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Dokumentenidentifikation DE10027374B4 31.03.2005
Titel Verfahren zur Simulation von Bedingungen eines Höchstgeschwindigkeitsflugs für Materialprüfungen
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 53175 Bonn, DE
Erfinder Bütefisch, Karl-Aloys, Dr., 37120 Bovenden, DE;
Rein, Martin, Dr., 37085 Göttingen, DE
Vertreter Rehberg und Kollegen, 37073 Göttingen
DE-Anmeldedatum 02.06.2000
DE-Aktenzeichen 10027374
Offenlegungstag 13.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.03.2005
IPC-Hauptklasse G01M 9/00
IPC-Nebenklasse G01N 3/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Für viele Materialien muß bekannt sein, welches Verhalten sie zeigen, wenn sie im Höchstgeschwindigkeitsflug, z.B. bei einer Mach-Zahl Mreal gleich 6, bei hohem statischen Umgebungsdruck Pumreal von beispielsweise 101 kPA und hoher Temperatur von beispielsweise 290 K, was den erdatmosphärischen Bedingungen entspricht, von der vor einem Flugkörper aufgestauten und damit aufgeheizten Luft hoher Dichte beaufschlagt werden. Bei Flugkörpern sind insbesondere die Materialien für einen Suchkopf sorgfältig zu prüfen, ob sie bei hohen Machzahlen ihre Durchsichtigkeit beibehalten. Typisch ist, daß nur für eine relativ begrenzte Zeitdauer die dafür notwendigen Materialeigenschaften garantiert sein müssen, d.h. auch die Prüfbedingungen brauchen im Extremfall nur genau einmal für eine kurze Zeit zur Verfügung zu stehen.

Materialprüfungen für den Höchstgeschwindigkeitsflug werden üblicherweise stationär durchgeführt, z.B. indem Materialproben der hohen Temperatur und dem hohen Druck ausgesetzt werden, die im Realfall auftreten. Dabei wird aber eine wesentliche Belastung des Materials im realen Höchstgeschwindigkeitsflug nicht richtig wiedergegeben, nämlich die einseitige Beaufschlagung des Materials durch seine Anströmung, wobei erst durch Wärmeleitung auch Anteile des Materials, die weiter hinter seiner der Anströmung ausgesetzten Oberfläche angeordnet sind, einer Temperaturerhöhung ausgesetzt sind. Damit können wichtige, die Eignung eines Materials für den Höchstgeschwindigkeitsflug bestimmende Eigenschaften nicht erfaßt werden. Weiterhin ist unter den oben angegebenen stationären Bedingungen auch die mechanische Belastung des Materials nicht wirklichkeitsgetreu simuliert, da zwar der erhöhte Druck aber nicht die einseitige Beaufschlagung des Materials durch diesen Druck vorliegt. Die einseitige Beaufschlagung mittels einer Anströmung ist in der Simulation auch deshalb wichtig, weil sie im Fall von Ablation die fortschreitende Entfernung des Materials verursacht und auch das Aufwachsen einer schützenden Zunderschicht auf der Materialprobe verhindert. Ein weiterer Nachteil stationärer Untersuchungsmethoden ist, daß sowohl zu Beginn als auch zum Schluß der nur kurzzeitigen Materialprüfungen durch den Auf- bzw, Abbau von Druck und Temperatur unkontrollierte Bedingungen vorliegen, die unter Umständen das Ergebnis der Materialprüfung verfälschen. Weiterhin sind diese stationären Materialprüfungen teuer, da für ihre Durchführung auf Vorrichtungen zurückgegriffen wird, die für Materialprüfungen mit einer wesentlich längeren Prüfzeit ausgelegt und deshalb für Kurzzeitversuche an sich viel zu aufwendig sind.

Andere Simulationen zu Höchstgeschwindigkeitsflügen werden in Windkanälen oder mittels Testschlitten vorgenommen, mit dem vorwiegenden Ziel, die aerodynamisch bedingte Verteilung der Belastungen von Materialproben zu ermitteln. Diese Simulationen sind wegen hoher Anlagekosten und hohem Energieverbrauch ebenfalls sehr kostspielig, wenn die tatsächlichen Werte von Druck und Temperatur beim Höchstgeschwindigkeitsflug simuliert werden sollen. Aus Kostengründen werden deshalb in der Praxis Kompromisse eingegangen, mit dem Ergebnis, daß die tatsächlichen Materialbelastungen aus physikalischen Gründen nicht richtig dargestellt werden. So werden in verfügbaren Windkanälen bei hohen Machzahlen vor angeströmten Modellen nicht gleichzeitig die richtige Temperatur und der richtige Druck entsprechend den Bedingungen des Höchstgeschwindigkeitsflugs über Zeiten aufrechterhalten, wie sie für eine aussagekräftige Materialprüfung relevant wären.

