Analyse akustischer Eigenmoden in Raketenbrennkammern bei Umgebungsbedingungen

by Hagen Fuchs

Thursday Jun 24, 2021, 1:30 PM → 2:15 PM Europe/Berlin

Vortrag zur Bachelorarbeit von Hagen Fuchs zum Thema Analyse akustischer Eigenmoden in Raketenbrennkammern bei Umgebungsbedingungen.

Am Institut für Raumfahrtantriebe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Lampoldshausen wird ein Verfahren zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften einer Raketenbrennkammer unter Umgebungsbedingungen entwickelt. Dies erlaubt sowohl die schnelle und effiziente Bewertung verschiedener Kammerkonfigurationen, als auch das bessere Verständnis der akustischen Vorgänge in Raketenbrennkammern. Diese sind entscheidend für das Auftreten gefährlicher, hochfrequenter Verbrennungsinstabilitäten und können mithilfe des beschriebenen Verfahrens bereits im Labor zur Unterstützung aufwändiger Heißgasversuche bei deutlich geringerem Aufwand untersucht

werden. Dazu soll gezeigt werden, dass Dämpfung, Frequenz und Form von Eigenmoden einer Brennkammer unter Umgebungsbedingungen bestimmt werden können und inwiefern sich diese Resultate von den Ergebnissen eines Prüfstandversuchs, bei laufender Verbrennung, unterscheiden. 

Nach einer kurzen Einführung in Theorie und Hintergründe werden zunächst Verfahren aus diversen Literaturquellen beschrieben. Die erläuterte Messtechnik des beschriebenen Verfahrens wurde daraufhin im Akustiklabor realisiert. Es werden zwei Brennkammern mit akustischen Testsignalen angeregt und die Schalldruckverteilung mit Messmikrofonen aufgezeichnet. Verschiedene Signalverarbeitungsprozesse werden genutzt um die akustischen Eigenmoden zu identifizieren und ihre Eigenschaften im Hinblick auf Dämpfung und Frequenz bestimmt. Diese Daten werden genutzt um die Funktionsfähigkeit des Verfahrens zu demonstrieren und zu prüfen, wie sich die Labormessungen im Vergleich zu Prüfstanddaten verhalten. 

Es konnte gezeigt werden, dass sich mit den verfügbaren Mitteln ein Verfahren aufbauen lässt, sowie dass dessen Resultate in gutem Einklang mit bestehenden Ergebnissen und der Theorie sind und dass sich, trotz quantitativer Unterschiede, die Labormessungen qualitativ grundsätzlich auf Heißgasversuche übertragennlassen. Es werden außerdem mögliche Fehlerquellen und Ansatzpunkte für zukünftige Arbeiten aufgezeigt.

Vortragssprache: Deutsch

Lecture to the bachelor thesis from Hagen Fuchs on the Topic Analysis of acoustic eigenmodes in rocket combustion chambers at ambient conditions.

At the Institute of space propulsion at the German aerospace center (DLR), a measurement procedure for the determination of acoustic properties of liquid propellant rocket combustion chambers under ambient conditions is developed. This procedure allows an efficient and fast evaluation of different chamber configurations as well as aiding a better understanding of the acoustic processes taking place in rocket combustion chambers. These acoustic processes are crucial for the development of high frequency combustion instabilities, which can be investigated in the laboratory to support much more complex and costly hot gas tests using the described methods. It should be shown how parameters such as frequency, damping and form of a chamber’s eigenmodes can be measured under ambient conditions. Furthermore, it should be investigated if and how these results are comparable with data from a actual hot fire test campaigns. After a short introduction in the background and underlying theory, similar methods in current use are explained. According to that, the realization of the procedure in the institute’s acoustics lab is described. Two different research combustion chambers were excited with acoustic test signals and the sound pressure distribution was measured using measurement microphones. Different signal processing techniques are used to identify eigenmodes and determine their properties. The resulting data was used to demonstrate the proper functioning of the method in use and to investigate wether the laboratory data is transferable to the hot gas tests. 

It could be shown that a functioning measurement system can be set up using the available resources and that the results obtained by it are in accordance with results from literature and can, although qualitative differences are present, be qualitative transferred to results obtained from hot gas tests. Furthermore, possible error sources could be detected and starting-points for further improvements were identified.

 

Lecture language: German