Raketentriebwerkstest: Schub-, Druck- und Schwingungscharakterisierung

Raketen sind vor allem beim Start sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Um Fehlfunktionen im Betrieb zu vermeiden, werden die Raketenkomponenten und insbesondere die Raketentriebwerke umfangreichen Prüfverfahren und Inspektionen unterzogen. Neue oder modifizierte Raketentriebwerke erfordern beispielsweise Prüfverfahren, um nachzuweisen, dass es zu keinen Verbrennungsinstabilitäten kommen wird. Bei der Verwendung von Flüssigtreibstoff muss der Zuführmechanismus bestimmt und optimiert werden. Unerlässlich für einen sicheren Raketenstart ist auch die Messung des dynamischen Zünddrucks.

Schub-, dynamische Druck- und Schwingungsbestimmung

Für Entwickler ist es bedeutsam zu wissen, wie effizient der Treibstoff im Falle von Feststofftreibstoff bei Feststoffraketenmotoren ist und wie sich der Brennstoff bei Flüssigkeitsraketenmotoren zusammensetzt. Die Bestimmung des Triebwerkschubs ermöglicht ein klares Verständnis dafür, wie viel Schub mit einem bestimmten Düsenaufbau erzeugt werden kann. Sie ermöglicht den Entwicklern, den spezifischen Impuls des Verbrennungsmaterials zu berechnen und die verschiedenen Phasen während des Betriebs eines Raketentriebwerks zu untersuchen. Hierzu gehören beispielsweise Zündung, Einbrennphase und Abschaltphase. Für derartige Untersuchungen werden häufig kundenspezifische 6-Komponenten-Prüfstände auf piezoelektrischer Basis eingesetzt.

Daneben gewinnen die Entwickler ein tiefes Verständnis hinsichtlich der Einspritzung von Brennstoffkomponenten, deren Gemisch, Zündzeitpunkt und Verbrennung. Dieses ist zwingend erforderlich, um die zuverlässige Leistung eines Raketenmotors zu überprüfen und die Entwicklung von Antriebstechnologien voranzutreiben. Piezoelektrische Druck- und Beschleunigungssensoren von Kistler decken den gesamten extremen Bereich der Ultrahochtemperaturstabilität und -dynamik ab und überstehen somit die in Schubkammern vorherrschenden extremen Umgebungsbedingungen.

Wichtige Technologien für dynamische Druckmessungen

Je nach Typ des Raketentriebwerks sind hochfrequente dynamische Messungen bei der Schubbestimmung von Interesse. Kraftlösungen müssen eine Eigenfrequenz von mindestens 1 500 bis 3 000 Hz aufweisen.

Mit piezoelektrischen Kraftmessverfahren können sowohl quasistatische als auch dynamische Messungen mit hoher Auflösung durchgeführt werden. Die piezoelektrische Messkette ermöglicht es, sich auf die unteren dynamischen Signale zu konzentrieren. Damit kann eine High-Fidelity-Messung der Low-Pegel-Signale, die von Schubinstabilitäten ausgehen, realisiert werden.

Kraftsensoren von Kistler können zu Dynamometern konfiguriert werden, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Statische Drucküberwachung und -bestimmung

Die statische Drucküberwachung gehört zu den wichtigsten Messungen im Rahmen der Raketentriebwerkstests. Dazu gehört die Überwachung und Steuerung des Brennstoffstroms sowie die Messung des statischen Drucks in der Brennkammer. Die Überwachung und Steuerung des Brennstoffstroms bei Flüssigtriebwerken erfordert statische Drucksensoren. Piezoresistive Drucksensoren von Kistler verwenden ein kavitätengeätztes, mikrobearbeitetes Silizium-Sensorelement und eignen sich für Anwendungen mit Medien, die mit silikonölgefüllten Kapseln kompatibel sind.

Wichtige Technologien für statische Druckmessungen

Die langfristige statische Druckmessung erfordert eine piezoresistive Technologie, die einen Eigenbetrieb von 0 Hz bis 2 kHz aufweist, im Gegensatz zu piezoelektrischen Sensoren, die nur einen quasistatischen Betrieb zulassen.

Abhängig von der Verwendung und Installation des Drucksensors kann ein inhärenter Schutz gegen das Zünden explosiver Umgebungen erforderlich werden.

Piezoresistive Drucksensoren verwenden ein ölgefülltes und kavitätengeätztes, mikrobearbeitetes Silizium-Sensorelement, das eine Langzeitstabilität von 0,1 % pro Jahr bietet.

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Vorteile

Hochfrequente dynamische Kraftmessung bis 750 Hz

Dynamische Druckmessung direkt in der Brennkammer bis 700 °C mittels piezoelektrischer Hochtemperatur-Drucksensoren

Dynamische Bestimmung der Kraftstoffversorgung mit Flüssigtreibstoffen mittels kryogener piezoelektrischer Druck- und Beschleunigungssensoren 

Langzeitmessung des statischen Drucks mittels piezoresistiver Drucksensoren

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