Die Propulsion Gruppe des TU Wien Space Team arbeitet an der Entwicklung von Flüssigtriebwerken, die in weiterer Zukunft in unseren Raketen eingesetzt werden sollen.

Unsere Arbeitsgruppe startete mit Projekt “Thor”, unserem ersten Versuch am Bau eines eigenen Raktetentriebwerks, in 2017. Mehr dazu am Ende dieser Seite. Seit damals hat sich vieles getan. Die Arbeit am LE-01 im Rahmen von Projekt “Thor” wurde beendet um an einem neuen Triebwerk zu arbeiten. Wir brauchten ein modulares System, um eine Vielzahl an Injektordesigns testen zu können. Ein Konzept wurde ausgearbeitet, welches die Geburt von Proteus markierte. Das neue Triebwerk ermöglicht uns das ersehnte Testen unterschiedlicher gebräuchlicher Injektordesigns. Derzeit sind wir für Showerhead, Impingement, Pintle und vorgemischte Swirler Konfigurationen aufgestellt. Der flexible Konstruktionsansatz erlaubt uns die Gegenüberstellung eines breiten Spektrums möglicher Konfigurationen, besonders wenn man die bereits große Zahl variabler Parameter der einzelnen Injektordesigns bedenkt. Wenn man zudem den Gebrauch von unterschiedlichen Druckeinstellungen, und daraus resultierenden Durchflussraten, in Betracht zieht, wird die Anzahl an notwendigen Testreihen gewaltig. Dieser Aufwand, und Realisierung von Upgrades auf unserem kleinen Teststand, hielten uns stets beschäftigt. Die Upgrades bestehen unter anderem aus zusätzlichen und verbesserten Drucksensoren, Schubvektormessung, Flammenschutz für Treibstofftank und Elektronik und vieles mehr.

Aufbau

Treibstoff

Aufgrund sicherheits- und beschaffungstechnischer Überlegungen fiel die Entscheidung der Treibstoffe auf die Kombination Ethanol/Pressluft. Der reduzierte Sauerstoffgehalt der verwendeten Luft sorgt im Anfangsstadium der Tests für erhöhte Sicherheit. Der Oxidator wurde jedoch im weiteren Verlauf durch Nitrox (Druckluft mit erhöhtem Sauerstoffgehalt) substituiert. Die Treibstoffkombination erreicht damit die Performance von Ethanol/N2O.

Injektor/Brennkammer

Wie bereits erwähnt wurde beim Injektor großes Augenmerk auf modularität gelegt um möglichst viele verschiedene Konzepte und Konfigurationen testen zu können. Der Oxidator wird von oben durch ein langes Rohr eingeleitet. In der Showerhead-, Pintle- und Impingement-Konfiguration endet dieses Rohr in sechs kleinen Öffnungen die als Einspritzdüsen dienen. In der Swirler-Konfiguration ist der Swirler in diesem Rohr montiert und der Treibstoff wird an dessen unterem Ende über drei Öffnungen in der Wand eingespritzt. In den anderen Konfigurationen wird der Treibstoff direkt in die Brennkammer injiziert nachdem er über einen Anschluss an der Seite in den Injektor geleitet und von einem ringförmigen Kanal im Inneren gleichmäßig auf die Düsen verteilt wurde. Der Massenfluss wird mittels eines kritischen Venturis in der Oxidatorleitung und eines kavitierenden Venturis in der Treibstoffleitung reguliert. Diese Maßnahme macht den Massenfluss vom Brennkammerdruck unabhängig weshalb er sich gut über den Tankdruck steuern lässt.

Bei den ersten Tests wurde ein einfaches Rohr aus Edelstahl als Brennkammer und ein Drehteil aus dem selben Material als Düse verwendet.

Steuerung/Zündung

Zündung und Ablauf der Testsequenz werden digital aus sicherer Entfernung initiiert und geregelt. Über Ethernet werden sowohl die elektronischen Regelventile, als auch die selbstgebaute Lichtbogen- oder Pyrozündung angesteuert und folgen so einer zuvor definierten Testsequenz. Bei einem Elektronikausfall Notfall können sowohl Oxidator- als auch Treibstofffluss manuell unterbrochen werden.