Aus der DE 196 53 887 C1 ist es bekannt, das aerodynamische Problem der Materialbelastung beim Höchstgeschwindigkeitsflug vom materialspezifischen Teil zu separieren. Für die materialspezifische Prüfung wird dann ein sehr heißer Luft- bzw. Gasstrom hoher Dichte eingesetzt, mit dem die Bedingungen des Höchstgeschwindigkeitsflugs an der Oberfläche einer Materialprobe simuliert werden sollen. Hierzu wird gemäß der DE 196 53 887 C1 ein Plasma erzeugt. Hiermit ist es nicht möglich, die physikalischen und chemischen Bedingungen an der Oberfläche der Materialprobe wie bei einem realen Höchstgeschwindigkeitsflug in bodennaher Erdatmosphäre wirklichkeitsgetreu nachzubilden.

Wenn bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das im Prinzip dem üblichen Betrieb eines Windkanals entspricht, wie er beispielsweise aus der US 3,331,246 bekannt ist, eine Machzahl Msim des aus der Düse ausströmenden Gases bei einem Druck Pumreal von mindestens 10 KPa eingestellt werden soll, die der Machzahl Mreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs entspricht, muß in dem Reservoir ein sehr hoher Druck eingestellt werden, der bei Pumreal von 100 KPa bei einer Machzahl M gleich 6 bei 150 MPa liegt und nur mit erheblichen Aufwand und für sehr kurze Zeiten aufgebaut werden kann. Diese sehr kurzen Zeiten sind selbst für eine ausreichende Materialprüfung unter den Bedingungen des Höchstgeschwindigkeitsflugs zu kurz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, das mit vertretbarem Aufwand die Simulation von Materialbelastungen beim Höchstgeschwindigkeitsflug über relevante Zeiträume von zumindest einigen Sekunden zuläßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungen des neuen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Das neue verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es im Vergleich zu einem Druck in dem Reservoir, der zur Erzeugung der Machzahl Mreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs bei Pumreal benötigt wird, mit einem deutlich reduzierten Druck Psim in dem Reservoir arbeitet. Auch die Machzahl Msim des aus der Düse ausströmenden Gases ist kleiner als die Machzahl Mreal. Entscheidend ist dabei, daß der Druck des mit der Machzahl Msim strömenden Gases deutlich höher ist als der Umgebungsdruck Pumreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs. Dies wird durch eine relativ hohe Wahl von Psim erreicht. Die Temperatur Tsim, die bei dem neuen Verfahren im Reservoir herrscht, ist im üblichen Rahmen einzustellen. Durch diese Einstellungen von Psim und Tsim gelingt es, die Bedingungen des Höchstgeschwindigkeitsflugs Preal und Treal an der Oberfläche der Materialprobe nachzubilden, wobei Abweichungen vom Realfall in Bereichen der Anströmung, die weiter von der Oberfläche der Materialprobe entfernt sind, bewußt in Kauf genommen werden. So wird die Machzahl Mreal in der Anströmung vor der Materialprobe gar nicht erreicht. Damit tritt aber auch nicht der bei dieser Machzahl zu beobachtende hohe Ruhedruckverlust über einen Verdichtungsstoff hinweg auf. Vielmehr entfällt dieser im Fall Msim kleiner 1 ganz, oder er ist im Fall 1 kleiner Msim kleiner Mreal doch deutlich geringer als bei Mreal. Dies erklärt, warum das neue Verfahren überhaupt funktionsfähig ist.

Da bei einer Düsenexpansion von dem Druck Psim im Reservoir auf die Machzahl Msim der Druck des mit Msim strömenden Gases größer ist als Pumreal, liegt dann eine Unterexpansion des aus der Düse in die Umgebung ausströmenden Gases vor, wenn in der Umgebung der Umgebungsdruck Pumreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs Pumreal herrscht. Um bei Msim kleiner 1 eine Nachexpansion des Gases zu verhindern, die zu einer ungewollten Überschallströmung führen würde, ist in der Umgebung ein erhöhter Druck Pumsim einzustellen. Bei Msim größer 1 ergeben sich ideale Bedingungen für die Ausbildung eines zylindrischen Freistrahls durch das ausströmende Gas, wenn das aus der Düse ausströmende Gas in Bezug auf die Umgebung gerade ideal expandiert ist.

Bei einer Machzahl Msim größer 1 des aus der Düse ausströmenden Gases kann eine Nachexpansion des Gases unter Ausbildung eines sogenannten Faßstoßes vor der Oberfläche der Materialprobe hingenommen werden. Ein definierter zylindrischer Freistrahl mit einem senkrechten Verdichtungsstoß vor der Materialprobe ergibt sich aber nur, wenn auch hier der Druck Pumsim über den Umgebungsdruck Pumreal deutlich erhöht wird.

