Auslegung von Injektoren für grüne hypergole Treibstoffe

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Dualdrallinjektoren für ein mit der grünen hypergolen Treibstoffkombination HIP_11 betriebenes 200 N-Triebwerk entwickelt und untersucht. HIP_11 besteht aus Wasserstoffperoxid als Oxidator und einem Brennstoff basierend auf der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-thiocyanat. Die Treibstoffkombination stellt eine Alternative zu herkömmlichen hypergolen Treibstoffkombinationen aus toxischen und krebserregenden Stoffen, wie z.B. Distickstofftetroxid und Hydrazin, dar. Die Auslegung der Dualdrallinjektoren erfolgt anhand von Modellen aus der Literatur und eigenen Vorversuchen. Hierfür wird in Sprühversuchen mit Simulationsfluiden für den Brennstoff und den Oxidator der Einfluss verschiedener geometrischer Parameter auf das Durchfluss- und das Sprühverhalten untersucht. Die Sprühversuche werden am Prüfstand M11/5.2 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen durchgeführt. Aufgrund der hohen Viskosität des Brennstoffes weichen die Versuchsergebnisse von den im Auslegungsverfahren vorgegebenen Werten ab. Die geometrischen Parameter werden so variiert, dass die benötigten Massenströme für den Brennstoff und den Oxidator erreicht werden und ein Kontakt der Sprühkegel von innerem und äußerem Drallinjektor hergestellt werden kann. Mit der gewählten Konfiguration des Dualdrallinjektors werden Heißgastests am Prüfstand M11/5.3 durchgeführt. Hierbei kann keine stabile Verbrennung erreicht werden. Es werden harte Zündungen und Druckrückschläge in die Brennstoffleitung erfasst. Die harten Zündungen lassen darauf schließen, dass sich die Sprühkegel während der Heißgastests nicht unmittelbar treffen. Um einen schnellen Kontakt der Treibstoffkomponenten zu gewährleisten wird ein alternatives Design untersucht. Bei diesem Design wird der Oxidator über einen Prallinjektor in die Brennkammer eingespritzt, dessen Strahlen auf den Sprühkegel eines Drallinjektors für den Brennstoff treffen. Mit dieser Konfiguration werden schnelle Zündungen und eine kontinuierliche Verbrennung in Versuchen über 3 s erreicht. Dabei werden Brennkammerdruckschwingungen mit Amplituden von über 10 % des mittleren Brennkammerdrucks gemessen. Zudem liegt die Verbrennungseffizienz im Bereich zwischen 61 % und 77 %.