Zusammenfassung
Die Forschungsarbeit behandelt die Fragen nach den Auswirkungen eines Kühlfilms auf die Wärmestromdichte von der Brennkammer in die Kammerwände und dessen Einfluss auf die Raketenleistung. Dafür wurden Filmkühlungstests und Referenztests am mobilen Raketenbrennkammerprüfstand des Lehrstuhls für Flugantriebe an der Technischen Universität München durchgeführt. Die verwendeten Treibstoffe setzten sich aus Methan (Brennstoff) und Sauerstoff (Oxidator) zusammen. Für den Film wurde Wasserstoff verwendet.
Die folgenden Versuche fanden jeweils bei einem Brennkammerdruck von 10 bar bzw. 20 bar statt. Das dabei verwendete Verhältnis von Oxidator zu Brennstoff betrug 3,0. Der Massenstrom des Kühlfilms entsprach bei 10 bar, 5%, 10% und 20% des gesamten Massenstroms. Bei den 20 bar Tests konnten hardwarebedingt nur Tests für einen Filmmassenstrom von 5% und 10% des gesamten Massenstroms durchgeführt werden. Die Referenztests, die unter den gleichen Bedingungen nur ohne Kühlfilm durchgeführt wurden, dienten als Anhaltspunkt, um die Ergebnisse der anderen Tests besser vergleichen zu können.
Die Ergebnisse der Tests zeigen, dass erst ab einen Kühlfilm von 10% des gesamten Massenstroms ein Kühleffekt an den Kammerwänden erkennbar ist. Dies gilt für beide Drucklevels. Bei einem Kühlfilm von 5% des totalen Massenstroms, kann für 10 bar Brennkammerdruck ein geringer Rückgang der Wärmestromdichte erkannt werden, wohingegen die Wärmestromdichte für 20 bar Brennkammerdruck höher ist, als für die Referenztests.
Die charakteristische Geschwindigkeit, und damit ein wichtiger Parameter der Raketenleistung, nimmt für einen höheren Film einen höheren Wert an. Dies lässt sich aber durch die stärkere Vermischung des Treibstoffes mit dem Filmmedium Wasserstoff erklären. Um jedoch die Auswirkungen auf die Raketenleistung zu untersuchen, müsste das Filmmedium das Gleiche sein wie der Brennstoff.
Abschließend lässt sich sagen, dass der Kühlfilm bei diesen Versuchsreihen nur geringe Verbesserungen der Raketenleistung zur Folge hat, aber ab einer gewissen Menge die Wärmestromdichte und damit die Belastungen auf die Brennkammerwand effektiv senken kann.
Abstract
The paper constitutes the influences of a cooling film on the development of the heat flux from the combustion chamber into the combustion chamber walls as well as its effects on the rocket performance. The necessary experiments were carried out at the mobile rocket combustion chamber test facility MoRaP at the Institute of Flight Propulsion (LFA) at the Technische Universität München. The used propellant gets composed by Methane (fuel) and Oxygen (oxidizer). The applied coolant was hydrogen. For all tests the oxidizer to fuel rate was set to 3.0.
The test can be divided into the two investigated chamber pressures; 10 bar and 20 bar. For each level a reference test without a cooling film was done. During the cooling film experiments for 10 bar, the film mass flow was changed between 5%, 10% and 20% of the total mass flow. At a pressure of 20 bar only tests with a film mass flow of 5% and 10% could be carried out. The reason for that is the impossibility of the MoRaP to deal with higher film mass flow rates.
The results of the tests show a cooling effect at the chamber walls, starting with a cooling film of 10% of the total mass flow. This is valid for both pressure levels. For the 10 bar test runs, a small cooling effect can be detected for a film mass flow of 5% of the total mass flow. For the same mass flow at 20 bar, the heat flux was significant higher than for the reference tests.
The characteristic velocity, an important parameter for the rocket performance, increases for a higher amount of film mass flow. This effect can be explained by the higher blending of the film medium and the propellant. To determine the real influences on the rocket performance the fuel and film medium have to be the same.
The results of the investigated test runs lead to the conclusion that only low improvements of the rocket performance occur, but at a specific amount of film mass flow the heat flux decreases considerable.