TP-B4
Beschreibung
Eine zukünftige Umstellung der Treibstoffkombinationen und Zündverfahren kryogener Oberstufen und Steuer- und Lageregelungstriebwerke führt zu veränderten Injektionstransienten und damit veränderten physikalischen Randbedingungen für die eingespritzten Medien. Ein besonderes Problem stellt dabei die Zündung unter Vakuumbedingungen dar, da hier der Treibstoff in überhitztem Zustand in die entsprechende Brennkammer eingespritzt wird, in welcher zu Beginn des Anfahrprozesses Vakuum herrscht. Bei der Einspritzung verdampft der Treibstoff explosionsartig, was als Flash-Verdampfung bezeichnet wird. Hierdurch erhöht sich der Druck in der Brennkammer kontinuierlich, bis kurz vor der Zündung ungefähr der Dampfdruck der Treibstoffe erreicht wird. Der genaue Zustand in der Brennkammer hinsichtlich der vorliegenden Phasen, der Mischung und der Temperatur ist für den Zündvorgang von extremer Bedeutung sowohl bezüglich der Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Zündung überhaupt als auch für die Vermeidung unzulässig hoher Druckspitzen.
Das Teilprojekt B4 dient der detaillierten experimentellen Bestimmung der die Flashverdampfung charakterisierenden Parameter, auf deren Basis Modelle für die Beschreibung des instationären Anfahrvorgangs von mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Raketenbrennkammern entwickelt und verifiziert werden können. Damit werden numerische Simulationen von Brennkammerprozessen mit realen Injektorgeometrien und Treibstoffen möglich. Besonders das numerische Partnerprojekt TP-B5 ist auf die Randbedingungen und Parameter des Teilprojekts B4 angewiesen bzw. profitiert von diesem, indem die experimentell ermittelten Daten in ersterem zur Modellvalidierung herangezogen werden sollen.
Da sich ein bereits am DLR Lampoldshausen existierender Prüfstand bei Voruntersuchungen mit Einspritzung von flüssigem Sauerstoff (LOX) in eine Vakuumumgebung als nur bedingt geeignet für eine systematische und detaillierte experimentelle Untersuchung der Flash-Verdampfungscharakteristik von LOX erwies, wird ein neuer Prüfstand mit einem spezifischen, kryogenen Temperier- und Einspritzsystem entwickelt und in Betrieb genommen. Mittels optischer Diagnosetechniken (Schattenverfahren, PDA, PIV, Schlieren-Verfahren) soll gezielt der Einfluss verschiedener Parameter wie Einspritztemperatur und -druck des Treibstoffes sowie dem Brennkammerdruck auf die Zerstäubungs- und Verdampfungsprozesse untersucht werden.
Publikationen
2021
Rees, A., Oschwald, M.:
Cryogenic Test Bench for the Experimental Investigation of Cryogenic Injection in Rocket Combusters Under High-Altitude Conditions.
Virtual 2021 joint 23rd CEC/ICMC, Juli, 2021 (accepted).
Rees, A., Oschwald, M., Gärtner, J.W., Kronenburg, A.:
Difficulties in Defining the Degree of Superheat in Flash Boiling Liquid Nitrogen Sprays.
15th ICLASS 2021, Edinburgh, August/September, 2021.
Rees, A., Araneo, L., Salzmann, H., Lamanna, G., Oschwald, M.:
Droplet Populations in Flash Boiling Liquid Nitrogen Sprays.
15th ICLASS 2021, Edinburgh, August/September, 2021.
Rees, A., Salzmann, H., Sender, J., Oschwald, M.:
The Evolution of the Liquid Cores in Flash Boiling Liquid Nitrogen Sprays
7th Space Propulsion 2020+1, Estoril, Portugal, March 17-19, 2021.
2020
Rees, A.:
Experimentelle Untersuchung der Flashverdampfung infolge der Einspritzung von kryogenem Stickstoff unter Höhenbedingungen
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020.
Rees, A., Salzmann, H., Sender, J., Oschwald, M.:
About the Morphology of Flash Boiling Liquid Nitrogen Sprays
At. Sprays, 30(10), pp. 713-740, 2020.
Rees, A., Araneo, L., Salzmann, H., Lamanna, G., Sender, J., Oschwald, M.:
Droplet Velocity and Diameter Distributions in Flash Boiling Liquid Nitrogen Jets by Means of Phase Doppler Diagnostics
Exp. Fluids, 61, 2020.
Gärtner, J.W., Kronenburg, A., Rees, A., Sender, J., Oschwald, M., Lamanna, G.:
Numerical and Experimental Analysis of Flashing Cryogenic Nitrogen
Int. J. Multiphase Flow, 130, 2020.
2019
Rees, A., Salzmann, H., Sender, J., Oschwald, M.:
Investigation of flashing LN2-jets in terms of spray morphology, droplet size, and velocity distributions
8th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), Madrid, Spain, July 01-04, 2019.
