 | Deeken J. Experimentelle Untersuchengen zu neuartigen, porosen Injektoren für den Einsatz in kryogenen Hochdruck-Raketenantrieben: Diss. … Dr.-Ing. /
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Raumfahrtantriebe, Lampoldshausen. - Köln: DLR, 2014. - XIV, 155 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2014-35). - Leteraturverz.: S.147-153. - ISSN 1434-8454
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Nomenklatur .................................................... VI
Kurzfassung .................................................... XI
Abstract ..................................................... XIII
1 Einleitung und Zielsetzung ................................... 1
2 Treibstoffeinspritzung in Raketentriebwerken ................. 5
2.1 Anforderungen an ein Einspritzsystem für
Raketentriebwerke ....................................... 5
2.1.1 Verbrennungseffizienz ............................ 6
2.1.2 Verbrennungsstabilität ........................... 8
2.1.3 Sonstige Eigenschaften eines Einspritzsystems ... 10
2.2 Treibstoffkombination LOX/H2 ........................... 13
2.3 Mechanismen der Treibstoff aufbereit ung ............... 15
2.3.1 Überkritische Fluide ............................ 16
2.3.2 Zerstäubung ..................................... 16
2.3.2.1 Primärer Strahlzerfall ................. 17
2.3.2.2 Sekundärer Strahlzerfall ............... 24
2.3.3 Verdampfung, Mischung und Reaktion .............. 26
2.4 Klassifizierung von Einspritzsystemen .................. 27
2.4.1 Treibstoffinjektoren der A-4-Rakete ............. 27
2.4.2 Prallinjektoren ................................. 29
2.4.3 Koaxialinjektoren ............................... 31
2.4.4 Drallinjektoren ................................. 35
2.4.5 Showerhead-Injektoren ........................... 37
2.4.6 Pintle-Injektoren ............................... 38
2.5 Poröse Einspritzung .................................... 40
2.5.1 Motivation ...................................... 40
2.5.2 Injektorkonzept ................................. 40
2.5.3 Stand der Technik ............................... 42
2.5.3.1 Arbeiten zu porösen Injektoren
außerhalb des DLR ...................... 42
2.5.3.2 Arbeiten zu porösen Injektoren am
DLR .................................... 43
2.5.4 Treibstoff aufbereitung ......................... 45
2.5.5 Injektordurchströmung ........................... 50
3 Experimenteller Aufbau ...................................... 53
3.1 Forschungsprüfstand P8 ................................. 53
3.2 Versuchshardware ....................................... 55
3.2.1 Prinzipien der Pattern-Auslegung poröser API-
Einspritzköpfe .................................. 55
3.2.2 Brennkammerdurchmesser 50 mm .................... 58
3.2.2.1 Brennkammerkonfigurationen ............. 58
3.2.2.2 Einspritzköpfe ......................... 60
3.2.3 Brennkammerdurchmesser 80 mm .................... 63
3.2.3.1 Brennkammerkonfigurationen ............. 63
3.2.3.2 Einspritzköpfe ......................... 66
3.2.4 Verwendete poröse Materialien ................... 71
3.2.5 Messtechnik ..................................... 75
3.3 Ziele der Testkampagnen und Betriebsbedingungen ........ 77
3.3.1 Testkampagne 1: Einfluss der
Injektionsbedingungen und Drosselung ............ 77
3.3.2 Testkampagne 2: Einfluss der
Brennkammermachzahl und L*-Einfluss ............. 79
3.3.3 Testkampagne 3: Einfluss des
Injektordurchmessers ............................ 82
3.3.4 Testkampagne 4 und 5: API für 80mm-
Brennkammerdurchmesser .......................... 83
3.3.5 Testkampagne 6: Gasgenerator und
Vorbrennkammer-Anwendung ........................ 85
3.4 Datenauswertung ........................................ 86
3.4.1 Verbrennungseffizienz ........................... 87
3.4.1.1 Eintrittsimpuls ........................ 89
3.4.1.2 Stickstoffanteil im LOX-Massenstrom .... 89
3.4.1.3 Veränderung des wirksamen
Düsenhaisquerschnitts .................. 91
3.4.1.4 Wärmeverlust aufgrund der
Brennkammerkühlung ..................... 92
3.4.1.5 Energieverluste durch irreversible
Beschleunigung ......................... 93
3.4.1.6 Bestimmung des Totaldrucks im Versuch .. 95
3.4.1.7 Fehlerbetrachtung ...................... 95
3.4.1.8 Alternative Bestimmung der
Verbrennungseffizienz .................. 97
3.4.2 Verbrennungsstabilität ............................... 97
3.4.3 Axialer Druckverlauf ................................. 98
4 Experimentelle Ergebnisse .................................. 103
4.1 Einfluss der Injektionsbedingungen und Drosselung ..... 103
4.1.1 Verbrennungseffizienz .......................... 103
4.1.2 Axiale Druckverteilung ......................... 105
4.2 Einfluss der Brennkammermachzahl ...................... 108
4.2.1 Verbrennungseffizienz .......................... 108
4.2.2 Axiale Druckverteilung ......................... 111
4.2.3 Verbrennungsstabilität ......................... 115
4.3 Reduzierung der Brennkammerlänge ...................... 118
4.4 Einfluss des Injektordurchmessers ..................... 119
4.4.1 Verbrennungseffizienz .......................... 119
4.4.2 Axiale Druckverteilung ......................... 119
4.4.3 Verbrennungsstabilität ......................... 126
4.5 API für 80mm-Brennkammerdurchmesser ................... 128
4.5.1 Verbrennungseffizienz .......................... 128
4.5.2 Verbrennungsstabilität ......................... 130
4.6 Anwendung für Preburner-Injektion ..................... 138
4.6.1 Verbrennungseffizienz .......................... 138
4.6.2 Verbrennungsstabilität ......................... 138
5 Zusammenfassung und Ausblick ................................ 141
5.1 Ergebnisse ............................................ 141
5.2 Ausblick .............................................. 144
Literaturverzeichnis .......................................... 147
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