Browsing by Author "Frey, Manuel"

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Behandlung von Strömungsproblemen in Raketendüsen bei Überexpansion
(2001) Frey, Manuel; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit untersucht die strömungsmechanischen Ursachen der bei Strömungsablösung in Raketendüsen beobachteten Seitenkräfte und gibt Hinweise zu ihrer Quantifizierung. Zunächst werden die im Abgasstrahl von überexpandierten Düsenströmungen auftretenden Stoßmuster analysiert. In gekürzten idealen Düsen tritt wie erwartet nur die reguläre oder Machreflexion des Überexpansionsstoßes an der Düsenlängsachse auf. Im Gegensatz dazu kann sich im Abgasstrahl einer schuboptimierten Düse ein drittes, bisher unbekanntes und nun als 'Kappenmuster' bezeichnetes Stoßmuster einstellen, welches sich als inverse Machreflexion des in schuboptimierten Düsen erzeugten inneren Stoßes deuten läßt. Für den Fall der Freistrahlablösung wird ein Modell zur Bestimmung des Ablösepunktes vorgeschlagen. Es wird gezeigt, daß die weniger erforschte Ablösung mit Wiederanlegen anders als bisher angenommen durch die Konturgebung der Düse bedingt ist. Sie tritt nur in schuboptimierten Düsen bei Existenz eines Kappenmusters auf, weil dieses die abgelöste Strömung in Richtung Düsenwand umlenkt und so zum Wiederanlegen führt. Videoanalysen und numerische Simulationen weisen die Ablösung mit Wiederanlegen erstmals auch in Großtriebwerken nach. Beim Anfahren und Abschalten von schuboptimierten Düsen kann es zum Umschlag zwischen den beiden Ablösetypen kommen. Eigens durchgeführte Modellversuche zeigen, daß die mit Abstand größten Seitenkräfte im diesem Augenblick auftreten, weil der Umschlag asymmetrisch erfolgt. Seitenkraftmessungen aus Triebwerksversuchen belegen dies auch für Großtriebwerke. Folglich können Seitenkräfte durch die Verwendung einer gekürzten idealen anstatt einer schuboptimierten Kontur entscheidend verringert werden, weil dadurch das Wiederanlegen der abgelösten Strömung vermieden wird. In den Modellversuchen erzeugt dementsprechend eine schuboptimierte Düse fast dreimal so hohe Seitenkräfte wie eine vergleichbare gekürzte ideale Düse.