pdf-download - Lehrstuhl für Thermodynamik - Technische ...

Einleitung
hen Molmasse von Sauerstoff besteht der Anteil der Masse des Oxidators an
der gesamten Startmasse des Systems bei weit über 50 % (Saturn V bei 70
% [Alg93]). Dies erhöht nicht nur die Masse des Gesamtsystems, sondern bedeutet
gleichzeitig hohe Transportkosten.
Das neue zweistufige Raumtransportsystem 1 soll die Transportkosten senken,
indem der schwere Oxidator nicht mehr mitgeführt wird. Stattdessen wird der
Sauerstoff der Atmosphäre zur Verbrennung genutzt. Somit wird das Gesamtsystem
leichter, was sich direkt auf die Transportkosten auswirkt. Außerdem
liegt der spezifische Impuls bei luftatmenden Antrieben deutlich höher als bei
Raketen, besonders wenn Wasserstoff als Treibstoff genutzt wird. Dies wird in
Abbildung 1.1 verdeutlicht. Die hohen Geschwindigkeiten der zweiten Stufe
sollen hier durch ein Scramjet-Antriebssystem realisiert werden.
Neben der hypersonischen Außenströmung ist die größte Herausforderung
bei der Konstruktion eines Scramjet die stabile Verbrennung im Überschall.
Die Überschallströmung in der Brennkammer ist aus oben genannten Gründen
notwendig, wurde aber bis heute in keiner technischen Anwendung
gebraucht. Ob in Bunsenbrenner, Ottomotor, Gasturbine oder Turbofan-
Triebwerken – überall findet die Verbrennung mit einer deflagrativen Flammenausbreitung
bei kleinen bis sehr kleinen Mach-Zahlen statt. Bei Scramjets
wird also technologisches Neuland betreten, verbunden mit dem Problem,
dass einerseits eine direkte Flugerprobung aufgrund der enormen Kosten ausscheidet
und andererseits keine Tests am Boden unter realistischen Bedingungen
möglich sind. Grund hierfür ist die hohe Enthalpie einer hypersonischen
Strömung, welche in einem stationären Windkanal nicht erreicht werden
kann. Stoßwindkanäle sind zwar im Stande, Hochenthalpieströmungen
im Machzahlbereich von 6-10 zu erzeugen, haben aber den Nachteil extrem
kurzer Messzeiten in der Größenordnung von 1-3 ms (siehe [Sur06]). Heute
besteht aber die Möglichkeit, die unterschiedlichen Experimente mit den entsprechenden
numerischen Simulationen zu begleiten, welche auf leistungsfähiger
Hard- und Software basieren.
Die Aufgabe der Brennkammer besteht in der effektiven Verbrennung des
1 Eine horizontal startende und wiederverwendbare Unterstufe soll das Scramjet-Antriebssystem samt Nutzlast
auf die notwendige Höhe und Geschwindigkeit befördern.
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