Mit Hilfe gekoppelter Simulationen wird die Belastung diverser Strukturbauteile in Raumfahrzeugen untersucht. Die Aufheizung des Gesamtfahrzeugs - etwa beim Wiedereintritt aus einem Orbit - oder beim Aufstieg des Trägers durch die dichte Atmosphäre, ist ein kritischer Aspekt bei dessen Auslegung. Durch die Fähigkeit, die Trajektorie zu simulieren, können zudem die aerodynamische Stabilität und Steuerbarkeit sowie der Einfluss und die Wirksamkeit von Steuerflächen analysiert werden. Für die Antriebskomponenten helfen die Simulationen, interne Prozesse in den komplexen Systemen zu verstehen und zu optimieren. Von besonderem Interesse sind dabei die Wärmetransport-, Vermischungs- und chemischen Prozesse in Triebwerken mit flüssigen Treibstoffen.
CONF²AS²
Ein Schwerpunkt im DLR-Programm Raumtransport ist die Untersuchung zukünftiger wiederverwendbarer Raumtransportsysteme. Im Fokus aktueller Entwicklungen stehen dabei häufig die hohen Anforderungen an Sicherheit und Effizienz sowie die Senkung der Entwicklungskosten. Durch die Steigerung verfügbarer Rechnerkapazitäten auf aktuellen High-Performance Computing-Systemen (HPC), im DLR der CARA Cluster, ist es zunehmend möglich, komplexe Gesamtsysteme in frühen Entwicklungsphasen numerisch zu untersuchen. Da an anwendungsnahe Raumfahrtsysteme diverse, teils widersprüchliche, hohe Anforderungen gestellt werden, ist es notwendig, die wechselseitigen Einflüsse einer Vielzahl physikalischer Prozesse in einer Simulation abbilden zu können.
Multidisziplinäre Simulationsverfahren, die den wechselseitigen Einfluss von z.B. Strömungs- und Deformations- oder Wärmeleitungs-Effekten sowie die Bewegung und Steuerung frei fliegender Fahrzeuge abbilden, rücken zunehmend in den Fokus in allen Phasen der Entwicklung und des Betriebs von Raumfahrzeugen. Unter dem Titel CONF²AS² erweitert das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik daher eine auf bestehenden Arbeiten und Entwicklungen aus der Luftfahrt basierende, integrierte Simulationsumgebung auf Basis des FlowSimulators. In dieser Softwareumgebung werden verschiedene Einzelfeldlöser gesteuert und der Datenaustausch effizient organisiert.
Zur Strömungssimulation werden aktuell vor allem im DLR entwickelte Verfahren verwendet. Dazu gehört insbesondere der Finite-Volumen RANS Löser TAU und dessen Nachfolger, die CFD Software von ONERA, DLR und Airbus (CODA), sowie Verfahren reduzierter Ordnung zur Berechnung von Überschallströmungen. Je nach gewünschten Detailierungsgrad ist es dabei möglich, Strömungen idealer und realer Gase vom Unter- bis zum Hyperschall-Bereich inklusive chemischer Reaktionen abzubilden.
Ziel ist es, sowohl Komponenten, wie das Triebwerk und dessen Subsysteme (Brennkammer, Kühlkanäle, Düsen), als auch komplette Raumfahrzeuge numerisch auslegen und untersuchen zu können. Zusätzlich werden die numerischen Untersuchungen genutzt, um Experimente zu definieren, mit denen wiederum die numerischen Verfahren validiert werden. Das Institut ist dabei sowohl für die Methodenentwicklung als auch für die Durchführung der Simulationen verantwortlich.
Wesentliche Merkmale
- ermöglicht multiphysikalische Simulationen (Strömung, Struktur, Flugmechanik)
- integriert numerische Verfahren unterschiedlicher Genauigkeit
- ermöglicht gekoppelte Simulationen zur Detail- und Voruntersuchung
- effiziente Nutzung von HPC Ressourcen durch FlowSimulator Framework
Linzenzhinweis
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