Chemische Raumfahrtantriebe I

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Anonymous
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289016
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Chemische Raumfahrtantriebe I
Updated:
2014-11-12 15:22:58
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CRA I
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  1. Was gilt für eine angepasste Düse?
    pe = pa

    -> ce = we

    Isp ≈ we ≈ 1/M d.h. geht M runter steigt Isp
  2. In welche Gruppen können Raumfahrtantriebe eingeteilt werden? Was sind dabei erzielbare effektive we?
    chemische Antriebe:

    • - Feststoffantriebe we < 3km/s
    • - Flüssigkeitsantriebe we < 4,5 km/s
    • - Hybridantriebe
    • - Gelantriebe

    nukleare Antriebe:

    • - Festkernreaktor (indirekt) we ≈ 7 km/s
    • - Gaskernreaktor (direkt) we ≈ 8 km/s
    • - Atomexplosionen (Impulszufuhr v. Bord)
    • - Antriebe durch radioaktiven Zerfall (Radioisotopie) we ≈ 8 km/s

    elektrische Antriebe:

    • - elektrothermische Antriebe we < 20 km/s
    • - elektrostatische Antriebe we < 100 km/s
    • - elektromagnetische Antriebe we < 200 km/s

    Sonderantriebe:

    • - Photonenantrieb we ≈ 300.000 km/s
    • - Sonnensegel (bordfremde Impulszufuhr)
  3. Was sind spezifische Motormasse und Treibstoffverbrauch? Wie verhalten sie sich bei konst. Schub für elektrische, nukleare, chemische, Photonenantrieb und Sonnensegel?
    • spez. Treibstoffverbrauch
    • BS = Treibstoffmassenstrom / Schub

    • spez. Motormasse
    • GF = Motormasse (MM) / Schub

    • Bei gleichem Schub F nimmt in der Reihenfolge:
    • 1.Chemische Antriebe
    • 2.Nukleare Antriebe
    • 3.Elektrische Antriebe
    • 4.Photonenantrieb
    • 5.Sonnensegel

    BS ab, während GF zunimmt
  4. Wie können thermische und nicht thermische Antriebe unterschieden werden?
    thermische Antriebe:

    - von Energiequelle abgegebene Wärme heizt Treibstoff auf

    - durch Expansion des Treibstoffgases wird die aufgenommene Wärme in „gerichtete kinetische Energie“ umgewandelt -> Schubstrahlenergie

    elektrostatische und elektromagnetische Antriebe:

    - Treibstoff wird durch elektrostatische und elektromagnetische Kräfte beschleunigt

    - elektrostatisch: Ionenantrieb (nur Ionenstrahl wird beschleunigt)

    - elektromagnetisch: magnetoplasmadynamischer Antrieb (MPD) (gesamtes Plasma wird beschleunigt)
  5. Nenne fünf Beispiele thermischer Antriebe (mit geschlossener Brenn- oder Heizkammer) und ihr Funktionsprinzip!
    - Chemische Triebwerke: Chemische Kombination (Verbrennung) oder exothermer Zerfall

    - Kaltgas-Triebwerke: Expansion komprimierten kalten Gases

    - Nuklearthermische Triebwerke: Radioaktiver Zerfall (Radionukleide; meist Plutonium), Kernspaltungsreaktoren, Kernfusion

    - Solarthermische Triebwerke

    - Elektrothermische Triebwerke: Widerstandsgeheizte ResistoJets, Lichtbogentriebwerke (Arcjets), Gasentladungs(Plasma)-Triebwerke

    - Hybride Antriebe: z.B. chemische Triebwerke in Kombination mit elektrischer Energiezufuhr, z.B. Hydrazin-Arcjet
  6. Wieviele und von welcher Art sind die Triebwerke bei einer zweistufigen ARIANE 5 G (Generic)
    2 Feststoffraketentriebwerke (Feststoffbooster)

    1 Haupttriebwerk: VULCAIN (Flüssigkeitstriebwerk mit der kryogenen Treibstoffkombination LOX / LH2)

    1 Oberstufentriebwerk: AESTUS (Flüssigkeitstriebwerk mit der hypergolen Treibstoffkombination MMH / N2O4
  7. Wie funktionieren Feststofftriebwerke und was sind ihre Eigenschaften?
    Feststofftriebwerke

