Projekt SLM Raketentriebwerk

Der Sauerstoff soll von links kommend zuerst bis zum Boden des Triebwerks strömen und dann an der Brennkammerwand wieder nach oben. Da dann durch die Bohrungen in die Brennkammer...

Hallo Eibe,

wenn du den Sauerstoff unten am Düsenausgang einleitest, sparst du dir die eine Hohlwand - die ja nicht so einfach zu bauen ist, nehme ich an.
Wie stellst du sicher, dass sich der Sauerstoff gleichmäßig in dem Hohlraum verteilt, so dass überall eine gleichmäßige und ausreichende Kühlung ist ?

Frank

Hallo Patrick,

Wie ist die Fertigung des Triebwerks geplant ? Als Gussteil ?

Jein, die Fertigung soll über das selektive Laserschmelzen (SLM) geschehen, das ist ein additives Fertigungsverfahren, diese Verfahren werden oft als 3D Druck zusammengefasst.  Das funktioniert so, dass eine Schicht Pulver auf ein Substratblech aufgebracht wird und an den Stellen wo Material des Bauteils entstehen soll mit einem Laser aufgeschmolzen wird. Das Bauteil wird dann schichtweise aufgebaut, indem immer mehr Pulverschichten aufgebracht und teilweise aufgeschmolzen werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass man keine aufwändigen Formen herstellen muss und man auch im innern der Bauteile komplexe Geometrien realisieren kann, man muss nur irgendwie das Pulver wieder aus dem Bauteil bekommen. Eine weitere Limitierung ist, dass man nicht direkt im Pulver anfangen kann zu bauen, man braucht quasie immer eine Verbindung zu einer unteren festen Schicht. Aus diesem Grund habe ich bei der Konstruktion des Triebwerks versucht möglichst große Winkel der Oberflächen zur horizontalen Ebene zu erhalten. Würden diese Überhänge zu groß müsste man sie mit Stützstrukturen fertigen und die sind aus dem innern des Bauteils nur sehr schwierig wieder heraus zu bekommen.
Bei Bohrungen lassen sich Überhänge aber z.B. nicht vermeiden. In die "Anflanschbohrungen" oben am Triebwerk werde ich Stützstrukturen einbauen, die Bohrungen in der Brennkammerwand sind so klein, dass das da nicht nötig ist, da wird die Oberflächenrauheit im oberen Teil der Bohrung etwas größer sein aber sonst wird das halten hoffe ich Auch die mittlere Brennkammerwand beginnt "in der Luft", deshalb habe ich da Wände und Verrundungen, als Stützen, mit eigebaut, die den Anfang der Wand bilden. Im folgenden Bild kann man das hoffe ich erkennen:

Gruß Eibe

Hallo Frank,
das mit der zusätzlichen Wand ist eigentlich kein Problem, bei der Fertigung bedeutet das eigenlich nur zusätzliche Belichtungsfläche für den Laser und damit zusätzliche Fertigungszeit.
Über die Sauerstoffverteilung habe ich mir auch Gedanken gemacht, ich habe jetzt oben in der äußeren Wand eine "Beule" eingebaut, um den Querschnitt zu verringern, wodurch der Sauerstoff sich im oberen Ring gleichmäßig verteilen soll und dann durch den engen Querschnitt quetscht. Ob das so funktionert weiß ich auch nicht, wenn ihr bessere Ideen habt nur raus dammit.
Gruß Eibe

Echte Triebwerke haben viele Kühlkanäle anstatt eines Kühlungsrings. Das stellt sicher, dass überall genug Kühlung ankommt. Sonst kann es durch Strömungsphänomene an einigen Stellen zu wenig Kühlung geben, z.B. durch Stauung des Fluids. Kühlung ist von der Anströmgeschwindigkeit abhängig und wenn das Gas/Fluid irgendwo nur rumliegt, dann ist der Wärmeübergang zu gering.

Der Wärmeübergang ist bei einer Gaskühlung ohnehin schon deutlich kleiner als bei einer Flüssigkeit. Das Gas sollte also schnell strömen um mehr Wärme abzutransportieren. Am Hals ist der Wärmestrom am höchsten, daher wird bei Triebwerken der Kühlstrom meist da zuerst eingeleitet um durch maximale Temperaturdifferenz eine maximale Kühlung zu ermöglichen. Bei dem Entwurf oben hat das Kühl-Gas am Hals viel Platz, das ist schlecht, dann strömt es langsam und kann nicht genug Wärme abtransportieren.

