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Lebensdauervorhersage für Düsenstrukturen unter Strömungsbelastungen


Der Bedarf an höheren Nutzlasten sowie das kontinuierliche Streben nach Leistungssteigerung erfordert die Entwicklung zuverlässiger numerischer Modelle zur Lebensdaueranalyse von Raketentriebwerken. Zu diesem Zweck werden im SFB-TR 40 Simulationsmodelle entwickelt, die Strömungs-Struktur-Wechselwirkung (SSW), Schädigung sowie das Bruchverhalten berücksichtigen können.

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  Abbildung 1.1: Ariane 5                      Abbildung 1.2: Vulcain 2 Raketentriebwerk     [Copyright: © ESA-CNES-ARIANESPACE / Optique Vidéo du CSG]

Unser Institut beschäftigt sich mit der Modellierung des Werstoffverhaltens, wobei die SSW von unserem Projektpartner aus Braunschweig, dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau, untersucht wird.
Auf Strukturebene wird auf der einen Seite die Modellierung eines konventionellen Flüssigraketentriebwerks aus metallischer Legierung verfolgt (siehe z.B. Abb. 1.2). Während der ersten beiden Förderperioden des Forschungsprojektes wurde für die Kupferlegierung ein viskoplastisches Materialmodell mit isotroper sowie anisotroper Schädigung entwickelt und vollständig charakterisiert (siehe Abb. 2.1).

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  Abbildung 2.1: Rheologisches Modell des viskoplastischen Schädigungsmodells                       Abbildung 2.2: Schädigungsverteilung in der Brennkammerwand

Auf der anderen Seite wird als Alternativlösung der Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC) C/C-SiC untersucht, der am DLR Stuttgart entwickelt wurde. Düsenstrukturen aus CMC (siehe z.B. Abb. 3) weisen ein geringeres Gewicht, eine höhere Steifigkeit sowie eine bedeutend höhere Betriebstemperatur als konventionelle metallische Düsenstrukturen auf. Der Fokus der aktuellen Arbeit liegt auf der Erweiterung des bereits entwickelten Materialmodells auf die Faserkeramik C/C-SiC. Diesbezüglich werden umfangreiche mechanische Experimente unter hohen Temperaturen durchgeführt, um die Materialparameter zu bestimmen.

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  Abbildung 3: Vinci Raketentriebwerk [Copyright: © Astrium / DLR]  

Die primäre Zielsetzung des Projekts ist die Validierung der entwickelten numerischen Modelle (Materialmodellierung als auch SSW) anhand experimenteller Untersuchungen an einem subskalen Raketenbrennkammerprüfstands. Am Ende dieses Forschungsvorhabens soll die Anwendbarkeit der gesamten SSW basierten Lebensdaueranalyse mit den entwickelten Materialmodellen für die metallische Legierung sowie für die Faserkeramik aufgezeigt werden, indem entsprechende Referenzschubkammern unseres Projektpartners Airbus Defence and Space untersucht werden.        

Schlüsselwörter für Publikationen, Präsentationen: nozzle, lifetime prediction, Tini, Fassin, Barfusz


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