction is based on an analysis of the single plume. The parameters p0, T0 and Reynolds Number Re (baseline-parameters T0 = 300 K, p0 = 1660 mbar and Re = 1457) are varied. It has been shown as an important preliminary work for plume-plume interaction, that the plume structure is insensitive to small fluctuations of these three static parameters. As a result, in case of two active thrusters, changes of the plumes must have their reason in interaction of the two plumes. Furthermore, angular density profiles were measured. They are the basis for calculations of the Penetration Knudsen Number KnP.

The Penetration Knudsen Number KnP is used to characterise the interaction downstream of the nozzle exits. Its application range has been extended. In addition, significant details of the flow field will be presented. An example is the distance of the two interaction shocks at a certain position and the variation of this distance by modifying the spacing of the nozzles.

Measurements of the backflow show a different structure in comparison to the interaction downstream. The backflow is localised upstream of the nozzle exits. No interaction shocks exist there. Normalised flux-distribution measurements show an independence of p0 in a wide range. The distribution of lines with equal flux in the backflow has the shape of an ellipse. This ellipse-like form is conserved during a variation of nozzle distance. Using an adequate standardisation, self-similarity can be observed up to a nozzle distance of Dy = 10DE, where DE is nozzle exit diameter. Based on these findings, the backflow has been described quantitatively.

The measurement results suggest a certain mechanism of backflow development. While Patterson-probe measurements only allow limited conclusions in this case, a possible explanation can be found by combining the analysis of different measurement-profiles.

In addition to fluid mechanical investigations, application of the findings to space technology is investigated. Based on similarity theory, a transfer of the results to thrusters with combustion is enabled through this work. Fundamental to this is a concept, which has been developed in this work. Furthermore the additional thrust caused by backflow has been estimated and the amplification of heat loads on a spacecraft structure, positioned upstream the nozzle exits, has been calculated.