Bei dem neuen verfahren wird die Materialprobe einseitig so belastet, daß der physikalische und bei geeigneter Wahl des Gases auch der chemische Zustand an ihrer Oberfläche dem beim Höchstgeschwindigkeitsflug vorliegenden Zustand entspricht. Dabei wird insbesondere auch die Energiestromdichte korrekt wiedergegeben. Ganz im Gegensatz zu konventionellen Untersuchungen im Windkanal ist in diesem Fall die dafür erforderliche Leistung leicht aufzubringen, da die wesentlichen Materialeigenschaften an einer relativ kleinen Materialprobe untersucht werden können. Neben der realistischen Simulation mit der Freiheit, Parameter weitgehend frei wählen zu können, ergeben sich auch andere wichtige Vorteile des neuen Verfahrens. So wird eine Materialprüfung unter den realen Bedingungen eines Höchstgeschwindigkeitsflugs an der Oberfläche der Materialprobe über längere Zeiten überhaupt erstmals möglich. Weiterhin kann das Gas in der Simulation ohne großen Aufwand genau auf die Zusammensetzung der Atmosphäre bei dem tatsächlichen Problem abgestimmt werden, beispielsweise auch auf diejenige einer Planetenatmosphäre. Da die Materialproben bei dem neuen Verfahren relativ klein sein können, ohne daß die Aussagekraft der Materialprüfung verlorengeht, kann ein Prüfaufbau mit geringen Dimensionen gewählt werden, der bezüglich des Versuchsablauf genau steuerbar ist. Damit kann sehr viel genauer herausgefunden werden, ob ein Material den tatsächlichen Beanspruchungen des Höchstgeschwindigkeitsflugs gewachsen ist. Das ist wesentlich, wenn ein Material nur relativ kurzzeitig einer bestimmten Belastung standhalten muß.

Bei dem neuen Verfahren wird dafür gesorgt, daß an der Oberfläche der Materialprobe genau der Zustand herrscht, der sich auch bei einer Hyperschallanströmung, die sich durch den Höchstgeschwindigkeitsflug beispielsweise in bodennaher Erdatmosphäre ergibt, an einer Oberfläche eines Flugkörpers ausbildet.

Charakteristisch für eine Hyperschallanströmung ist, daß sich ein Verdichtungsstoß ausbildet, der einen abrupten Übergang der Überschallgeschwindigkeit zu kleineren Geschwindigkeiten, bis hin zu Unterschallgeschwindigkeiten bewirkt. Das Material selbst ist an seiner Oberfläche gar keiner Anströmung mit Überschallgeschwindigkeit ausgesetzt. Die Zustände hinter dem Verdichtungsstoß werden durch die Rankine-Hugoniot-Beziehungen wiedergegeben. Die Abweichungen gegenüber Idealgasbedingungen auf Grund der hohen Temperaturen sind dabei noch gering und können vernachlässigt werden. (Sie lassen sich aber prinzipiell bei der Festlegung der Verfahrensparameter für die Durchführung des neuen Verfahrens berücksichtigen.)

An der Oberfläche der Materialprobe werden bei dem neuen Verfahren die richtige Temperatur und der richtige Druck bei einer Machzahl Msim der Anströmung eingestellt, die deutlich kleiner ist, als die Machzahl Mreal im realen Anwendungsfall. Durch die Verringerung der Machzahl in der Simulation wird die Erzeugung der benötigten Anströmung über längere Prüfungszeiten (bis hin zu Minuten) ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine Prinzipskizze zur Durchführung des neuen Verfahrens in einer ersten grundsätzlichen Ausführungsform;

2 eine Prinzipskizze zur Durchführung des neuen Verfahrens in einer zweiten grundsätzlichen Ausführungsform;

3 eine Prinzipskizze zur Durchführung des neuen Verfahrens in einer gegenüber 2 abgewandelten Ausführungsform;

4 einen Probenhalter mit Materialprobe zur Verwendung bei der Durchführung des neuen Verfahrens;

5a) die Temperatur, b) den Druck und c) die Dichte eines Gases im Ruhezustand hinter einem senkrechten Verdichtungsstoß in Abhängigkeit von der Machzahl einer Anströmung vor dem Verdichtungsstoß bei einem statischen Druck p gleich 100 kPa und einer Temperatur T gleich 300 K vor dem Verdichtungsstoß;

6a) das Querschnittsverhältnis der Düse (engster Querschnitt f* zu Endquerschnitt fe), b) die Machzahl und c) die Geschwindigkeit einer Unterschallanströmung am Ort der Materialprobe bei der Ausführungsform des neuen Verfahrens gemäß 1 in Abhängigkeit von der Machzahl Mreal der zu simulierenden Anströmung.

7a) den Druck Psim im Reservoir, b) den Massestrom und c) den Radius am Düsenende der Düse bei der Durchführung des neuen Verfahrens gemäß 2 oder 3 in Abhängigkeit von der Machzahl Mreal der zu simulierenden Anströmung für verschiedene Machzahlen Msim der Anströmung in der Simulation:

Msim gleich 1,5 (gepunktete Linie),

Msim gleich 2,0 (lang gestrichelte Linie),

Msim gleich 2,5 (strichpunktierte Linie),

Msim gleich 3,0 (kurz gestrichelte Linie),

Msim gleich 3,5 (durchgezogene Linie).

