Strukturen für Umströmungs­untersuchungen

Um thermische Schutzschilde von Wiedereintrittskörpern in der Raumfahrt richtig dimensionieren zu können, werden sie in Windkanaluntersuchungen untersucht. Hierfür wurden am Fraunhofer IST Mikrostrukturen mit unterschiedlicher Rauigkeit auf einer generischen Apollokapsel hergestellt.

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Strahlteiler mit geringem Wellenfrontfehler

Im Rahmen eines Projekts der Europäischen Weltraumorganisation ESA hat das Fraunhofer IST einen breitbandigen Strahlteiler mit sehr geringem Wellenfrontfehler (20 nm rms) entwickelt.

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CFK-Spiegel für den Weltraum

Optische Spiegel für Weltraumanwendungen müssen wegen der ständig wechselnden thermischen Belastungen im Weltraum eine außerordentliche Stabiltität aufweisen. Am Fraunhofer IST wird daher an einer deutlich leichteren Alternative gearbeitet.

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Funktionsschichten für Wettersatelliten

Präzise und zuverlässige Wettervorhersagen können Leben retten und dabei helfen, die weltweiten Auswirkungen von Wetterkatastrophen zu mildern. Schichten des Fraunhofer IST sollen dabei helfen.

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Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Für einen effizienteren Betrieb von Gasturbinen bei höchsten Temperaturen müssen die eingesetzten metallischen Werkstoffe vor Heißgas-Korrosion und vor Überhitzung geschützt werden. Mit dem am Fraunhofer IST entwickelten Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) können neuartige und vielversprechende keramische Wärmedämmschichten für hochbelastete Bauteile hergestellt werden.

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Oberflächentechnik für die generative Fertigung

Eine Schwachstelle der additiven Fertigung ist derzeit noch die Oberfläche, die je nach Fertigungsverfahren sehr unterschiedlich sein kann. Am Fraunhofer IST werden daher additiv gefertigte Bauteile galvanisch metallisiert und mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften versehen.

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Strukturen für Umströmungs­untersuchungen

Illustration einer Apollokapsel beim Wiedereintritt in die Atmosphäre.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Illustration einer Apollokapsel beim Wiedereintritt in die Atmosphäre.

Mikroskopaufnahme der Mikrostrukturen auf der Oberfläche der Testkapsel.
© Fraunhofer IST, Nancy Paetsch

Mikroskopaufnahme der Mikrostrukturen auf der Oberfläche der Testkapsel.

In der Raumfahrt werden Wiedereintrittskörper mit thermischen Schutzschilden vor der enormen Hitze beim Eintritt in die Atmosphäre geschützt. Diese Schutzschilde müssen hohen Sicherheitsstandards genügen. Um sie richtig dimensionieren zu können, wird in Windkanaluntersuchungen am Institut für Strömungsmechanik der Technischen Universität Braunschweig der Einfluss ihrer Oberflächenbeschaffenheit auf die Umwandlung von laminarer in turbulente Umströmung (Transition) gemessen. Hierfür wurden innerhalb des Projekts »HYPTRANS PAK742« am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Mikrostrukturen mit unterschiedlicher Rauigkeit auf einer generischen Apollokapsel hergestellt.

Mikrostrukturen mit definierter Rauigkeit

Um für die Strömungsmessungen eine Testkapsel mit Bereichen definierter Rauigkeit herzustellen, wurde ein UV-empfindlicher Photolack, wie er in der Halbleitertechnik verwendet wird, auf die Oberfläche des kapselförmigen Metallgrundkörpers aufgebracht. Anschließend erfolgt ein Temperschritt. Nun wird eine Belichtungsmaske aufgelegt und mit UV-Strahlung belichtet. Nach der Entwicklung verbleiben Mikrostrukturen aus Resist auf der Oberfläche im Zentrum des Kapselgrundkörpers (vgl. Abbildung oben). Die quadratischen Strukturen haben eine Höhe von 20 µm und eine Kantenlänge von 100 μm. Die Mikroskopaufnahme in der nebenstehenden unteren Abbildung zeigt, dass der Abstand zwischen zwei Mikrostrukturen ebenfalls 100 µm beträgt. Der gesamte sogenannte Rauigkeitspatch nimmt eine Fläche von 20 x 20 mm2 ein.

Windkanalversuche

Zur Untersuchung der Transitionsvorgänge wurden nach der Fertigung des Rauigkeitspatches oberflächenbündig Wärmestromsensoren eingebracht. Um eindeutig zuordnen zu können, ob die gemessenen Wärmeströme im laminaren oder turbulenten Bereich liegen, stehen Simulationsdaten hinsichtlich des laminaren Wärmestromverlaufs zum Vergleich zur Verfügung. Eine Abweichung größer als fünf Prozent von der laminaren Rechnung wurde als Startort der Transition gewertet. Der simulierte Wärmestromverlauf entstammt einer rein laminaren Strömungssimulation mit einer ideal glatten Wand. Dieser Datensatz erlaubt es, durch einen Vergleich die experimentellen Daten im Hinblick auf den Übergang von laminarer Strömung zur Transition einzuordnen. Es zeigt sich, dass das unterkritische Rauigkeitspatch gegenüber der ideal glatten Messkonfiguration keinen Einfluss hat und erst bei ausreichend hohem Störpegel, der einer Änderung der Kapselposition in der Teststrecke entspricht, eine Transition nahe der Kapselschulter auftritt.

Ausblick

Für die nächsten Versuche wird die Höhe der Störelemente auf 80 μm gesetzt, um in den Bereich der reinen rauigkeitsbasierten Transition zu gelangen. Hierbei werden die Leerstellen zwischen den Strukturen mit einer optimalen Störwellenlänge dimensioniert, die durch die Strömungssimulation ein optimales Störungswachstum voraussagt.

Das Projekt

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des Projekts »HYPTRANS PAK742« erzielt. Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb der zweiten Förderperiode von 2015 bis 2018 gefördert.

 

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