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Struktur und Infrastruktur und einer transpirationsgekühlten scharfe Anlaufkante
Bei der Auslegung von Hochtemperatur-Strukturbauteilen ist es von grundlegender Bedeutung, die Materialgrenzen und Einsatztemperaturen des Bauteils zu kennen, um es optimal gestalten zu können. Bei scharfen Anlaufkanten von hypersonischen Flugkörpern steigen die thermischen Belastungen im Vergleich zu Strukturen mit größerem Nasenradius deutlich an. Werden zulässige Materialtemperaturen überschritten, müssen aktive Kühlmethoden, wie z.B. die Transpirationskühlung, eingesetzt werden. Deren Beschreibbarkeit ist für die Bauteilgestaltung unabdingbar.
Ein Arbeitsgebiet der Helmholtz-Nachwuchsgruppe „Hochtemperatur Management für den Hyperschallflug“ ist die Entwicklung des Programms HEATS (Link zur BestPaper Ankündigung) zur Bestimmung der Materialtemperaturen einer transpirationsgekühlten scharfen Vorderkante während des Wiedereintritts durch die Atmosphäre. Das Ziel ist, mit dem Programm schnelle Abschätzungen sowie Parameterstudien durchzuführen, um möglichst einfach und mit wenig Rechenaufwand ein gutes Design zu erzielen. Im Gegensatz zu komplexen CFD-Simulationen, wie mit ANSYS-CFX, OpenFOAM oder dem DLR-Code Tau, soll das hier entstehende Programm zur Vorauslegung genutzt werden. Dies bedeutet, es steht nicht die exakte physikalische Beschreibung im Vordergrund, sondern eine Beschreibung der wichtigsten physikalischen Prozesse mit Hilfe von makroskopischen Modellen, um eine möglichst schnelle Rechenzeit für die zeitlich aufgelösten Wandtemperaturen zu erhalten.
Druckverteilung in der Wand
Durch die einfache Handhabung ist das Programm HEATS außerdem prädestiniert, um grundlegende Effekte bei der Transpirationskühlung von scharfen Anlaufkanten zu untersuchen. Erste Studien haben gezeigt, dass es eine Herausforderung ist, das Kühlfluid in Richtung der Nasenspitze strömen zu lassen. Dafür verantwortlich sind eine Kombination von Parametern, wie die Geometrie sowie die Werkstoffeigenschaften der Wand, Druckunterschiede
zwischen Ober- und Unterseite sowie der Einfluss von Temperaturgradienten