Bestimmung der Wärmelasten am Düsenausgang eines Hybridraketentriebwerks

Abstract

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) entwickelt in Braunschweig am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik im Rahmen des AHRES-Programms (Advanced Hybrid Rocket Engine Simulation) ein Hybridraketentriebwerk als sichere und kostengünstige Alternative zu den nach heutigem Stand verwendeten Triebwerken, insbesondere für Raketenoberstufen. Ein besonderes Problemfeld bei dieser Entwicklung ist die Auslegung der Triebwerksdüse und die im Betrieb auftretende Erosion, speziell im Bereich des Düsenhalses. In dieser Arbeit wurde das Simulationsprogramm SARINA (Simulation of Averaged Radiation heat transfer In Nozzle Applications) zur Bestimmung der Wärmelastenverteilung über die Düsenwand entwickelt. Zu diesem Zweck wurden zunächst die jüngsten internationalen Entwicklungen im Bereich der Hybridraketentriebwerksforschung betrachtet und es wurde ein Überblick über die Verbrennungsprozesse innerhalb dieser Triebwerke gegeben. Zudem wurde das AHRES-Triebwerk beschrieben und das Problem der Erosion wurde kurz erläutert. Im Anschluss daran folgte eine detaillierte theoretische Betrachtung der Wärme-übertragungsmechanismen, insbesondere der Wärmeübertragung durch Strahlung. Der Stand der Technik bei der Simulation von Strahlungswärmeübertragung sowohl durch Gase als auch durch Partikel in der Gasströmung wurde gegeben und die zweckmäßigsten Modelle näher erläutert. Diese Modelle dienten als Grundlage der Programmierung von SARINA. Zur Validierung wurde eine Testmessung der Düsentemperatur mittels eines Zwei-Farben-Pyrometers sowie mit einem Thermoelement durchgeführt und die Simulation wurde für die gegebenen Parameter ausgeführt. Die verwendeten Geräte sowie der Versuchsaufbau und –ablauf wurden erläutert.