    - Oxidator und Brennstoff sind zusammen mit einem Binder zu einem Komposittreibstoff verbunden

    - Treibstoffcharakteristik und Abbrandrichtung bestimmen Brennkammerdruckverlauf und Schubverlauf über der Brennzeit

    - Abbrandrichtung im Treibstoffblock verläuft senkrecht zu seiner Oberfläche = Abbrandfläche

    - Einteilung der Feststofftriebwerke in 3 Bauarten gemäß der Geometrie der Abbrandfläche: -> Stirnbrenner, Innenbrenner und Allseitsbrenner

    - Abbrand führt zur Verringerung der Masse des Treibstoffes

    • - Maß für die Abnahme der Treibstoffmasse ist die Abbrandrate r(t) in mm/s
    • -> r(t) ist abhängig von Treibstoffzusammensetzung und BK

    -> r(t) nimmt mit steigendem BK pC zu

    -> typische Werte für die Abbrandrate von Feststoffraketentriebwerken sind 8 < r(t) < 20 mm/s bei pC ≈ 70 bar
  8. Skizziere den die Bauarten von Feststoffraketentriebwerken!

    Nenne Leermasse, Treibstoffmasse und Zusammensetzung der Treibstoffe für die MPS der Ariane 5
    Ariane 5 MPS:

    - Innenbrenner mit radialen, sternförmigen Einschnitten

    • Leermasse: 37,0 to
    • Segment S1: 23,5 to Treibstoff
    • Segment S2: 107,5 to Treibstoff
    • Segment S3: 107,0 to Treibstoff

    Spez. Impuls: 262 sec

    • Zusammensetzung der Festtreibstoffe:
    • •Ammoniumperchlorat: 68%
    • •Aluminium (30μ): 18%
    • •Binder (HTBP): 14%

  9. Nenne für das MPS der Ariane 5 den 1) Schub (Vakuum), 2) Brennzeit, 3) spez. Impuls (Vakuum) und den 4) BK.

    Wie sieht der zeitliche Verlauf des BK und Schubes aus?
    • 1) 5.295 kN
    • 2) t = 129s
    • 3) Isp = 271 s
    • 4) pc = 40 -60 bar



  10. Nach welchen Kriterien werden Flüssigkeitstriebwerke unterschieden bzw. eingeteilt?
    Flüssigkeitstriebwerke werden unterschieden nach:

    • - Art der Treibstoffkombination
    • - Art der Treibstoffförderung
    • - Art der Prozessführung bei Pumpenförderung der Treibstoffe

    Flüssigkeitstriebwerke werden eingeteilt nach:

    • - Höhe des Brennkammerdrucks:
    • - Niederdrucktriebwerke (pC < 20 bar)
    • - Mitteldrucktriebwerke (20 bar < pC < 100 bar)
    • - Hochdrucktriebwerke (100 bar < pC < 200 bar und mehr)

    • - Anwendung bzw. Schubniveau:
    • - Trägersysteme, Transferantriebe, Hilfstriebwerke, Lageregelungstriebwerke
  11. Nenne Schubbereich und Missionstart/ -ziel von Flugkörperantrieben (Flugzeuge), Trägerraketen, Transferantrieben, Landetriebwerken und Hilfsantrieben!
  12. Wie sieht die Treibstoffkombination von Flüssigkeitstriebwerken aus und wodurch werden sie unterschieden?
    Treibstoffkombination = Oxidator + Brennstoff

    Unterscheidung von Treibstoffkombinationen nach:

    Lagerfähigkeit

    - Kryogene Treibstoffe (bei tiefen Temperaturen verflüssigte Gase; z.B. H2, O2), d.h. bei Normalbedingungen nicht im flüssigen Aggregatzustand lagerbar

    - Lagerbare Treibstoffe (bei Normalbedingungen flüssig; z.B. Kerosin, N2H4, N2O4)

    Zündfähigkeit

    • - Hypergole: Treibstoffkombinationen, die selbstständig und spontan beim Kontakt von Brennstoff und Oxidator reagieren und entzünden
    • -> Voraussetzung: Getrennte Tanklagerung von Brennstoff und Oxidator

