Flap contour optimization for highly integrated SERN nozzles

The performance of a Single Expansion Ramp Nozzle (SERN) for hypersonic cruise vehicles is examined with focus on the flow at the nozzle flap and the corresponding separation of the boundary layer. Two wind tunnel models are used to analyze the interaction of the free stream and the nozzle flow and the flow at the flap in detail. A finite element flow code is employed to support the design of the flap model and the analysis of the flow. Comparative contour studies show that the size and the location of the separation at the flap cowl and therefore the aerodynamic quality can be influenced by optimizing the flap cowl contour. The position of the separation is measured for different contours and varying Reynolds numbers at laminar, transitional and turbulent flow conditions. Numerical studies of a nozzle/afterbody configuration suggest an improvement of up to 3.5% in axial thrust for optimized flap contours in the examined Mach range between 1.64 and 6. At the same time the rotation of the thrust vector is reduced by up to 5° at lower Mach numbers. Optimierung der Klappenkontur für hochintegrierte SERN-Düsen. Das Verhalten der Strömung an SERN-Düsen für Raumflugzeuge wird mit besonderem Augenmerk auf der Umströmung der Heckklappe und der dort auftretenden Ablösungserscheinungen untersucht. Zwei Windkanalmodelle werden benutzt, um zum einen die Interaktion der Düsenströmung mit der Außenströmung und zum anderen die Strömung an der Heckklappe detailliert zu analysieren. Ein FEM-Verfahren kommt zum Einsatz, mit dessen Hilfe sowohl Auslegungsrechnungen zu den Modellen erfolgen als auch zusätzliche unterstützende Daten zur Strömungsanalyse gewonnen werden. Vergleichende Konturstudien zeigen, daß durch die Optimierung der Form der Heckklappe die Größe und Lage des Ablösegebietes stark beeinflusst und die aerodynamischen Eigenschaften verbessert werden können. Die Ablöselage wird für verschiedene Konturen in Abhängigkeit der Reynoldszahl gemessen, wobei sowohl laminare, transitionelle als auch turbulente Grenzschichtbedingungen vorliegen. Numerische Studien an einem Düsen-Heckmodell ergeben für optimierte Heckklappen im gesamten untersuchten Machzahlbereich zwischen 1,64 und 6 eine Verbesserung des axialen Schubes der Düse um bis zu 3,5 Prozent. Gleichzeitig wird die Drehung des Schubvektors im unteren Machzahlbereich um bis zu 5° verringert.