Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Lebensdauer regenerativ gekühlter Raketenbrennkammern

Zur Verbesserung der Sicherheit, der Kosteneffizienz und des Schub-Gewicht-Verhältnisses regenerativ gekühlter Raketenbrennkammern ist ein detailliertes Verständnis der lebensdauerlimitierenden Mechanismen von entscheidender Bedeutung. Für diesen Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein innovatives Lebensdauerexperiment vorgestellt. Das Experiment beinhaltet einen austauschbaren Probekörper aus CuCr1Zr, der stromabwärts einer Sauerstoff-Methan-Brennkammer mit rechteckigem Querschnitt montiert ist. Der Probekörper wird mittels überkritischen Stickstoffs in Kühlkanälen mit rechteckigen Querschnitten aktiv gekühlt. Die Belastung durch die Heißgasströmung wird zyklisch aufgeprägt, um eine thermomechanische Ermüdung der Brennkammerwand, insbesondere den sogenannten Doghouse-Effekt, zu provozieren. Dabei treten inelastische Deformationen der Heißgaswand auf, die näherungsweise proportional zur Lastzyklenzahl anwachsen und schließlich zum Versagen durch den Doghouse-Effekt führen. Die Einflüsse unterschiedlicher heißgas-, kühlkanal- und strukturseitiger Parameter auf das Temperaturfeld, die Deformationen und die Lebensdauer sowie deren Reproduzierbarkeit werden untersucht. Außerdem werden die Einflüsse begleitender Effekte, wie z.B. Abrasion und Blanching untersucht. Die Lebensdauer ist insbesondere vom instationären Temperaturfeld der Struktur abhängig. Zu dessen Vorhersage wird eine thermisch implizit gekoppelte, pseudo-transiente Simulation einer Raketenbrennkammer, am Beispiel des Lebensdauerexperimentes, durchgeführt. Die Simulation basiert auf Approximationen der transienten Wärmeleitungsgleichung der Struktur, der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen der neun Kühlkanalströmungen und der Flamelet-erweiterten Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen der Heißgasströmung. Die Ergebnisse stimmen hinsichtlich der Wärmeströme der Kühlkanäle und lokaler Strukturtemperaturen sehr gut mit dem Experiment überein. Die thermische Simulation vergrößert das Verständnis des Experiments und wird außerdem als Basis für eine sequentiell gekoppelte, strukturmechanische Analyse verwendet. Darin wird das ideal-plastische Verhalten des Probekörpers unter thermomechanischer Belastung untersucht. Die experimentellen und numerischen Ergebnisse zeigen, dass der Doghouse-Effekt im Wesentlichen durch laterale Zugspannungen in der Heißgaswand kurz nach dem Ende der Heißgasphase ausgelöst wird, die sich wie folgt zusammensetzen: 1.) Eigenzugspannungen aufgrund inelastischer Stauchungen während der Heißgasphase, 2.) thermisch induzierte Zugspannungen aufgrund eines positiven Temperaturgradienten von der Heißgaswand in Richtung Rückseite und 3.) mechanisch induzierte Zugspannungen aufgrund der Kühlkanalinnendrücke. Zur Reduktion der thermisch induzierten Zugspannungen wird eine neuartige Abschaltsequenz eingeführt und experimentell untersucht.