Validierung des Raketenantriebssystems mit präziser Gasmischung

In Raketenantriebs-Testlabors werden vielfältige atmosphärische Bedingungen und Motorbedingungen nachgestellt, um zu verstehen, wie sich Motoren unter wechselnden Belastungen, Höhen und Kraftstoffgemischen verhalten. In diesen Labors ist die Steuerung der Gasgemische direkt dafür verantwortlich, dass Forscher kritische Missionsvariablen bestimmen können. Durch genaue Mischungen von brennbaren Gasen und Trägergasen können Ingenieure die Flammentemperatur, die Zündstabilität, die Leistung der Einspritzdüsen und die Abgaschemie lange vor dem Start einer Rakete simulieren, was einen grundlegenden Schritt in diesem Prozess darstellt.

Da Antriebstests äußerst empfindlich sind, können selbst geringfügige Veränderungen in der Gaszusammensetzung die Ergebnisse verfälschen. Ein präzises Mischsystem ermöglicht es den Antriebsteams, echte Probleme zu diagnostizieren und missionskritische Entscheidungen auf der Grundlage zuverlässiger Laborergebnisse zu treffen.

Herausforderung

Aufgrund der strengen Anforderungen an die Testverfahren für Kraftstoffgemische ergeben sich unmittelbar zwei Herausforderungen:

1. Wie kann man große Mengen an Brennstoff wiederholt zu erschwinglichen Kosten verbrennen?
2. Wie lassen sich genaue, wiederholbare Gaszusammensetzungen ohne ständige Neukalibrierung oder Flaschenwechsel aufrechterhalten?

Test engineers working at a rocket propulsion research facility faced these questions when they determined their setup would require a gas mixing platform capable of blending several combustible gases with precision and programmability.

Dieses System müsste:

• Liefern Sie kontinuierlich zeitabhängige Kompositionen während transienter Läufe.
• Berücksichtigung einzigartiger Kombinationen aus Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Methan
• Strenge Ratenkontrolle aufrechterhalten, auch wenn sich Gesamtdurchfluss, Druck und nachgeschaltete Prozesse geändert haben
• Integration in eine bereits vorhandene Laborumgebung mit minimalem manuellem Aufwand und minimalen Ausfallzeiten zwischen den Tests

Optionen

Bei der Prüfung der Optionen evaluierte das Ingenieurteam mehrere Ansätze:

Vormischzylinder

• Vormischzylinder sind einfach einzusetzen und bieten bekannte feste Mischungsverhältnisse, schränken jedoch die Flexibilität ein. Jede Änderung der Testbedingungen erfordert einen Austausch. Stehende Zylinder können Platz beanspruchen, erfordern spezielle Entsorgungsverfahren und bergen in einigen Fällen das Risiko einer Gasstratifizierung im Laufe der Zeit.

Manuelle Mischpulte

• Manuelle Mischpaneele basieren auf Nadelventilen, Rotameter und Bedienereinstellungen zur Festlegung der Durchflussverhältnisse. Sie können akzeptable feste Mischungen erzeugen, in der Regel zu geringeren Kosten, bieten jedoch keine Regelung, digitale Rückmeldung oder aktive Korrektur, wenn sich die Bedingungen nachgeschaltet ändern. Um eine nachvollziehbare Genauigkeit über lange Testsequenzen hinweg aufrechtzuerhalten, wären häufige Neuanpassungen erforderlich, was den Betrieb verlangsamen würde.

Statische Gasmischer

• Einfache elektronische Mischer reduzieren den manuellen Arbeitsaufwand, sind jedoch wie Zylinder nur begrenzt flexibel. Mischer mit festem Mischungsverhältnis können unerwartete Änderungen in der Zusammensetzung nicht berücksichtigen, verfügen oft über weniger Kanäle und erfordern in einigen Systemen ein separates Werkzeug für die Neukalibrierung des Gases.

Keine dieser Optionen erfüllte vollständig die kombinierten Anforderungen der Anlage hinsichtlich Präzision, Flexibilität, schneller Neukonfiguration und Integration in einen bestehenden automatisierten Prüfstand.

Auswahl

 

Um die Anforderungen der Anlage hinsichtlich Präzision, Programmierbarkeit und Flexibilität bei mehreren Gasen zu erfüllen, entschied sich das Team für einen Alicat.^® Wissenschaftlich FusionFlow™ MXM-Gasmischer. Das MXM ermöglichte eine Regelung über bis zu 10 unabhängige Kanäle und sorgte gleichzeitig für eine kontinuierliche Korrektur des Durchflusses, um die Sollzusammensetzungen aufrechtzuerhalten. Das MXM war aufgrund seiner zahlreichen Funktionen eine attraktive Option, die es dem Team ermöglichte, ausgedehnte Testsitzungen mit Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchzuführen.