Was war nochmal der Grund nicht das Methan zur Kühlung zu verwenden?

Du solltest auch an die Druckverluste im Kühlkanäle denken und alles möglichst rund konstruieren. Es gibt da so Designempfehlungen für Rohre, Krümmer etc.. Beim 3D-Druck hast du ja ohne komplette geometrische Designfreiheit.

Hallo Tobi,
das mit den einzelnen Kühlkanälen habe ich mit den Versteifungsrippen schon ein wenig versucht umzusätzen, wie kann ich aber gewährleisten, dass in jeden Kanal ungefähr der gleiche Massenstrom gelangt? Ich habe ja nur eine Versorgungsleitung für das gesamte Triebwerk.
Das mit dem Hals ist ein guter Hinweis, da werde ich nochmal was verändern. Ich habe eigentlich versucht den Querschnitt überall gleich groß zu halten aber in der Schnittdarstellung sieht das nicht so aus, vielleicht habe ich mich da irgendwo verrechnet
Den Sauerstoff wollen wir zur Kühlung verwenden, weil der einen viermal höheren Massenstrom hat.
Gruß Eibe

Massenstrom ist nicht der einzige entscheidende Punkt für eine Kühlung. Strömungsgeschwindigkeit, Wärmeübergang und Wärmekapazität sind auch wichtig.

Für Dein Bauteil schlage ich das Laserauftragschweisen vor. Das ist eine Brandneue Technologie die das Lasersintern mit fräsen verbindet. Allerdings Lasersintern ohne Pulverbett. Schau Dir mal das Video an: youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA

Hallo Kryo,
Du hast natürlich recht, die spezifische Wärmekapazität von Methan ist tatsächlich etwa drei mal so hoch wie die des Sauerstoffs, dafür aber ein Viertel der Masse und die Hälfte des Volumens-->Strömungsgeschwindigkeit. Bisher wusste ich das mit der Wärmekapazität aber noch nicht, ich dachte einfach Faktor vier wird da schon nicht zwischen sein Dass der Unterschied doch so groß ist überascht mich, man könnte doch darüber nachdenken, das Methan zum Kühlen zu nehmen...
Hallo Roba,
ich arbeite neben dem Studium im Laser Zentrum Hannover, da haben wir auch eine Laserauftragsschweißanlage. Wir beschäftigen uns da mit einkristallinem Auftragschweißen zur Regeneration von verschlissenen Turbinenschaufeln. Das Problem dabei ist, dass man bei der Formgebung doch etwas mehr eingeschränkt ist als beim SLM. Die Bauteilauflösung der Anlage aus deinem Video wäre z.B. deutlich zu grob. das Triebwerk ist zur Zeit etwa so groß wie die kleinen Rohre auf dem großen aus dem Video. Etwa 50x25mm, die Stege zwischen den Brennkammerwänden haben eine Dicke von 100µm das ginge mit dem Laserauftragschweißen soweit ich weiß nicht. Zudem ist das ein Studentenprojekt, ohne großes Budget und da ich mich mit dem SLM Prozess beschäftige und immer auf der suche nach coolen Demonstrationsobjekten bin ist das Projekt eigentlich erst entstanden. So muss ich für die Fertigung nur einige Überstunden investieren
Gruß Eibe

Das ist nicht wirklich groß. Da hast Du natürlich mit dem Pulverbett verfahren wesentlich mehr Möglichkeiten. Dann wird das aber mit dem Pulver aus den Kammern entfernen ein echtes Problem.

Hallo, schon wieder fast ein Monat rum, ich komme aber auch zu nichts
Dafür kann ich jetzt aber vermelden, dass ich mit der Produktion begonnen habe

So sieht das jetzt aus, ich musste das ganze etwas zusammenstauchen, weil ich feststellen musste, dass ich mit dem Bauraum doch begrenzter bin als erhofft.
Die Montagestellen sind auch zusammengeschrumpft, damit ich genug Platz habe um die Gewinde zu schneiden.
Morgen bin ich hoffentlich fertig, dann vielleicht mehr
Gruß Eibe

Hallo,
nach drei Tagen Arbeit war heute der Tag der Wahrheit.
Hier das Ergebnis:

