Experimentelle Untersuchungen zur Abgasstrahl-Wechselwirkung von zwei Kleintriebwerken unter weltraumähnlichen Hochvakuumbedingungen

Abstract

Die Abgasstrahl-Wechselwirkung von zwei Kleintriebwerken wird in der Hochvakuum-Umgebung der Simulationsanlage für Treibstrahlen in Göttingen (STG) untersucht. Um wesentliche Parameter bei der Erzeugung der Abgasstrahlen und ihrer Wechselwirkung, wie Ruhedruck p0, Ruhetemperatur T0 und Düsenabstand Dy, systematisch verändern zu können, wird die Strömung durch zwei mit Stickstoff betriebene Kaltgastriebwerke erzeugt. Zur Strömungsvermessung dient die Patterson-Sonde, mit der in verdünnten Strömungen ein Teilchenfluss bestimmt wird. Sie werden mittels eines extra konstruierten und gebauten Zwei-Düsen-Gestells eingestellt. Grundlage für die Beurteilung der Wechselwirkung ist der Abgasstrahl der Einzeldüse, bei dem p0, T0 und die Reynolds-Zahl Re variiert wurden (Basis-Parameter sind T0 =300 K, p0 = 1660 mbar und Re = 1457). Als wichtige Vorarbeit für die Untersuchung der Wechselwirkung konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Abgasstrahls unempfindlich gegenüber kleinen Schwankungen der Ruhegrößen ist. Hieraus folgt, dass im Falle von zwei aktiven Triebwerken, Veränderungen am Abgasstrahl ausschließlich auf der Wechselwirkung basieren. Des Weiteren ist die Vermessung des angularen Dichteverlaufs durchgeführt worden, da er die Grundlage für die Berechnung der Wechselwirkungs-Knudsenzahl KnP bildet. Zur Charakterisierung der Wechselwirkung stromab der Düsenaustrittsebene wird die Anwendbarkeit der bereits existierenden Kennzahl KnP erweitert. Zudem wird besonders auf signifikante Eigenschaften des Strömungsfeldes, wie beispielsweise den Abstand der Wechselwirkungs-Stöße und seine Veränderung bei variablem Düsenabstand, eingegangen. Messungen in der Rückströmung zeigen, dass diese Wechselwirkung anders strukturiert ist als diejenige stromab der Düsenaustrittsebene. Es sind in diesem Gebiet keine Wechselwirkungs-Stöße vorhanden. Über weite Bereiche weisen die normierten Flussverteilungen eine Unabhängigkeit von p0 auf. Die Verteilung von Linien gleichen Flusses der Rückströmung ist Ellipsen-ähnlich. Diese Ellipsen-ähnliche Struktur bleibt bei einer Variation des Düsenabstandes erhalten, wobei mit geeignet gewählter Normierung eine Selbstähnlichkeit bis zum Düsenabstand Dy = 10DE vorliegt. Hierbei ist DE der Düsenaustritts-Durchmesser. Auf dieser Basis ist die Rückströmung quantitativ beschrieben worden. Die Messergebnisse sind geeignet, auf die Entstehungsmechanismen der Rückströmung schließen zu lassen. Obwohl die Patterson-Sonde hier nur eingeschränkte Aussagen erlaubt, kann aus der kombinierten Auswertung verschiedener Profile der Entstehungsmechanismus plausibel erklärt werden. Neben der strömungsphysikalischen Untersuchung ist in dieser Arbeit Wert auf die raumfahrttechnische Nutzbarkeit der Ergebnisse gelegt worden. Eine Übertragung der Ergebnisse auf Triebwerke mit Verbrennung soll auf Basis der Ähnlichkeitstheorie gemäß eines Konzeptes stattfinden, das im Rahmen dieser Arbeit entwickelt worden ist. Des Weiteren ist der durch die Rückströmung hervorgerufene Schubgewinn abgeschätzt und die Verstärkung von Wärmelasten auf eine Raumfahrzeugstruktur stromauf der Düsenaustrittsebene berechnet worden.