Geschlossene Mehrkanalregelung

The MXM provides closed-loop control across all gas channels, using integrated Alicat mass flow controllers to maintain tight ratio accuracy during dynamic test profiles. Because each channel is regulated independently and corrected in real time, the system held mixture compositions even as total flow demand shifted. With precision down to ±0.6% of the targeted mix percentage and support for flows spanning 0 – 20 SCCM up to 0 – 120,000 SLPM (depending on configuration), the MXM offered the stability required for sensitive propulsion testing.

Programmierbare Alarme und Sicherheitsverhalten

Mit dem MXM konnte das Team Schrittänderungen, Rampen und zeitgesteuerte Übergänge zwischen Gemischen programmieren, was reibungslose Kompositionswechsel während komplexer Testsequenzen ermöglichte. Mit integrierten Planungstools konnten die Forscher vollständige Testprofile vordefinieren und Verhältnisse automatisch ändern, während der kontinuierliche Durchfluss aufrechterhalten wurde. UEL- und LEL-Sicherheitsfunktionen und Alarme stellten einen reibungslosen Ablauf jedes Tests sicher und schalteten das Gerät automatisch ab, wenn die festgelegten Grenzwerte überschritten wurden.

Praktische Einrichtung

Das MXM ließ sich mit minimalem Aufwand nahtlos in die bestehende Laborausstattung integrieren. Die Forscher konfigurierten es so, dass es ein Ballastvolumen vor dem Prüfstand speiste und so das Druckverhalten während transienter Verbrennungszyklen glättete. Ein alternativer Formfaktor für die Rackmontage ermöglichte eine einfache Neupositionierung, wenn die Experimente zwischen den Stationen wechselten. Sowohl der integrierte Touchscreen als auch die browserbasierten Steuerelemente vereinfachten den täglichen Gebrauch, sodass die Ingenieure Mischungen anpassen oder die Leistung überprüfen konnten, ohne einen Lauf zu unterbrechen.

Einrichtungstipps

Zu überprüfende Funktionen der Mixer-Einstellungen:

1. Stellen Sie den Gasmischer so ein, dass er den Druck regelt, während Sie den Massenstrom in ein Ballastvolumen messen, um eine reibungslose Regelung zu gewährleisten.
2. Verwenden Sie hochwertige Schläuche, die für alle Gasarten geeignet sind.
3. Verringern Sie die Gefahr eines Rückflusses, indem Sie sicherstellen, dass alle Versorgungsgase am Mischer einen ähnlichen Druck haben.
4. Überprüfen Sie die Verträglichkeit reaktiver oder korrosiver Gase mit dem Hersteller des Mischers. Das Datenblatt sollte alle Standardmaterialien aufführen und angeben, ob Sonderanfertigungen verfügbar sind.
5. Für iterative Tests oder um die Verbrennungsmischung während eines Tests dynamisch zu verändern, verwenden Sie einen Mixer mit dynamischer Skriptfunktion.

Ergebnisse

Mit dem MXM-System erhielt das Antriebsteam eine stabile, wiederholbare Plattform für die Gasmischung, die den Anforderungen ihrer Testverfahren gerecht wurde. Der Mischer lieferte während lang andauernder Zündungen konsistente Zusammensetzungen, bewältigte schnelle Verhältnisänderungen während transienter Läufe und protokollierte das Mischungsverhalten für spätere Analysen.

Da das MXM über einen großen Dynamikbereich betrieben werden kann, unterstützt dasselbe System mehrere Testarten – von Zündungsstudien mit geringem Durchfluss bis hin zu Verbrennungsexperimenten mit höherem Durchfluss. Ähnliche MXM-Konfigurationen werden bereits für Kaltgasantriebe, die Kartierung von Zweistofftreibstoffen, die Entwicklung von Hybridraketen und Studien zur Verbrennungseffizienz in staatlichen und akademischen Labors eingesetzt. Alicat Scientific Instruments sind im gesamten Luft- und Raumfahrtsektor als vertrauenswürdig anerkannt für missionskritische Tests und Kontrollen.

Die Zukunft der Luft- und Raumfahrtforschung hängt von Instrumenten ab, die sich durch hervorragende Konnektivität, Genauigkeit und reaktionsschnelle Steuerung auszeichnen und den Forschern im Bereich Raketenantriebe das Vertrauen geben, innovativ zu sein, ohne Kompromisse bei der Präzision eingehen zu müssen.