{"id":3004,"date":"2022-04-07T09:00:58","date_gmt":"2022-04-07T07:00:58","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=3004"},"modified":"2022-06-13T15:48:15","modified_gmt":"2022-06-13T13:48:15","slug":"houston-der-treibstoff-schwappt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2022\/04\/07\/houston-der-treibstoff-schwappt\/","title":{"rendered":"Houston, der Treibstoff schwappt…"},"content":{"rendered":"

von Julius Bihler<\/em><\/p>\n

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Abbildung 1: Bei einem Raketenstart entstehen Schwingungen im Treibstofftank, die sogar Einfluss auf die Flugbahn haben k\u00f6nnen. \u00a9 Pixabay<\/p><\/div>\n

Weltraumraketen sind starre Riesen, welche mit unvorstellbarer Kraft die Erdanziehung \u00fcberwinden und das Weltall erreichen. Doch sind sie wirklich so starr wie sie von Weitem aussehen? Du hast wahrscheinlich noch nie IN einer Rakete gesessen, um das von Nahem beurteilen zu k\u00f6nnen. Dieser Artikel nimmt dich mit ins Innerste einer Rakete und was dort alles so vor sich geht.<\/strong><\/p>\n

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Wer schon einmal in einem Flugzeug sa\u00df, erinnert sich vielleicht, dass so ein Flug nicht immer ruhig verl\u00e4uft. Es k\u00f6nnen Turbulenzen auftreten oder auch Vibrationen zu sp\u00fcren sein. Vibrationen werden durch das Flugzeug selbst erzeugt, z.B. durch die Motoren. Vibrationen sind Schwingungen, welche sich je nach Motorleistung ver\u00e4ndern k\u00f6nnen. Auch bei Weltraumraketen k\u00f6nnen Schwingungen auftreten – und dass bei Schubkr\u00e4ften, die bis zu 400-mal gr\u00f6\u00dfer sind als bei einem typischen Urlaubsflieger, wie einer Boing 747 (vgl. Nasa, 2008, Airliners, 2009).<\/p>\n

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Abbildung 2: In einem typischen Urlaubsflieger wie dieser Boeing 747 kann man selbst erleben welchen Einfluss Vibrationen haben k\u00f6nnen, die durch den Motor erzeugt werden. \u00a9 Pixabay<\/p><\/div>\n

Raketen sind also nicht nur als starre Masse anzusehen. Schwingungen sind Kr\u00e4fte, welche auf die Rakete Einfluss haben, deswegen d\u00fcrfen sie nicht untersch\u00e4tzt werden.<\/p>\n

Ein kritischer Punkt bei einem Raketenstart wird \u201cMax Q\u201d genannt. Dieser beschreibt die maximale Belastung der Rakete durch extrem hohen Staudruck (vgl. Benson, 2021). Eine gewisse Kombination aus Geschwindigkeit und Luftdichte definiert diesen Punkt meist bei 11 – 13 km H\u00f6he. Eine hohe Belastung, Vibrationen und Schwingungen sind die Folge. Im schlimmsten Fall f\u00fchren ungewollte Schwingungen zum Totalausfall der Rakete. Um solche Ereignisse zu verhindern, wird auch das Forschungsgebiet der Str\u00f6mungsmechanik mit einbezogen.<\/p>\n

Was durch die H\u00fclle nicht zu sehen ist, sind die Treibstofftanks der Rakete. Raketen bestehen zum gr\u00f6\u00dften Teil aus diesen Tanks. Diese sind meist mit Fl\u00fcssigkeiten gef\u00fcllt, welche die Rakete zum Antrieb ben\u00f6tigt.<\/p>\n\n\n\n
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Staudruck<\/strong>, oder auch \u201edynamic pressure\u201c beschreibt den Druck, der von einer str\u00f6menden Fl\u00fcssigkeit oder einem str\u00f6menden Gas an einem Hindernis hervorgerufen wird. Der Staudruck h\u00e4ngt sowohl von der Dichte als auch von der Geschwindigkeit ab. Beim Start der Rakete ist der Staudruck deshalb gleich Null, steigt aber aufgrund der zunehmenden Geschwindigkeit bis zu einem bestimmten Maximalwert, welcher als \u201eMax Q<\/strong>\u201c bezeichnet wird. Danach nimmt der Staudruck durch aufgrund der abnehmenden Dichte wieder ab.<\/span><\/p>\n

