Untersuchung der Flammendynamik in kryogenen Sauerstoff/Methan-Raketenbrennkammern

Kurzfassung

Trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung bleiben Verbrennungsinstabilitäten nach wie vor ein bedeutendes Risiko für Flüssigkeitsraketentriebwerke. Durch die Hinwendung zur Treibstoffkombination Sauerstoff/Methan und der diesbezüglich dünnen Forschungslage erhöht sich das Risiko weiter. Die im Rahmen der vorliegenden Dissertation durchgeführten experimentellen Versuche offenbarten sowohl kurzlebige als auch anhaltende Verbrennungsinstabilitäten der ersten longitudinalen Brennkammermode (1L-Mode) für ein charakteristisches Hauptstufen-Injektorelement in einer optisch zugänglichen Raketenbrennkammer. Auch in einem für ein Oberstufen-Triebwerk repräsentativen Experiment sind für bestimmte Betriebsbedingungen Instabilitäten der 1L-Mode aufgetreten. Zusätzlich zeigte sich ebenso eine Anregung der ersten tangentialen Brennkammermode (1T-Mode). Die Motivation dieser Dissertation schöpft sich folglich aus dem Bestreben, ein Verständnis für die Instabilitäten in beiden Versuchsträgern zu erlangen. Der Fokus der vorliegenden Arbeit richtet sich dabei auf die Untersuchung der Flammen-Akustik-Interaktion mittels 2DFlammenvisualisierungen. Die Flammendynamik wurde mittels einzelner Aufnahmen, Sequenzen, aber auch anhand der Dynamic Mode Decomposition untersucht. Die Berechnung zweidimensionaler Rayleigh Indizes zwischen Flammenstrahlung und Druckfeld in der Brennkammer ergaben Werte in Größe und Phasenlage konsistent zum Stabilitätsverhalten. Basierend auf einer Analyse der Flammendynamik scheint der Betrieb des Injektorelements in einem Bereich mit geringer Stabilitätsreserve eine entscheidende Rolle im Entstehungsprozess der Instabilitäten zu spielen. Stark variierende Amplituden des Verbrennungsrauschens dienen dabei als Anregungsquelle von Dynamiken eines breitbandigen Frequenzspektrums wie hydrodynamischen Phänomenen. Durch Synchronisation der Hydrodynamik mit der Akustik können sich dann thermoakustische Instabilitäten ausbilden. Die 1L-Instabilitäten aus den Versuchen repräsentativ für ein Oberstufen Triebwerk wiesen ähnliche Signaturen auf. Die zusätzliche Instabilität der 1T-Mode in diesem Versuchsträger konnte den injektorgekoppelten Instabilitäten zugeordnet werden, welche Gröning in Versuchen mit der gleichen Schubkammer, allerdings mit der Treibstoffkombination Sauerstoff/Wasserstoff, beobachtete. Der hydrodynamische Effekt des Blendenpfeifens als wichtiger Einflussfaktor nach Armbruster konnte ebenfalls bestätigt werden. Als bedeutendes Ergebnis aus der Analyse der Versuchsdaten mit der Treibstoffkombination Sauerstoff/Methan kristallisierte sich der destabilisierende Effekt von zurückversetzten Scher-Koaxial-Injektoren bei der Verbrennung heraus.