Die Verbrennung in der Brennkammer ARIEL wird mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera mit circa 10.000 Bildern pro Sekunde beobachtet. Die Strömung innerhalb der Brennkammer ist stark turbulent. Credit: DLR (CC-BY 3.0)
Mit der neuartigen und außergewöhnlichen Versuchsbrennkammer ARIEL (ATEK Hybrid Rocket Engine Laboratory device) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) fanden vom 19. bis 21. September 2018 Versuche statt, um die Verbrennung und ihre Prozesse innerhalb von Hybridraketentriebwerken (HRT) zu untersuchen. Damit ist die vierjährige Entwicklungs-, Bau- und Versuchsphase dieser Brennkammer erfolgreich abgeschlossen. Die Versuche wurden im Rahmen des DLR-Projektes ATEK (Antriebstechnologien und Komponenten für Trägersysteme) durchgeführt.
Die Versuchseinrichtung entwickelten und betreuten Prof. Ognjan Božić und seine Kollegen Georg Poppe und Stefan May vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig. Die Versuchsvorbereitungen und Inbetriebnahme erfolgten durch ein sechsköpfiges Team der Abteilung Raumfahrzeuge am Prüfstand für Hybridraketentriebwerke in Trauen im Jahr 2017. Der Prüfstand verfügt über zahlreiche moderne Mess- und Steuerungseinrichtungen und ermöglicht den sicheren Versuchsbetrieb von Feststoff- und Hybridraketentriebwerken sowie das sichere und umweltschonende Handling großer Mengen flüssiger, nicht-kryogener Treibstoffe.
Neue Treibstoffkombinationen: sowohl fest, als auch flüssig
Hybridraketentriebwerke, deren Treibstoffe sowohl aus festen als auch aus flüssigen Komponenten bestehen, vereinen eine Reihe an Vorteilen gegenüber den bekannten reinen Flüssigkeits- oder Feststofftriebwerken. Neben einer einfacheren Bauweise sind die verwendeten Oxidatoren und Brennstoffe umweltfreundlich und sicher in der Handhabung. Hybridraketentriebwerke könnten perspektivisch die Wiederverwendbarkeit von Raumfahrzeugen erleichtern und damit die Kosten für Starts in den Weltraum senken. Ebenso können diese Triebwerke in Höhenforschungsraketen, Oberstufen für kleine Trägerraketen und auf Landemodulen für Mond-, Kleinkörper- und Planetenmissionen eingesetzt werden.
Ein Blick in die Brennkammer und reale Triebwerksbedingungen - ein Novum in der Triebwerksforschung
Wie andere Brennkammern auch, verfügt die rechteckig ausgelegte Brennkammer ARIEL über zahlreiche Messstellen für Druck und Temperatur. Neu und außergewöhnlich sind die zusätzlichen optischen Zugänge. Diese sind in Form von helium-gekühlten Quarzglasfenstern an zwei Seiten eingebracht. Dadurch ist es möglich, auch optische Messtechnik wie Hochgeschwindigkeitskameras, Infrarotkameras und Pyrometer einzusetzen, um Flammen- und Oberflächentemperaturen sowie Strömungsprozesse zu bestimmen. In Zukunft ist der Einsatz zusätzlicher optischer Messverfahren wie Spektroskopie und OH-Imaging möglich. Der Brennstoffblock und das sich verändernde Strömungsbild können so in einer 2D-Ansicht analysiert und Unterschiede der Verbrennungsprozesse verschiedener Brennstoffmischungen ermittelt werden. Durch die längliche, streifenförmige Brennstoffausführung ist der Einsatz hochmoderner Ultraschallmesstechnik in Kombination mit einer hochfrequenten Druckaufnahme möglich. Damit lässt sich eine hochexakte, zeitgenaue Messung der Abbrandrate des Brennstoffs realisieren.
Aber nicht nur der optische Zugang macht ARIEL einzigartig im Vergleich zu den wenigen anderen Versuchseinrichtung auf der Welt, die zur Untersuchung der Brennstoffe von Hybridraketentriebwerken eingesetzt werden: Die Kammer lässt sich unter realen Triebwerksbedingungen betreiben.
In realen Hybridraketentriebwerken findet die Verbrennung bei Drücken von mindestens 30 bar unter sehr hohen Temperaturen von bis zu 3000 Kelvin statt. Bisherige vergleichbare Anlagen arbeiten nur bei Umgebungsdruck oder sehr niedrigem Überdruck. ARIEL operiert bei Brennkammerdrücken von bis zu 30 bar. Dadurch ist die Analyse real auftretender, kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozesse möglich, während bei niedrigen Drücken von unter 15 bar diffusionsgesteuerte Prozesse die Verbrennung dominieren, wodurch Messungen bei geringeren Drücken nicht auf reale HRT übertragbar sind. Darüber hinaus arbeiten einige der übrigen Anlagen mit durch Stickstoff verdünnten Oxidatorströmungen, um die Temperaturen auf ein, für die Konstruktionsmaterialien erträgliches Niveau abzusenken. Durch die helium-gekühlten Quarzglasfenster ist eine Verdünnung der Strömung hier nicht notwendig. Die erzielten Temperaturen sind mit Hybridraketenmotoren vergleichbar.
Im Rahmen des DLR-Projektes ATEK und in Nachfolgeprojekten sollen mit der Brennkammer ARIEL in Zukunft verschiedenste Brennstoffmischungen auf ihre Leistungs- und Einsatzfähigkeit für Hybridraketentriebwerke untersucht werden. Darüber hinaus dient sie der Validierung numerischer Verfahren wie zum Beispiel der DLR-Entwurfssoftware AHRES und des Strömungslösers TAU.
Für November 2018 ist mit dem leistungsfähigeren Versuchstriebwerk AHRES-B die nächste Testreihe auf dem Prüfstand geplant – und damit ein neuer Höhepunkt in der Forschung an zukünftigen Raketentriebwerken. Dann soll ein Triebwerkskonzept mit verwundener Brennstoffgeometrie und einem Schub von etwa 2500 Newton getestet werden.