FAR Aktivitäten Motortest März 2009  · 

Test eines O Motors

Am 14. März 2009 wurde ein Feststoffmotor der Klasse O in einer Standschubmessung getestet

Zusammenfassung

Am Samstag, den 14. März 2009 trafen sich ab 10 Uhr bei überwiegend sonnigem, und für die Jahreszeit recht mildem Wetter mehrere Mitglieder und Freunde der FAR, z.T. auch aus anderen Raketenvereinen, auf einem Testgelände in der Nähe von Manching (Bayern). Dort wurde ein von der FAR konstruierter Feststoffmotor der Klasse O (Klasse O bedeutet ein Gesamtimpuls zwischen 20 kNs und 41 kNs) in einem Standschubmeßverfahren mit einer für diesen Zweck speziell entwickelten Meßapparatur getestet.
Der erfolgreich verlaufene Test ergab, daß der Motor einen Geamtimpuls von über 30 kNs hatte und sehr gleichmäßig und sicher arbeitete. Dieser leistungsstarke Antrieb ist ein weiterer Meilenstein auf unserem Weg in den Weltraum.

Abb. 1: Prüfstand
Gut zu erkennen ist das Motorengehäuse aus Edelstahl, das die Treibstoffblöcke (sog. Grains [engl.] ) enthält. Die Düse befindet sich am oberen Ende, so daß der Abgasstrahl auch nach oben ausströmt. Unterhalb des Motors sind Komponenten zur Messung der Schubkraft und des Meßverstärkers zu sehen.
Abbildung Verrößert

Abb. 2: Oliver Seltmann mit Prüfstand und Meßelektronik
Da die empfindliche Elektronik während des Abbrandversuchs sich in unmittelbarer Nähe des Motors befindet, ist sie zum Schutz in einem zusätzlichen Holzkasten untergebracht. Der Motor befindet sich auf der abgewandten Seite des senkrecht stehenden Schutzbretts. Im Hintergrund sind einige Kollegen zu sehen, die gerade die während des Tests automatisch arbeitenden Kameras einrichten.

Durchführung des Experiments

Nachdem mehrere Videokameras aufgestellt waren, erfolgte um 12:40 Uhr das elektrische Anzünden aus über hundert Metern Abstand. Nach einer gewissen Zündverzögerung setzte schlagartig Vollschub ein. Ohne Störung endete der Abbrand nach 3,7 Sekunden, gefolgt von der flammenlosen Rauchladung, die noch ca. 20s weiterbrannte.
Mit Hilfe eines selbst konstruierten elektronischen Meßgerätes konnte die Schubkurve gemessen und daraus die übrigen Leistungsdaten berechnet werden. Die Umgebungstemperatur betrug 14,8 °C.

Abb. 4: Aufnahme des Motors während des Abbrandes
Gut erkennbar ist die imposante Flamme des verbrennenden Alucandys , die fast doppelt so lang ist wie der Motor selber. Diese Aufnahme entstand mit Hilfe einer automatischen Kamera. Die Zuschauer befanden sich während des Tests alle in einem Unterstand auf der abgewandten Seite in sicherer Entfernung.

Abb. 5: Rauch nach Ende der Schubphase
Nachdem die Treibladung ausgebrannt war, kam die Rauchladung zum Einsatz, die für ca. 20s noch einen gut sichtbaren Rauch produzierte. Bei einem Raketenflug wäre dies dann in der antriebslosen Flugphase der Fall und der Rauch dient dabei dazu, die Flugbahn der Rakete am Himmel besser verfolgen zu können.

Erste Eindrücke und Ergebnisse vor Ort

Die Außenhülle des Motors wies nach dem Abbrand keine erkennbaren Veränderungen, Verfärbungen, usw., auf. Auch die Düse war intakt. Die elektronische Schubaufzeichnung hatte wieder hervorragend geklappt. Die Schubkurve zeigte einen selbst für Bates-Grains überraschend flachen Verlauf. Der gemessene Gesamtimpuls betrug 30 842 Ns, der näherungsweise ermittelte maximale Brennkammerdruck 70 bar. Die dazugehörige Kurve des Brennkammerdrucks ist in Abb. 12 zu sehen.
Der mittlere spezifische Impuls war mit 170s etwas niedriger als ursprünglich geplant, doch wurde aus Gründen der Sicherheit darauf verzichtet, die maximale Klemmung von 340 auf 380 zu erhöhen, bei letzterer ist in früheren Abbrandversuchen ein spezifischer Impuls von 180s mit den kleineren L-und M-Motoren gemessen worden.
Der maximale Schub lag nach einer ersten Auswertung der Meßergebnisse bei 11kN (d.h. >1,1 Tonnen!) und die Dauer des Schubes (ohne die antriebslose Rauchladung) bei ca. 3,5 Sekunden.