    • -> Vorteil: Keine Fremdzündung erforderlich
    • -> Beispiele: N2O4 / N2H4

    • - Nichthypergole Treibstoffe
    • -> Beispiele: LOX / Kerosin, LOX / LH2
  13. Wonach werden die Treibstoffkombinationen von Flüssigkeitstriebwerken bezüglich des Treibstoffs unterschieden?
    Anzahl bzw. Art der Treibstoffe: 

    • - Einstoffsystem (MONERGOLE)
    • - Zweistoffsystem (DIERGOLE)
    • - Dreistoffsystem (TRIERGOLE)
    • - selbstzündende Kombinationen (HYPERGOLE)

    Energiegehalt der Treibstoffe = spez. Impuls Isp:

    - niederenergetische (Isp < 280s): alle Monergole

    - mittelenergetische (280s < Isp < 330s): LOX / Kerosin, N2O4 / N2H4

    - hochenergetische (Isp > 330s): LOX / LH2
  14. Was sind Monergole und was ist ihr Prinzip?
    Was sind Katergole wie ist ihr Prinzip und wie werden sie angewandt? Vorteile und Beispiele?
    • Monergole (Treibstoffe auf Einstoffbasis)
    • - sind unter Normalbedingungen stabil
    • - Zersetzung erfolgt durch Druckerhöhung, Temperaturerhöhung

    Katergole (Einstofftreibstoffe)

    - Zersetzung erfolgt durch Katalysatoren:

    • -> Chem. Stoffe (z.B. Kalziumpermanganat, Aluminiumoxid)
    • -> Metalle (z.B. Silberdrähte)
    • -> Flüssigkeiten (z.B. Wasser)

    • - Anwendung:
    • ->Satellitensteuerung, Lageregelung (schubschwache Triebwerke)
    • -> Gaserzeuger für Antriebsturbinen

    • -Vorteile:
    • ->Wiederzündbarkeit
    • ->Schubstärkeregelung

    - Beispiele: Hydrazin (N2H4), Lösung von Wasserstoffperoxid (70%-80%)

    H2O2, Kaliumpermanganat (Katalysator), Isp (Vakuum) = 190

    N2H4, Aluminiumoxid (katalysator), Isp (Vakuum) = 226
  15. Was sind Diergole?
    Diergole (Treibstoffe auf Zweistoffbasis)

    • - Treibstoffkombination mit getrennten Oxidator- und Brennstofftanks
    • - werden erst zur Zündung in der Brennkammer zusammengeführt

    • -> Fremdzündung mit Zündquelle (z.B. elektrisch, Feststoffkartusche)
    • -> Selbstzündung: Hypergole = Sonderfall der Diergole
  16. Wie werden die theoret. max. spezifischen Impulse einiger Diergole (und auch Triergole) ermittelt? Was sind die vorherrschenden Bedingungen?
    Isp, opt-Werte sind theoretische Maxima, d.h. in der Praxis erzielbare Werte liegen darunter

    Die Bedingungen für die diese Werte errechnet wurden sind:

    • - Brennkammerdruck 68 bar
    • - optimale Expansion gegenüber Umgebung (auf Meereshöhe):
    • -> Düsenaustrittsdruck = Umgebungsdruck = 1 bar

    • - chemisches Gleichgewicht
    • - adiabatische Verbrennung
    • - isentrope Entspannung der Gase
  17. Was sind Triergole?
    - sind Diergole, denen zusätzlich Wasserstoff oder Metallpulver (Lithium, Aluminium, Beryllium) zur Erhöhung des spez. Impulses zugeführt wird

    - Dreistoffsysteme wurden wegen des komplexen Aufbaus von Triebwerk und Rakete (3 Tanks!) noch nicht praktisch eingesetzt
  18. Welche Arten der Treibstoffförderung für Flüssigkeitstriebwerke gibt es? Wofür sind sie geeignet bzw aus welchen Komponenten bestehen sie?
    Druckgasförderung

    • Geeignet für:
    • - Niedrige Brennkammerdrücke
    • - Kleine Schübe
    • - Kurze Brennzeiten

    • Pumpenförderung
    • - In Raketentriebwerken werden ausschließlich Turbopumpen eingesetzt
    • - Pumpenfördersystem besteht aus:
    • -> Treibstoffpumpe (Axial- oder Radialpumpe)
    • -> Turbine zum Antrieb der Treibstoffpumpe über eine Antriebswelle
    • ->Energiequelle zum Betreiben der Turbine:
    • (Art des Prozesses bei der Pumpenförderung)

