Design, Construction and Verification of a Mixer Geometry for Application in Solid Rocket Fuel Production

Kurzfassung

Festtreibstoffe auf Basis von Hydroxyl-terminiertem Polybutadien (HTPB) und Ammoniumperchlorat (AP) sind eine bewährte Technologie für Trägerraketen und taktische Systeme. Ihre Herstellung und Verarbeitung stellt eine verfahrenstechnische Herausforderung dar: das Erreichen der für die ballistische Leistung erforderlichen hohen Feststoffmassenanteile (bis zu 86wt%). Dies erfordert die homogene Verteilung der Oxidatorpartikel in einer ochviskosen Bindermatrix mit ausgeprägter Fließgrenze. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der systematischen Entwicklung und Bewertung von Rührerkonzepten für dieses Problem. Drei Konzepte, Anker–Helix (Konzept A), Planetenrührer (Konzept B) und Gatterkreuz (Konzept C), wurden mithilfe einer Zwicky-Morphologie abgeleitet. Strömungssimulationen (CFD) bestätigten einen tief laminaren Betrieb (Re ≈ 0,7) und lieferten Drehmoment-und Leistungsabschätzungen für das Konzeptscreening. Die Erprobung der Prototypen erfolgte mit einem inerten Substitut anstatt HTPB/AP: In einer Matrix aus mit pyrogene Kieselsäure rheologisch angepasstem Silikon wurde Sand (180−425 µm) dispergiert. Zunächst erfolgte eine Screeningkampagne im Maßstab 0.5 : 1 (30wt%), die bestätigte, dass alle drei Konzepte eine bessere Durchmischung als eine Zufallsverteilung erzielen: Die Variationskoeffizienten betrugen 32,0%, 43,5% und 32,2% für die Konzepte A, B bzw. C, gegenüber einem Referenzwert der Zufallsmischung von 109%. Konzept A ist dennoch aufgrund von drei unabhängigen mechanischen Versagen ausgeschieden. Eine zweite Kampagne bei 60wt% Feststoffanteil zeigte, dass Konzept B einen hydrodynamisch bedingten Abwärtstransport der Feststoffphase induziert, wodurch der axiale Konzentrationsgradienten auf 72,4% anstieg; das Konzept ist daraufhin ebenfalls ausgeschieden. Die Untersuchung von Konzept C im Maßstab 1 : 1 im Vakuummischsystem (60wt% Sand, 50min −1, 30min) ergab einen Variationskoeffizienten von 37,1% (48% des Referenzwerts der Zufallsmischung) bei einem axialen Konzentrationsgradienten von 13,0%, was zeigt, dass die Geometrie dem Sedimentieren unter prozessrepräsentativen Bedingungen widersteht. Konzept C (Rahmen–Kreuzbalken) wird für den Übergang zur Erprobung mit realem HTPB/AP-Treibstoff empfohlen. Das Erreichen der Zielhomogenität von CV < 5% bleibt das primäre Ziel der nachfolgen den Versuchsphase.