Projekt STORT-Schlüsseltechnologien für hochenergetische Rückkehrflüge der Trägerstufen

Abstract

Kostenreduktion unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit gehört zu den Hauptanforderungen an zukünftige Raumtransportsysteme. Neben den neuen und effizienteren Fertigungs- und Qualifizierungsmethoden ist die Wiederverwendbarkeit ein Schlüsselelement um dieses Ziel zu erreichen. Die neuesten Studien zeigen, dass im Falle der Wiederverwendbarkeit die erste Stufe bei höheren Machzahlen (Machzahlen 8 bis 10) als bisher getrennt und zurückgeführt werden muss. Dies erfordert wiederum die Entwicklung und Verifizierung von Technologien für solche Hyperschallmachzahlen. Da numerische Werkzeuge für eine zuverlässige Auslegung von Komponenten noch Defizite aufweisen, ist deren Validierung durch dedizierte Experimente von großer Bedeutung. Bodenanlagen erlauben systematische und hochwertige Experimente, können aber die Flugumgebung nicht exakt duplizieren. Daher sind Messdaten von Flugexperimenten essentiell. Auch der Einsatz moderner Messmethoden sowohl bei Boden- als auch Flugexperimenten zur Charakterisierung der Testumgebung ist von enormer Bedeutung. Insbesondere der heiße Hyperschallflug und die Mehrphasenströmung von Feststoff- oder Hybridantrieben verlangen eine signifikante Verbesserung im Bereich der physikalischen Modellierung, der Fertigung und Zustandsüberwachung von Hochtemperaturstrukturen und der multidisziplinären Simulation. Während die anderen programmatisch geförderten Flugexperimente ReFEx und CALLISTO sich mit den Schwerpunkten Aerodynamik, Steuerung und Landebeine bei niedrigeren Machzahlen (unter Machzahl 5.5) beschäftigen, lag der Fokus des Projekts STORT auf aerothermaler Auslegung und Qualifizierung von thermisch hochbelasteten Komponenten und deren Instrumentierung im Hyperschallflugbereich. Im Rahmen des STORT-Projekts wurden Technologien für den heißen Hyperschallflug und die reaktive Mehrphasenströmung entwickelt und verifiziert. Nach einer Entwicklungsarbeit von knapp drei Jahren wurde im Projekt ein Hyperschallflugexperiment mit einer Dauer von mehr als zwei Minuten durchgeführt. Durch die hohe Fluggeschwindigkeit bei Machzahlen bis 8.3 in Kombination mit der ausgewählten vergleichsweise niedrigen Flugbahn mit einem Apogäum von 38 km entstanden extrem hohe Wärmelasten an den heißen Strukturen. Um die Funktion dieser Strukturen während des Flugs sicherzustellen, wurden in der Auslegungsphase umfangreiche Voruntersuchungen mit Bodenexperimenten und numerischen Simulationen durchgeführt. Im STORT-Projekt wurde auch das leistungsfähige analytische Auslegungsverfahren zur effizienten Auslegung von Hybrid- und Feststoffraketentriebwerken weiterentwickelt und durch erste Triebwerkstests validiert. Zusätzlich wurde das numerische Simulationsverfahren TAU für die Simulation von Brennkammerprozessen in Hybrid- und Feststofftriebwerken erweitert und für Simulationen der Hyperschallströmung eingesetzt. Im Projekt wurden auch Algorithmen des maschinellen Lernens für die Datenanalyse erfolgreich eingesetzt. Eine detaillierte wissenschaftliche Analyse des STORT-Flugexperiments wird noch einige Jahre in Anspruch nehmen. Trotzdem bieten die bereits erzielten Fortschritte und generierten Daten optimale Bedingungen für eine erfolgreiche Durchführung des Folgeprojekts ATHEAt (Advanced Technologies for High Energetic Atmospheric Flight of Launcher Stages).