Ein Beitrag zur Beschreibung der Transpirationskühlung an keramischen Verbundwerkstoffen

Wiederverwertbare Raumtransportsysteme gelten als Schlüssel, die Kosten für den Zugang zum Weltraum zu senken. Die Realisierung derartiger Transportsysteme wird eng mit effizienten Thermalschutzsystemen verbunden. Die sogenannte Transpirationskühlung wird in diesem Bezug als sehr interessant zum Schutz thermisch hochbelasteter Komponenten betrachtet. Der erfolgreiche Einsatz dieser Kühlmethode korreliert mit der Verfügbarkeit geeigneter Materialien. In diesem Zusammenhang gelten CMC-Materialien (ceramic matrix composite) als prädestiniert für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Jedoch bestehen noch Lücken hinsichtlich der theoretischen Beschreibung dieser Kühltechnik in Kombination mit CMC-Werkstoffen. An diesem Punkt setzt diese Arbeit an, um anhand experimenteller Untersuchungen gültige Ansätze zur Charakterisierung von CMC-Materialien unter Transpirationskühlung zu finden. Als keramisches Verbundmaterial diente C/C (carbon/carbon). Als Schwerpunkte wurde dabei der materialinterne Wärmeübergang sowie die Beeinflussung der Grenzschicht bei der Transpirationskühlung von C/C-Wandsegmenten gewählt. Hinsichtlich der Charakterisierung des int. Wärmeübergangs wurde ein Verfahren entwickelt, um den volumetrischen Wärmeübergangskoeffizienten von C/C zu bestimmen. Für die untersuchten Betriebspunkte konnte dadurch lokales thermisches Gleichgewicht zwischen Kühlfluid und Festkörper festgestellt werden. Zur Beschreibung der Grenzschichtbeeinflussung durch die Transpirationskühlung, wurden die Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschichten vermessen. Basierend auf diesen Daten konnte die Selbstähnlichkeit transpirationsgekühlter Grenzschichten herausgearbeitet werden. Mit Hilfe logarithmischer Wandgesetze, wurden zudem die Reibungsbeiwerte und Stanton-Zahlen ermittelt. Anhand dieser Kennzahlen konnte die Unabhängigkeit der verwendeten Wandmaterialien und der Grenzschichtbeeinflussung durch die Transpirationskühlung gezeigt werden.