Auspuff-Gas formt Diamant-Muster

21 Jul 7:12 pm
The material for this section is reproduced from the website ( http://www.allstar.fiu.edu ), with the permission of its copyright owner, Dr. Cesar Levy. No further reproduction is authorized, in any print, electronic or other form of media, without the prior consent of the author at [email protected] . Original: http://www.allstar.fiu.edu/aero/rocket3.htm

Haben Sie sich jemals gefragt, warum sich ein Diamant-Muster aus den Auspuff-Gasen formt, wenn eine Rakete abhebt, ein Hochleistungs-Flugzeug wie der SR-71 Blackbird startet oder als die Bell X-2 aus dem Bauch ihres Mutterschiffs abgeworfen wurde? Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Abgase des Shuttles sich nur bei großer Höhe aufbauschen, nicht bei geringer? Hier gibt’s eine Erklärung.

Wenn die Rakete ihre Unterlage verlässt, können  Sie beobachten, dass verschiedene Dinge mit der Abgasfahne passieren, die aus der Raketendüse kommt. Wenn Sie zum einen genau hinsehen, wenn die Triebwerke zum ersten Mal feuern, um die nötige Beschleunigung zum Abheben zu erreichen, können Sie ein Diamant-Muster am Ausgang der Raketendüse erkennen. Wenn die Rakete dann hoch und höher steigt, wird die Abgasfahne immer breiter. Diese beiden Effekte geschehen auf Grund des Designs der Raketendüse.

Die Raketendüse (siehe untere Abbildung) ist derart gebaut, dass sie in Höhen über Normal Null am effizientesten arbeitet. Beim Raketenstart wird der Durchlauf überdehnt, was bedeutet, dass der Abgasdruck  pe höher ist als der supersonisch-isentropische Ausgangsdruck, aber niedriger als der Umgebungsdruck pa.  Dies bedingt einen schiefen Stoß an der Ausgangsebene (A) der Düse. Um den Umgebungsdruck zu erreichen, erfahren die Abgase eine Kompression, wenn sie sich vom Düsenausgang fortbewegen. So passieren sie die Druckwelle, die an der Ausgangsebene steht. Der Durchfluss, der durch die Druckwelle gegangen ist, wendet sich nun um zur Mittelachse (2). Zur selben Zeit kann die schiefe Druckwelle, die auf die Mittelachse der Düse gerichtet ist, nicht die Mittelebene durchdringen, da die Mittelebene wie eine Stromlinie agiert. Dies führt dazu, dass die schiefe Druckwelle von der Mittelebene weg nach außen (B) reflektiert wird. Die Gasströmung geht nun durch diesen reflektierten Druck durch und wird weiter komprimiert, doch der Strom ist nun parallel (3) zur Mittelebene gedreht. Dies führt dazu, dass der Druck der Abgase über den Umgebungsdruck steigt.

Die reflektierte Schockwelle (siehe unteres Diagramm) trifft nun auf die freie Düsen-Begrenzung und führt zu einer Kontakt-Diskontinuität (oder die Grenze, an der der äußere Saum des Gasstroms  die frei strömende Luft trifft). Der Druck ist über diesem Saum derselbe, und ebenso die Richtung der Strömung. Da die Strömung einen höheren Druck besitzt als die Umgebung, muss der Druck reduziert werden. Daher bauen sich an der reflektierten Druckwellen-Kontakt-Diskontinuität-Schnittstelle  Expansionswellen vom Typ Prandtl-Meyer (MP) auf (C), um den Druck auf pa zu reduzieren. Diese Expansionswellen sind auf die Mittelachse der Düse gerichtet. Der Abgasstrom, der die Prandtl-Meyer-Expansionswellen passiert, wenden sich von der Mittelachse ab (4). Die Prandtl-Meyer-Expansionswellen reflektieren daraufhin von der Mittelebene zur Kontakt-Diskontinuität hin (D). Der Abgasstrom, der die reflektierten Prandtl-Meyer-Wellen passiert, dreht sich nun zurück zur Mittelebene, erfährt aber eine weitere Reduktion des Drucks.

Die reflektierten Prandtl-Meyer-Wellen (siehe Abbildung direkt darüber) treffen jetzt die Kontakt-Diskontinuität und reflektieren von dieser zur Mittelachse hin, nun als Prandtl-Meyer-Kompressionswellen (E). Dies erlaubt es dem Abgasstrom, durch die Prandtl-Meyer-Kompressionswellen zu passieren und seinen Druck auf Umgebungsdruck zu erhöhen. Der Durchfluss durch die Kompressions-Wellen kehrt die Strömung jedoch um, hin zur Mittelachse (6).

Die Prandtl-Meyer-Kompressionswellen reflektieren nun von der Mittelebene als Kompressionswellen (F) und erhöhen den Druck weiterhin über Umgebungsdruck, wenden die Strömung aber parallel zur Düsen-Mittelachse (7). Der Bewegungsprozess von Ausdehnungs-Kompressions-Wellen-Formationen beginnt von neuem und wiederholt sich, bis der Gasdruck derselbe ist wie der Umgebungsdruck, und die Strömung parallel zur Mittelachse der Düse ist. Diese sich ausdehnenden und zusammendrückenden Wellen, die miteinander interagieren, führen zu dem Diamant-Muster, das man sieht. Idealerweise würde dieser Prozess sich endlos wiederholen, doch eine turbulente Schub-/Querschicht, hervorgerufen durch die große Geschwindigkeitsabweichung über der Kontakt-Diskontinuität, wird die Wellenmuster auflösen (siehe das Diamantmuster des SR-71 Blackbird am Anfang dieses Kapitels).

In sehr großen Höhen, wo der Umgebungsdruck geringer ist als der Abgasdruck, ist die Strömung „unterdehnt“ (siehe Abbildung unten). Die Abgase verlassen die Düse mit einem Druck, der geringer ist als der supersonisch-isentropische Ausgangsdruck, der auch den Umgebungsdruck darstellt. Dadurch ist die Strömung (3 unten) in demselben Zustand (pexhaust > pa) wie die Strömung war, als sie durch die reflektierten, schiefe Druckwelle passierte, während die Rakete auf Normal Null war (siehe oben, A). Um Umgebungsdruck zu erreichen, dehnen die Abgase sich über Prandtl-Meyer Expansionswellen aus (Wellen zwischen den Sektionen 3 und 4, unten). Diese Ausdehnung geschieht dadurch, dass die Gase sich von der Mittelachse des Raketentriebwerkes abwenden (4). Dadurch scheint es, als ob die Abgasfahne sich von der Raketendüse aus aufbläht. Der Rest des Prozesses (4-5-6-7, unten) ist derselbe wie der 4-D-5-E-6-F-7-Prozess, der oben für die überdehnte Düse erklärt ist.

Tags: ,

Kommentare sind geschlossen