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Zwei Mal ist die europäische Trägerrakete Vega bereits ins All gestartet, um Satelliten zu ihrem Bestimmungsort zu befördern. Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat sie solch einen Flug bereits über 50 Mal absolviert - allerdings als Miniaturausgabe in einem Windkanal. 75 Zentimeter große und aus Stahl und Titan geformt war das Modell, mit dem die DLR-Ingenieure im Hyperschallwindkanal Köln die Trennung von Unterstufe und Oberstufe simulierten. "Das ist einer der kritischsten Momente bei solch einem Flug", betont Oliver Hohn, Mitarbeiter der DLR-Einrichtung "Über- und Hyperschalltechnologien" im Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. Im Windkanal untersuchten die Ingenieure im Auftrag der europäischen Raumfahrtagentur ESA, wie sich die Strömung um die Rakete durch die Stufentrennung verändert. Dabei belegten die Tests unter anderem, dass es zu diesem Zeitpunkt zu Strömungsablösungen am Flugkörper kommt, die teilweise große Auswirkungen auf die Stabilität der Raketen haben.
Trennt sich die Unterstufe von der Oberstufe, zünden während des Flugs Retro-Raketen - kleine Feststoffraketen, die den unteren Teil der Rakete "wegstoßen" und so eine saubere, möglichst schnelle Trennung ermöglichen. "Die Trennung verursacht dadurch eine Ruckbewegung, die sich auf den restlichen Raketenkörper auswirkt", erläutert Projektleiter Oliver Hohn. Im Windkanal ließen die Ingenieure über 35 Sekunden lang Luft mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit über das Modell in eine 2000-Kubikmeter-Vakuumkugel strömen. Währenddessen strömte aus kleinen Düsen im Modell mit hohem Druck Luft aus, die die Zündung der Retro-Raketen simuliert. So entstanden Bedingungen, die dem Flug der Vega-Rakete in 50 Kilometern Höhe sehr nahe kommen.
Mit Öl und Schatten die Strömung sichtbar machen
Mit einer hochpräzisen Waage erfassten die Ingenieure die Kräfte und Momente, die durch die Stufentrennung auf die Rakete einwirken - so konnten sie die Flugstabilität untersuchen. Um eine bisher nur mit Computermodellen gerechnete Veränderung der Strömung entlang der Rakete sichtbar zu machen, trugen die Ingenieure für ihre umfangreiche Messreihe zudem Öle mit verschiedener Viskosität auf das Modell auf und zeichneten die Veränderungen dieses Ölfilms auf. Auch die Dichteänderung der Luft rund um das Modell wird benutzt, um die Strömung durch Schattenaufnahmen sichtbar zu machen: Hier wird mit einer Kamera erfasst, wie sich der Schatten des Strömungsfeldes durch die Änderung der Strömungsdichte um das Testmodell ändert.
Das wichtigste Ergebnis: "Das Strömungsfeld um die Rakete wird bei der Trennung der verschiedenen Stufen enorm gestört - es entstehen unsymmetrische Wirbel, die Strömung löst sich ab", fasst Projektleiter Oliver Hohn zusammen. Abhängig von dem Flugwinkel der Rakete fallen diese Störungen unterschiedlich stark aus. "Mit unseren Messdaten kann der optimale Zeitpunkt für die Stufentrennung besser definiert werden." Die Daten der Versuchsreihen fließen nun auch in die numerischen Simulationen des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen und der University of Southampton ein. Die Ergebnisse können zudem auch auf andere Raketentypen übertragen werden: "Diese Interaktion zwischen den unterschiedlichen Stufen kommt bei allen Typen vor", betont Oliver Hohn.
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Quelle: DLR