ISBN 9783843931038

978-3-8439-3103-8, Reihe Raumfahrt

Philipp Altenhöfer
Aufbau und Anwendung eines LIGS-Messsystems am Stoßwellenkanal HELM

145 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2017), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der Wiedereintritt in die Erdatmosphäre stellt bis heute eine der größten Herausforderungen der bemannten Raumfahrt dar. Gleichzeitig lässt sich diese kritische Flugphase, bei der Geschwindigkeiten im Bereich von 8-11 km/s auf nahezu 0 abgebremst werden müssen, aufgrund des hohen Energiegehalts der Strömung nur äußerst schwierig zu Versuchszwecken nachstellen. Einen Ansatz, zumindest einen kleinen Teil der Wiedereintrittstrajektorie experimentell am Boden abzubilden, stellen kolbengetriebene Stoßwellenkanäle wie die Anlage HELM (Hoch-Enthalpie Labor München) der Universität der Bundeswehr München dar. In Anlagen wie dieser werden instationäre Stoßverdichtungen genutzt, um für kurze Zeit Hochenthalpie- und Hochgeschwindigkeitsströmungen zu erzeugen, die dem Wiedereintrittsvorgang ähneln. Ein weiteres Anwendungsgebiet dieser Stoßwellenkanäle ist die Forschung auf dem Gebiet luftatmender Hochgeschwindigkeitsantriebe, sogenannter Scramjets.

Um die Aussagekraft der Messergebnisse dieser Anlagen und die Vergleichbarkeit dieser Ergebnisse mit numerischen Simulationsergebnissen zu erhöhen, ist es notwendig, die gasdynamischen Prozesse in der Anlage genau zu verstehen und die produzierte Hyperschallströmung bestmöglich zu charakterisieren. Aus diesem Grund sollte neben dem Druck, der gut mit konventioneller Messtechnik bestimmt werden kann, auch die Temperatur des Testgases im Düsenreservoir des Kanals bekannt sein. Nominale Drücke von bis zu 2000 bar und Temperaturen von einigen tausend Kelvin stellen die Messtechnik vor einige Herausforderungen. Gleichzeitig muss die Messung innerhalb weniger Millisekunden und durch stark beschränkte Zugänge in einer sich bewegenden Anlage erfolgen.

Das Ziel dieser Arbeit war es daher, ein optisches Temperaturmessverfahren zu identifizieren, das für die schwierigen Messbedingungen am Düsenreservoir des HELM geeignet ist, und im Anschluss die Machbarkeit durch erste erfolgreiche Messungen nachzuweisen. Die Arbeit beschreibt die sukzessive Entwicklung eines Messsystems für Laserinduzierte Gitterspektroskopie (LIGS) von Labormessungen an einer Edelstahlkammer über den Einsatz an einem konventionellen Stoßrohr zur Anwendung am Düsenreservoir des kolbengetriebenen Stoßwellenkanals. Hier gelangen im Einzelschuss erste erfolgreiche Temperaturmessungen unter moderaten Bedingungen von etwa 1200 K und 50 bar im normalen (offenen) Betrieb, wodurch die Eignung des Verfahrens und die Machbarkeit des Aufbaus nachgewiesen werden konnten.