Institutsleiter

Prof. Dr.-Ing.
Stefanos Fasoulas

Stellvertreter

Prof. Dr.-Ing. Sabine Klinkner

Prof. Dr. rer. nat. Alfred Krabbe

Sekretariat
Prof. Fasoulas

Larissa Schunter

Sekretariat
Prof. Klinkner

Annegret Möller

Sekretariat
Prof. Krabbe

Barbara Klett

Administration

Dr. Thomas Wegmann

 


Institut für Raumfahrtsysteme
Pfaffenwaldring 29
70569 Stuttgart

Tel. +49 711 685-69604
Fax +49 711 685-63596

Direkt zu

 

Thermische Lichtbogentriebwerke

Wärmebilanzrechnung an Thermischen Lichtbogentriebwerken

Ziele der Wärmebilanzrechnung

Ziel einer jeden Triebwerksentwicklung ist die thermische und strukturelle Optimierung des jeweiligen Gerätes. Neben experimentellen Untersuchungen am Lichtbogentriebwerk bietet die Thermalrechnung die Möglichkeit zur Ermittlung der räumlichen sowie der zeitlichen Verteilung der Temperatur des zu untersuchenden Triebwerkes.

Die Wärmebilanzrechnung erlaubt eine Einsicht in die Temperaturverteilung im Innern des Triebwerkes, welche mit Meßsensoren überhaupt nicht oder nur sehr schwer erreicht werden kann. Diese Einsichten in das generelle thermische Verhalten des Triebwerkes geben Aufschlüsse für eine thermische Optimierung des Gerätes.

Eine qualitativ und quantitativ zuverlässige Simulation des thermischen Triebwerksverhaltens bedarf einer Validierung des verwendeten numerischen Modells. Dies erreicht man durch experimentell ermittelte Daten welche mittels unterschiedlicher invasiver (Thermoelemente) als auch mittels nichtinvasiver optischen Temperaturmeßsensoren LINK (Pyrometer, CID-Kamera) gewonnen werden.

Das FEM-Programmpaket SMART

Am Institut für Raumfahrtsysteme hat man mit dem Finiten-Element Programmsystem SMART (Strukturmechanische Analyse in der Reaktortechnik) ein Werkzeug zur Hand, um die thermische Modellierung der Triebwerke durchzuführen. Mit der Entwicklung des Finite Element Programmes SMART wurde bereits in den 70er Jahren am Institut für Statik und Dynamik (ISD) begonnen. Seither wird die Programmbibliothek ständig erweitert und am IRS speziell für die Thermalrechnung von Triebwerken angepaßt.

SMART bietet die Möglichkeit der Untersuchung des thermischen Verhaltens von Triebwerken anhand einfacher Variationen von Geometrie, Werkstoffen und Lastfällen. Im Programm werden Sachverhalte berücksichtigt wie:

  • Temperaturdiffusion im Festkörper
  • Wärmeübergänge zwischen Festkörpern
  • Wärmeabstrahlung nach außen
  • konvektiver Wärmetransport des Triebwerksgases
  • Temperaturabhängigkeit der thermophysikalischen Werkstoffdaten
  • Wärmebelastung durch äußere Wärmeströme

Am Institut für Raumfahrtsysteme existiert eine umfangreiche Datenbank mit den benötigten thermophysikalischen Grössen wie:

Festkörperdaten Treibstoffdaten
  • Wärmeleitfähigkeit [W/mK]
  • Volumenspezifische Wärmekapazität [J/m³ K]
  • Emissionsgrad [-]
  • Druck [N/m²]
  • Dichte [kg/m²]
  • Wärmeleitfähigkeit [W/mK]
  • Volumenspezifische Wärmekapazität [J/m³ K]
  • Viskosität [Ns/m&sup2,]

Modellierung von Lichtbogentriebwerken

Bei der thermischen Analyse wird von der CAD-Datenbasis des zu modellierenden Triebwerkes ausgegangen. Für die Diskretisierung des Modells wird die technische Zeichnung auf die wesentlichen geometrischen Informationen reduziert und in einzelne Baugruppen gleichen Werkstoffes separiert. Nur in den entscheidenden heißen Zonen werden alle Details wie Spalte und Dichtungen berücksichtigt. Um Rechenzeit zu sparen wird auf ein Zwei-Dimensionales Modell zurückgegriffen. Ein dermaßen vereinfachtes Modell ist Ausgangspunkt für die Netzgenerierung und Strukturierung.

Die Modellierung berücksichtigt die speziellen Lastannahmen, Randbedingungen und Werkstoffdaten des entsprechenden Triebwerkes. Modelliert wird der Wärmeeintrag vom Lichtbogen auf die Kathodenspitze und auf die Anodendüse Die ensprechende Wärmelastverteilungsfunktion wurde an einer segmentierten, wassergekühlten Düse experimentell gewonnen. Der Wärmeleitwiderstand an nicht stoffschlüssigen Kontaktflächen zwischen einzelnen Bauteilen wird durch Link-Elemente mit entsprechender Konduktivität berücksichtigt. Der Wärmeabfluß über die Wassergekühlten Triebwerksbefestigungspunkte wird ebenfalls modelliert indem an definierten Knotenpunkten die Umgebungstemperatur fest vorgeschrieben wird. Der Verlustwärmestrom vom Triebwerk an die Vakuumumgebung wird durch ein geschlossenes Strahlungsnetz entlang der gesamten Triebwerksoberfläche modelliert. Der külende Einfluß des Treibstoffes im Innern des Triebwerkes wird durch das koppeln eines Strömungnetzes an das Festkörpernetz erreicht. Um adiabate Räme zu vermeiden werden Hohlräme im Triebwerksinneren mit Treibstoffgas gefüllt und dem Festkörpernetz für die nichtlineare Rechnung zugeschlagen.

Nach dieser Modellbeschreibung wird der SMART Rechenlauf gestartet. Die Ergebnisdaten werden im Anschluß daran mit dem Visualisierungsprogramm DataExplorer (DX) graphisch umgesetzt. Fü eine detailliertere Untersuchung der Temperatuiren entlang bestimmter Triebwerksstrukturen und Bauteile wird das Kalkulationsprogramm EXCEL zur weiteren Auswertung herangezogen.

Ergebnis einer Wärmebilanzrechnung für das 100 kW-Triebwerk HIPARC