 | Riehmer J. Aerothermodymasche Analyse eines Scramjet-Flugexperiments: Diss. … Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Abteilung Über- und Hyperschalltechnologien, Köln. - Köln: DLR, 2015. - 234 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2015-29). - Res. auch engl. - Literaturverz.: S.211-221. - ISSN 1434-8454
Шифр: (Pr 1120/2015-29) 02
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Inhaltsverzeichnis .............................................. 1
Nomenklatur ..................................................... 5
Kurzfassung ..................................................... 9
Abstract ....................................................... 11
1 Einleitung .................................................. 13
1.1 Problemstellung ........................................ 13
1.2 Scramjets .............................................. 15
1.3 Historische Entwicklung ................................ 16
1.4 Stand der Technik ...................................... 18
1.4.1 Australien ...................................... 18
1.4.2 Brasilien ....................................... 20
1.4.3 Europäische Union ............................... 20
1.4.4 Indien .......................................... 23
1.4.5 Japan ........................................... 24
1.4.6 Russland ........................................ 24
1.4.7 USA ............................................. 25
1.5 Graduiertenkolleg 1095 ................................. 28
1.5.1 2D-Konzept des Graduiertenkollegs ............... 28
1.5.2 Struktur des Graduiertenkollegs ................. 29
1.6 Zielsetzung der eigenen Arbeit ......................... 30
2 Theoretische Grundlagen ..................................... 33
2.1 Reibungsfreie Überschallströmungen ..................... 33
12.1.1 Prandtl-Meyer-Expansion ........................ 34
12.1.2 Normal- und Schrägstoß-Beziehungen ............. 34
12.1.3 Stoß-Stoß Interaktion .......................... 35
12.1.4 Startverhalten von Überschall-Diffusoren ....... 36
12.1.5 Methode der Charakteristiken ................... 37
2.2 Reibungsbehaftete Überschallströmungen ................. 40
2.2.1 Grenzschichtablösung ............................ 42
2.2.2 Stoß-Grenzschicht-Interaktion ................... 43
2.2.3 Staupunktströmung ............................... 44
2.2.4 Eckenströmung ................................... 46
2.2.5 Relaminarisierung ............................... 46
2.2.6 Schubvektormittelung und Bilanzerhaltung ........ 47
2.3 Reaktionskinetik ....................................... 49
2.3.1 Rayleigh-Strömung ............................... 51
2.4 Numerische Verfahren ................................... 52
2.4.1 Gitter Generierung .............................. 52
2.4.2 Preprocessing ................................... 53
2.4.3 Simulation ...................................... 54
2.4.4 Adaption ........................................ 55
3 Scramjets als Trägerstufe ................................... 57
3.1 Parametrisches Scramjet-Modell ......................... 61
3.1.1 Einlauf ......................................... 62
3.1.2 Brennkammer ..................................... 63
3.1.3 Düse ............................................ 64
3.1.4 Außenkontur und Tragflächen ..................... 64
3.1.5 Analyse einfacher Geometrie ..................... 65
3.2 Trajektorienberechnung ................................. 67
3.3 Schlussfolgerungen ..................................... 71
4 3D-Scramjet Design .......................................... 73
4.1 Einlauf ................................................ 73
4.1.1 Grundauslegung eines Rampeneinlaufs mit
Seitenwandkompression ........................... 74
4.1.2 Eckenwirbel ..................................... 81
4.1.3 Startmechanismus ................................ 83
4.1.4 Parameterstudie ................................. 84
4.1.5 Isolator ........................................ 87
4.1.6 Startverhalten und Off-Design ................... 88
4.2 Brennkammer ............................................ 93
4.2.1 Blockieren der Brennkammerströmung .............. 94
4.2.2 0D-Simulation ................................... 96
4.2.3 3D-Simulation der Brennkammer .................. 101
4.2.4 Quasi-3D-Parameterstudie der Brennkammer ....... 102
4.3 Düse .................................................. 112
4.3.1 Grundlegendes Konzept der Düsenauslegung ....... 113
4.3.2 Design ......................................... 115
4.3.3 Numerische Untersuchung ........................ 117
4.4 Gesamtkonfiguration ................................... 118
4.4.1 Modulares Schubmodell .......................... 119
4.4.2 Modell zur Wärmestromermittlung ................ 124
4.4.3 Numerische Simulation des Gesamtkonzepts ....... 129
5 Experimente am Gesamtmodell ................................ 131
5.1 Versuchsanlagen und Messtechnik ....................... 131
5.2 Beschreibung des Windkanalmodells ..................... 132
5.2.1 Messtechnik .................................... 133
5.2.2 Vorversuch zur Versperrungsmessung ............. 137
5.2.3 Thermische Analyse des Windkanalmodells ........ 139
5.3 Messmatrix ............................................ 141
5.4 Zusatzlufteinspeisung als Simulation einer
Verbrennung ........................................... 142
5.5 Diskussion der Ergebnisse ............................. 144
5.5.1 Generelle Strömungstopologie ................... 145
5.5.2 Startverhalten I Self-Starting ................. 147
5.5.3 Strömung bei unterschiedlichen
Haubenpositionen ............................... 158
5.5.4 Strömung bei simulierter Verbrennung
durch eingespeiste Druckluft ................... 160
5.5.5 Variation der Strömungsparameter ............... 167
5.5.6 Vergleich mit numerischen Methoden ............. 171
6 Flugexperiment ............................................. 181
6.1 Konzepte für ein Flugexperiment ....................... 181
6.2 Trajektorie ........................................... 185
6.2.1 Ballistische Trajektorie ....................... 188
6.2.2 Direkte Trajektorie ............................ 189
6.2.1 Gedrückte Trajektorie .......................... 191
6.2.4 Flugstabilität ................................. 192
6.2.5 Thermische Simulation .......................... 194
6.2.6 Zusammenfassung ................................ 196
6.3 Tanksystem ............................................ 198
6.4 Instrumentierung ...................................... 200
6.4.1 Druckmessungen ................................. 201
6.4.2 Wärmefluss- und Temperatursensoren ............. 203
6.4.3 Dehnmessstreifen ............................... 203
6.4.4 Optische Sensoren .............................. 203
6.4.5 Instrumentierungskonzept ....................... 204
6.4.6 Datenerfassung ................................. 204
6.4.7 Telemetrie ..................................... 205
7 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 207
7.1 Ergebnisse ............................................ 207
7.2 Empfehlung und Ausblick ............................... 209
Literaturverzeichnis ....................................... 211
Anhang ..................................................... 223
A.l Geometrie Scramjet .................................... 223
A.2 Versuchsmatrix ........................................ 227
A.3 Vergleich Turbulenzmodellierung ....................... 229
A.4 Reaktionsbeschleunigung durch Inhomogenitäten ......... 231
A.5 Flugexperiment ........................................ 232
A.5.1 Stabilitätsberechnung Wiedereintritt ............ 232
A.5.2 Tanksystem Auslegung ............................ 232
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