8a) den mit erdatmosphärischem Druck von 101 kPa als Beispiel für Pumreal skalierten Druck, b) die Temperatur und c) die Dichte am Düsenende bei der Durchführung des neuen Verfahrens gemäß 2 oder 3 in Abhängigkeit von der Machzahl Mreal der zu simulierenden Anströmung für dieselben Machzahlen Msim der Anströmung in der Simulation wie bei 7;

9a) die Reynoldszahl der Anströmung (pro Länge), b) die Wärmestromdichte am Staupunkt (pro Quadratwurzel der Einheitskrümmung) und c) die Geschwindigkeit hinter dem (senkrechten) Verdichtungsstoß bei der Durchführung des neuen Verfahrens gemäß 2 oder 3 in Abhängigkeit von der Machzahl Mreal der zu simulierenden Anströmung für dieselben Machzahlen Msim der Anströmung in der Simulation wie bei 7; die Werte des realen Höchstgeschwindigkeitsflugs sind zum vergleich ebenfalls aufgetragen (durchgezogene Linie mit Kreisen).

Beim Höchstgeschwindigkeitsflug (Hyperschall) herrschen an der Oberfläche eines Flugkörpers extreme Bedingungen. Als Beispiel seien typische Werte für einen bodennahen Höchstgeschwindigkeitsflug bei einer Machzahl von Mreal gleich 6 genannt: Druck bis Preal gleich 4,7 MPa, Temperatur bis Treal gleich 2400 K. Mit einem herkömmlichen Windkanal sind solche Verhältnisse für Zeiträume, die über einige Millisekunden hinausgehen, nicht zu erreichen.

Bei dem neuen Verfahren tritt Gas 1 unter hohem Druck Psim aus einem Reservoir 2 durch eine Düse 3 in eine Umgebung 4 aus, um an einer Oberfläche 5 einer Materialprobe 6 die erwünschten Verhältnisse zu erreichen, wie sie sich beim Höchstgeschwindigkeitsflug einstellen. Dabei ergibt sich, wenn in der Umgebung 4 ein dem Umgebungsdruck Pumreal des Höchstgeschwindigkeitsflugs entsprechender Druck Pumsim herrscht, schnell ein überkritisches Druckverhältnis, das zu einer Überschallströmung führt. Das überkritische Druckverhältnis läßt sich solange nicht vermeiden, wie das Gas 1 unter dem Umgebungsdruck Pumreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs aus der Düse 3 austritt. Wird der Druck Pumsim in der Umgebung 4 aber erhöht, kann auch eine Unterschallströmung erzeugt werden. Die Düse 3 muß dazu in einen Druckkessel 7 einmünden, in dem die Materialprobe 6 angeordnet ist und in dem ein geeignet hoher Druck Pumsim in der Umgebung 4 eingestellt werden kann.

Man kann beispielsweise gemäß den 2 und 3 bei der Durchführung des neuen Verfahrens aber auch eine Überschallanströmung nutzen, um die Bedingungen des Höchstgeschwindigkeitsflugs zu simulieren, da bei einer Überschallanströmung vor der Oberfläche 5 ein Verdichtungsstoß 8 entsteht. Hinter diesem Verdichtungsstoß 8 herrschen bei geeigneter Vorgehensweise die zu simulierenden Bedingungen wie bei einem Höchstgeschwindigkeitsflug.

Um zusätzlich die beim Höchstgeschwindigkeitsflug auftretende einseitige Beaufschlagung des zu prüfenden Materials zu simulieren, kann die Materialprobe 6 so auf einem in 4 dargestellten ringförmigen Probenhalter 9 druckdicht angebracht werden, daß auf der Rückseite der Materialprobe 6, die die Öffnung des Probenhalters 9 freitragend überspannt, ein anderer Druck, im extremsten Fall sogar ein Vakuum aufprägbar ist. Damit ist für die Materialprobe 6 neben der thermischen Belastung auch eine realitätsnahe mechanische Belastung gegeben. Bei dem neuen verfahren können auch weitere dem Realfall entsprechende mechanische Kräfte auf die Materialprobe 6 aufgebracht werden, was durch Pfeile 10 und 11 in den 1 bis 3 angedeutet ist. Die aufbringbaren mechanischen Kräfte sind aber nicht auf solche senkrecht zur Richtung der Anströmung beschränkt. Genauso wie im Fall der thermischen Belastung ist durch eine Steuerung des Drucks auf der Rückseite der Materialprobe und der weiteren mechanischen Kräfte der Materialprobe 6 ein gezieltes Belastungsprofil aufprägbar. Dabei kann auf Grund der kleinen Probenfläche das Volumen für den Druck auf der Rückseite der Materialprobe 6 klein gehalten werden, so daß dieser Druck mit geringem Aufwand schnell veränderbar ist.