    • - Gasgenerator -> Gasgeneratorzyklus
    • - Vorbrennkammer -> gestufte Verbrennung
    • - Regenerativkühlung -> Expanderzyklus
  19. Welche drei Basistypen der Pumpenförderung gibt es und für welche TW werden sie eingesetzt?
    Gasgeneratorzyklus -> Nebenstromtriebwerke

    Expanderzyklus und Zyklus der gestuften Verbrennung -> Hauptstromtriebwerke
  20. Was charakterisiert ein Nebenstromtriebwerk? Was sind Vor-/Nachteile?
    - geringer Teil des Massenstroms (ca. 3% können reichen) wird für den Turbinenantrieb abgezweigt und nicht der Brennkammer zugeführt und expandiert; dieser Anteil trägt somit nicht zum Schub teil

    - Gasgenerator Cycle


    -> der Nebenstrom wird in einer extra Brennkammer (Gasgenerator) verbrannt und als Arbeitsgas der Turbine zugeführt

    -> Turbinenabgase werden in einer extra Düse entspannt (Vulcain 1) oder in den Überschallteil der Hauptdüse zur Expansion zugeführt (Vulcain 2) 

    • - Vor- / Nachteile
    • + leichtes Triebwerk (geringere Pumpleistung)
    • + weniger komplex, leicht zu bauen, billiger
    • - geringer ISP da Nebenstrom nicht ideal expandiert wird
  21. Was charakterisiert ein Hauptstromtriebwerk? Was sind Vor-/Nachteile?
    - der gesamte Massenstrom wird der Brennkammer zugeführt und expandiert über die Düse

    • - Expander Cycle
    • -> Turbine nutzt die thermische Energie der für die Kühlung benutzten, unverbrannten Treibstoffkomponente (z.B. LH2)

    • - Staged Combustion Cycle (gestufte Verbrennung)
    • -> Ein Teil des Treibstoffgemisches wird in einer Vorbrennkammer vorverbrannt (meist brennstoffreich) und dient als Turbinenantrieb

    • Vor- / Nachteile des Staged Combustion Cycle
    • + hohe Brennkammerdrücke -> hohes Druckverhältnis p0/pe
    • + hoher ISP
    • - große Triebwerksmasse, da Pumpenleistung größer
  22. Skizziere und Beschreibe Aufbau und Funktion eines Nebenstromtriebwerks!
    - Abgase der Turbine werden nicht dem Triebwerk zugeführt sondern getrennt abgeführt -> trägt nicht zum Gesamtschub bei

    - Abgase der Turbine werden dem Überschallteil der Düse zugeführt und über die Düse mit entspannt

    -> Expansion in der Düse = Schubgewinn -> trägt zum Gesamtschub bei

  23. Beschreibe die Funktion des Hauptstromtriebwerks und skizziere beide möglichen Varianten!
    - Die Abgase aus der Turbine werden der Brennkammer zur Verbrennung zugeführt

    - Keine Verluste durch Abgasmassenstrom




  24. Nenne verschiedene Arten der Vorverbrennung bei der gestuften Verbrennung!
  25. Nenne fünf Arten für Verbesserungen der Schubkammer Technologien
    • - System Analyse
    • - Treibstoffe und Treibstoffeinspritzung
    • - Zündung und Verbrennung
    • - Chemische Kinetik
    • - Optische Diagnostik
    • - Verbrennungsstabilität
    • - Wärmetransport und Kühlung
    • - Lebenszyklen Analyse
    • - Anwendung neuer Materialien
    • - Fortschrittliche Düsen
  26. Nenne Konkurrenzraketen der
    • USA
    • - Atlas V 4,9t - 7,8t
    • - Delta II 1,0t - 2t

    • Russland
    • - Proton 6,1t
    • - Soyuz 1,8t - 2t

    • Europa
    • - Ariane 5 9t - 10t
    • - Vega non-GTO

    • Japan
    • - H-2A 3,7t - 5,4t

    • Indien
    • - GSLV 2,4t

    • China
    • - Langer Marsch 1,5t - 4,6t

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