Wie Feuer und Eis

Wasserstoff und Sauerstoff sind der Heilige Gral der Raketentriebwerke, aber wie brennen sie? Die ZARM-Wissenschaftler nutzten Experimente in der Schwerelosigkeit, um den komplexen Prozess der Sprayverbrennung zu vereinfachen, und fanden heraus, dass sich um die brennenden Tröpfchen eine Eisschicht bildet.

Die Vorgänge im Inneren eines Raketentriebwerks zeichnen sich durch einen komplexen Sprayverbrennungsprozess aus. Bei einem Triebwerk, welches mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird, wird ein Strahl von flüssigen Sauerstoff in unzählige kleine Tropfen aufgebrochen, um mit dem Wasserstoff möglichst effektiv zu verbrennen. Das einfachste und zugleich wesentlichste Element dieses Sprays ist der Einzeltropfen.

Im Rahmen einer Studie wurde die Verbrennung eines einzelnen flüssigen Sauerstofftropfen in gasförmiger Wasserstoffatmosphäre unter Mikrogravitation untersucht. Während des freien Falls im Fallturm wird die natürliche Konvektion unterdrückt, sodass der Tropfen die Form einer Kugel annimmt und ein eindimensionales System entsteht. In einer umfangreichen Experimentkampagne wurde das Verbrennungsverhalten bei verschiedenen Drücken im unter- und überkritischen Regime untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich eine Schicht aus Eis um den brennenden Tropfen bildet, da das bei der Verbrennung entstehende Wasser nahe der tiefkalten Tropfenoberfläche gefriert. Die Form und Ausprägung dieser Eisschicht ändert sich und die Brennrate steigt mit zunehmenden Druck. Im überkritischen Regime verschwindet die Oberflächenspannung und der Tropfen verliert seine sphärische Form.

Die Ergebnisse stellen eine erste Datenbasis zur Entwicklung grundlegender numerischer Modelle dar und tragen somit zur Entwicklung zukünftiger detaillierter Sprayverbrennungsmodelle bei.

Die wissenschaftliche Veröffentlichung zu den Forschungsergebnissen finden Sie hier: authors.elsevier.com/c/1ei2y2KiHabbk

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