TRR 40: Technologische Grundlagen für den Entwurf thermisch und mechanisch hochbelasteter Komponenten zukünftiger Raumtransportsysteme
Maschinenbau und Produktionstechnik
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Mathematik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der TRR 40 wurde 2008 als transregionaler Sonderforschungsbereich durch führende Universitäten und DLR Forschungszentren im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik mit einem Forschungsschwerpunkt auf bahnbrechenden Technologien für zukünftige Generationen von Raumtransportsystemen eingerichtet. Gemeinsam mit der ArianeGroup hat der TRR 40 dazu beigetragen, den unabhängigen europäischen Zugang zum Orbit zu erhalten. Nur solche Fähigkeiten stellen die politische und wirtschaftliche Unabhängigkeit der EU Mitgliedsstaaten sicher, deren Industrien und Sicherheitsbedürfnisse zu einem signifikanten Teil auf der Nutzung des erdnahen Orbits beruhen und deren wissenschaftliche Interessen in der Erdbeobachtung und Erforschung des Sonnensystems liegen. Zukünftige Generationen von Raumtransportsystemen werden verschiedene Startkapazitäten und gestufte Wiederverwendbarkeit aufweisen. Sie werden chemische Antriebssysteme nutzen, da diese Art von Antrieb für die vorhersagbare Zukunft den besten Kompromiss zwischen Entwicklungs- und Produktionskosten und Effizienz darstellen. Insbesondere nicht-militärische Nutzung und bemannte Raumfahrt stützen sich auf Flüssigtreibstoffe. Wettbewerbsfähigkeit mit Systemindustrien in den USA, Russland und Asien in Bezug auf Kosten, Effizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit erfordern die anhaltende Entwicklung von Technologien in allen Bereichen. Die besonders hohe Komplexität und die extremen thermischen und mechanischen Lasten, die in chemischen Antriebssystemen auftreten, erfordern intensive Grundlagenforschung als Voraussetzung für grundlegende Verbesserungen und innovative technische Lösungen. Kritische, thermisch und mechanische hochbelastete Komponenten von Raumtransportsystemen mit chemischen Antrieben können hinsichtlich ihrer Funktionalität und der vorherrschenden physikalischen Wechselwirkungen unterschieden werden. Im TRR 40 unterscheiden wir die folgenden Kategorien: Brennkammer, Schubdüse, Heckströmungen und Strukturkühlung. Heckströmungen und Strukturkühlung werden durch die Wechselwirkung zwischen Schubkammerkomponenten bestimmt. Sie sind wesentlich für den effizienten und sicheren Betrieb von Raumtransportsystemen. Brennkammer und Schubdüse bieten das höchste Optimierungspotential hinsichtlich der System-Gesamteffizienz. Alle Komponenten sind aber durch starke, d.h. nicht reduzierbare, Wechselwirkungen gekoppelt, sodass Entwurfsoptimierung und innovative Entwurfslösungen für eine einzelne Komponente nicht erfolgreich sein können, wenn nicht ihre Wechselwirkung mit anderen Komponenten berücksichtigt wird. Es ist sinnlos Einzelkomponenten unabhängig zu betrachten, das Gegenteil wäre fahrlässig, und wichtige Parameterbereiche und Abhängigkeiten könnten nicht erfasst werden. Die technologischen Herausforderungen der einzelnen Komponenten und die Notwendigkeit der integralen Betrachtung des Antriebssystems führen auf natürliche Weise zu den fünf Teilbereichen als Untergliederung des TRR 40: Teilbereich A: Strukturkühlung,Teilbereich B: Heckströmung, Teilbereich C: Brennkammer, Teilbereich D: Schubdüse, Teilbereich K: Schubkammer. Teilbereich K repräsentiert den anwendungsorientierten Forschungsstrang zusammen mit dem Industriepartner des TRR 40, der Ariane Group. Das Schubkammersystem umfasst als wichtigste Komponenten die Brennkammer (Teilbereich C) und die Schubdüse (Teilbereich D). Operationelle Komponenten der Schubkammer sind die Strukturkühlung (Teilbereich A) und die Heckströmung (Teilbereich B). Unter den Projekten des Teilbereichs K finden sich solche, die generische Darstellungen von Schubkammerkomponenten definieren und untersuchen. Des Weiteren wird ein Projekt durch die Ariane Group beigetragen und finanziert, dass als TRR 40 Referenzpunkt virtuelle Schubkammerkonfigurationen in Form eines virtuellen Demonstrators definiert. Drei Versionen von Full- Scale-Schubkammern stellen die industrielle Entwicklungsumgebung dar und haben als virtuelle Testinstallation gedient, anhand derer die Technologieinnnovationen des TRR 40 getestet und qualifiziert wurden. Darüber hinaus wurden Simulationsmethoden, die im Rahmen des TRR 40 entwickelt wurden, genutzt, um Schwachpunkte der industriellen Entwicklungsumgebung zu identifizieren und Verbesserungspotentiale hinsichtlich Vorhersagegenauigkeit durch den Einsatz solcher modernen Simulationsmethoden zu erfassen. Schubdüse und vorherrschende Wechselwirkungen sind Forschungsgegenstand des Teilbereichs D. Diese Wechselwirkungen werden durch die Brennkammer bestimmt, die in Teilbereich C behandelt wird. Die Auswirkungen des Wärmeübergangs auf die Brennkammer und auf den Betrieb und die Kühlung der Schubdüse wurden in Teilbereich A thematisiert. Aerodynamische Lasten auf die Schubdüse resultieren aus der Strahlwechselwirkung mit der Außenströmung des Trägers und standen im Fokus des Teilbereiches B. Kernthema aller Teilbereiche war die multidisziplinäre Untersuchung nichtlinear gekoppelter thermomechanischer Systeme. Modellentwicklungen wurden dabei auf experimentelle Ergebnisse gestützt und durch detaillierte numerische Simulationen validiert. Das ist die Leitlinie für die Forschungsprojekte in den Teilbereichen und für die Zusammenarbeit zwischen den Teilbereichen. Über seine drei Förderperioden hat der TRR 40 neue Technologien entwickelt, aus denen kostenreduzierte, zuverlässigere und effizientere Schubkammerkonzepte und verbesserte Entwicklungswerkzeuge entstanden sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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