ISBN 9783843904438

978-3-8439-0443-8, Reihe Luftfahrt

Daniel Kliche
Multidisziplinäre Analyse und Bewertung von Staustrahlantrieben mit Überschallverbrennung

116 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2012), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Staustrahlantriebe mit Überschallverbrennung sind sowohl für zukünftige mehrstufige Raumtransportsysteme als auch für militärische hyperschallschnelle Anwendungen von besonderem Interesse. Sie bestechen auf der einen Seite durch ihren einfachen geometrischen Aufbau, sind aber auf der anderen Seite höchst komplexen (aero-)thermodynamischen und chemischen Prozessen unterworfen. Lufteinlauf, Verdichter, Brennkammer und Schubdüse sind in der Regel vollständig in den Flugkörper integriert und eng miteinander gekoppelt, sodass es zur Analyse einer integralen Betrachtungsweise des Antriebs bedarf.

Ausgehend von der Definition der Betriebsgrenzen luftatmender Hyperschallantriebe, stellt diese Arbeit eine multidisziplinäre MatLab-Simulationsumgebung zur integralen Leistungssyntheserechnung von SCRamjet-Antrieben vor. Dabei liegt der Fokus auf der Ermittlung der Schubbilanz, der Quantifizierung der thermischen Belastungen und der Identifikation der Betriebsgrenzen, zur Darstellung des möglichen operationellen Flugbereichs. Insbesondere in Hinblick auf die Modellierung (aero-)thermodynamischer und chemischer Prozesse, betrachten Verfahren mit vergleichbarem Detaillierungsgrad, in der Regel nur einen einzelnen Flugzustand.

Die Analyse und Bewertung des Leistungspotentials über einen großen Höhen-Machzahlen-Bereich wird anhand einer vereinfachten zweidimensionalen Konfiguration des Versuchsträgers Hyper-X / X-43A demonstriert. Die maximal ertragbaren Temperaturen am Vorkörper begrenzen den Einsatzbereich dieser Konfiguration auf ca. Ma<8.5. Ein Schubüberschuss wird dabei erst ab einem Äquivalenzverhältnisses Ф≥1.0 generiert. Es existiert allerdings ein Schuboptimum, welches im betrachteten Bereich mit steigendem Ф flacher wird und nahezu ein Plateau für konstante Flughöhen ausbildet. Für Ma<9.5 fällt der installierte Schub überproportional aufgrund des Zusammenspiels von sinkender effektiver Temperaturerhöhung und Reibungswiderstand in der Brennkammer.