Abb. 6: Prüfstand nach dem Test
Der Düse entströmen noch die letzten Rauchschwaden, da werden schon die Meßdaten gesichert um sie per Computersoftware auszuwerten. Wie auch auf dieser Abbildung zu erkennen ist, wies das Stahlrohr kaum hitzebedingte Verfärbungen auf. Dies läßt auf eine gute Isolierung im Inneren des Motors schließen und ist einer der Vorteile des verwendeten Röhrenbrenners.

Abb 7: Abbau des Motors
Im Hintergrund sind die Unterstände zu sehen, in denen wir uns zu unserem Schutz während des Abbrandes aufgehalten haben. Der Motor wurde per kabelgestützter Fernbedienung gestartet.

Abb. 8: Düse nach dem Abbrand
Die Düse war, wie bereits im Text erwähnt, außerordentlich gut erhalten und brauchte nur etwas Reinigung, um erneut verwendet werden zu können. Auch ihre Einfassung ist frei von Rissen o.ä. Dies bestätigte sich auch nach dem späteren Auseinanderbau der Einzelteile.

Weitere Untersuchungen nach Rückkehr nach Hause

Wieder zu Hause wurden dann Verschluß und Düse demontiert und untersucht. Der konvergente Teil der Düse wies einen ca. 1-2mm dicken, rußartigen, lockeren Belag auf und darunter eine dünne Schicht (0,5-1mm), vermutlich Aluminiumoxid, die sich mittels Schleifpapier entfernen ließ. Diese dünne Schicht reichte bis in den Düsenhals, der dadurch von 36 auf 35mm verengt war. Der divergente Teil der Düse zeigte eine rauhe Oberfläche, die sich ebenfalls mit Schleifpapier glätten läßt.
Die Düse ist aber ohne weiteres wiederverwendbar, sie wurde allerdings prophylaktisch vor erneuter Verwendung in der Drehmaschine zu einer makellosen Oberfläche geglättet. Aufgrund des Auflagerings mußte der Divergenzwinkel von 30° auf 26° und der Düsenenddurchmesser auf 76mm reduziert werden. Da sich nach dem Abbrand an der Graphit-O-Ringnut keine Beschädigung gezeigt hatte, würde sich anbieten, eine künftige Düse nur aus Graphit anzufertigen und auf einen kurzen Auflagering aus Edelstahl mit keilförmigem Querschnitt zu stellen, der einen inneren Enddurchmesser von 106mm haben könnte. Das Entspannungsverhältnis könnte sich nach Berechnungen dadurch so verbessern, daß bis zu 5% mehr Leistung zu erwarten wären, was wiederum den spezifischen Impuls bis auf 178s steigerte, ohne die weiter oben erwähnte innere Klemmung erhöhen zu müssen.

Abb. 9: Kopfende des Motors
Gut zu sehen sind hier die zahlreichen Schrauben, mit denen der Deckel des Motors befestigt ist. Die Düse befindet sich am anderen, hier nicht sichtbaren, Ende.

Vorteile des Candymotors

Als Treibstoff kam, wie schon in zahlreichen anderen Motoren, so auch denen, die die Argunas antreiben, sog. Alucandy zum Einsatz. Die jahrzehntelange Erfahrung mit Candy-Treibstoffen zeigt, daß sie sich hervorragend zum Antrieb von Amateurraketen eignen, vor allem weil sie einen niedrigen Druckexponenten (ca. 0,3) aufweisen, was das Risiko eines Motorplatzers stark vermindert. Candytreibstoffe ohne Aluminiumzusatz erreichen zwar 150% des spezifischen Impulses von Schwarzpulver, aber nur etwa 60% der von Ammoniumperchlorat-Treibmassen . Um die Leistung zu steigern, wurde Aluminiumpulver hinzugefügt. Unsere umfangreichen Versuche haben dabei gezeigt, daß der von uns verwendete, und von einem unserer Mitlieder patentierte, Alucandy nicht zur Selbstentzündung neigt (wie gemeinhin für Nitrat/Aluminiumpulver angenommen), sondern vielmehr außergewöhnlich unempfindlich ist.
Amateure haben meistens wenig Geld und unzureichende technische Ausrüstung um ihre Ideen und Wünsche in die Tat umzusetzen. Dies gilt natürlich auch für die Herstellung größerer Raketenmotoren. Man braucht nur in die USA zu schauen, was dort M-,N- und O-Motoren kosten, das geht in den 3- und 4-stelligen Dollarbereich. Wenn man aber, wie in unserem Fall, einen Treibstoff aus sehr preiswerten Chemikalien zur Verfügung hat und geeignete (Edelstahl)rohre kostengünstig erwerben kann, geht es auch billiger. Dann kann es sein, daß das Pertinaxrohr zur Isolierung der Motorwand teurer ist als der eingesetzte Treibstoff.