(Benson, 2021)<\/span><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

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Abbildung 3: Das gr\u00f6\u00dfte Bauteil der Tr\u00e4gerrakete des Space Shuttle (braun) war der Tank. \u00a9 Pixabay<\/p><\/div>\n

Bei Fl\u00fcssigtreibstoff ist, wie der Name schon sagt, der Inhalt der Tanks im fl\u00fcssigen Zustand. Durch die Schwingung der Tanks werden diese Fl\u00fcssigkeiten in Bewegung versetzt. Wie diese Fl\u00fcssigkeiten sich verhalten und warum es wichtig ist, den Einfluss der Schwingungen von Treibstofftanks zu verstehen, darum k\u00fcmmern sich die Forscher*innen des ZARM\u00a0Instituts in Bremen.<\/p>\n

Dazu geh\u00f6rt auch Bastian Beuerling. Er hat in seiner Masterarbeit einen ziemlich einfachen Versuchsaufbau verwendet, um diesen schwierigen Fragen auf den Grund zu gehen. Und darum geht es jetzt.<\/p>\n

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Das schwappende Teetassen Experiment<\/span><\/h1>\n

In diesem einfachen Modellversuch, der im Institut durchgef\u00fchrt wurde, werden die Effekte der eindimensionalen seitlichen Schwingung erforscht. Eindimensional bedeutet, dass der Beh\u00e4lter, welcher die Fl\u00fcssigkeit beinhaltet, nach links und rechts bewegt wird. Eine Fl\u00fcssigkeit wird durch die seitlichen Schwingungen der Gef\u00e4\u00dfwand angeregt. Dies wird als seitliches Schwappen bezeichnet. Das seitliche Schwappen wurde als eine unerw\u00fcnschte St\u00f6rung identifiziert, welche in den Treibstofftanks der Raketen auftritt.<\/p>\n

Dieses Verhalten kann vereinfacht am Fr\u00fchst\u00fcckstisch mit einer Tasse Tee simuliert werden. Um den Versuch durchzuf\u00fchren, wird nun die Tasse in Schwingung versetzt. Eine gleichm\u00e4\u00dfige oder auch harmonische Bewegung der Tasse nach rechts und links wird die Fl\u00fcssigkeit in Bewegung bringen. Beobachtet werden kann eine Wellenbildung auf der Oberfl\u00e4che der Fl\u00fcssigkeit. Je nach Intensit\u00e4t und Rhythmus (Frequenz) der Schwingung \u00e4ndert sich die Art der \u201cTeewelle\u201d.<\/p>\n

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Abbildung 4: Versuchsaufbau „Teewelle“ – ganz einfach am K\u00fcchentisch nachzumachen. \u00a9 Pixabay<\/p><\/div>\n

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Versuchsaufbau am ZARM<\/span><\/h1>\n

Auch in den Treibstofftanks der Raketen entstehen solche Wellen an den Oberfl\u00e4chen der Fl\u00fcssigkeiten. Um die verschiedenen Zust\u00e4nde der Wellen zu verstehen, existiert am ZARM Institut der im Folgenden beschriebene Versuchsaufbau. Am ZARM Institut werden nat\u00fcrlich keine Teetassen verwendet, um die verschiedenen Zust\u00e4nde der Wellen zu erzeugen. Der professionelle Versuchsaufbau ist etwas aufw\u00e4ndiger.<\/p>\n

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Abbildung 5: Glaskasten (Mitte) mit Motorkasten (links). \u00a9 Julius Bihler<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

