Projekte

FFT2 – Beheizter Kegel



Zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Umströmung und Wandtemperatur beauftragte das Institut Aerodynamik, Abteilung Raumfahrzeuge das SHT mit dem Bau eines geeigneten, mit Thermo-Sensorik ausgestatteten und auf mind. 800°C aufheizbaren Windkanalmodells.

Wissenschaftlicher Projekthintergrund

2013-02-28 beheizter Kegel 440x150

Die Abbildung zeigt ein elektrisch beheiztes Flugkörper-Modell im Vakuum während eines Qualifizierungsversuches.
Die aufgewandte Leistung von 3400 Watt bringt die Stahloberfläche bei 800°C zum Glühen

Die Duplikation des Hyperschallflugs im Windkanal erfordert neben der Erzeugung der absoluten Strömungsgeschwindigkeit zum einen die Reproduktion der benötigten realistischen Gasdichten und zum anderen die Reproduktion der korrekten Flugwandtemperatur.
Die Reproduktion der realen Gasdichten unter Beibehaltung der absoluten Geschwindigkeit ist in Impulswindkanälen wie dem Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) möglich. Die Reproduktion der korrekten Wandtemperatur wird mittels beheizter Modelle erreicht.


Herausforderungen in Konstruktion und Fertigung
Für das Erreichen der Zieltemperatur bei möglichst kleinem Gradienten auf der Modelloberfläche waren an die Heizelemente und die Materialauswahl besondere Ansprüche gestellt. Es galt einen bestmöglichen Wärmeübergang zu realisieren sowie die kleinen Bauraum-Abmaße mit seiner komplexen Form des nur 350mm langen kegelförmigen Modells zu berücksichtigen. Die Umsetzung dieser Aufgabe erforderte innovative Lösungsansätze sowie hoch parametrisierte CAD-Modelle zur effizienten Ausdetaillierung der Lösungskonzepte.
Das Erreichen der erforderlichen Maßtreue der aus dem Vollen gefrästen Stahlhülle verlangte der Fertigung durch die schwere Zugänglichkeit bei hohen Schnittkräften viel Fingerspitzengefühl ab. Von diesem Ergebnis waren das problemlose Einsetzen und die durchgehende Berührung der drahtförmig ausgeführten Heizelemente an der Innenwand abhängig.

2013-02-28 CAD-Darstellung des Aufbaus 391x155


CAD-Darstellung des Aufbaus in CATIA V5, in Längsrichtung geschnitten

Die hierfür verwendeten Heizelemente wurden dazu auf Positivkerne spiralfömig aufgewickelt und vorgeformt. Dadurch entstand eine Art vorgespannte Heizelement-Feder, welche sich nach dem Aufspringen in die endgültige Form an die Innenkontur des Metallkegels anschmiegen musste. Die Geometrieberechnung der Positivkerne sowie der Wickelvorgang waren daher eine besondere Herausforderung.
Gleiches gilt für das positionsgenaue und äquidistante Einsetzen sowie das Vergießen der Heizelemente mit einer ausgesuchten Keramikmasse: Denn für den darauffolgenden Einbau der inn-liegenden Temperatursensorik durften die dazu notwendigen Bohrungen durch Stahl und Keramik die nun verdeckt liegenden Heizelemente nicht verletzen. Der Einsatz diverser Distanz- und Lage-definierender Blechteile auf den Positivkernen brachte hier das gewünschte Ergebnis.
Schließlich verlangte die hohe Zieltemperatur eine entsprechende, aus Platzgründen passiv gestaltete Hitze-Abschirmung der Sensor-Signalleitungen, welche über ineinanderliegende Rohre als Wärmereflektor realisiert wurde. Der enge Bauraum und die beschränkte Zugänglichkeit erforderten hier neue konstruktive Ideen.
Bei weiteren Aufheizversuchen übertraf die erreichte Zieltemperatur von über 900°C die Anforderungen. Basierend auf den gemachten Erfahrungen können zukünftige Heißmodelle für den HEG entwickelt werden.


Dipl.-Ing. Christopher Dorr

Systemhaus Technik
Lilienthalplatz 7
D-38108 Braunschweig


URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/sht/desktopdefault.aspx/tabid-4407/7213_read-36314/