Modellierung der akustischen Wellenausbreitung in Raketenschubkammern unter Verwendung nichtlinearer Störungsgleichungen

Trotz intensiver Forschung stellen Verbrennungsinstabilitäten nach wie vor ein schwer einschätzbares Risko für die Entwicklung chemischer Raketenantriebssysteme dar. Um diesem Problem zu begegnen, ist man bestrebt, die wellendynamischen Vorgänge innerhalb einer Raketenbrennkammer theoretisch zu beschreiben und schließlich zu berechnen. Dazu wurde in der Vergangenheit vor allem auf lineare Modellgleichungen zurückgegriffen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird jedoch ein Ansatz auf Basis nichtlinearer Störungsgleichungen vorgestellt. Zur Lösung der Gleichungen wird dabei ein numerisches Zeitbereichsverfahren hoher Ordnung verwendet. Die Berücksichtigung komplexer Teilaspekte, wie Verbrennungseinfluss und akustische Dissipation, erfolgt durch spezielle Modellierungsansätze. Wie anhand unterschiedlicher Validierungsfälle gezeigt werden kann ist das Verfahren grundsätzlich in der Lage, die Ausbreitung akustischer Wellen innerhalb einer Raketenschubkammer auch quantitativ richtig zu beschreiben. Durch die Verwendung nichtlinearer Störungsgleichungen kann die Methode auch in gradientenbehafteten Strömungsfeldern stabil eingesetzt werden. Darüber hinaus ist der verwendete Ansatz auch im Bereich erhöhter Schwingungsamplituden gültig. Letzteres ist vor allem im Anwendungsbereich chemischer Raketenantriebssysteme von Bedeutung, da das Auftreten instabiler Verbrennungsvorgänge hier meist mit großen Störungsamplituden verbunden ist.