Apparatur zur Messung der Schubkraft

Abb. 10: Detailansicht der Meßmimik zur Aufnahme der Schubdaten
Während der Motor durch einen Ring in Position gehalten wird, steht er auf einer Druckplatte unter der sich eine Kraftmeßdose befindet (im Bild nicht sichtbar). An deren Innenseite sind Dehnungsmeßstreifen befestigt, über die die Kraft in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das dann von der Meßelektronik erfasst und gespeichert wird. Somit lassen sich die Daten später bequem mit Oliver Seltmanns Programm Datenlogger-Control auswerten.

Während die Schubmessung des N-Motors noch mit einem mechanischen Federzuggerät erfolgte, stand für die beiden O-Motortests bereits der von Oliver Seltmann entwickelte Datenlogger mit dazugehörigem Auswertungsprogramm zur Verfügung. Letzteres ermöglicht eine visuelle Darstellung der Ergebnisse mit einer eindrucksvollen Fülle an Wahlmöglichkeiten, womit die zuvor aufgenommenen Daten sehr detailliert ausgewertet werden können.
Mit dem Datenlogger können dabei bis zu vier analoge Messsignale gleichzeitig aufgenommen werden. Die maximale Datenrate von ca. 8000 Messungen pro Sekunde verteilt sich auf die aktiven Kanäle. Bei der Vermessung des O-Motors wurde die Schubkraft nur über einen Kanal mit 2000 Meßwerten pro Sekunde aufgezeichnet.
Die Software zum Auswerten der Daten ermittelt aus dem Rohsignal den eigentlichen Schubverlauf. Bei der gegebenen Meßanordnung (das Eigengewicht des Motors und der Schub sind im Meßsignal überlagert) wird der Masseverlauf während des Abbrands ermittelt und der Anteil durch das Eigengewicht des Motors aus dem Meßsignal herausgerechnet. Damit erhält man den tatsächlichen Schubverlauf. Durch Eingabe des Schubkoeffizienten oder der charakteristischen Geschwindigkeit des verwendeten Treibstoffs kann das Programm auch den Brennkammerdruck näherungsweise berechnen.

Abb. 11: Meßkurve der Schubkraft
Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden nach dem Start und auf der Ordinate die Schubkraft in kN aufgetragen. Es zeigt sich, daß die Kurve über den größten Teil der Messung recht gleichmäßig verläuft. Dies wäre mit der Architektur eines reinen Röhrenbrenners nicht zu erreichen, da sich dann während des Abbrandes der Durchmesser des zentralen Kanals und damit auch die Abbrandfläche ständig vergrößern würde. Dies führte dann zu einer unerwünschten exponentiell ansteigenden Beschleunigung, da gleichzeitig die Masse der Rakete durch den Verbrauch des Treibstoffs abnimmt. In unserem Fall verwendeten wir aber sog. Bates-Grains, bei denen die einzelnen Grains auch an den Stirnseiten brennen. Auf diese Weise verkürzen sich die Grains während des Abbrands, wodurch die größer werdende Fläche der Röhre kompensiert wird.

Abb. 12: Druckkurve
Diese Kurve beschreibt den Brennkammerdruck während des Abbrandes. Der Druck wird aus der Schubkraft und den Parametern des Motors berechnet.
Dabei gilt folgender Zusammenhang:

Kenndaten des getesteten O-Motors im Vergleich zu einem N-Motor aus früheren Tests

Fazit

Der Test des neu entwickelten Motors dieser hohen Leistungsklasse (Gesamtimpuls von über 30 kNs!) war ein voller Erfolg und markiert einen Durchbruch in unserer Entwicklung von Feststoffmotoren. Damit ist es möglich, auch größere und schwerere Raketen zu starten, wie etwa die geplante Arguna 4.
Die im Vergleich zu Motoren auf Basis von Ammoniumperchlorat fast identische, kurze Brenndauer (Abbrandrate bei 70 bar 9-10 mm/s) hat Vor- und Nachteile. Einerseits werden die für ungelenkte Raketen, die durch starre Flossen stabilisiert sind, benötigten hohen Startgeschwindigkeiten schnell erreicht. Jedoch haben die hohen Geschwindigkeiten den Nachteil eines größeren Luftwiderstandes (er nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu), was wiederum zu geringeren erreichbaren Gipfelhöhen führt. Um nun die Brenndauer zu verlängern kann der Durchmesser des Motors vergrößert werden, wodurch aber ebenfalls der Luftwiderstand steigt (allerdings nur linear mit der Querschnittsfläche). Es gilt also, für die angestrebte Gipfelhöhe die Masse und den Durchmesser des Treibstoffblocks, und damit auch des gesamten Motors, zu optimieren. Zu diesem Zweck sind von der FAR bereits erste Berechnungen durchgeführt worden.