Auf den ersten Blick sieht es super aus, auf den zweiten aber nichtmehr so. Oben am Kopf haben sich während des Prozesses einzelne Schichten delaminiert, wodurch die Sauerstoffleitung jetzt mit Rissen durchzogen ist :'( Das kann man an der unebenen Oberfläche erkennen. Ich muss mal sehen, ob ich das reparieren kann, ich bin da aber guter Dinge Erste Ideen sind, die porösen stellen mit Hartlot zu tränken (hab ich keine Ahnung von) oder mit Pulver zu bestreuen und nochmal mit dem Laser drüberzubraten. Mal sehen...
Kann von euch jemand was zu dem Benetzungsverhalten von Hartlot auf Edelstahl sagen?
Ich zeige morgen nochmal ein Bild mit den kaputten Stellen, dann kann man sich das besser vorstellen
Gruß Eibe

Vielleicht noch was zum Bild
Das ist das Triebwerk, so wie es aus der Baukammer gekommen ist, unten auf der Substratplatte mit Stützstrukturen fest verbunden (der Ring direkt über dem Blech). Die werden dann einfach weggesägt, in den Bohrungen oben an den Montagestellen sind auch noch Stützstrukturen, die kann man relativ einfach wegbrechen.

Hartlöten auf Edelstahl würde ich nicht empfehlen. Das hält nur statisch und keine Scherkräfte. Schon gar nicht Vibrationen. Besser ist vlt. nochmal die Fehlerstelle gut "ausgraben" und neu auftragen.

Morgen,
so hier noch ein Bild von den Rissen, sieht übel aus :'(

evtl. muss ich das ganze nochmal mit leicht veränderter Konstruktion und Prozessparametern fertigen. Da das aber fast drei Tage Fertigungszeit gebraucht hat könnten noch ein paar Wochen ins Land ziehen, bis ich da wieder freie Zeit für finde...
Gruß Eibe

Hallo McFire,
jetzt wo du die Risse kennst, meinst du immernoch dass Hartlöten nicht sinnvoll ist. Wie ist denn das Benetzungsverhalten der Schmelze, würde die in die Risse eindringen oder nur die Oberfläche benetzen?
Danke und Gruß Eibe

Nach dem Bild würde ich sagen - machs neu.
Die Risse scheinen doch bis innen durchzugehen ?
- Du kannst erreichen (unter Top Edelgasschutz) daß Dein Messing in die Ritzen eindringt. Aber es muß ja komplett ausfüllen. Wie willst Du das innen so stoppen, daß Du nicht immense Nacharbeit hast?
- Messing und Edelstahl verbinden sich nicht so perfekt wie anderer Kram. D.h. Vibrationen unter wechselnder Temperatur bringen wieder Risse.
- Und bleibt es an der Stelle (auch innen) überhaupt unter dem Schmelzpunkt von Messing?

Du könntest das Ding aber noch für strömungstechnisches Tuning verwenden. Also z.B. Rundungen, Gasführung etc. Sofern Du in der Lage bist, einen immer wieder reproduzierbaren bestimmten Gasdruck bereitzustellen, um Veränderungen/Verbesserungen auch einschätzen zu können. Da genügt dann Epoxy zum Rissefüllen 

machs neu.

ah  :'( ich habs befürchtet, eine Überarbeitung der Konstruktion hab ich jedenfalls schon angefertigt
Naja vielleicht fällt mir noch was ein. Auch wenn ich es nur als "Strömungsmodell" verwenden kann habe ich es doch schonmal weiter bearbeitet:

Ich habe die Stützstrukturen abgesägt und die Fläche für die Zündkerzendichtung plan geschliffen. Dazu sind noch Montageteile gekommen, die sind jetzt etwas kurz, da ich die schon vor ein paar Wochen gefertigt habe und zu dem Zeitpunkt das Triebwerk noch wie in Post #23 aussah .
Und noch zwei Ansichten:


Als nächstes muss ich dann die Gewinde schneiden...
Gruß Eibe
PS: Cool aussehen tut es schonmal, ich kann es kaum erwarten bis da ein Feuerstrahl rauskommt

Hallo,
ich bin diese Woche dazu gekommen an der Reparatur der Risse zu arbeiten.
Hier ein Schnappschuss der ersten Ergebnisse, ich habe zuerst die Risse sauber ausgefräst (habe ich leider kein Foto von gemacht) dann habe ich zunächst mit dem Laser ein paar Zielübungen gemacht und dann mit einem Pinsel etwas Pulver aufgetragen und geschmolzen. Die Belichtungsgeometrie ist noch ein einfaches Rechteck, wodurch der Riss nicht vollständig bedeckt ist.

