Hybridraketenantriebe - HYPER
Das Projekt Hybrid Propulsion for Experimental Rockets stellt die neusten Entwicklungen der WARR im Bereich Hybridantriebe dar. Die Vorarbeiten für die Konzeption und Auslegung wurden mit der Testbrennkammer HY-500T und dem dazugehörenden Teststand geschaffen. Ein wesentliches Ziel des Projektes ist dabei die praktische Umsetzung theoretischer Arbeiten in Form eines flugfähigen Triebwerkes. Nach einer erfolgreichen Verifikation der Innenballistik soll dieses in einer Experimentalrakete eingesetzt werden.
Hyper - Auslegungsparameter
Oxidatorförderung: In erster Iterationsstufe durch Dampfdruck von N2O Düsenkühlung: ablativ, Graphit
Die Anforderungen, nach welchen das Triebwerk entwickelt wird, beziehen sich in erster Linie auf sekundäre Designkonzepte wie einfache Konstruktion/Fertigung, geringes Gewicht, Kosteneffizienz und Wiederverwendbarkeit. Zweitrangig ist das Erreichen der Auslegungsparameter in der ersten Iterationsphase, was erst in der Optimierungsphase die Aufgabe sein wird.
Zur Auslegung der Innenballistik wurde ein Simulationsprogramm in MATLAB Simulink erstellt. Damit können die instationären Prozesse im simulierten Betrieb des Triebwerks nachgebildet und die Auslegungsparameter validiert werden. Dabei wird das Simulationsmodell parallel zum Triebwerk beständig weiterentwickelt, indem die Parameter verifiziert und angepasst werden, um eine höhere Genauigkeit in der Voraussage des Betriebsverhaltens bei geringfügig veränderten Randparametern treffen zu können.
Komponenten des Triebwerkes
Im Wesentlichen besteht das Triebwerk aus drei Baugruppen, zu welchen einige Semesterarbeiten geschrieben wurden.
Zur Entwicklung des Triebwerkes werden alle zur Verfügung stehenden Instrumente des modernen Maschinenbaus verwendet. Die Modellierung des Triebwerkes erfolgt mit CATIA Designertools. Zur Bestimmung der Tankverformung bei Druckbeaufschlagung wurden FEM Methoden angewendet.
Tankverformung mit 200-facher Vergrößerung der Verformungsdimensionen
Bei der Entwicklung des Ventilsegments wurden CFD Simulationen durchgeführt, um qualitativ die Strömungsvorgänge und Widerstandswerte zu ermitteln.
CFD Simulationen des Ventilsegments mit dem Injektor-Vorraum
Weitere Simulationen wurden zur qualitativen Einschätzung und Vorauswahl von Injektoren eingesetzt. Ziel war dabei die generische Ermittlung der besten Einspritzverteilung von Oxidator in den Brennstoffblock.
CFD Simulationen unterschiedlicher Injektorausführungen
Für ein Triebwerk dieser Dimensionen wurde in der Konzeptphase die ablative Kühlung der Düse als optimal bewertet und seither verfolgt. Dazu wurde im Rahmen einer Semesterarbeit die instationäre Wärmeleitung in der Düse untersucht. Parallel dazu wurden Versuche mit ablativer Düsenkühlung an dem kleineren Triebwerk HY-500 durchgeführt.
Die Versuche mit dem Triebwerk sollen auf einem eigenständig von der Arbeitsgemeinschaft gebauten Teststand durchgeführt werden. In der ersten Iterationsstufe sollen Schub, Oxidatormassenstrom und Druckverluste in den Leitungen/Injektor ermittelt werden. In der zweiten Iterations- und Optimierungsstufe sollen die Abbrandraten des Brennstoffs gemessen werden. Ziel der Messungen ist die Ermittlung von Injektorgeometrien, bei welchen ein möglichst kontinuierlicher Ausbrand erreicht werden kann. Eine weitere Herausforderung welche wir verfolgen, ist die Untersuchung von komplexen Brennstoffblockgeometrien mit Ermittlung von Abbrand-Gesetzmäßigkeiten.
Teststand mit der Anlage zur Massenstrommessung
Das Triebwerk soll nach der Fertigstellung in der Höhenforschungsrakete WARR-EX II eingesetzt werden. Mit dieser soll eine universitätsweite Ausschreibungen zur Durchführung von Experimenten ermöglicht werden, wo Studierende und Lehrstühle ihre Ideen einreichen und am Bord umsetzen können. Die WARR konnte bereits viele Erfahrungen in der Konstruktion von (Lenk-) Flugkörpern sammeln, sodass die größere Herausforderung darin besteht, die gewünschten Auslegungsparameter des Hybridtriebwerks zu erreichen und Gesetzmäßigkeiten innenballistischer Vorgänge zu ermitteln.
Alle bisherigen Arbeiten stellen eine solide Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung des Triebwerks dar und motivieren die Projektmitglieder zu ehrgeizigen außeruniversitären Leistungen.
Erste Iterationsstufe des Flugkörpers WARR-EX II
Die Mitarbeit an dem Projekt erfordert von den Projektmitgliedern viel Ehrgeiz, Disziplin und Durchhaltevermögen, um neben dem zeitintensiven Studium noch praktische Herausforderungen dieser Art zu meistern.
An dieser Stelle danken wir unseren Sponsoren für die großzügige Unterstützung. Ein außerordentlicher Dank geht an Prof. Dr. Robert H. Schmucker und die Mitarbeiter des Lehrstuhls für Flugantriebe der TU München, welche uns tatkräftig mit ihrer Erfahrung beistehen und für die Probleme des Projekts immer ein offenes Ohr haben.
