Studienarbeiten im Forschungsfeld Raumtransportsysteme
Entwicklung von Aerospike-Triebwerken
Ein Forschungsschwerpunkt liegt in der Entwicklung von Aerospike-Triebwerken (Kaltgas- und Heißgas-) kleiner und mittlerer Schubklassen (bis 30 kN) für verschiedene Anwendungsszenarien und korrespondierende Randbedingungen. Schlüssel für die Realisierung dieser Triebwerke ist die konsequente Anwendung additiver Fertigungstechnologien. Die Aufgaben reichen von Konzeption über Simulation und Konstruktion bis hin zu experimenteller Verifikation.
- Strömungssimulationen zur Verifikation experimenteller Untersuchungen mit verschiedenen Schwerpunkte wie z. B.:
- Untersuchung des Einflusses eines Base Bleeds
- Applikation einer Filmkühlung
- 3D-Analyse der in Kaltgastests vermessenen stationären Strömungszustände (CENTAUR, Fluent oder OpenFOAM)
- Untersuchung des instationären Strömungsverhaltens (2D und/oder 3D) inkl. Mehrphasenmodell
- Numerische Betrachtung / Modellbildung des Injektors / strömungstechnische Optimierung:
- Stationäre Untersuchung der Injektorgeometrie mittels Mehrphasenmodell
- Instationäre Betrachtung des Zerstäubungsprozesses hinsichtlich optimierter Verteilung der Treibstoffe unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Brennraumes von Aerospike-Triebwerken
- Ansätze für die numerische Erfassung/ Analyse von Treibstoffvermischung und Ableitung geeigneter Modelle
- 3D Strömungsanalyse des Gesamtmodells (Injektorkopf) hinsichtlich strömungsoptimierter und Wärmeübergangseigenschaften und Ableitung Designguidelines
- Entwicklung und experimentelle Verifikation verschiedener Injektorkonzepte
- Aufbau, Durchführung und Auswertung von Durchflusstest von Probekörpern für verschiedene Kühlkanalgeometrien und/oder poröse Strukturen
- Aufbau und Inbetriebnahme eines Gegenstrom-Düsenexperimentes im Windkanal
- Analyse des Anwendungspotenzials für kleine und mittlere Schubklassen, insb. für Satellitenkonstellationen bzw. zum Deorbiting einzelner Satelliten
- Auslegung eines Injektorkonzepts für ein H2O2 / Kerosin Triebwerk
- Modellierung von Brennkammerschwingungen in rotationssymmetrischen Brennkammern für Aerospike-Düsen
- Aerospike Mission Analysis: Anwendungsgebiete für Aerospiketriebwerke untersuchen (Trajektorie definieren, Engine dafür vordefinieren, Vergleich mit konventioneller Glockendüsenkonfiguration), z.B. Propulsive Landing on a planet
- Analyse der Anwendbarkeit von Aerospiketriebwerken im Expander Cycle: Größtes Problem des Aerospike = thermische Last - aus dem Problem einen großen Vorteil machen?
- Modellentwicklung und Programmierung in der Aerospike-Toolbox
- Entwicklung eines 1D Kühlungsmodells für konventionelle Glockendüsen und Aerospikedüsen
- Modellierung einer automatisierten Geometriedimensionierung für Aerospikedüse und Brennkammer
- Untersuchung zur Anwendbarkeit und konstruktive Auslegung eines Aerospike Triebwerks mit Kugelbrennkammer
Schubvektorsteuerung von Aerospike-Triebwerken
Ein Schwerpunkt in der Forschung zu Aerospike-Triebwerken liegt in der Untersuchung ihrer Schubvektorsteuerung mittels Sekundärinjektion (SITVC - Secondary Injection Thrust Vector Control) durchgeführt. Diese Untersuchungen umfassen experimentelle, numerische, konstruktionstechnische, analytische und Recherchearbeiten, um eine möglichst breite Datenbasis zu erarbeiten, welche eine Modellierung der Steuerung ermöglicht.
- Strömungssimulationen zur Verifikation experimenteller Untersuchungen darunter verschiedene Schwerpunkte wie z. B.:
- 3D Analyse des Einflusses der Ausführung der Injektion (komplexe Formen, mehrere Ports etc.) auf Querkraftgenerierung
- Untersuchung des instationären Strömungsverhaltens (2D und/oder 3D) beim Aktivieren/ Deaktivieren der sek. Inj.
- Ableitung einer mathematischen Modellierung der mittels Sekundärinjektion erreichbaren Steuerkräfte
- Experimentelle Untersuchungen (Kraftvermessung verschiedener Düsen/-parameter) am Kaltgasprüfstand im Vakuumwindkanal
- Numerischer und experimenteller Vergleich zwischen Schubvektorsteuerung durch Sekundärinjektion und differenzielle Drosselung
- Recherche und Aufbereitung einer Literaturdatenbank zur SITVC
Entwicklung von keramischen Triebwerkskomponenten für chemische Antriebe (in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme)
Gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) werden im Forschungsfeld Raumtransportsysteme Komponenten (bspw. Düsen und Injektoren) sowie ganze Triebbwerke mittels additiven Fertigungsverfahren aus keramischen Werkstoffen entwickelt. Die Forschung umfasst dabei die Material- und Prozessentwicklung, die Entwicklung innovativer Fügeverfahren, die material- und fertigungsgerechte Konstruktion sowie die zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren.
- Weiterentwicklung additiv gefertigter Aerospike-Triebwerke aus keramischen Werkstoffen
- Additive Fertigung von keramischen Multi-Materialbauteilen mittels CerAM T3DP (tropfenweise Ablage partikelgefüllter Massen) zur Integration einer elektrischen Zündquelle in ein keramisches Bauteil
- Simulationsgestütze Auslegung einer keramischen Brennkammer unter Berücksichtigung der Bauteileigenschaften als Funktion der Bauteilorientierung während des additiven Fertigungsprozesses (zunächst Al2O3, später Si3N4)
- Analyse und Bewertung der Oberflächeneigenschaften additiv gefertigter keramischer Bauteile als Funktion des AM-Verfahrens sowie der Bauteilorientierung
Experimentalrakten
Ein Schwerpunkt der Forschungsgruppe Raumtransportsysteme liegt in der Entwicklung von Experimentalraketen mit Flüssigkeitsantrieben. Dies umfasst die Konzeption, Konstruktion, Simulation und experimentelle Erprobung aller Komponenten, Subsysteme sowie des Gesamtsystems. Ziel ist der erfolgreiche Flug einer solchen Experimentalrakete einschließlich sanfter Rückführung.
- Analyse und Verifikation verschiedener Ventil- und Ventilsteuerungskonfigurationen zur Optimierung der Startsequenz eines Flüssigkeitstriebwerks
- Detaillierung der Flugsimulationen zur Analyse von Trajektorien passiv stabilisierter Raketen
- Experimentelle und numerische Analyse des thermomechanischen Verhaltens der Strukturanbindung eines kryogenen Treibstofftankes
- Konzeptentwurf eines Flugcomputers
- Erweiterung der Teststandshard- und –software (LabVIEW) des Ethanol-LOX-Raketenprüfstandes
Ansprechpartner:
© Thomas Eipper
Leitung Raumtransportsysteme
NameDr.-Ing. Christian Bach
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