Entwicklung und Erprobung eines Demonstrators für ein selbstbedrücktes Raumfahrzeug-Antriebssystem

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Demonstrator für ein Raumfahrzeug-Antriebssystem mit den Treibstoffen Distickstoffmonoxid (N2O) und Ethan (C2H6) ausgelegt, konstruiert und erprobt. Der bei Umgebungstemperatur vorliegenden Dampfdruck dieser Treibstoffe ermöglicht die Umsetzung einer selbstbedrückten System-Architektur. Die auftretende Mehrphasenphänomene sowie die Änderung der Zustandsgröÿen im Tank bei der Treibstoffentnahme werden simuliert und mit Versuchsdaten verglichen. Dabei kann die Simulation die auftretenden Massenströme bei bekannten Tankzustand mit einem maximalen Fehler von 1,2% beschreiben. Die Entwicklung des Tankdrucks nach einem 60 Sekunden langen Schubmanöver kann mit weniger als 9% Abweichung berechnet werden. Im Rahmen der Vorauslegung werden zunächst die maximal zulässigen Fülldichten der Tanks festgelegt. Die Bestimmung des maximal zu erwartenden Betriebsdrucks (200 bar) erfolgt unter Berücksichtigung des erwarteten Temperaturbereichs von -29◦C bis +66◦C. Darüber hinaus werden die Leistungseigenschaften der Treibstoffe, die optimalen Tankvolumenverhältnisse und Ansätze zur Phasenseparation in der Mikrogravitation diskutiert. Die Auslegung des Demonstrator-Systems umfasst die Auswahl geeigneter Tanks, Ventile, Betankungsschnittstellen, Heizelemente und Sensoren. Zudem werden die strukturell tragenden Komponenten konstruiert. Eine additiv gefertigte Verteilerstruktur verbindet die Tanks mit allen erforderlichen Ventilen und Schnittstellen. Der Demonstrator verfügt über einen 22 N Thruster, dessen Betriebspunkt über die Wahl geeigneter Blenden eingestellt wird. Die Dimensionierung der Blenden erfolgt unter Berücksichtigung der sich ändernden Tankzustände während der Treibstoffentnahme, welche in einer Verschiebung des Mischungsverhältnisses resultieren. Im Rahmen einer Versuchskampagne werden der zulässige Betriebsbereich sowie die Leistungsdaten des Thrusters unter Vakuumbedingungen ermittelt. Des Weiteren werden die für den Demonstrator gewählten Magnetventile und Blenden hinsichtlich der auftretenden Druckverluste und Zustandsänderungen charakterisiert. Zudem erfolgen ein Test der Betankungsprozedur sowie erste Heiÿgasversuche mit dem integrierten Demonstrator-System. Abschlieÿend werden Empfehlungen und Vorschläge für weitere Tests zusammengefasst.