Grundlagenforschung und Technologieentwicklung für Raketenbrennkammern
Im Technikum M3 werden die Grundlagenprozesse in Raketenbrennkammern insbesondere die Treibstoffaufbereitung, die Injektion, die Zündung und Verbrennung von Raketentreibstoffen untersucht sowie Raketenbrennkammertechnologien entwickelt.
Die drei Testpositionen ermöglichen eine hohe Anzahl an Versuchen pro Versuchstag, mit vielen unterschiedlichen Konfigurationen. Durch die hohe Versuchsfrequenz sowie die möglichen Anpassungen können am M3 Raketenbrennkammertechnologien sehr kurzfristig und effizient verbessert werden. Das führt zu einer schnellen Steigerung des Technologiereifegrades der untersuchten Technologien. Darüber hinaus können neue Technologien entwickelt und für den Einsatz in Triebwerken erforscht werden.
Aktuelle Themenbereiche die im Technikum M3 erforscht werden, sind:
Treibstoffkonditionierung
transiente, zweiphasige Strömung
Einspritzung
Zündung und deren Sequenzierung
Verbrennungsdynamik
Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei denen von:
Orbitalantrieben
für Zündvorgänge von Trägerraketenantrieben
Forschung mit Miniaturbrennkammern
Am Prüfstand M3.1 liegt der Fokus auf der Untersuchung der transienten Vorgänge bei der Einspritzung kryogener Treibstoffe in die Brennkammer, der Zündung und der Verbrennung des Treibstoffgemischs. Ziel ist es, Charakterisierungen von neuen Einspritzelementen, Grundlagenuntersuchungen zur thermischen Belastbarkeit neuartiger Werkstoffe für den Bau von Brennkammern durchzuführen, oder neue Zündmethoden wie die Laserzündung zu untersuchen. Dafür sind gasförmiger und flüssiger Sauerstoff (LOX) und gasförmige Brennstoffe Wasserstof (H2) und Methan (CH4) verfügbar. Ein Tanksystem kann zum Einsatz kommen, um die Zünd- und Verbrennungs-dynamik auch für geringe Brennkammerdrücke vor Treibstoffeinspritzung bis circa 50 Millibar als auch bei Überdrücken durchzuführen. Dadruch können Anfahrtransienten für Raketenbrennkammern simuliert werden, die für Bodenbedingungen ("launch pad"), im Weltraum ("in space") sowie bei Ladenkonfigurationen ("retro-propulsion") repräsentativ sind. Der Prüfstands M3.1 zeichnet sich durch seine hohe Modularität und Flexibilität aus.
Insbesondere folgende Schwerpunkte der Forschungsgruppe Verbrennungsdynamik werden untersucht:
Treibstoffeinspritzung insbesondere von Koaxial-, Swirl- und porösen Injektoren
Sequenzierung der Zündung
etablierte sowie neuartige Zündmethoden wie beispielsweise Laserzündung
Flammenverankerung und -stabilität
Studien zur Entflammbarkeit
Materialverträglichkeit.
Am Technikum M3 stehen eine Reihe von optisch zugänglichen Brennkammer zur Verfügung, die in Kombination mit der Expertise der Forschungsgruppe Diagnostik & Support sowie modernen Hochgeschwindigkeitskameras einen detailierten Einblick in die Brennkammerprozesse erlauben.
Erforschung der optimalen Einspritzung von Raketentreibstoffen
DLR-Forscherteams sind an den beiden Prüfstände M3.3 und M3.5 mit der Untersuchung von transienten Zwei-Phasenströmungen beschäftigt. Diese sind von großer Bedeutung bei der Strömung der kryogenen Treibstoffe durch die Triebwerkskomponenten (Ventile, Einspritzköpfe, Turbopumpen) und bei der Injektion der Treibstoffe in die Brennkammer. Letzteres kann im Vakuum stattfinden, wenn beispielsweise die Brennkammer eines Oberstufentriebwerks im Weltraum gezündet werden soll. Auch hier zeichnet sich das Technikum M3 wieder durch seine hohe Modularität und Flexibilität aus, sodass den zu untersuchenden Konfigurationen praktisch keine Grenzen gesetzt sind.
Technologieerprobung und Technologietransfer
Am Technikum M3 werden im Rahmen von Technologieerprobung und Technologietransfer untere anderem folgende Aktivitäten realisiert:
Komponententests für Turbopumpen
Charakterisierung von Injektorelementen
Zündungstransienten mit unterschiedlichen Hintergrunddrücken
Düsenströmungs- und Heißgas-Wechselwirkung mit Strukturkomponenten (beispielsweise Landebeine und Hitzeschilde)
Technikum M3 mit drei Testpositionen
Im Gebäudekomplex M3 sind Labore zur Entwicklung optischer Messtechniken und ein Technikum für Verbrennungsversuche eingerichtet. Die Vakuumanlage des Prüfstands M3.1 (links im Bild) wird für Raketentriebwerkstests verwendet und simuliert die Zündung unter Weltraumbedingungen.
Der M3.5 wird verwendet um Durchflussuntersuchungen mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Sauerstoff durchzuführen. Durch das modulare Design können fast beliebige Einbauten untersucht werden, wie beispielsweise Ventile oder Einspritzköpfe von Raketentriebwerken. Auch die Untersuchung von Kavitation in kryogenen Medien, in Injektoren und anderen Geometrien können durchgeführt werden.
