Numerische Simulation des Kühlmittelflusses effusionsgekühlter Düsen und Optimierung von Geometrieparametern regenerativ gekühlter Düsen mit dem Finite-Elemente Programm ANSYS

Kurzfassung

Die Raumfahrt ist in hohem Maße durch wirtschaftliches Denken und Handeln geprägt. So ist die Weiterentwicklung bestehender Systeme und die Entwicklung neuer Technologien durch eine Erhöhung der Zuverlässigkeit, eine Steigerung der Nutzlasten bei gleichzeitiger Abnahme der Leermasse und die Wiederverwendbarkeit der Systeme - verbunden mit einer hohen Lebensdauer - charakterisiert. Eine größere Leistungsfähigkeit der Raumtransportsysteme wird durch einen höheren Schub und einen höheren spezifischen Impuls erreicht. Diese bedingt aber eine deutliche Vergrößerung des Brennkammerdruckes und der Brennkammertemperatur, was sich durch zusätzliche strukturelle und thermische Belastungen nachteilig auf die Lebensdauer der verwendeten Systeme und Komponenten auswirkt. So wird bei anzustrebenden Brennkammerdürcken von 25 MPa der lokale spezifische Wärmestrom am Düsenhals auf über 140 MW/m2 ansteigen. Bisher verwendete Kühlsysteme stoßen hier an ihre Leistungsgrenzen, so daß nach neuen Lösungen bei der Kühlung der Triebwerkskomponenten gesucht wird. Hierbei bieten sich zwei Möglichkeiten an. Zum einen kann die konventionelle Kühltechnik weiterentwickelt und optimiert werden und so den gestiegenen Anforderungen angepaßt werden. Diese Option weist aber kein großes Potential im Hinblick auf eine deutliche Steigerung der Leistung der Triebwerke auf. Eine zweite Option ist der Einsatz von neuentwickelten, effizienteren Kühlverfahren.