Experimentelle Untersuchung zur Strömungsablösung in überexpandierten Raketendüsen

Abstract

Während des Anlaufens heutiger Raketentriebwerke entsteht eine überexpandierte Strömung in der Expansionsdüse. Diese Strömung ist unerwünscht, da es ab bestimmten Verhältnissen von Düsenwanddruck und Umgebungsdruck zu einer Strömungsablösung von der Wand kommt, welche erhalten bleibt, bis die Düse voll fließt. Dieses Phänomen kann durch asymmetrisches Auftreten zu Seitenkräften führen, die die Düse zerstören können. Daher war die theoretische Vorhersage der Strömungsablösung des öfteren Bestandteil von Forschungsvorhaben in der vergangenen Zeit. Bisherige Forschungen befaßten sich in der Hauptsache mit der Vorhersage der sogenannten Freistrahlablösung von der Wand. Bei bestimmten Düsenkonturen kann es jedoch zu einem Wiederanlegen der Strömung an die Düsenwand kommen, dieses Phänomen bezeichnet man als begrenzte Ablösung mit Wiederanlegen. In dieser Arbeit werden Versuche mit verschiedenen Düsen mit dem Ziel ausgewertet, bisher bestehende Ablösekriterien zu bewerten. Gegebenenfalls wird ein neues Kriterium formuliert, welches in der Lage sein soll, das Eintreten der begrenzten Ablösung mit Wiederanlegen mit hinreichender Genauigkeit vorherzusagen. Die Zielsetzung ist, eine Quantifizierung der Seitenkraft in Abhängigkeit vom Düsentyp durchzufuhren. Am Ende werden Möglichkeiten vorgestellt, wie man weiterführende Experimente definieren kann, um offengebliebene Fragestellungen zu untersuchen. Während der Untersuchungen zeigte sich, daß die auftretenden Lasten in der gekürzten idealen Kontur sehr gering sind. Zieht man einen Vergleich mit einer schuboptimierten Düse, so ist dies umso deutlicher zu erkennen. Die Belastung bei Einsatz einer gekürzten idealen Düse ist um mehr als die Hälfte geringer, als bei Anwendung einer vergleichbaren schuboptimierten Düse. Bei den bisherigen Untersuchungen konnte aber noch nicht alles Interessierende untersucht werden, da der Prüfstand dafür noch nicht völlig geeignet war. Als ein Ergebnis kann man die Erkenntnis werten, daß weitere Versuche mit einem modifiziertem Prüfstand gefahren werden müssen. Dies ist vor allem in Hinblick auf die Weiterentwicklung des empirischen Ablösekriteriums unumgänglich. Anhand der vorliegenden Ergebnisse kann man ferner eine Bereichseinteilung für die begrenzte Ablösung mit Wiederanlegen hinsichtlich ihres Auftretens, der Transition von und zur Freistrahlablösung und dem Nichtvorhandensein, formulieren.