ERHÖHUNG DES SCHUBS VON HYBRIDRAKETENTRIEBWERKEN DURCH OPTIMIERUNG DER BRENNSTOFFTREIBSATZFORM MIT VERWUNDENER FINOZYLGEOMETRIE

Kurzfassung

Im Rahmen des DLR-Projekts ATEK (Antriebstechnologien und Komponenten für Trägersysteme) entwickelt das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig die Softwareumgebung AHRES (Advanced Hybrid Rocket Engine Simulation) für die Auslegung und Bestimmung der Prozesseigenschaften von Hybridraketentriebwerken. Zur Kalibrierung der Softwarestruktur wird von der Abteilung Raumfahrzeuge ein Teststand für Raketentriebwerke am Standort Trauen betrieben. Dort werden mit Hilfe des AHRES-Teststandtriebwerks verschiedene Einflüsse auf den Prozess in der Brennkammer untersucht und Methoden zur Verbesserung des Prozesses getestet. Dadurch soll die Konkurrenzfähigkeit dieser Technologie zu klassischen Feststoff- oder Flüssigkeitsraketentriebwerken mit lagerbaren Treibstoffen nachgewiesen werden. Bisher erfolgte Forschungsarbeiten zielten auf die Untersuchung und Verbesserung verschiedener Treibstoffkombinationen ab, wobei die Optimierung der Brennstoffgeometrie unberücksichtigt blieb. Diese beeinflusst jedoch den Prozess in der Brennkammer maßgeblich. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit das AHRES-Triebwerk modifiziert (im Folgenden als AHRES-B bezeichnet) und die bisher verwendete Teleskopgeometrie durch eine schraubenförmig verwundene Finozylgeometrie ersetzt. Durch die Verwindung wird die Strömung in der Brennkammer verwirbelt und damit die Abbrandrate vergrößert sowie der Verbrennungsprozess verbessert. Zusätzlich wird durch die schraubenförmige Verwindung der Finozylgeometrie die Abbrandoberfläche des Brennstoffblockes erhöht, wodurch der Schub bei gleichen äußeren Abmessungen deutlich gesteigert wird. Zur Auslegung des Brennstoffblocks wurde ein analytisches Modell zur Berechnung verschiedener Brennstoffgeometrien aufgestellt und anschließend in einem Berechnungsprogramm umgesetzt, welches die Untersuchung des Einflusses der Verwindung auf die globalen Eigenschaften des Triebwerks ermöglicht. Das Programm wurde mit Hilfe eines CAD-Modells auf seine Genauigkeit hin überprüft. Es zeigt sich, dass die in das Programm implementierten Vereinfachungen und Grenzen eine hinreichend hohe Genauigkeit für einen Vorentwurf liefern. Als Beispiel für die Auslegung der Brennstofftreibsatzform wurde eine geeignete Treibstoffkombination auf Basis von Wasserstoffperoxid und Butadienpolymeren für den AHRES-Triebwerksentwurf gewählt. Es wurde eine Optimierung der ausgewählten Brennstoffgeometrie hinsichtlich des Schubes, des Brennstoffverlustes und des Füllungsgrades der Brennkammer durchgeführt. Dazu wurde das Programmmodul HEHRES zur Durchführung der Abbrandsimulation (Teil der AHRES Softwareumgebung) mit dem Optimierer NOMAD gekoppelt. Die Ergebnisgeometrie wurde anschließend detailliert analysiert und eine Fehlerabschätzung der analytischen Berechnung mit Hilfe eines CAD-Modells des Brennstoffblockes durchgeführt. Um die Eingangswerte für den Entwurf und die Optimierung der Brennstoffgeometrie zu überprüfen, wurden unter Verwendung des DLR-TAU-Codes die Strömungs- und Verbrennungsprozesse im inneren Strömungskanal des Brennstoffblocks zum Zeitpunkt kurz nach Triebwerksstart numerisch berechnet. Die Simulationsergebnisse (Verteilung der Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder innerhalb des Triebwerks) wurden analysiert, um entsprechende Rückschlüsse auf das Abbrandverhalten geben zu können.