Keramische Schubkammer für Raketentriebwerke
Angestrebte Vorteile der im Vorhaben KERBEROS entwickelten keramischen Schubkammer gegenüber konventionellen Bauweisen sind:
• Kostengünstigere Fertigung (Aufgrund von CMC-Schichtbauweise in Verbindung mit thermaldehnungsarmen Faserverbundkunststofftragmantel (FVK) anstelle von kosten- und zeitintensiven Galvanik-Verfahren)
• Höhere Lebensdauer/Zuverlässigkeit
• Gewichtseinsparung (durch Verwendung von Faserverbundmaterial anstelle von metallischen Werkstoffen)
Das derzeitige Konzept der keramischen Brennkammer besteht aus einem äußeren lasttragenden CFK-Mantel und einem porösen faserkeramischen Innenliner mit senkrecht zur Strömungsrichtung orientierter Faserbewehrung. Der Innenliner wird dabei transpirativ mit Treibstoff gekühlt. An der Außenseite des Innenliners befinden sich mehrere axiale Kanäle zur Verteilung des Kühlmittels. Innerhalb dieser Verteilerkanäle bildet sich während des stationären Betriebs ein einheitlicher Reservoirdruck aus. Ausgehend von diesem Reservoir durchdringt das Kühlmittel homogen die Mikroporen der permeablen Wand.
Das Kernziel des Vorhabens KERBEROS (KERamische Bauweisen von Experimentellen Raketenantrieben für Ober-Stufen) ist die Entwicklung der technologischen Voraussetzungen zur Umsetzung von Demonstratorschubkammern auf Basis von CMC-Strukturen, sowie gleichzeitig die Schaffung einer Bewertungsgrundlage der verwendeten Technologien.
Die in den einzelnen Schubkammerkomponenten von KERBEROS verwendeten unterschiedlichen Bauweisen ermöglichen ein breites Spektrum an zukünftigen Entwicklungslinien von keramischen Antriebskomponenten.
Wichtige Inhalte des Vorhabens sind:
• Materialverifikation. Untersuchung verschiedener oxidationsstabiler Materialvarianten unter Berücksichtigung keramischer Fasern und Matrizes beispielsweise auf Aluminiumoxid- und Siliziumcarbidbasis. Ziel ist die Selektion der bestgeeigneten Materialvarianten für die Umsetzung der keramischen Schubkammer.
• Untersuchungen zur Transpirationskühlung: Systematische Reduktion des notwendigen Kühlmassenstroms auf einen Zielwert von 8% für die Demonstration bei 10 MPa Brennkammerdruck.
• Einbeziehung des Konusinjektor-Konzepts zur Umsetzung von Drosselbarkeit, Wiederzündbarkeit, sowie zur Verbesserung der Einspritzkopf-Wand-Interaktion. Verbesserung der Treibstoffaufbereitung (kürzere Aufbereitungslängen). Potenzial zur Kalt- und Heißinjektion. Ziel ist es, die keramische Brennkammer mit keramischem Injektor und keramischer Düse als eine keramische Schubkammer erfolgreich zu testen.
• Zusammenführung und Nutzung der im DLR vorhandenen numerischen Modelle mit dem Ziel eine Berechnungs- und Bewertungsumgebung zu schaffen, die eine detaillierte Vorauslegung keramischer Schubkammern ermöglicht.
• Theoretische Untersuchungen des „Growth-Potentials“ für „high-performance“ Anwendungen unter Beachtung der Skalierbarkeit der Technologien.
Am KERBEROS-Vorhaben sind die folgenden Institute/Einrichtungen des DLR beteiligt:
- AS-HYP Instrumentierungskonzepte
- AS-RF Brennkammer CFD Simulation
- BK-KVS Werkstoffentwicklung
- BK-RSI Vorhabenleitung, Komponentenentwicklung
- RA-VEA Versuchsdurchführung, Schubkammertests
- RY-SRT Systemanalyse, Triebwerk und potenzielle Träger
- VT-COM Injektormodellierung, Verbrennungsrechnung
- WF-KSW Werkstoffentwicklung