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Diagnostik & Support

Aufbau zur Visualisierung von Zündvorgängen in einer Raketenbrennkammer am Prüfstand P8.

Schubkammern, die mehr als 3 Millionen PS Leistung entwickeln, Brennkammern, in denen Temperaturen von über 3.000 Grad Celsius und Drücke von bis zu über 100 bar herrschen: die Untersuchung solcher Systeme erfordert speziell angepasste Messtechniken. Die Gruppe „Diagnostik & Support“ adaptiert und entwickelt Messverfahren für ein breites Spektrum an Einsatzgebieten, sowohl an Forschungsprüfständen als auch an den Großprüfständen P3, P4, und P5, an denen die Raketenantriebe der Ariane-Rakete, wie zum Beispiel das Oberstufentriebwerk Aestus und Vinci sowie das Hautstufentriebwerk Vulcain 2.1 getestet werden.

Die Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Raumfahrtantrieben erfordert ein detailliertes Verständnis der Prozesse im Brennraum wie beispielsweise von der Einspritzung der Treibstoffkomponenten und deren Mischung, der Verbrennung, der Expansion der heißen Gase in der Düse, der thermische Belastung der Brennkammerstrukturen. Das vertiefte Verständnis dieser Prozesse ist Voraussetzung für ein optimales Design neuer Triebwerke. Die Modellierung und numerische Simulation von Strömungs- und Verbrennungsvorgängen sind zu einem wichtigen Werkzeug bei der Auslegung technischer Systeme geworden. Die detaillierte physikalisch/chemische Charakterisierung der Zustände in Brennkammern und die Verifikation der Modellrechnungen erfordert aussagekräftige experimentelle Daten. Die Analyse dieser optisch gewonnenen Daten spielt eine wesentliche Rolle bei der Erforschung und Entwicklung neuartiger Raketenantriebssysteme.

Die Bedeutung der berührungslosen optischen Diagnostik hat daher in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Moderne Kamerasysteme und hoch entwickelte physikalische Messprozesse erlauben Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.

Das Leistungsspektrum optischer Diagnostik am Standort Lampoldshausen beinhaltet diese Messverfahren: 

• Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
• Ultraviolett-Visualisierung
• Klassische Schlieren-Visualisierung
• High-Speed-Shadowgraphy
• Thermografie
• Optische Brennkammer-Sondierung
• Background Oriented Schlieren (BOS)
• Emissions-/ Absorptionsspektroskopie
• Laserinduzierte Breakdown Spectroscopy (LIBS)
• Plasmaspektroskopie
• Interferometrie
• Digitale Bildbearbeitung

Zur Datenerfassung stehen unter anderem folgende technische Hilfsmittel bereit:

• Mehrere Hochgeschwindigkeitskameras für Aufnahmen bis zu 2,1 Millionen Bilder pro Sekunde
• Mehrere Bildverstärker (Restlichtverstärker) zur Visualisierung für das menschliche Auge unsichtbarer Phänomene, wie zum Beispiel Lichtemission im Ultraviolett-Bereich
• Mehrere Infrarot-Kameras für thermografische Diagnostik
• Mehrere hochauflösende optische Spektrometer für ultraviolette bis infrarote Wellenlängen

Die wissenschaftliche Auswertung der optischen Daten erfolgt überwiegend mit den Methoden:

• Hochgeschwindigkeitsvisualisierung von dynamischen Prozessen mittels Schatten- und Emissionsaufnahmen: Schnell ablaufende Prozesse und transiente Vorgänge können mit modernen digitalen Hochgeschwindigkeitskameras erfasst und analysiert werden. Darunter fallen verschiedene Phänomene mit hoher zeitlicher Auflösung wie beispielsweise die Ausbreitung der Flammen nach der Zündung in einer Raketenbrennkammer, die Dynamik des Strahlzerfalls bei der Einspritzung flüssigen Sauerstoffs in den Brennraum oder das Verhalten einer Flamme in einem starken akustischen Feld. Hochgeschwindigkeitskameras liefern Bildfolgen, die aus einer großen Anzahl von Bildern bestehen. Um aus diesen Bildfolgen quantitative Informationen über die beobachteten Vorgänge zu extrahieren, werden automatisierte Bildverarbeitungsroutinen eingesetzt. So können zum Beispiel die Geschwindigkeit von Tropfen in einer Strömung detektiert oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Flammenfront beim Zündprozess bestimmt werden.
  
  

  Hochgeschwindigkeitsvisualisierung von dynamischen Prozessen
• Strömungsvisualisierung mithilfe klassischer und Background-Oriented-Schlieren-Technik (BOS): Verschiedene Eigenschaften wie Dichte, Temperatur oder Stoffzusammensetzung in einem Strömungsfeld, können sichtbar gemacht werden. Es handelt sich in der Regel um qualitative Messungen dieser Größen, die Erfassung ihrer räumlichen Verteilung liefert jedoch essenzielle Informationen zur Beurteilung der Strömungs- und Mischungsvorgänge. Unterschiedliche Fluide, Dichte und Temperaturänderungen in einem Strömungsfeld können mit den damit verbundenen Unterschieden im Brechungsindex sichtbar gemacht werden. Verschiedene Verfahren wie die Schlieren- und Schattenfotografie oder das Durchlichtverfahren kommen dabei zum Einsatz. Die Brennkammern werden dazu mit Fenstern ausgestattet, die den optischen Zugang zum Strömungsfeld gewährleisten.
  
  
  

  Flamme einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung.
• Thermografie mittels hochauflösender Wärmebildkameras: Die thermische Strahlung von Oberflächen kann sowohl zur Temperaturbestimmung als auch zur Strömungsvisualisierung genutzt werden. Die hohen Temperaturen und der hohe Druck in Brennkammern führen zu einer starken thermischen Belastung der Brennkammerstrukturen. Die Infrarot-Strahlung, die von heißen Oberflächen ausgesendet wird, kann zur Bestimmung der Oberflächentemperaturen genutzt und die thermische Belastung der Bauteile während des Betriebs verfolgt werden. Da der Wärmeübergang von den Heißgasen auf die Wand von der Gasströmung abhängt, kann mit der Infrarot-Thermografie auch der Strömungszustand in Wandnähe untersucht werden. Insbesondere bei der Beurteilung der transienten Strömung in Expansionsdüsen wird dieses Verfahren eingesetzt.
• Bestimmung von Mischungsverhältnissen (Verhältnis von Brennstoff zu Oxidator) unter Verwendung der Laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIPS)
• Flammentemperaturbestimmung mit hochauflösender (sub-nanometer) Emissionsspektroskopie
  

  Emissionsspektrum der Verbrennungsreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.