Wie in Abbildung 5 zu sehen, besteht er aus einem mit Wasser gef\u00fcllten Glaskasten, einem\u00a0Motor, einer sich drehenden Scheibe, einer Lichtquelle, einem wei\u00dfen Schirm und einer Kamera (hinten). Der d\u00fcnne Glaskasten kann harmonisch nach rechts und links schwingen. Dabei lassen sich die Amplitude (die H\u00f6he der Welle) und die Frequenz der Schwingung einstellen. Das starke Licht projiziert die aktuell existierende Welle an eine wei\u00dfe Fl\u00e4che. Die Welle kann mit Hilfe einer Kamera sehr einfach auf den Computer \u00fcbertragen werden. Die Schwingung wird durch eine am Motor drehende Scheibe erzeugt. Die Scheibe bewegt eine lange Stange und damit den Glaskasten harmonisch. Die Stange ist in Abbildung 6 gut zu sehen.<\/p>\n

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Abbildung 6: Seitliche Aufnahme des Glaskastens. \u00a9 Julius Bihler<\/p><\/div>\n

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\u00c4hnlich wie bei einer alten Dampflokomotive ist dies die Umsetzung einer Drehbewegung in eine lineare Schwingung. Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe und damit des Motors, bestimmt die Frequenz der Schwingung.<\/p>\n

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Wir erzeugen Wellen<\/span><\/h1>\n<\/div>\n<\/div>\n

Nun da wir den Versuchsaufbau kennen, k\u00f6nnen wir anfangen ihn in Schwingung zu versetzen. Angefangen wird bei diesem Versuch mit einer niedrigen Frequenz. Es bildet sich eine Welle und schwingt sanft hin und her.<\/p>\n

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Abbildung 7: Doppelb\u00e4uchige Welle. \u00a9 Julius Bihler<\/p><\/div>\n

Nun wird die Frequenz immer weiter erh\u00f6ht. Es ist zu erkennen, dass die Welle nicht mehr alleine ist. Bei bestimmten Frequenzen sind zum Beispiel mehrere B\u00e4uche zu erkennen. In Abbildung 7 ist eine doppelb\u00e4uchige Welle zu sehen.<\/p>\n

Diese mehreren B\u00e4uche entstehen durch gleichzeitig existierende Wellen, welche sich \u00fcberlagern. Im Glaskasten existieren also mehrere Wellen, welche gegeneinander laufen. Dadurch steigt die Amplitude, an manchen Stellen an. Es entsteht ein Schwingmuster, welches von der Frequenz abh\u00e4ngig ist (vgl. Demtr\u00f6der, 2015).<\/p>\n

Durch das Ann\u00e4hern an eine gewisse Frequenz wird pl\u00f6tzlich die Amplitude der Welle extrem gro\u00df. Dieses Ph\u00e4nomen kann damit erkl\u00e4rt werden, dass sich die eingestellte Frequenz an die Eigenfrequenz des Systems ann\u00e4hert. Wir haben eine Resonanz erzeugt.<\/p>\n

Die Folge daraus ist, dass die Wellen nun im Glaskasten brechen und um ein Vielfaches h\u00f6her sind als davor. Diese starken Wellen k\u00f6nnen also auch in den Treibstofftanks der Raketen auftreten. Das w\u00e4re offensichtlich ein Problem, denn diese Schwingungen erzeugen gegenl\u00e4ufige Kr\u00e4fte.<\/p>\n

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Starken Wellen eliminieren<\/span><\/h1>\n

Anschlie\u00dfend wird die Frequenz wieder verringert. Verbl\u00fcffender Weise bildet sich die Welle nicht so zur\u00fcck, wie es zu erwarten w\u00e4re. Wo bei gleicher Erregerfrequenz die Welle sanft hin und her geschwungen ist, sind jetzt immer noch brechende Wellen und hohe Amplituden zu sehen. Bei stetig sinkender Frequenz treten die hohen Amplituden pl\u00f6tzlich nicht mehr auf und die Wellen werden wieder sanft. Dieses Ph\u00e4nomen wird als Hysterese bezeichnet (vgl. Arndt, T., Dreyer, M. E., 2008).<\/p>\n

Bastian Beuerling erkl\u00e4rt, wie Hysterese Einfluss haben kann. Im Allgemeinen existiere Hysterese, wenn die \u00c4nderung des Zustandes der Wellen verzerrt eintritt. Dies bedeute, dass die Art der aktuell existierenden Wellen von dem vorherigen Zustand des Systems abh\u00e4ngig ist. Wenn wir also von einer langsamen Schwingung zu einer starken Schwingung in der N\u00e4he der Eigenfrequenz wechseln, bleiben die Wellen l\u00e4nger sanft. Andersherum bleiben die Wellen, beim erneuten Wechsel zu einer langsamen Schwingung, l\u00e4nger in einem turbulenten Stadium.<\/p>\n

