Beschreibung
In der Raumfahrt hat sich der Wettbewerb aufgrund neuer privater Raumfahrtunternehmen in den letzten Jahren stark verändert. Die Produktion als auch die Missionen selbst müssen immer kostengünstiger gestaltet werden. Jedoch werden dabei gleichbleibende Qualität sowie höchste Zuverlässigkeit jeder einzelnen Komponente vorausgesetzt. Aufgrund der extremen Umgebungsbedingungen werden besonders hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien gestellt. Hierbei sind vor allem sehr gute Temperatur- und Medienbeständigkeit gefordert. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften werden bevorzugt Platin-Rhodium-Legierungen, beispielsweise im Bereich der Kleintriebwerke, eingesetzt. Damit ein Triebwerk maximale Leistung und höchste Zuverlässigkeit sowie Beständigkeit liefern kann, muss der ausgewählte Werkstoff auf den eingesetzten Treibstoff abgestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wechselwirkungen der beiden Treibstoffkomponenten Monomethylhydrazin (MMH) und Distickstofftetroxid (NTO) mit der Platinlegierung PtRh 90-10 und das damit verbundene Hochtemperaturverhalten in Kleintriebwerken zu charakterisieren und zu beschreiben. Um ein besseres Grundverständnis über den vorliegenden Verbrennungsmechanismus zu erlangen, wurden diesbezüglich Simulationen durchgeführt. Die durchgeführten Simulationen zeigen zunächst, dass innerhalb einer Brennkammer unterschiedliche Temperaturen vorliegen. Als Hauptverbrennungsspezies können CO2, CO, CH4, N2, NO2, H2, CO, HCN, H2O, OH sowie H nachgewiesen und deren Konzentrationen innerhalb der Brennkammer dargestellt werden. Dabei gilt zu berücksichtigen, dass es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen und der variierenden Konzentrationen der Hauptverbrennungsspezies möglicherweise zu verschiedenartigen Hochtemperaturwechselwirkungen mit dem Brennkammermaterial kommen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass es in einem Temperaturbereich von 400 °C bis 550 °C zu einer Wechselwirkung zwischen den beiden Treibstoffkomponenten und dem Legierungssystem kommt. Diese Wechselwirkung ist mit einer Materialveränderung verbunden, die auf das Zusammenspiel von Erosion, Sublimation und Kondensation zurückzuführen ist. In einem Temperaturbereich von 700 °C bis 900 °C kann eine Materialveränderung beobachtet werden, deren Ursache auf einen zu Nickel-Basis-Legierungen ähnlichen Metal Dusting Mechanismus zurückzuführen ist. Ausschlaggebend ist dabei die sehr kohlenstoffreiche Atmosphäre, die dazu führt, dass es zur Bildung von Graphit kommt. Als Ursache und Einflussparameter für die beobachteten Hochtemperaturwechselwirkungen kann demzufolge zum einen das vorherrschende Temperaturfeld und zum anderen die Verbrennungsreaktion mit den zugehörigen Spezies genannt werden. Für die Entwicklung zukünftiger Triebwerke muss der Verbrennungsmechanismus vollständig verstanden werden, um unerwünschte Wechselwirkungen vermeiden zu können, wobei in diesem Zusammenhang der Einsatz eines alternativen bzw. neu entwickelten Treibstoffs in Betracht gezogen werden sollte. Weiterhin sollten auch die eingesetzten Materialien sowie die Auslegung/Konstruktion zukünftiger Triebwerke weiterentwickelt werden, um diese noch innovativer, effizienter und zuverlässiger gestalten zu können.
