Entwicklung und Erprobung von Flammensperren für einen vorgemischten, grünen Raketentreibstoff aus Lachgas (N2O) und Ethen (C2H4)

Kurzfassung

Vorgemischte Monopropellants aus Lachgas (N2O) und Brennstoffen (wie Ethen C2H4, Ethan C2H6 oder Ethanol C2H5OH) stellen eine grüne Alternative zum hochgiftigen und krebserregenden Hydrazin (N2H4) dar. Diese Treibstoffmischungen bieten gegenüber konventionell genutztem Hydrazin mehrere Vorteile: Ein spezifischer Impuls (Isp) von über 300 s ist erreichbar, die Bestandteile sind weder krebserregend noch toxisch und können weltweit kostengünstig bezogen werden. Aufgrund der genannten Vorteile entschloss sich das DLR, eine Treibstoffmischung aus Lachgas (N2O) und Ethen (C2H4) näher zu untersuchen. Bei ersten Heißgasversuchen in einer Raketenbrennkammer zeigte sich jedoch, dass ohne den Einsatz von adäquaten Flammensperren leicht Flammenrückschläge in die Treibstoffzuleitungen auftreten können. Aus diesem Grund war es Ziel der vorliegenden Arbeit, verschiedene Flammensperren für das N2O/C2H4-Gemisch zu erproben, Einflussfaktoren auf die Flammenlöscheigenschaften der Materialien zu beleuchten und schließlich geeignete Flammensperren auszuwählen bzw. einen Auswahlprozess für poröse Flammensperren abzuleiten. Zur Durchführung der experimentellen Untersuchungen wurde ein Versuchsaufbau (die sog. Zündmessstrecke) eingesetzt. Der Aufbau ermöglichte es, die ablaufenden Prozesse nach der Zündung, bei der Flammenausbreitung und beim Flammendurchschlag durch die Flammensperre zu untersuchen. Zunächst erfolgte die detaillierte Analyse der Flammenausbreitungsprozesse und -geschwindigkeiten vor und nach einem Flammendurchschlag. Testreihen zur Analyse der Flammenlöschprozesse wurde hierbei mit Kapillaren aus Edelstahl und Glas als Flammensperren durchgeführt. Anhand der Versuche mit Kapillaren wurde der Einfluss der Flammeneintrittsposition, des Kapillardurchmessers, der Kapillarlänge, des Wandmaterials sowie der Flammenaustrittsposition auf das Löschverhalten der jeweiligen Flammensperre ermittelt. Für die eingesetzten Kapillaren lassen sich mithilfe der Drücke und der Temperaturen beim Flammeneintritt Péclet-Zahlen berechnen, anhand dieser lässt sich vorhersagen, ob es zu einem Flammendurchschlag kommt. Weiterhin konnten in Versuchen mit Glaskapillaren die Vorgänge beim Flammendurchschlag im Inneren der Kapillaren sichtbar gemacht werden. So kann es bei der Flammenausbreitung innerhalb der Kapillaren zum Übergang von einer Deflagration zur Detonation (DDT) kommen. Neben den Versuchen mit Kapillaren wurden mithilfe der Zündmessstrecke Versuche mit porösen Sintermetallen als Flammensperren durchgeführt. Zusätzlich wurden poröse Flammensperren in einem N2O/C2H4-Versuchstriebwerk eingesetzt. Anhand der Versuche in Zündmessstrecke und Versuchstriebwerk konnten für zwei Strömungsbedingungen Auslegungskriterien für poröse Flammensperren abgeleitet werden: Im ersten Fall herrscht vor der Zündung auf beiden Seiten der Flammensperre ein nahezu identischer Druck und es ergibt sich kein wesentlicher Druckunterschied über die Flammensperre hinweg. In diesem Fall kann anhand des berechneten Druckverlustes des porösen Materials und dem Explosionsdruck des eingesetzten Gemischs eine geeignete Flammensperre ausgewählt werden. Dieser erste Strömungszustand ergibt sich typischerweise beim Einsatz von Flammensperren in Gasleitungen. Der zweite Strömungszustand tritt auf, wenn die Flammensperre einen Bereich mit hohem Druck von einem Bereich mit geringerem Druck abtrennt und die Zündung im Bereich mit niedrigem Druck erfolgt. Dies ist bspw. der Fall, wenn die Flammensperre im Injektor eines Raketentriebwerks eingesetzt wird. In diesem Fall können die äquivalenten Porendurchmesser und die anhand der Zuleitungsbedingungen berechneten Explosionsdrücke zur Auslegung einer porösen Flammensperre herangezogen werden.