Simulationsanlage für Treibstrahlen Göttingen - Chemische Triebwerke (STG-CT)

Versuchsanlage STG-CT
Blick in den Versuchsraum
Hydrazin-Einstofftriebwerk

Messgrößen

  • Gasverteilung im Treibstrahl
  • Gaszusammensetzung
  • Massefluss
  • Impulsfluss
  • Energiefluss
  • Mechanische und chemische Oberflächenerosion
  • molekulare Kontamination

Anlagenbeschreibung

Die Simulationsanlage für Treibstrahlen chemischer Kleintriebwerke (STG-CT) des DLR in Göttingen ist eine einzigartige Kryo-Vakuumanlage, in deren Versuchsraum von 10m3 Volumen Satelliten-Lageregelungstriebwerke unter weltraumähnlichen Vakuumbedingungen betrieben und untersucht werden können.

Um trotz der vergleichsweise großen Menge Gases, die beim Feuern des Treibwerks produziert wird, einen Druck von weniger als 1e-5 mbar aufrecht erhalten zu können, ist eine enorme Pumpleistung nötig. In der STG-CT wird diese erreicht durch Kühlung einer zylinderförmigen, aus Kupfer gefertigten 30 m2 großen Kaltwand (Kryopumpe), die den Versuchsraum mit einer Länge von fünf Meter und einem Durchmesser von 1.6m umschließt. Durch das Abkühlen der Kaltwände mit siedendem Helium auf 4.3K gefrieren dort alle Gaskomponenten des Treibstrahls (außer Helium selbst) und werden so dem Versuchsraum entzogen.

Für den Betrieb stehen etwa 2.500 Liter flüssiges Helium bereit. Davon werden etwa 1.000 Liter für die Abkühlung auf Betriebstemperatur benötigt. Je nach Experiment ermöglicht das einen Versuchsbetrieb zwischen sechs und zwölf Stunden.

Anwendung

Ziel der Experimente in der STG-CT ist es, die Ausbreitung von Treibstrahlen und deren Wechselwirkung mit Raumfahrzeugkomponenten zu charakterisieren. Aus den Ergebnissen der Versuche werden Anforderungen an die Planung von Lageregelungssystemen und –manövern abgeleitet oder Maßnahmen zu Schutz gegen Verschmutzung oder übermäßige Erwärmung entwickelt.

Typische Anwendungen sind:

  • Charakterisierung der Treibstrahlen von orbitalen Heißgastriebwerken der Schubklasse < 20 N: Ein- und Zweistofftriebwerke (auf Hydrazin-Basis) im Pulsbetrieb
  • Charakterisierung der Treibstrahlausbreitung aus Kaltgasantrieben und -strahlquellen mit unterschiedlichen Düsengeometrien
  • Wechselwirkung von Treibstrahlen mit Oberflächen:
    • Kräfte/Momente/Wärmelasten am Raumfahrzeug durch Strahlbeaufschlagung
    • Wechselwirkung einer planetaren Oberfläche mit dem Treibstrahl von Bremstriebwerken
  • Kontaminationsanalyse:
    • Tröpfchenbildung und -verteilung bei Zweistofftriebwerken
    • Selbst- und Fremdkontamination von Raumfahrzeugen
    • Zusammensetzung des Treibstrahls
  • Treibstrahl/Wechselwirkung bei Triebwerk-Clustern
  • Weltraumsimulation: Funktionstest von Raumfahrzeug-Komponenten und Subsytemen, z.B. elektrische Antriebe mit niedriger Strahlenergie

Literatur / Referenzen

  • DLR Institute for Aerodynamics and Flow Technology. 2016. STG-CT: High-vacuum plume test facility for chemical thrusters. Journal of Large-Scale Research Facilities 2, A86.
  • Dettleff, G., M. Grabe. 2011. Basics of plume impingement analysis for small chemical and cold gas thrusters. AVT/VKI Lecture Series: Models and computational methods for rarefied flows.
  • Dettleff, G., K. Plähn. 1999. Experimental investigation of fully expanding free jets and plumes. Rarefied Gas Dynamics.
  • Dettleff, G., K. Plähn. 1997. Initial experimental results from the new DLR-high vacuum plume test facility STG. Joint Propulsion Conference and Exhibit.
  • Dettleff, G. 1991. Plume flow and plume impingement in space technology. Aerospace Sciences.

Dokumente

Institut / Einrichtung

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik

Kontakt

Dr. Ing. Martin Grabe
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik

Dr. Frank Holtmann
Technologiemarketing

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