Advanced Aerothermodynamic Analysis of SHEFEX I

Abstract

The SHarp Edge Flight EXperiment I of DLR has been established to demonstrate the feasibility of space vehicles with facetted Thermal Protection System by keeping or improving aerodynamic properties. The TPS consists of simple flat panels with sharp edges and without any constrains in the system compatibility and reliability of space vehicles. This study presents the thermodynamic behaviour of SHEFEX I during the re-entry range 28 km down to 19 km using a multidisciplinary simulation. To compare the numerical with the experimental data flow and structural calculations have been performed using the flow solver TAU and the commercial thermal solver ANSYS controlled by a loose coupling environment. Major effects like influence of sensor response time, sensor position, and sensor projection are analysed to understand the potential source of errors in numerical modelling and their impact on the results. For the selected altitude range, the calculated temperature and heat fluxes compare good with the experimental data. Das “SHarp Edge Flight Experiment I” des DLR wurde durchgeführt, um die Machbarkeit von Raumfahrzeugen mit einem facettierten Hitzenschutzsystem unter Beibehaltung oder Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften zu demonstrieren. Das Hitzschutzsystem besteht aus einfachen, ebenen Paneelen mit scharfen Kanten und ohne Vorgaben in der System-Kompatibilität und Verlässlichkeit des Vehikels. Diese Studie setzt sich mit dem thermodynamischen Verhalten von SHEFEX I während des Wiedereintrittsbereiches von 28 bis 19 km unter Anwendung einer multidisziplinären Simulation auseinander. Um die numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Messungen vergleichen zu können, werden Berechnungen mit dem Strömungslöser TAU und dem Strukturlöser ANSYS unter Einbindung einer losen Kopplungsumgebung durchgeführt. Wesentliche Effekte wie Einfluss der Sensor-Reaktionszeit, Sensorposition und Sensorüberstand wurden analysiert um die potentiellen Fehlerquellen der numerischen Modellierung und deren Einfluss auf die Ergebnisse aufzudecken. Für den ausgewählten Höhenbereich stimmen die Berechnungen zu den Temperaturen und Wärmestromdichten mit den experimentellen Daten gut überein.