Rotations-Detonations-Triebwerke, im Englischen Rotating Detonation Engine (kurz: RDE), basieren auf der kontrollierten Detonation der Treibstoffe. Sie sind dadurch potentiell effizienter als klassische Raketentriebwerke. Das DLR am Standort in Lampoldshausen arbeitet intensiv an diesem Themenfeld, um mögliche Anwendungen zu erproben.
Eine Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Quelle: DLR,Raketenantriebstechnologie, 17. September 2024
Detonationen sind thermodynamisch betrachtet effizienter als die allgemein bekanntere Deflagration (klassische Verbrennung). Während die klassische Verbrennung in Raketentriebwerken bei konstantem Druck oder sogar unter leichtem Druckverlust abläuft, erhöht sich der Druck bei einer Detonation stark. Ein Raketentriebwerk, das auf einem Detonations-Triebwerk beruht, wäre somit theoretisch in der Lage einen signifikanten Effizienzgewinn und somit Leistungssteigerung zu erreichen. Aus diesem Grund steigt in den letzten Jahren das Interesse an Detonations-Triebwerken sowohl für Gasturbinen im Energiebereich als auch im Raketentriebwerksbereich stark an. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei das sogenannte Rotations-Detonations-Triebwerk, bei dem Detonationswellen fortlaufend in einer ringförmigen Brennkammer in einem Zylinderspalt umlaufen und somit einen quasi-stationären Schub erzeugen.
Neues Forschungsgebiet für Verbrennungen in einer Brennkammer
Die Gruppe „Verbrennungsdynamik“ der Abteilung Raketenantriebstechnologie hat sich zum Ziel gesetzt, Expertise zur Auslegung, Betrieb und Untersuchung von Rotations-Detonations-Triebwerken für Raketenantriebe zu gewinnen.
In einem ersten Schritt wurde eine kleinskalige, kapazitiv gekühlte Ringbrennkammer ausgelegt und gefertigt. Die Brennkammer aus Kupferlegierung hat einen Außendurchmesser von 68 mm und aufgrund der modularen Bauweise können unterschiedliche Konfigurationen getestet werden. Kapazitativ gekühlte Brennkammern besitzen keine Kühlkanäle und funktionieren damit wie ein Wärmespeicher.
Erste Ergebnisse in Testkampagnen gewonnen
In rund 100 Heißläufen an den Prüfständen M3.1 und M11 ist das Rotations-Detonations-Triebwerk getestet worden. Hauptsächlich wurde dabei die Treibstoffkombination aus Wasserstoff und Sauerstoff untersucht. In einigen Versuchen wurde ebenfalls gasförmiges Methan als Treibstoff eingesetzt.
Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
Das beschriebene Experiment wurde bisher in rund 100 Heißgasversuchen an den Prüfständen M3.1 und M11 getestet. Dabei wurde hauptsächlich die Treibstoffkombination aus Wasserstoff und Sauerstoff untersucht. In einigen Versuchen wurde ebenfalls gasförmiges Methan als Treibstoff eingesetzt. Die Massenströme wurden zwischen 15 g/s und circa 250 g/s variiert. Dies demonstriert somit die Drosselbarkeit von Rotations-Detonations-Triebwerken.
Aufgrund der kapazitiven Kühlung liegen die Versuchszeiten bei maximal 1,5 Sekunden. Bei der Detonationsgeschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde entstehen Wellenfrequenzen im Ringspalt im Kilohertz-Bereich, sodass sogar bei kurzen Versuchszeiten gewährleistet ist, dass eine Welle in dieser Zeit mehrere Tausend Mal umläuft.
Die sehr hohe Umlaufgeschwindigkeit und kurze Dauer der Druckwellen stellt eine große Herausforderung an die Messtechnik zur Untersuchung der Wellendynamik dar. So wurde für die Auflösung der Druckwellen ein neues Messsystem verwendet, das Drucksignale mit bis zu 4 MHz aufzeichnen kann. Insbesondere werden die umlaufenden Wellen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit 180.000 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet.
Durch den Einsatz dieser Messtechnik kann die Anzahl der Wellen, deren Geschwindigkeit und Laufrichtung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen analysiert werden. So wurde beispielsweise ein Zustand identifiziert, bei welchem drei gleichmäßig umlaufende Wellen über mehrere Perioden stabil existieren. Die Geschwindigkeit dieser Wellen ist hierbei höher als 2.000 m/s. Die Auswertung weiterer Testbedingungen einer erst kürzlich abgeschlossenen Testkampagne soll weitere Einblicke in die Wellendynamik bringen.
Aufgrund der erarbeiteten Expertise des DLR-Instituts für Raumfahrtantriebe zur Forschung an Roations-Detonations-Triebwerken in Bezug auf Raketenantriebe, den vorhandenen Testkapazitäten und der langjährigen Erfahrung mit Messystemen für hochdynamische Verbrennungsprozesse, wurden Kooperationen mit mehreren nationalen und internationalen Partnern etabliert.
Publikationen
AIAA SciTech Forum
Experimental Investigation of a Small-Scale Oxygen-Hydrogen Rotating Detonation Rocket Combustor
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