Strömungssimulation vom Eintritt am Titan

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.

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.

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.