Ein Beitrag zur Beschreibung der Transpirationskühlung an keramischen Verbundwerkstoffen

Abstract

Wiederverwertbare Raumtransportsysteme gelten als Schlüssel die Kosten für den Zugang zum Weltraum zu senken. Die Realisierung derartiger Transportsysteme wird dabei eng mit effizienten Thermalschutzsystemen verbunden. Die Transpirationskühlung wird in diesem Bezug als besonders interessante Technik zum Schutz thermisch hochbelasteter Komponenten betrachtet. Der erfolgreiche Einsatz dieser aktiven Kühlmethode korreliert hierbei eng mit der Verfügbarkeit geeigneter Materialien. In diesem Zusammenhang gelten keramische Verbundwerkstoffe, sogenannte CMC-Materialien (ceramic matrix composite), als prädestiniert für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Gleichwohl die positiven Eigenschaften der Transpirationskühlung bereits seit den 1950er Jahren bekannt sind, bestehen noch Lücken hinsichtlich der theoretischen Beschreibung dieser Kühltechnik in Kombination mit CMC-Werkstoffen. An diesem Punkt möchte die vorliegende Arbeit ansetzen, um anhand experimenteller Untersuchungen gültige Ansätze zur Charakterisierung von C/C, einer Art Referenzmaterial der CMC-Materialien, bei Transpirationskühlung zu finden. Vor diesem Hintergrund wurden als Untersuchungsschwerpunkte dieser Arbeit der materialinterne Wärmeübergang sowie die Beeinflussung der Grenzschicht bei der Transpirationskühlung von C/C-Wandsegmenten gewählt. Hinsichtlich der Charakterisierung des internen Wärmeübergangs wurde ein Verfahren entwickelt, um den volumetrischen Wärmeübergangskoeffizienten von C/C zu bestimmen. Für die untersuchten Betriebspunkte konnte dadurch das lokale thermische Gleichgewicht innerhalb der C/C-Wandsegmente festgestellt werden. Zur Beschreibung der Grenzschichtbeeinflussung durch die Transpirationskühlung, wurden Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschichten vermessen. Basierend auf diesen Messdaten konnte die Selbstähnlichkeit transpirationsgekühlter Grenzschichten herausgearbeitet werden. Zudem wurde für diesen Datensatz mit Hilfe logarithmischer Wandgesetze und der gemessenen Grenzschichtprofile die zugrundeliegenden Reibungsbeiwerte und Stanton-Zahlen ermittelt. Anhand der Analyse der daraus resultierenden Grenzschichtkennzahlen konnte die Unabhängigkeit vom verwendeten Wandmaterial auf die Grenzschichtbeeinflussung durch die Transpirationskühlung gezeigt werden. Basierend auf dieser Erkenntnis gelang es, die beobachteten Wechselwirkungen zwischen Material und Kühlung durch etablierte Modelle zu beschreiben.