Schubvektormessung

Unser derzeitiges System wurde von einem unserer neueren Mitglieder realisiert.Der Aufbau besteht aus drei Wägezellen und ist direkt mit dem Triebwerk verbunden. Bei Zündung verzeichnen die Wägezellen die herrschenden Kräfte, die durch den Schub erzeugt werden. Die Messwerte werden in einen Analog-to-Digital-Umsetzer gespeist und anschließend durch ein Skript, welches auf einem Arduino-Board läuft,  verzeichnet. Unsere Kollegen von TXV, die derzeit an der Base 11 Space Challenge arbeiten, werden für ihren großen Teststand einen ähnlichen Ansatz verwenden, die Daten allerdings direkt in das ECU speisen.

Sensoren

Zu den derzeit installierten Sensoren gehören Drucksensoren und ein Schubvektor-Messsystem. Derzeit sind drei piezoelektrische Drucksensoren installiert, die den Brennstoff-, Oxidator- und Brennkammerdruck messen. Das Schubvektor-Messsystem besteht aus drei Wägezellen, die sich zwischen dem Triebwerk und dem oberen Rahmen des Prüfstands befinden und nicht nur den Gesamtschub messen, sondern auch die Richtung des Schubs.

Teststand

Unsere hardwarebasierte Entwicklung macht den Zugang zu einer sicheren Testumgebung unerlässlich. Der Teststand ist geeignet für kleine Triebwerke mit bis zu 200 N Schub, sowohl Cold-Flow- als auch Hot-Fire-Tests sind durchführbar. Das Setup wurde bereits bei vergangenen Missionen eingesetzt, um Schlüsselkomponenten, wie elektrische Ventile, Rohrleitungen und verschiedene Zündsysteme, für die Anwendung in einem großen Triebwerk, zu testen. Der Teststand ist vollautomatisiert und kann aus sicherer Entfernung bedient werden. Bei entsprechenden Bedingungen unterbricht ein Auto-Abort automatisch den Testlauf, ein manueller Abbruch durch Handventile ist stets möglich. Der Testaufbau wird regelmäßig aktualisiert und verbessert, und wird eine wichtige Rolle bei der Bauteilprüfung und Designbewertung der kommenden Missionen spielen. Auch können hier Teammitglieder vor der Mitarbeit an künftig größeren Testständen eingeschult werden. Weiters kann der kleine Teststand in der Zukunft auch der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.

Coldflow-Tests

Die dem erstmaligen Feuern vorangehenden Coldflow-Tests dienen dem Sicherstellen der Einsatzbereitschaft, einem ausgiebigen Check des Systems und der Abläufe sowie dem Kalibrieren der Steuereinstellungen. Zuerst mit Wasser, später mit Ethanol werden Testszenarien und diverse Messreihen durchgeführt. Im Rahmen von Cold-Flow-Tests kann durch eine transparente Gegendruckkammer das Strömungsverhalten bei realitätsnahen Bedingungen beobachtet und dokumentiert werden. So lässt sich das Einspritzverhalten der verschiedenen Injektor-Konfigurationen bestimmen.

Hotfire-Tests

Die ersten Zündungen finden ohne Brennkammer und Düse statt. Dies ermöglicht eine direkte Beobachtung der Flamme und erste Aussagen über deren Stabilität und die Qualität der Mischung von Treibstoff und Oxidator.

Der nächste Schritt zu einem laufenden Triebwerk bestand aus Feuerungen mit Brennkammer. Für Hot-Fire-Tests ermöglicht eine modulare Halterung die Verwendung unterschiedlicher Brennkammern. Hierbei werden sowohl die Eigenschaften der durch die Brennkammer umschlossenen Flamme ermittelt, als auch ein sinnvolles Mischverhältnis und die Position des Zünders, sowie die optimale Zündsequenz ermittelt. 

Obwohl wir nicht jede einzelne Konfiguration testen konnten, haben wir schließlich eine Auswahl an Konfigurationen identifiziert, die unseren Anforderungen entsprechen. Mit weiteren Feinabstimmungen unserer Einstellungen erreichten wir im Spätsommer 2019 unsere ersten stabilen Verbrennungen, die in unserem Blogbeitrag Hot-Fire-Tests näher beschrieben werden. Für diese Tests verwenden wir immer noch 36/64 Nitrox. Wir erwarten noch bessere Ergebnisse mit höherprozentigem Nitrox.