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Der Einfluss auf die Weltraumraketen<\/span><\/h1>\n

In diesem Versuch wurden eindimensionale Schwingungen betrachtet. Betrachten wir nun andere Formen. Zum Beispiel zylindrische Formen von Treibstofftanks, k\u00f6nnen diese Effekte in mehreren Dimensionen auftreten. Dies kann zu einem sehr komplexen Verhalten der Fl\u00fcssigkeiten in den Tanks f\u00fchren. Durch den Einsatz von Tracer-Partikeln (Streuteilchen, die einer Fl\u00fcssigkeit hinzugegeben werden, um diese sichtbar zu machen) k\u00f6nnen auch solche Verhalten erforscht werden. Das Ziel dieser Forschung ist, diese Schwingungen unter Kontrolle zu bringen, so dass diese keinen Einfluss auf die korrekte Funktion oder Flugbahn des Weltraumgef\u00e4hrts haben kann.<\/p>\n

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Abbildung 8: Bei einem zylindrischen Versuchsaufbau k\u00f6nnen sich noch komplexere Schwingungszust\u00e4nde einstellen. \u00a9 H. Knahl und S. Greiner<\/p><\/div>\n

Die Forschungsergebnisse zeigen nicht nur die verschiedenen Zust\u00e4nde, in denen sich die Fl\u00fcssigkeit in einem Tank befinden k\u00f6nnen, sondern beschreiben auch das Ph\u00e4nomen der Hysterese. Hysterese kann die Existenz des Zustands einer Welle zeitlich expandieren und kann l\u00e4nger einen Einfluss auf die Rakete haben und den Kurs ver\u00e4ndern. Genauigkeit ist hier gefragt, die Rakete soll ja schlie\u00dflich nicht von ihrer Bahn abkommen. Denkst du nun immer noch, dass Weltraumraketen starr sind? Weit gefehlt. Das Innere einer Weltraumrakete ist st\u00e4ndig in Bewegung, auch wenn das von au\u00dfen nicht erkennbar ist. Wir haben gelernt, dass die Vibrationen der riesigen Treibstofftanks es schwerer machen vorherzusehen, wie sich die Rakete verhalten wird und sehr wohl Einfluss auf die Flugbahn haben kann.<\/p>\n

Quellen<\/strong><\/p>\n

Airliners (2009): Boeing 747-8-Frachter erh\u00e4lt Triebwerke. Online unter: https:\/\/www.airliners.de\/boeing-747-8-frachter-erhalt-triebwerke\/18995<\/a> (abgerufen am\u00a020.09.2021)<\/p>\n

Arndt, T., Dreyer, M. E. (2008):\u00a0Damping Behavior of Sloshing Liquid in Laterally Excited Cylindrical Propellant Vessels, Spacecraft and Rockets 45 (5), 1085-1088 2008<\/p>\n

Benson, Tom (2021): Dynamic Pressure. Online unter: https:\/\/www.grc.nasa.gov\/www\/k-12\/rocket\/dynpress.html<\/a> (abgerufen am 20.09.2021)<\/p>\n

Demtr\u00f6der W. (2015) Mechanische Schwingungen und Wellen. In: Experimentalphysik 1.\u00a0Springer-Lehrbuch. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https:\/\/doi.org\/10.1007\/978-3-662-46415-1_11<\/a><\/p>\n

Nasa (2008): J-2 Engine. Online unter: https:\/\/web.archive.org\/web\/20080610202726\/http:\/\/mix.msfc.nasa.gov\/abstracts.php?p=109 <\/a>3<\/a> (abgerufen am 20.09.2021)<\/p>\n

Weiterf\u00fchrende Links<\/strong><\/p>\n

Website ZARM Bremen:\u00a0https:\/\/www.zarm.uni-bremen.de\/de\/forschung\/stroemungsmechanik\/multiphase-flow\/researc<\/a>h-areas\/lateral-sloshing\/lateral-sloshing.html<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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