Experimentelle Untersuchung des Hyperschall-Einlaufs der TSTO-Unterstufenkonfiguration ELAC

Kurzfassung

Der Triebwerkseinlauf zukünftiger RAM/TTL-Hybridantriebe für TSTO-Unterstufen wie z.B. der Referenzkonfiguration ELAC des SFB 253 ist eine der leistungsbeeinflussenden Baugruppen. Seine aerodynamische Güte bestimmt wesentlich den Wirkungsgrad des Antriebs, d.h. indirekt die Nutzlast bzw. Wirtschaftlichkeit. Entwurfsziel für den Einlauf ist es daher, die für den gesamten Betriebsbereich günstigste Einlaufgeometrie aufzufinden, wobei auftretende viskose Effekte wie Stoß/Grenzschicht-Wechselwirkungen und mögliche Grenzschichtablösungen berücksichtigt werden müssen. Bei der Untersuchung an einem Windkanalmodell des ELAC-Einlaufs standen die Topologie der dreidimensionalen viskosen Einlaufströmung im Bereich der Außenverdichtung, die Auswirkung des laminar/turbulenten Grenzschichtumschlags und die auf die Rampen wirkenden Wärmelasten im Vordergrund des Interesses. Hierzu erfolgten Messungen im Hyperschall-Windkanal H2K bei Anströmbedingungen entsprechend der maximalen Flugmachzahl 7.5 von ELAC, wobei im Hinblick auf die Auswirkungen des laminar/turbulenten Grenzschicht-Umschlags unterschiedliche Reynoldszahlen eingestellt wurden. Variiert wurden ebenfalls Anströmwinkel, Rampenwinkel, Rampenlängen sowie die Position der Haubenlippe. Eine Koinzidenz-Schlierenoptik diente zur Lokalisierung der Stöße sowie eventuell auftretender Grenzschichtablösungen. Die Beurteilung des Grenzschichtzustandes erfolgte anhand der sich einstellenden Oberflächentemperaturen, welche ein Focal-Plane-Array Infrarot-System aufzeichnete. Aus diesen Temperaturdaten errechnete sich durch numerische Lösung der nichtlinearen Wärmeleitungsgleichung die auf die Rampen wirkende Wärmelast. Eine Beurteilung von Druckrückgewinn und Strömungshomogenität erfolgte anhand von Pitot-Druckverteilungen. Ölfilmvisualisierungen auf den Rampen und Seitenwänden des Einlaufs ergänzten die Deutung der Strömungstopologie im unmittelbaren Wandbereich. Im Hinblick auf den turbulenten Grenzschichtzustand im Original-Einlauf wurde das Modell insbesondere bei turbulenten Grenzschichten auf den Rampen und Seitenwänden untersucht, wobei Trigger hinter den Nasenkanten aufgebracht waren. Im Gegensatz zum Fall laminarer Grenzschicht mit ausgeprägter dreidimensionaler Eckenströmung im Übergang der Rampen zur Seitenwand zeigte sich bei turbulenter Grenzschicht, dass hier der Kernbereich der Einlaufströmung nur gering beeinflusst wird. Auch weitere Untersuchungen bei Schiebewinkeln zeigten bis ca. 1° kaum Auswirkungen auf die Einlaufströmung. Demgegenüber wurde bei turbulenter Grenzschicht eine Neigung zur Ausbildung einer Grenzschichtablösung vor der dritten Rampe festgestellt, die bei gleichzeitiger Ablösung der Grenzschicht auf der Seitenwand einen Luftmasseverlust (Spillage) hervorruft. Hieraus wird die Notwendigkeit grenzschichtbeeinflussender Maßnahmen, wie z.B. einer Absaugung im Übergangsbereich zwischen zweiter und dritter Rampe abgeleitet. Schließlich verdeutlichen die thermographisch gemessenen Wärmeströme die technologischen Schwierigkeiten der Einlaufauslegung bezüglich auftretender Wärmelasten, die sich insbesondere auf der dritten Rampe als sehr hoch herausstellten.