Experimentelle Untersuchung des Betriebsverhaltens eines Hyperschalleinlaufs für ein zukünftiges Hochgeschwindigkeits-Passagierflugzeug

Kurzfassung

In den Projekten LAPCAT (Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies) und LAPCAT II werden Flugzeugkonfigurationen und integrierte Antriebskonzepte für den zukünftigen Langstreckentransport im hohen Über- oder Hyperschallflug entwickelt. Eine Konfiguration sieht eine Reiseflugmachzahl von M0 = 8 vor. Der hierfür entworfene zweidimensionale Hyperschalleinlauf mit hoher interner Kompression wird in der vorliegenden Arbeit experimentell untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei sein Startverhalten sowie sein Betriebsverhalten unter Anstell- und Schiebewinkeleinfluss. Zusätzlich wird die thermische Belastung der Struktur betrachtet. Die Arbeit wurde im Rahmen des Projekts LAPCAT II durchgeführt, um für die geplante Weiterentwicklung der bestehenden Einlaufauslegung Aspekte mit Optimierungspotenzial zu identifizieren. Die Wirksamkeit des Startmechanismus des Windkanalmodells wird nachgewiesen und Abweichungen von der reibungsfreien Betrachtung diskutiert. Für die Berücksichtigung einer Grenzschichtabsaugung im Halsquerschnitt des Einlaufs wird eine einfache analytische Methode vorgeschlagen und experimentell verifiziert. Es wird gezeigt, dass die von der Haube ausgehenden Verdichtungsstöße an ihrem Auftreffpunkt ein Ablösegebiet induzieren, dessen unkontrollierte Ausdehnung einen Zusammenbruch der Einlaufströmung auslösen kann. Dies geschieht, sobald die Position dieses Auftreffpunkts vom Auslegungsfall abweicht. Dieser Effekt kann bereits durch kleine Anstellwinkel auftreten. Gegenüber den Einflüssen kleiner Schiebewinkel erweist sich die vorliegende Einlaufauslegung hingegen als weitgehend unempfindlich. Die für einen Teil der Einlaufgeometrie ermittelten thermischen Belastungen liegen in einer Größenordnung, die auch bei Verwendung hochtemperaturfester Werkstoffe eine umfangreiche aktive Kühlung der Struktur erfordern.