Überschallanströmungen werden im Versuchswesen durch die Entspannung von Gas 1 durch eine konvergent-divergente Düse 3 erzeugt. Das Verhältnis vom Ruhedruck im Reservoir vor der Düse zum Druck am Düsenende bestimmt, bei entsprechend gewählter Düsenkontur, die Machzahl am Düsenende. Beispielsweise ist für eine Anströmung mit M gleich 6 und atmosphärischem Druck von 101 kPa am Düsenende ein Reservoirdruck von ca. 150 MPa erforderlich. Diese Bedingung kann nur in Kurzzeitversuchen eingehalten werden. Für Materialprüfungen nach dem neuen Verfahren ist es aber nicht notwendig, diese Bedingung zu erfüllen, da erfindungsgemäß nur auf den Zustand hinter dem abgelösten Verdichtungsstoß 8 an der Oberfläche 5 der Materialprobe 6 abgestellt wird. Der Zustand vor dem Verdichtungsstoß 8 ist nur für die hier nicht betrachtete Aerodynamik von Bedeutung.

Langzeitversuche, die an der Oberfläche 5 der Materialprobe 6 den für die Simulation eines Höchstgeschwindigkeitsflugs richtigen Zustand liefern, sind so auch bei kleineren Drücken Psim im Reservoir 2 möglich. Dazu wird ausgenutzt, daß sich der Ruhedruck des Gases 1 über den Verdichtungsstoß 8 hinweg ändert. Wie die Verfahrensparameter einzustellen sind, damit man an der Oberfläche 5 der Materialprobe 6 den richtigen Druck Preal erhält, wird nachfolgend beschrieben. Neben dem Druck Preal ist auch die Temperatur Treal richtig wiederzugeben. Die Ruhetemperatur des Gases 1 ändert sich beim Durchgang durch den Verdichtungsstoß 8 aber nicht. Am Staupunkt der Materialprobe ist die Ruhetemperatur Treal daher gleich der Temperatur Tsim im Reservoir 2. Unter den physikalischen Randbedingungen des neuen Verfahrens tritt die maximale Temperatur des Gases 1 im Staupunkt auf. Diese Temperatur muß also auch im Reservoir 2 erreichbar sein. Zum Beispiel setzt dies bei einem Höchstgeschwindigkeitsflug mit einer Machzahl Mreal gleich 6 einen Prüfaufbau voraus, in dem Temperaturen bis zu einem Wert von Tsim gleich = 2400 K als Temperatur des Gases 1 im Reservoir 2 erzielt werden können. Dies ist aber ohne weiteres realistisch. Bei dem neuen Verfahren wird der Ruhedruck des Gases 1 im Reservoir so eingestellt, daß nach einer Düsenexpansion bis auf eine noch frei wählbare Machzahl der Ruhedruck hinter dem Verdichtungsstoß 8 gerade dem Druck Preal entspricht, der an der betrachteten Stelle des Flugkörpers beim Höchstgeschwindigkeitsflug herrscht. Die Materialprobe 6 wird dann im Potentialkern des aus der Düse 3 austretenden Freistrahls 12 geprüft. Die Materialprobe wird so in den Freistrahl 12 gehalten, daß an ihrer Oberfläche 5 beispielsweise eine Staupunktströmung vorliegt. In allen Fällen wird das Gas 1 mit einem Gas, das im realen Höchstgeschwindigkeitsflug vorliegt, in Übereinstimmung gebracht. Bei korrekter Simulation des thermodynamischen Zustandes ist auf diese Weise auch die korrekte chemische Belastung der Materialprobe gewährleistet.

Die im realen Höchstgeschwindigkeitsflug an der Oberfläche des Flugkörpers auftretenden Drücke, Temperaturen und Geschwindigkeiten lassen sich in der Simulation auch mit einer Unterschallanströmung der Materialprobe 6 reproduzieren (1). Da bei einer Unterschallanströmung keine Ruhedruckverluste auftreten, liegt bei der Simulation am Staupunkt vor der Materialprobe genau der Ruhezustand des Gases 1 im Reservoir vor. Um unter diesen Bedingungen tatsächlich nur eine Unterschallströmung zu erzeugen, muß der Druck Pumsim in der Umgebung 4 am Düsenende hoch sein; Idealerweise liegt er nahe bei einem Druck Pstoßreal, der sich bei dem simulierten Höchstgeschwindigkeitsflug hinter dem Verdichtungsstoß ausbildet. Die Materialprobe 6 ist deshalb in einem Druckkessel 7 anzuordnen, in den die Düse 3 einmündet, wobei der Druck Pumsim in dem Druckkessel 7 konstant zu halten ist. Im einzelnen ist die Vorgehensweise bei der Durchführung des neuen Verfahrens gemäß 1 wie folgt:

