Integrierter multidisziplinärer Entwurf heißer Strukturen von Raumtransportern (IMENS)

Abstract

Bisher kann das thermomechanische Verhalten von hochbelasteten Raumflugkörper-Komponenten, wie z.B. von Nasenkappen, Steuerflächen oder Schubdüsen in einer Hochtemperaturströmung mit chemischen Reaktionen nur begrenzt analysiert oder gar vorhergesagt werden. Die Nutzung vorhandener numerischer oder experimenteller Verfahren und das Fehlen verlässlicher Flugdaten führen zu hohen Sicherheitsmargen im Entwurfsprozess und damit zu größeren Massen als notwendig, letztendlich auch zu teuren Fluggeräten. Um diese Lücke zu schließen, wurde das Projekt IMENS als Bestandteil des nationalen Raumfahrtprogramms ASTRA zur Analyse des thermisch-mechanischen Verhaltens von Bauteilen mit Fluid-Struktur-Wechselwirkungen initiiert. Dafür wurden spezielle Erweiterungen der vorhandenen Simulationsmodule für Strömung, Struktur und deren Kopplung in einem leistungsfähigen Software-Integrationsrahmen durchgeführt. Um die Voraussetzungen für eine industrielle und wissenschaftliche Nutzung solcher Simulationsumgebungen zu erfüllen, musste das Gesamtsystem anhand von dedizierten experimentellen Daten validiert werden. Im Rahmen der Validierung wurden für definierte Konfigurationen mit Hilfe der IMENS-Simulationsumgebung Simulationsrechnungen durchgeführt, deren Resultate dann mit experimentellen Daten verglichen wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Auslegung der heißen Strukturen von Raumfahrzeugen mit Hilfe der gekoppelten Analyse die Notwendigkeit der hohen Sicherheitsmargen bzw. Kosten erheblich reduzieren können.