Auslegung und Charakterisierung von Injektoren für grüne hypergole Treibstoffe

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Injektoren für die Treibstoffkombination aus Wasserstoffperoxid (H2O2) und einer ionischen Flüssigkeit evaluiert. Diese Kombination zählt zu den „grünen“ Treibstoffen und wird als Ersatz für das herkömmlich eingesetzte Hydrazin, welches toxisch und krebserregend ist, erforscht. Die Injektoren werden für ein 37N Triebwerk, bei dem die Treibstoffkombination im flüssigen Zustand durch die Injektoren eingespritzt wird, ausgelegt und getestet. Für die Charakterisierung von Drallinjektoren variieren die Auslegungsparameter „Austrittsdüsenlänge“, „Drallkammerlänge“ sowie die „Anzahl der Eintrittsbohrungen“. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen am Prüfstand wird für die Untersuchung der Drallinjektoren ein modulares Injektorkonzept entwickelt. Mithilfe eines additiven Fertigungsverfahrens werden diese Injektoren hergestellt und am Prüfstand M11/5.2 des Institutes für Raumfahrtantriebe des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt getestet. Die Versuchsdaten werden anschließend im Hinblick auf den Massenstrom, den Durchflusskoeffizienten und den Sprühwinkel untersucht. Bei den Versuchen stellt sich heraus, dass eine Verkürzung der Austrittsdüsenlänge um 70% zu einer Vergrößerung des Sprühwinkels um ca. 20° führt. Die Variation der Drallkammerlänge und eine erhöhte Anzahl der Eintrittsbohrungen erzielen keine wesentlichen Veränderungen. Zur Charakterisierung unterschiedlicher Herstellungsverfahren werden verschiedene Heißgastests einerseits mit einem konventionell gefertigten und andererseits mit einem additiv gefertigten Prallinjektor am M11/5.3 Prüfstand durchgeführt. Anschließend werden die unterschiedlichen Drücke, die Massenströme, die Temperaturen, die Verbrennungseffizienzen sowie die Brennkammerschwingungen der Versuche analysiert. Bei einem Mischungsverhältnis von ROF = 4 erreicht der konventionell gefertigte Prallinjektor beim Heißgastest eine Verbrennungseffizienz von 94,3%. Der additiv gefertigte Prallinjektor erzielt diese Verbrennungseffizienz (94,3%) bei einem ähnlichen Mischungsverhältnis (ROF = 3,8). Auf Grundlage der durchgeführten Messungen lässt sich folgern, dass das additive Herstellungsverfahren eine geeignete Alternative zur konventionellen Fertigung ist.