Numerische Simulation eines adaptiven vollrotationssymmetrischen Einlaufs für ein Überschallstaustrahltriebwerk

Kurzfassung

Die meisten bemannten Flugzeuge und einige Flugkörper basieren für den Flug innerhalb der Atmosphäre auf der Form eines luftatmenden Triebwerks. Alle luftatmenden Triebwerke benötigen einen Einlauf, der die Anströmung auf eine akzeptable Geschwindigkeit für die nachfolgenden Triebwerkskomponenten reduziert. Dazu existieren verschiedene Formen von Triebwerkseinläufen. Im Falle des Überschallfluges werden zweidimensionale Einläufe in der Form einer Rampe oder dreidimensionale in der Form eines Kegels verwendet. Ein Überschalleinlauf, der in einem Staustrahltriebwerk (Ramjet) zum Einsatz kommt, verzögert die Anströmung über seine Geometrie auf Unterschallgeschwindigkeit. Es ist es eine aerodynamische Herausforderung, die Luft der Brennkammer in gewünschter Qualität zur Verfügung zu stellen. Dem Staustrahltriebwerk bringt die Verwendung der Luft aus der Atmosphäre als Oxidators einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Raketentriebwerken. Der Oxidator muss nicht mit dem Fluggerät transportiert werden. Es wird eine Gewichtsersparnis erreicht, die in größere Reichweiten resultieren kann. Außerdem ist Aufbau des Staustrahltriebwerks einfach, es enthält keine rotierenden Teile wie ein TurbinenLuftstrahl-Triebwerk. Dies bringt zusätzlich Gewichtsersparnis und Kostenvorteile. Des Weiteren erreichen Staustrahltriebwerk hohe Fluggeschwindigkeiten, ihr Betriebsbereich liegt im Überschallbereich zwischen den Machzahlen 2 und 7. Somit erfüllen Staustrahltriebwerke einige Ansprüche eines modernen Flugkörpers. Eine neue Herausforderung stellen agile Flugmanöver dar. Staustrahltriebwerke reagieren empfindlicher als herkömmliche Triebwerke auf Änderungen in der Geschwindigkeit und im Anstellwinkel der Anströmung. Es ändern sich insbesondere die Lage der Verdichtungsstöße, woraus eine Verschlechterung der Leistungseigenschaften des Einlaufs und in Folge dessen des gesamten Triebwerks resultiert. Der Triebwerkseinlauf ist eine wichtige Komponente des Triebwerks. Hier wird die für den Triebwerksprozess benötigte Luft über ein System von Verdichtungsstößen und Kompressionen verdichtet. Entscheidend für die Güte der Kompression sind die Geometrie, über welche die Kompression realisiert wird, und der Betriebszustand des Einlaufs. Jedoch ist die Beherrschung der Aerodynamik aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Verdichtungsstößen und der Grenzschicht sehr anspruchsvoll.