Auslegung, Konstruktion und Erprobung eines 1 N Triebwerks für N2O/C2H6 Bipropellants

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Erprobung eines 1 N Triebwerks für HyNOxTreibstoff mit dem Namen IDENO-1. HyNOx bezeichnet die gasförmige Kombination aus Kohlenwasserstoffen, im spezifschen Ethan und Lachgas, die am Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) als Alternative für herkömmliche toxische Satellitentreibstoffe entwickelt werden. Die Entwicklung des Triebwerks erfolgt auf Basis des Vorgängertriebwerks ELSA, dessen Tests im ersten Teil der Arbeit erneut analysiert wurden, um Optimierungsmöglichkeiten für die Konstruktion von IDENO-1 zu identifizieren. Aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen von HyNOx muss IDENO-1 eine Regenerativkühlung aufweisen, die den Treibstoff zur Kühlung der Brennkammer nutzt. Zur Auslegung der Kühlung wurde ein Simulationstool entwickelt, das sich Nusselt-Korrelationen zur Nutze macht, um die Wärmeübergangskoefzienten zwischen der Brennkammer und den Gasen zu berechnen. Auf Basis von vorangegangenen Untersuchungen wurden für IDENO-1 ein Showerhead- und ein Koaxialinjektor entwickelt. Um eine Schubmessung und einen schnellen Tausch der Brennkammern zu ermöglichen wurde die Prüfstandsanbindung überarbeitet. Mit den additiv gefertigten Brennkammern wurden am Prüfstand M11.5 des DLR-Instituts für Raumfahrtantriebe mehrere hundert Tests durchgeführt. Anhand dieser Versuche wurden die Verbrennungsefzienzen und die Kühlung der Brennkammern untersucht. Drei der sechs verschiedenen getesteten Brennkammern konnten thermisch stationär betrieben werden.