SMART Rockets – Erster kryogener Durchflusstest des InjektorsSMART Rockets – first kryogenic fluid-flow test at injector

Am 28.Mai 2014 gegen 17:00 Uhr haben wir am Institut für Luft- und Raumfahrttechnik erstmals einen Durchflusstest mit flüssigem Stickstoff (LN2) durch unseren Testinjektor durchgeführt.  Bereits Ende letzten Jahres hatten wir unseren Teststand und dessen Funktion erfolgreich mit LN2 erprobt, hatten aber auch einige Verbesserungsansätze gefunden. So haben wir z.B. einen Corioliskraftsensor zur Messung des kryogenen Massendurchsatzes eingebaut. Weiterhin wird ein fernsteuerbares Ablasssystem für beide Tanks integriert.

Nachdem wir nun mit dem Sensoreinbau den Massedurchsatz für kryogene Flüssigkeiten messen konnten, war es an der Zeit den Injektor zu prüfen. Dafür haben wir zwei Testabläufe durchgeführt. Zum einen fuhren wir einen Test mit einer Tankbedrückung von etwa 5 bar Überdruck, da der Auslegungspunkt für den Injektor mit 5 bar Druckdifferenz bemessen wurde. Zum anderen haben wir einen Test mit etwa 20 bar Überdruck im Tank durchgeführt. Zu sehen sind die Tests in den folgenden beiden Videos.

Aus beiden Videos ist wieder viel zu lernen. An erster Stelle ist zu erkennen, dass die Messstrecke beim 5 bar Test erst nach knapp einer Minute durchgekühlt ist und Kryogen liefert. Eine Vorkühlung ist von daher unerlässlich. Somit heißt es insbesondere an der Rakete die Leitungen für Flüssigsauerstoff (LOX) möglichst kurz zu halten. Weiterhin ist zu erkennen, dass der LN2-Kegel sich während des gesamten Tests verändert und wächst. Es ist davon auszugehen, dass sich keine vollständig stationären Bedingungen einstellen werden, zumal der Fluidstrom pulsiert. Dies führen wir auf lokale Verdampfungen des LN2 zurück, da sich dieses auf der Siedelinie befindet. Recht stabil ist der Fluidstrom hingegen beim 20 bar Test. Hier wurde das Ventil kurz nach dem Bedrücken geöffnet und somit der Stickstoff als tiefkalteFlüssigkeit durch ein vorgekühltes System geschickt. Dadurch kam es zu wesentlich weniger Verdampfungserscheinungen.

Eine Auswertung der Messergebnisse hat folgende Ergebnisse gebracht: Der erste Test mit der 5 bar Druckdifferenz konnte leider nicht den geforderten Massestrom von102 g/serbringen, sondern lediglich 41 g/s. Dies führen wir, wie schon erwähnt, auf die lokalen Verdampfungen zurück, die a) eine Erhöhung des Leitungswiderstandes bewirken als auch b) die Fluidzusammensetzung verändern. Das Gemisch aus flüssiger und gasförmiger Phase hatte eine wesentlich kleinere Dichte und der Sensor misst direkt u.a. den Massestrom.
Wie bereits erwähnt, lag das Kryogen bei 20 bar als unterkühlte Flüssigkeit vor. Hier konnte mit Hilfe des Corioliskraft-Sensors eine Dichte von 0,75 g/cm^3 gemessen werden. Dieser Flüssigkeitszustand würde dann beim Triebwerkstest oder Raketenstart vorliegen. Eine kombinierte Auswertung beider Messreihen ergab dann schließlich einen Massestrom von etwa 91 g/s LN2 bzw. 112 g/s LOX als Flüssigkeit bei 20 bar Überdruck und 5 bar Druckdifferenz am Injektor.On 28th mai 2014 we performed for the first time a fluid-flow test with liquid nitrogen through the injector. So we were able to verificate the general designlast and latest improvements like the implementation of a coriolis-force-sensor for mass output and remote controlled outled.

For verification of the theoretical data and comparrison between the simulations and reality, two test at different pressure were performed.

From both videos much input could be get. At first place it is identifiable, that only after nearly a minute the pipes are cooled down enough to let liquid oxygen pass: Pre-cooling is essential and pipes have to be as short as possible. On the hand the sprying cone varied its shape: Because of unavoidable evaporation the process isn`t going to be static in any case. This effect could be minimized by the mentioned precooling and higher pressure, as shown in the second video.