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Verbrennungsinstabilitäten

Das Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten stellt auch heute noch eines der schwierigsten Probleme bei der Entwicklung von Brennkammern dar. Vor allem die mit den Instabilitäten einhergehende Erhöhung des Wärmeübergangs an der heißgasseitigen Brennkammerwand führt zu einem beachtlichen Gefährdungspotential. Tritt eine Verbrennungsinstabilität während eines Fluges auf, besteht das Risiko, die gesamte Mission zu verlieren.

Instabilitäten können durch geeignete Maßnahmen (Absorber, Baffles) gedämpft werden. Diese Maßnahmen verursachen jedoch zusätzliche Kosten, das Gewicht und die Komplexität des Triebwerks nehmen zu.

Brennkammerinstabilitäten sind charakterisiert durch Brennkammerdruckschwingungen und treten in unterschiedlichen Frequenzbereichen auf. Im Allgemeinen wird zwischen niederfrequenten (LF) und hochfrequenten (HF) Schwingungen unterschieden. Bei den HF-Schwingungen wird eine akustische Eigenschwingung des Brennkammervolumens angeregt. Typische Frequenzen liegen dabei oberhalb von 1 kHz.

Das Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten hat in vielen Entwicklungsprogrammen immer wieder zu erheblichen Verzögerungen und Kostensteigerungen geführt. Trotz vieler Anstrengungen ist es bis heute nicht gelungen, die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen einer akustischen Anregung und den Prozessen in der Brennkammer (Treibstoffzerstäubung und Verdampfung, Verbrennung) eindeutig zu identifizieren. Eine befriedigende Vorhersage des Stabilitätsverhaltens von Brennkammern ist auch heute noch nicht möglich.

Am Institut für Raumfahrtantriebe des DLR in Lampoldshausen werden grundlegende Untersuchungen zu HF-Instabilitäten durchgeführt. Die Arbeiten haben zum Ziel, die Rückkopplungsmechanismen zwischen den Brennkammerprozessen (Zerstäubung, Verdampfung usw.) und der Brennkammerakustik (Druck- bzw. Geschwindigkeitsschwankungen im Brennraum) zu identifizieren. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen ist Voraussetzung zu einer zuverlässigeren Modellierung und Vorhersage der Stabilitätseigenschaften.

Mit einer speziell zur Untersuchung von HF-Instabilitäten entwickelten Forschungsbrennkammer werden detaillierte Experimente durchgeführt. Die Brennkammer wird mit den Treibstoffkombinationen flüssiger Sauerstoff (LOx) und Wasserstoff bzw. LOx/Äthanol betrieben. Bei den Untersuchungen werden verschiedene Injektoren eingesetzt. Bei einem maximalen Brennkammerdruck von 10 bar können Versuche von bis zu 10 Sekunden Dauer durchgeführt werden. Fenster in der Brennkammer ermöglichen die Visualisierung der Strömungs- und Verbrennungsvorgänge. Insbesondere Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Flammenbewegung und der Spraydynamik ermöglichen Einblicke in die Wechselwirkung des akustischen Druck- und Strömungsfeldes mit den Brennkammerprozessen. Bei Bedarf können akustische Schwingungen in der Brennkammer durch eine Sirene bei definierten Frequenzen angeregt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Untersuchung der Wirkungsweise von akustischen Absorbern.