Eine dreidimensionale Brennkammer-Simulation beweist, dass ein genau abgestimmter Absorberring Verbrennungsschwingungen dämpft – ein wichtiger Baustein für zukünftige Raketenantriebe.
Verbrennungsschwingungen stellen nach wie vor ein großes Problem für die Zuverlässigkeit von Raumfahrtantrieben dar. Sie entstehen durch eine sich selbst verstärkende Wechselwirkung zwischen dem akustischen Feld und der Wärmefreisetzung und können in wenigen Sekunden zur gefürchteten totalen Zerstörung eines Antriebs führen. Es ist also elementar, bereits in der Auslegungsphase eines Raketentriebwerkes Gründe für Instabilitäten zu identifizieren und zu vermeiden.
rechts: Druckamplituden einer selbsterregten Schwingung mit und ohne Absorber (Quelle: Technische Universität München, Lehrstuhl für Thermodynamik)
Dafür wurde das neuartige dreidimensionale Simulationsverfahren PIANO-SAT entwickelt. Zentrale Anforderung: die dämpfenden Effekte des Absorberrings und der Raketendüse korrekt zu beschreiben. Dies gelang, indem für den Absorberring eine Randbedingung entwickelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass ein abgestimmter Absorberring instabile Schwingungsmoden gezielt dämpfen kann.
Das Gesamtmodell der Brennkammer enthält den Düsenteil, die Absorberrandbedingung und ein thermoakustisches Flammenmodell. Mit dem Modell kann auch direkt die Entstehung selbsterregter Verbrennungsschwingungen nachgerechnet werden. Für Testfälle wurden Stabilitätsgrenzen und Trends für die einzelnen Schwingungsmoden berechnet wie in der Literatur; mit Hilfe eines neuartigen Versuchsstandes, in dem hochfrequente Eigenmoden untersucht werden können, wurde bestätigt, dass das Verfahren valide ist.
Das Projekt ist wissenschaftlich ergiebig: Mehrere Diplom- und Semesterarbeiten sowie eine Dissertation sind bisher darüber entstanden. Die Ergebnisse wurden auf Konferenzen und in der Fachliteratur veröffentlicht.
PIANO-SAT wird bereits zum Vergleich der Dämpfungseigenschaften verschiedener Auslegungsvarianten eines neuen ASTRIUM-Demonstrators eingesetzt, der als Zwischenstufe für die Entwicklung eines Raketenmotors der Zukunft dient.
