Strömungssimulation vom Eintritt am Titan

Veröffentlicht von Paul 19th Mai 2019 19th Mai 2019 Der Saturnmond Titan ist auf Grund seiner dichten Stickstoffatmosphäre mit Spuren von Methan von großem Interesse für die Wissenschaft. Diese Atmosphäre wird von Raumschiffen genutzt, um bei der Ankunft abzubremsen. Während eines solchen Wiedereintrittsmanövers muss die Raumkapsel extremen Bedingungen widerstehen. Numerische Simulationen vom Wiedereintritt approximieren die auf die Kapsel wirkenden Kräfte sowie die Wärmebelastung, um den Entwurf des Thermalschutzsystems zu unterstützen. Hochenthalpe Hyperschallströmung Für diese Anwendung wurde eine generische Wiedereintrittssonde mit der Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode innerhalb PICLas simuliert. Die zu erwartenden Strömungsbedingungen wurden aus einer beispielhaften Wiedereintrittsbahn am Punkt des höchsten Wärmeflusses abgeleitet. Aus der Hyperschallströmung bei einer Mach-Zahl von 20 resultiert ein abgehobener Verdichtungsstoß und eine verdünnte Region im Nachlauf der Kapsel. Die Abbildung zeigt die translatorische Temperatur und die Stromlinien in der Symmetrie-Ebene. Komplexe Chemie-Modellierung Die Simulationen verwendeten eine komplexe Spezies- und Chemie-Modellierung bestehend aus 13 Spezies (wie Methan, Stickstoff und die entsprechenden Reaktionsprodukte) und 24 Reaktionspfaden. Der Austausch innerer Energien wurde in Form von rotatorischen, vibratorischen und elektronischen Anregungen berücksichtigt. Beispielhafte Simulationsergebnisse vom Wiedereintritt zeigen die Zusammensetzung des Gasgemisches vor der Kapsel sowie die Wärmelast auf der Rückseite der Kapsel. Diese Informationen können beim Entwurf des Hitzeschutzschildes eingesetzt werden, um eine optimale Lösung mit Hinblick auf die Minimierung der Masse der Kapsel zu finden. Fallstudie als PDF herunterladen (in Englisch) Mehr Informationen zu den zugrunde liegenden Theorien und Modellierungen: Pfeiffer, M., Nizenkov, P., Mirza, A., & Fasoulas, S. (2016). Direct simulation Monte Carlo modeling of relaxation processes in polyatomic gases. Physics of Fluids (2), 027103. Nizenkov, P., Pfeiffer, M., Mirza, A., & Fasoulas, S. (2017). Modeling of chemical reactions between polyatomic molecules for atmospheric entry simulations with direct simulation Monte Carlo. Physics of Fluids (7), 077104. Kategorien: Raumfahrt Verwandte Beiträge Raumfahrt Aufprall von Abgasen von einem Einzel- und Doppel-Triebwerk Der Aufprall von Abgasen von Triebwerken ("Plume impingement") spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen aufgrund der möglichen Kontamination von missionskritischen Elementen wie Solarpanelen oder wissenschaftlichen Instrumenten. Der im Folgenden vorgestellte Anwendungsfall validiert die Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) und die partikelbasierte ellipsoidal-statistischen Bhatnagar-Gross-Krook (ESBGK) Methode in  PICLas mit experimentellen Messungen. Raumfahrt Düsenexpansion eines Kaltgastriebwerks Kaltgastriebwerke werden auf Grund ihrer geringeren Komplexität, Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten typischerweise in Satelliten eingesetzt. Der Auslass des Triebwerks kann ein Kontaminationsrisiko für wichtige Komponenten darstellen oder sogar zu einer verringerten Leistung des Triebwerks selbst führen. Daher werden numerische Simulationen verwendet, um die Wirkung der Düsenexpansion auf ihre Umgebung vorherzusagen.