In einem zweiten Schritt habe ich die Oberfläche teilweise wieder abgetragen, um dann beim nächsten Versuch die Belichtungsgeometrie weiter an den Riss anzupassen. Insesondere in der linken Ecke fehlt noch einiges an Material, aber ich bin jetzt zuversichtlich dass ich das repariert bekomme


Gruß Eibe

das sieht schon cool aus! Auf der spacepropulsion 2014 wurde übrigens Additive layer manufacturing auch als mögliche Revolution für die Raumfahrt angesehen. Man kann die Teilezahl von Triebwerken extrem verkleinern. Deine Arbeit würde sicher einige interessieren, wenn das triebwerk läuft!

Hallo Kryo,
Danke für die Blumen. Ich weiß zwar nicht was du mit der Spacepropulsion zu tun hast, aber ich erzähle gerne auch mal offline von meinem Projekt (auch oder gerade vor dem Raumcon). Aber vielleicht ist es dafür noch etwas zu früh...

wenn das triebwerk läuft!

Daran zweifelt ja wohl keiner
Zu einem richtigen Triebwerk gehört ja eigentlich auch noch eine Turbopumpe, da habe ich schon ein bischen überlegt wie ich das machen könnte, aber ich glaube ich sollte erstmal so einen Feuerstrahl erzeugen...

Hallo,
da ich gerade in einer "Beschaffungspause" stecke beschäftige ich mich gerade mit etwas was ich eigentlich später geplant hatte... Der Schubvektorsteuerung. Gehört zu einer ordenlichen Rakete natürlich auch dazu
Bisher so geplant:

An den Wellenenden sollen dann Servomotoren angebaut werden, mit denen das Triebwerk geschwenkt werden kann. Dieses ist dann oben an dem "Dreibein" befestigt.
Dazu habe ich ein paar Fragen. Denkt ihr grundsätzlich, dass die Idee mit zwei beweglichen Achsen senkrecht zueinander funktioniert, oder habe ich gedanklich etwas übersehen? Wie funktioniert z.B. die Drehung der Rakete um ihre Längsachse, durch zirkulieren des Triebwerks?

Und dann zu den Servos, da ist immer eine Verstellkraft in Kg zu angegeben, manchmal auch in Kg/cm, meinen die damit das Drehmoment in N/10/cm oder was für ein Hebelarm ist da angenommen?

Wisst ihr etwas über die Anschlussmaße der Servos, sind die Bohrungsabstände irgendwie standardisiert?
Oder die Anschlüsse an den Wellen, da habe ich jetzt schon oft Zahnräder gesehen?

Danke und Gruß Eibe

Moin moin,
ich habe mir ein paar Fragen selber beantwortet, oder bessser gesagt Conrad. Da sind z.B. Drehmomente angegeben, zwar in Kg*cm aber man weiß wenigstens was gemeint ist. Ich habe mich jetzt einfach für Servos entschieden und bestellt, ich habe sogar Maße dazu gefunden . Somit konnte ich die Bauteile vervollständigen:

Ein Problem ist noch, dass jetzt die Propanleitung durch einen Servo verläuft aber das lässt sich sicher auch noch lösen
Gruß Eibe

Hallo,
von der Schubvektorsteuerung haben sich heute ein paar Teile materialisiert, hier ein Bild der ersten Achse, von der Rakete aus gesehen:

Leider sind mir die Schrauben ausgegangen...
In die Bauteile habe ich Kugellager eingesetzt, um die Achse aufzunehmen. Leider muss ich noch drei Wochen auf die Servos warten, es dauert also noch etwas bis ich meine Konstruktion testen kann :'(
Gruß Eibe

Hättest mal den Platz um die Löcher etwas dicker geformt, dann hättest Gewinde einschneiden können und brauchtest nicht mit 'nem Winkel schraubendreher an Schlitz(!)schrauben fummeln 

Das passt sogar
Ich war allerdings im Baumarkt und da hatten sie nur diese