Auslegung einer optischen Hybridbrennkammer

Abstract

Hybride Raketenantriebe sind bereits seit dem letzten Jahrhundert bekannt, wurden aber kaum eingesetzt. Die Vorreiter von bevorzugt eingesetzten Rakententriebwerken basieren auf der Verbrennung von Feststoffen bzw. Flüssigkeiten. Hybride Triebwerke dagegen setzen Treibsoff und Oxidator um, wobei unterschiedliche Aggregatzustände miteinander kombiniert werden. Damit ergeben sich zum Teil Vorteile gegenüber konventioneller Verbrennungstechniken. Trotzdem erbgeben sich aus der vergangenen Vernachlässigung in der Entwicklung hybrider Triebwerke gewisse Defizite hinsichtlich Verbrennungscharakteristik und -parameter. Bei klassischen Hybridantrieben ist dies unter anderem der Abbrandrate geschuldet, welche die Abbrandgeschwindigkeit der Oberfläche des festen Brennstoffes beschreibt. Diese fällt im Vergleich zu Festbrennstoffen geringer aus, da kein Oxidator in den Brennstoff gemischt ist, und somit keine direkte Mischung stattfinden kann. Versuche an der Universität Stanford zeigten mit Hilfe von gefrorenem Pentan, dass sich unter gewissen Umständen eine Schicht flüssigen Brennstoffes bilden kann. Durch Auswerfen von Tropfen aus der flüssigen Schicht in den Oxidatorstrom wird der Brennstoff schneller umgesetzt und der Massenfluss somit erhöht. Da der Schub eines Triebwerks maßgeblich von dem Massenfluss der ausströmenden Medien abhängt, wird der Wirkgungsgrad durch den Auswurf flüssiger Tropfen zusätzlich beeinflusst. In der Familie der Alkane wird Paraffin eingesetzt, das sich als sehr guter Brennstoff für Forschungszwecke erwiesen hat. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Brennkammer für solche hybriden Verbrennungsvorgänge auszulegen. Weiterhin ist ein optischer Zugang zur Beobachtung und Auswertung zu gewährleisten. Die Anbindung der Brennkammer erfolgt an einen vorhandenen Prüfstand (M11.3), wo bereits im Vorfeld optische Untersuchungen von hybriden Verbrennungsvorgängen untersucht wurden. Die Brennkammer muss auch unter erhöhtem Druck sicher arbeiten können, sodass kritische Bedingungen von Paraffin erreicht werden können.