Simulation der Temperatur- und Strömungsverhältnisse in einem Hochdruckautoklav vor und während des Abbrands von Raketentreibstoffproben

In der heutigen Zeit werden ca. 90 % des weltweiten Energiebedarfs aus der Verbrennung von Brennstoffen gewonnen. Eine Anwendung bei der die Energieversorgung durch Brennstoffe unersetzlich ist, sind Flugkörper und insbesondere Raketen. Raketen werden in der Raumfahrt, für militärische Anwendung aber auch für zivile Anwendungen eingesetzt. Typische Beispiele dafür sind Trägerraketen, militärische Flugkörper oder Feuerwerksraketen. Es existiert eine Vielzahl von Raketentreibstoffen, die z.B. sich hinsichtlich ihrer Leistung, Zusammensetzung, Sicherheit, Kosten und Anwendung unterscheiden. Anhand ihres physikalischen Zustands können diese auch in Flüssig-, Fest- und Hybridtreibstoffe differenziert werden. Die Entwicklung von neuen Raketentreibstoffen ist seit vielen Jahren ein bedeutsames Forschungsgebiet, um unter anderem die Effizienz, die Leistung und die Sicherheit der Treibstoffe zu optimieren. Ein wichtiges Leistungsmerkmal von Raketentreibstoffen ist deren Abbrandgeschwindigkeit. Um diese zu untersuchen, werden der Abbrand der Treibstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken untersucht. Typischerweise werden dazu Treibstoffproben in einem Hochdruckautoklav unter kontrollierten Bedinungen abgebrannt. Ein solches System wird am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie zur Erforschung von Raketentreibstoffen eingesetzt. Der verwendete Hochdruckautoklav ist seitlich mit Fenstern ausgestattet, die es ermöglichen, den Abbrand der Treibstoffe mit optischen Messgeräten, wie z.B. Spektrometern, Hochgeschwindigkeitskameras oder Wärmebildkameras, aufzuzeichnen und dadurch das Abbrandverhalten derTreibstoffe zu charakterisieren [3]. Aufgrund dieser Sichtfenster wird der experimentelle Aufbau (Abbildung 1) auch als Optische Bombe bezeichnet. Die Optische Bombe unterscheidet sich von anderen Systemen dieser Art dadurch, dass die Brennkammer während des gesamten Abbrands mit einem Prozessgas durchspült wird. Durch die Strömung sollen die bei einer Verbrennung entstehenden Reaktionsprodukte kontrolliert aus der Brennkammer geleitet werden, sodass die Treibstoffproben nicht während des Versuchs von heißen Verbrennungsgasen erwärmt und die Sicht der Messgeräte auf die Proben durch Rauch eingeschränkt wird.