Designstudie eines 30 kN-LOX/LCH4-Aerospike-Triebwerks für einen Mond-Lander

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurden mehrere Konturen für Aerospike-Düsen, die den Anforderungen eines Triebwerks für den Einsatz auf dem vorgeschlagenen EL3-Lander der ESA entsprechen sollen, ausgearbeitet und mit konventionellen Düsenkonzepten verglichen. Es wurden zwei Schubklassen untersucht: eine skalierte 5 kN - Demonstrator Version und die Düse für den eigentlichen Lander in der Schubklasse 30 kN. In diesen beiden Schubklassen wurden primär Düsen mit den Expansionsverhältnissen 50, 80 und 100 untersucht. Sekundär wurden für die Aerospike-Düsen auch höhere Expansionsverhältnisse betrachtet. Die Auslegung der Konturen wurde mit bekannten Tools, durchgeführt, die auf dem Angelino/Lee-Verfahren und der Methode der Charakteristiken basieren. Zuerst wurde der Antriebsbedarf für das Triebwerk bestimmt. Dabei wurden vorhandene Informationen zu dem Missionsszenario verwendet und diese durch ergänzende Rechnungen vervollständigt. Da es sich bei dem Triebwerk um ein Vakuum-Triebwerk handelt wurde speziell der Fokus der Untersuchungen auf den Kompromiss zwischen Gewicht und spezifischem Impuls gelegt. Diese beiden Parameter wurden in einem nächsten Schritt sowohl für die konventionellen als auch für die Aerospike-Triebwerkskonfigurationen bestimmt. Da die Massen der Brennkammern beider Konzepte unterschiedlich mit Änderung der Expansionsverhältnis und/oder des Massenstroms skalieren, wurden diese auch mitbetrachet. Für die Berechnung des Stirnflächendrucks, der potentiell einen großen Einfluss auf den spezifischen Impuls der Aerospike-Triebwerke hat, wurden verschiedene Modelle aus der gängigen Literatur angesetzt. In einem letzten Schritt wurden die verschiedenen Konzepte miteinander verglichen und abschließend bewertet.