Für die Unterschallanströmung wird der Ruhezustand des Gases 1 im Reservoir 2 so gewählt, daß er gerade mit dem Ruhezustand übereinstimmt, der bei dem zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflug hinter dem Bugstoß vorliegt. Dabei ist zu beachten, daß der Ruhezustand hinter dem Bugstoß wegen der Krümmung des Bugstoßes nicht überall gleich ist. An einem bestimmten Ort hinter dem Bugstoß hängt der Ruhezustand neben dem Ruhezustand vor dem Bugstoß auch davon ab, an welcher Stelle die diesen Ort erreichende Stromlinie den Bugstoß passiert hat. Im folgenden wird beispielhaft die Staupunktstromlinie betrachtet. Für diesen Fall läßt sich der Zustand hinter dem Bugstoß beim Höchstgeschwindigkeitsflug direkt bestimmen. Die Ruhetemperatur ist gleich der Ruhetemperatur vor dem Bugstoß. Die Ruhedichte ergibt sich direkt aus der thermischen Zustandsgleichung. Der so definierte Ruhezustand ist eine Funktion der Machzahl des zugehörigen Höchstgeschwindigkeitsflugs. Er ist in 5 gegen die Machzahl aufgetragen. Solche Ruhezustände sind in dem Reservoir 2 realisier- und längerfristig aufrechterhaltbar. Durch Expansion des Gases 1 aus dem Reservoir 2, in dem genau dieser Ruhezustand herrscht, wird nun eine Unterschallströmung erzeugt, deren Geschwindigkeit gerade der Geschwindigkeit entspricht, die beim Höchstgeschwindigkeitsflug hinter dem Bugstoß vorliegt. Dort, wo diese Geschwindigkeit in der Unterschallströmung erreicht wird, ist die Materialprobe 6 zu ihrer Prüfung anzuordnen. An diesem Ort ist neben der Geschwindigkeit auch die Temperatur bekannt. Letztere entspricht gerade der Temperatur hinter dem Bugstoß im realen Fall. Über die Temperatur erhält man sofort die Schallgeschwindigkeit und damit auch die Machzahl Msim am Ort des Materialprobe 6 in der Unterschallströmung. Mit dieser Machzahl erhält man schließlich das Verhältnis des Querschnitts fe am Prüfort zu dem Querschnitt f* am Düsenhals. Damit ist die Düsenkontur der einzusetzenden Düse 3 definiert. Das Verhältnis fe/f* sowie die Machzahl Msim und die Geschwindigkeit am Ort der Materialprobe 6 sind in 6 gegen die Machzahl Mreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs aufgetragen. Gegenüber Materialprüfungen mit Überschallanströmung haben Materialprüfungen mit Unterschallanströmung den Vorteil, daß der Druck Psim in dem Reservoir 2 mit bis zu knapp 5 MPa deutlich geringer liegt, als im Fall von Überschallanströmungen mit der Machzahl Mreal des zu simulierenden Höchstgeschwindigkeitsflugs, für die Psim etwa 150 MPa betragen müßte.

