Experimentelle Untersuchung von Druckschlägen in Wasser und kryogenem Stickstoff in Bezug auf das Versorgungssystem von Raketentriebwerken

Kurzfassung

Die Erforschung transienter Strömungen ist in diversen Anwendungsfeldern von größtem Interesse, da durch das Phänomens des Fluidhammers enorme Druckschläge in strömungstechnischen Systemen auftreten und diese beschädigen können. In Raketenmotoren ist dies von besonderer Bedeutung, da eine Beschädigung des Systems das Scheitern der Mission bedeutet. Hinzu kommt, dass Raketentriebwerke möglichst leicht sein müssen um eine möglichst schwere Nutzlast transportieren zu können. Typische Vermeidungsstrategien wie Drucktanks zur Dämpfung des Fluidhammers sind daher ebenso wenig möglich wie überdimensionierte Wandstärken, bezogen auf den stationären Betrieb des Systems. In einer Vielzahl der heute eingesetzten Raketenmotoren werden kryogene, reaktive Fluide verwendet. Die in der Entwicklung des Triebwerks notwendige Untersuchung der Strömungstransienten bringt bei Verwendung der Treibstoffe ein hohes Risiko mit sich. Um dieses Risiko zu minimieren, können inerte Surrogate wie Wasser als nicht-kryogenes Fluid und flüssiger Stickstoff als kryogenes Fluid verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Druckstöße in beiden Fluiden zu untersuchen und miteinander zu vergleichen um potentielle Unterschiede zu identifizieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Auswirkungen der durch den Fluidhammer induzierten Kavitation in Ventilnähe. Deren Dauer und räumliche Ausbreitung wird untersucht und mit dem Prasser-Modell verglichen, wobei bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten in beiden Fluiden eine gute Übereinstimmung festgestellt wird. In Wasser treten unregelmäßige Druckspitzen während der Kavitation sowohl in der Gasphase als auch in der Flüssigphase auf. In flüssigem Stickstoff wird stattdessen eine Druckwelle beobachtet die gut mit der gängigen Fluidhammer-Theorie übereinstimmt. Während der Kavitation wird der Lärmpegel in der Flüssigphase gemessen, dadurch konnte gezeigt werden, dass die Kavitation in Wasser deutlich mehr Lärm erzeugt als in Stickstoff. Des Weiteren wird in beiden Fluiden beobachtet, dass die Kavitation als akustische Randbedingung fungiert. Auf der Suche nach einer möglichen Erklärung für die beobachteten Prozesse während der Kavitation wird das Blasenwachstum mit Hilfe einer Sensitivitätsanalyse der Rayleigh-Plesset-Gleichung systematisch untersucht. Das Resultat dieser Analyse offenbart, dass die Blasengröße in flüssigem Stickstoff um mehrere Größenordnungen kleiner ist als in Wasser. Abschließend werden die Surrogate mit realen Treibstoffen anhand verschiedener Parameter verglichen um zu identifizieren welches Surrogat welchen Treibstoff in Entwicklungstests adäquat ersetzen kann.