Rees, A., Araneo, L., Salzmann, H., Kurudzija, E., Suslov, D., Lammana, G., Sender, J., Oschwald, M.:
Investigation of velocity and droplet size distributions of flash boiling LN2-jets with phase doppler anemometry
29th European Conference Liquid Atomization & Spray Systems (ILASS-Europe), Paris, France, September 02-04, 2019.
Gärtner, J.W., Rees, A., Kronenburg, A., Sender, J., Oschwald, M.:
Large Eddy Simulation of Flashing Cryogenic Liquid with a Compressible Volume of Fluid Solver
29th European Conference Liquid Atomization & Spray Systems (ILASS-Europe), Paris, France, September 02-04, 2019.
Rees, A. Sender, J., Oschwald, M.:
The morphology of flash boiling LN2-sprays in high-altitude liquid rocket engines
6th Cavitation and Multi-Phase Flows Workshop IICR, Chania, Crete, June 24-26, 2019.
2018
Rees, A., Sender, J., Oschwald, M.:
Temperature Dependence of Flashing LN2-Jets
6th Space Propulsion Conference, Seville, Spain, May 14-18, 2018.
Rees, A., Sender, J., Oschwald, M.:
Cryogenic Flash Boiling of Liquid Nitrogen Sprays
MOTAR Workshop, Toulouse, 2018.
2017
Bombardieri, C., Traudt, T., Oschwald, M., Rees, A.:
Cavitation and Multi-Phase Phenomena in Liquid Rocket Engine Systems
5th Cavitation and Multi-Phase Flows Workshop IICR, Chania, Crete, June 27-30, 2017.
Rees, A., Sender, J., Oschwald, M.:
Cryogenic flash boiling in liquid rocket engines
5th Cavitation and Multi-Phase Flows Workshop IICR, Chania, Crete, June 27-30, 2017.
2016
Börner, M., Deeken, J. C., Manfletti, C., Oschwald, M.,
Experimental Study of a Laser Ignited Advanced Porous Injector (API-) Thruster Configuration,
Space Propulsion Conference, Rom, 2016.
Börner, M., Manfletti, C., Wohlhüter, M., Oschwald, M.,
Laser Ignition for Space Propulsion Systems.
In LASIG-TWIN Workshop, 2016
2015
Lamanna, G., Kamoun, H., Weigand, B., Manfletti, C., Rees, A., Sender, J., Oschwald, M., Steelant, J.:
Flashing behavior of rocket engine propellants.
Atomization and Sprays, 25(10), 837–856, 2015
Börner, M., Manfletti, C., Oschwald, M.,
Laser Re-Ignition of a Cryogenic Multi-Injector Rocket Engine.
In 6th EUCASS, Krakow, 2015
2014
Manfletti, C.,
Laser ignition of an experimental cryogenic reaction and control thruster: pre-ignition conditions,
Journal of Propulsion and Power, Vol. 30, pp. 925–933, 2014
Manfletti, C.,
Laser ignition of an experimental cryogenic reaction and control thruster: ignition energies.
Journal of Propulsion and Power, 30(4), 952–961, 2014
2013
Kamoun, H., Lamanna, G., Weigand, B., Manfletti, C., Rees, A., Oschwald, M., Steelant, J.:
Flashing behaviour of rocket engines propellants
25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS-Europe), Chania, Crete, September 01-04, 2013.
2012
Manfletti, C.
Laser Ignition of a Research 200N RCS Lox/GH2 and LOx/GCH4 Engine.
48th AIAA Joint Propulsion Conference, Atlanta, Georgia, AIAA-4132, 2012
Manfletti, C.
Low ambient pressure injection and consequences on ignition of liquid rocket engines.
48th AIAA Joint Propulsion Conference, Atlanta, Georgia, AIAA-4131, 275-284, 2012
2011
Hardi, J., Oschwald, M., Dally, B.
Flame response to acoustic excitation in a rectangular rocket combustor with LOX/LH2 propellants
CEAS Space Journal 2 (2011), 41-49
Vor 2010
De Rosa, M., Sender, J., Zimmermann, H., Oschwald, M.
Cryogenic Spray Ignition at High Altitude Conditions
42nd Joint Propulsion Conference, AIAA 2006-4539 (2006)
Oschwald, M., Smith, J. J., Branam, R., Hussong, J., Schik, A., Chehroudi, B.
Injection of fluids into supercritical environments
Combustion Science and Technology 178 (2006), 49–100
Schmidt, V., Sender, J., Oschwald, M.
Simultaneous Observation of Liquid Phase Distribution and Flame Front Evolution during the Ignition Transient of a LOX/GH2 ‐ Combustor
J. Visualization 4(4) (2001), 365–372
Slavinskaya, N.A, Haidn, O.J
Numerical Modeling of liquid oxygen evaporation in steam using nonequilibrium boundary conditions
39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, AIAA 2001- 0335, (2001)
Beer, S., Haidn, O. J.
Modeling of the evaporation rate of a subcooled spray in superheated steam,
Conference on Propulsive Flows in Space Transporation Systems, Bordeaux, France, (1995), 11-15