Unter Teststand blieb eine kompakte, nicht-stationäre Anlage, wobei die meisten der benötigten Komponenten direkt am Gerüst montiert sind. Mit all den Upgrades installiert, wird Platz auf dem Teststand zu einem wachsenden Problem

Vor und nach jeder Testsession wird der Teststand aus und in das Lager verschoben, so konnten wir unser Problem eines fehlenden, stationären Testplatzes lösen. Das scheint für Außenstehende ein großer Aufwand zu sein, und das ist es teils durchaus, andererseits zeigt es auch unsere adaptive Herangehensweise. Man muss mit dem arbeiten was man hat.

Das Vorgängerprojekt: Das Triebwerksprojekt “Thor”

Projekt “Thor“ war die erste Bestrebung des TU Wien Space Team eine eigenständige Antriebseinheit für zukünftige Generationen von Experimentalraketen zu entwickeln. Nach derzeitigem Stand nutzen alle unsere entwickelten Flugkörper kommerzielle Feststoffmotoren als Antrieb. Der Traum von einer eigenen Antriebseinheit hatte die Gründung einer Arbeitsgruppe zur Folge, welche eine eigene Antriebseinheit entwickeln will.

Erste Tests im Dezember 2017

Die Arbeitsgruppe Propulsion führte am 17. Dezember 2017 eine erste Versuchsreihe zur Treibstoffzerstäubung durch. Die Feinheit der Zerstäubung nimmt großen Einfluss auf den Verbrennungsablauf und ist damit ein wichtiges Kriterium für die Effizienz eines Raketentriebwerks.

Für die Tests wurde Wasser, als ungefährlicher Ersatz für Treibstoff, mittels Druckluft in einem dünnen Strahl aus einer Düse geschossen und wenige Millimeter nach Austritt von einem Luftstrom aus einer zweiten Düse zerstäubt. Der Winkel zwischen den beiden Düsen, sowie deren Entfernung zueinander wurde variiert und mittels eines Kamera-Setups die Größe der bei der Zerstäubung entstehenden Tropfen gemessen, wobei der in beiden Leitungen verwendete Luftdruck bei 10 bar konstant war. Ein Winkel zwischen 130 und 140 Grad hatte sich als optimal herausgestellt, da dieser einerseits zu einer geringen Tropfengröße führt, andererseits aber auch konstruktiv vergleichsweise einfach umzusetzen ist.

Zusammenfassung des Fortschritts 2018

Die Fortschritte in der Propulsion-Gruppe des TU Wien Space Teams sind mittlerweile schwer zu übersehen. Im Jahr 2018 wurde die Konstruktion und der Bau des ersten Raketentriebwerk Teststandes des TU Wien Space Teams umgesetzt. Der erste Triebwerksprototyp LE-01 wurde gefertigt und auf dem Teststand montiert. 

Nach knapp drei Monaten Planungs- und Bauzeit wurde am 25. März 2018 der erste Cold-flow Test durchgeführt, wobei aus Sicherheitsgründen Wasser anstelle des Treibstoffs verwendet wurde. Dabei machten sich zwar einige „Kinderkrankheiten“ bemerkbar, diese waren aber großteils recht einfach zu beheben und die Testreihe insgesamt ein voller Erfolg.

Nachdem man sich entsprechend vorbereitet hatte, wurden erste Hotfire-Tests in Angriff genommen. Der erste Hotfire Test erfolgte am 7. April, mit einem Ethanol/Druckluft Gemisch durchgeführt. Später wurde die Druckluft durch Nitrox substituiert. Dabei zeigte sich, dass sowohl das Zünden als auch das Halten einer stabilen Flamme alles Andere als trivial sind. Die Hotfire Tests wurden zunächst nur am Injektor und später mit einer offenen Brennkammer durchgeführt. Durch zahlreiche Optimierungen konnten die Ergebnisse laufend verbessert werden, jedoch gelang kein erfolgreicher Zündversuch mit angebrachter Schubdüse.

Die Erkenntnisse, welche aus den Tests und der Optimierung mit Nitrox gewonnen wurden, dienen nun als Grundlage für den weiteren Verlauf des Projekts.