Aber auch bei Materialprüfungen mit Überschallanströmung läßt sich dieser hohe Druck in dem Reservoir 2 vermeiden. Im folgenden wird gezeigt, welche Temperaturen Tsim und Drücke Psim in dem Reservoir 2 bei der Durchführung des neuen Verfahrens gemäß den 2 und 3 einzustellen sind, um Bedingungen an der Oberfläche 5 der Materialprobe 6 wie beim bodennahen Flug im Machzahlbereich Mreal gleich 4 bis 6 zu simulieren. Da die allgemeine Druckverteilung am Flugkörper erst bei bekannter Gestalt des Flugkörpers bestimmt werden kann, werden hier zunächst nur die Bedingungen am Staupunkt betrachtet. Bedingungen an anderen Stellen des Flugkörpers lassen sich, sobald der dortige Druck Preal bekannt ist, analog ableiten. Der Zustand am Staupunkt läßt sich für die reale Anströmung leicht berechnen. Die Temperatur Treal am Staupunkt ist gleich der Ruhetemperatur des Gases 1. Diese Temperatur hängt allein von der Machzahl Mreal der realen Anströmung ab. Unabhängig von der Machzahl Msim in der Simulation ist genau diese Temperatur durch Vorheizen des Gases im Reservoir auf Tsim gleich Treal einzustellen. Im folgenden bezeichne der Index "sim" wie schon bis hierher die Simulation, d.h. die Parameter des neuen Verfahrens. Die Ruhetemperatur Tsim des Gases 1 in dem Reservoir 2 in der Simulation ist also immer gleich derjenigen Temperatur Treal des realen Falls. Der in der Simulation einzustellende Druck Psim des Gases 1 in dem Reservoir hängt von der in der Simulation vorliegenden Machzahl Msim der Anströmung ab. vor der Materialprobe bildet sich der abgelöste Verdichtungsstoß 8 aus. Der Ruhedruckverlust über dem Verdichtungsstoß 8 hängt von der Machzahl Msim vor diesem Verdichtungsstoß 8 ab. Der Ruhedruck hinter dem Verdichtungsstoß 8 soll in der Simulation gerade dem Ruhedruck Preal hinter dem Verdichtungsstoß im realen Fall entsprechen. Damit erhält man für den Reservoirdruck in der Simulation: Psim = Preal·f (Msim)(I), wobei f eine bekannte Funktion der Machzahl Msim vor dem Verdichtungsstoß 8 in der Simulation ist. Für verschiedene Mach-Zahlen in der Simulation, Msim = 1,5 bis 3,5, ist der nach Gleichung (I) berechnete Druck Psim in dem Reservoir 2 in 7a) gegen die Machzahl Mreal der realen Anströmung im Höchstgeschwindigkeitsflug aufgetragen. Auch bei Ms = 3,5 liegt der Druck Psim in dem Reservoir 2 selbst für große Machzahlen der realen Anströmung in einem apparativ problemlos zugänglichen Bereich. Mit bekannten Werten für den Ruhedruck und die Ruhetemperatur des Gases 1 in der Simulation kann die kritische Massestromdichte Theta* berechnet werden. Diese wird benötigt, um bei gegebener Heizleistung den maximalen Düsendurchmesser zu bestimmen. Bei gegebener Heizleistung L erhält man den Querschnitt f* des Düsenhalses zu f* = L / (Theta* cp DeltaT). Hierbei ist cp die spezifische Wärme bei konstantem Druck des Gases, und DeltaT bezeichnet die Differenz in der Temperatur des Gases nach und vor dem Heizvorgang. Für den Massestrom des Gases, dm/dt, gilt: dm/dt = f* Theta* = L / (cp DeltaT). Der Massestrom hängt hier nur von der Ruhetemperatur, nicht aber vom Ruhedruck ab. Er ist deshalb bei verschiedenen Machzahlen Msim in der Simulation konstant. Seine Abhängigkeit von der Machzahl Mreal in der realen Strömung ist in 7b) aufgetragen. Dabei ist beispielhaft die leicht erreichbare Heizleistung von 360 kVA zugrundegelegt. Das Verhältnis von End- zu Halsquerschnitt, fe / f*, der Düse ist eine Funktion der Machzahl Msim der Anströmung in der Simulation. Msim stimmt hier mit der Machzahl am Düsenende überein. Bei bekannter Heizleistung ist die kritische Querschnittsfläche bekannt (s.o.) und damit auch der Radius Re am Düsenende. Letzterer ist in 7c) für verschiedene Machzahlen Msim der Anströmung in der Simulation gegen die Machzahl der Anströmung im realen Fall aufgetragen, wobei wieder die beispielhafte Heizleistung von 360 kVH zugrundegelegt ist. Der Radius des Düsenendes bestimmt den Radius des Freistrahls 12 in dem die Materialprobe 6 untersucht wird.

In 8 sind zusätzlich die in der Simulation am Düsenende herrschenden Zustandsgrößen in Abhängigkeit von der in der Simulation vorliegenden Machzahl Msim über Mreal dargestellt. Der Druck wurde dabei auf (erd-)atmosphärischen Druck (101 kPa) bezogen. Wird bei dem neue Verfahren gemäß 3 der besonders einfache Weg des Ausblasens des Gases 1 gegen atmosphärischen Druck, d.h. nicht erhöhten Druck in der Umgebung 4 gewählt, so erhält man aus dieser Skalierung eine Vorstellung davon, wie stark der Freistrahl 12 unterexpandiert ist. Weiterhin zeigt 8a), daß die in der Simulation kleinere Machzahl Msim durch einen größeren Druck in der Anströmung vor dem Verdichtungsstoß 8 ausgeglichen wird. Für die Temperatur (8b)) und Dichte (8c)) gilt dies ebenfalls.

Bei bekanntem Zustand am Düsenende lassen sich die Reynoldszahl der Anströmung und die Wärmestromdichte am Staupunkt (pro Längeneinheit bzw. pro Quadratwurzel der Einheitskrümmung) berechnen. Diese Werte sind in 9a) und b) mit den entsprechenden Werten im realen Fall verglichen, wieder für unterschiedliche Machzahlen Msim der Anströmung in der Simulation. Außerdem ist in 9c) die absolute Geschwindigkeit der Anströmung der Probe selbst (also die Geschwindigkeit hinter dem Verdichtungsstoß) aufgetragen, sowohl für die Simulation, als auch für den realen Fall. Für alle in 9 aufgetragenen Größen sind die Unterschiede zwischen der Simulation und dem realen Fall vernachlässigbar klein. Dies gilt insbesondere bei höheren Machzahlen der Anströmung in der Simulation. Wenn in der Simulation mit einer Überschallanströmung gearbeitet wird, ist es sinnvoll, die Machzahl der Anströmung in der Simulation möglichst groß zu halten. Es nimmt dann einerseits die Unterexpansion des Freistrahls ab (vgl. 8a)) und andererseits der Durchmesser des Düsenendes zu (vgl. 7c)).

Der aus der Düse austretende Freistrahl 12 ist unter den Betriebsbedingungen des neuen Verfahrens immer unterexpandiert, wenn das Gas 1 aus dem Reservoir 2 in die Atmosphäre entspannt wird. Bei genügend hoher Unterexpansion kann sich im Fall einer Überschallanströmung hinter der Düse 3 ein Verdichtungsstoß 8 in Form eines sogenannten Faßstoßes ausbilden. Zur Materialprüfung wird die Materialprobe 6 innerhalb des Faßstoßes in die Überschallanströmung plaziert. Vor der Materialprobe 6 bildet sich dann ein abgelöster Verdichtungsstoß 8 aus, und an der Materialprobe 6 liegt eine Staupunktströmung vor (siehe 3). Im unterexpandierten Freistrahl 12 findet eine Nachexpansion des Gases 1 statt. Damit ändert sich auch die Machzahl der Anströmung der Probe oder, genauer gesagt, die Machzahl der Anströmung vor dem abgelösten Verdichtungsstoß 8. Für die exakte Simulation ist die Kenntnis des Zustandes direkt vor diesem Verdichtungsstoß entscheidend. Dieser Zustand kann aber nach bekannten Verfahren numerisch berechnet werden. Für einige Fälle existieren überdies bekannte analytische Beziehungen. Die mit der Zustandsänderung aufgrund der Expansion in dem Freistrahl 12 verbundene Problematik kann umgangen werden, wenn sich der Freistrahl 12 in einen Druckkessel 7 erstreckt, in dem der Druck Pumsim in der Umgebung 4 an den Druck des Gases 1 am Düsenende angepaßt wird. Der Freistrahl ist dann zylindrisch und sein Durchmesser gleicht dem des Düsenendes (siehe 2). Um den Druck in dem Druckkessel 7 konstant zu halten, muß der mit dem Gas 1 eingehende Massestrom sofort wieder entfernt werden, was in den 1 und 2 durch einen Auslaß 13 des Druckkessels 7 angedeutet ist.

1Gas 2Reservoir 3Düse 4Umgebung 5Oberfläche 6Materialprobe 7Druckkessel 8Verdichtungsstoß 9Probenhalter 10Pfeil 11Pfeil 12Freistrahl 13Auslaß

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Simulation von Bedingungen eines Höchstgeschwindigkeitsflugs bei hohem statischen Umgebungsdruck Pumreal von mindestens 10 kPa für die Durchführung von Materialprüfungen, wobei ein Gas mit definiertem Druck Psim und definierter Temperatur Tsim in einem Reservoir bereitgestellt wird, wobei das Gas durch eine Düse aus dem Reservoir in eine Umgebung ausgelassen wird, wobei das mit einer Machzahl Msim aus der Düse ausströmende Gas einseitig auf eine Materialprobe auftrifft, wobei sich an der dem ausströmenden Gas zugewandten Oberfläche der Materialprobe ein Druck Preal und eine Temperatur Treal ausbilden, die den Bedingungen an einer Oberfläche eines Flugkörpers bei dem Höchstgeschwindigkeitsflug mit einer Machzahl Mreal entsprechen, und wobei Treal gleich Tsim ist, dadurch gekennzeichnet, daß Msim kleiner ist als Mreal und daß Psim um mindestens 40 % kleiner ist, als ein zum Erreichen der Machzahl Mreal bei Pumreal notwendiger Druck, aber um mindestens 30 größer als ein zum Erreichen der Machzahl Msim bei Pumreal hinreichender Druck.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Msim kleiner als 1,0 ist, daß Psim gleich Preal ist und daß in der Umgebung, in die das Gas ausgelassen wird, ein Druck Pumsim herrscht, der mindestens um 400 %, vorzugsweise um mindestens 1000 %, größer ist als Pumreal.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pumsim gleich Pstoßreal ist, wobei Pstoßreal der Druck ist, der sich bei dem simulierten Höchstgeschwindigkeitsflugbedingungen hinter einem Verdichtungsstoß ausbildet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Msim größer als 1,0 ist und daß Psim größer als Preal ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung, in die das Gas ausgelassen wird, ein Druck Pumsim herrscht, der gleich Pumreal ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung, in die das Gas ausgelassen wird, ein Druck Pumsim herrscht, der mindestens um 400 %, vorzugsweise um mindestens 1000 %, größer ist als Pumreal.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck Pumsim so groß gewählt wird, daß sich ein zylindrischer Freistrahl hinter der Düse ausbildet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mreal größergleich 5 und Msim kleinergleich 3,5 ist, wobei Psim kleinergleich 50 MPa, vorzugsweise kleinergleich 30 MPa ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Massestrom des in den Druckkessel (7) zugeführten Gases simultan aus dem Druckkessel (7) abgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialprobe rückwärtig mit einer vorgegebenen Temperatur, einem vorgegebenen Druck und/oder einer vorgegebenen Atmosphäre beaufschlagt wird, die von den Bedingungen an der dem Gasstrahl zugewandten Oberfläche der Materialprobe abweichen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialprobe so angeordnet wird, daß sie eine Öffnung eines Beaufschlagungsraums in einem Probenhalter überspannt und abdichtet.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialprobe zusätzlich mechanischen Kräften ausgesetzt wird.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






IPC
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