de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Tomsker Polytechnischen Universität (TPU) und des Nationalen Forschungsinstituts für Technologie „MISIS" (MISiS) haben gemeinsam ein mathematisches Modell entwickelt, das den Zündprozess von hypergolen Brennstoffen beschreibt. Das Modell umfasst die wichtigsten physikalisch-chemischen Eigenschaften hypergoler Brennstoffe sowie deren Einfluss auf Temperatur- und Konzentrationsfelder unter instationären Zündbedingungen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Modell das Verhalten hypergoler Brennstoffe mit zufriedenstellender Genauigkeit vorhersagen kann. Die Studie wurde von der Russischen Wissenschaftsstiftung (Projekt Nr. 25-29-00637) gefördert; die entsprechenden Ergebnisse wurden in der Zeitschrift FirePhysChem (Q1-Bereich, Impact Factor 5,1) veröffentlicht.
Ein hypergoles Brennstoffsystem besteht aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, die bei Kontakt spontan und ohne zusätzliche Erwärmung oder externe Auslösung reagieren. Solche Brennstoffsysteme können in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden, beispielsweise in Notstartsystemen. Obwohl es derzeit mehrere Modelle gibt, die versuchen, den „Auslösemechanismus" hypergoler Brennstoffe zu beschreiben, können sie die kritischen Parameter beim Erreichen der Zündgrenzbedingungen – wie Temperatur, Verdampfungsrate und Dampfdiffusionsrate – nicht zuverlässig vorhersagen.
Wissenschaftler der Tomsker Polytechnischen Universität haben gemeinsam mit Kooperationspartnern das oben genannte mathematische Modell entwickelt und anhand experimenteller Daten validiert. In den Experimenten wurde eine Kombination aus Tetramethylethylendiamin (TMEDA) als Brennstoff (angereichert mit 5 Massenprozent Siliciumdioxid) und hochkonzentrierter Salpetersäure als Oxidationsmittel verwendet. Die Experimente wurden bei Anfangstemperaturen der Komponenten von 10 bis 30 Grad Celsius und Tröpfchengrößen von 1 bis 3 Millimetern durchgeführt; dabei wurden die Zündverzögerungszeit und die Temperatur in der Verbrennungszone aufgezeichnet. Die Studie zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen dem Berechnungsmodell und den experimentellen Ergebnissen: Bei Änderung der anfänglichen Tröpfchengröße beträgt die Abweichung zwischen berechneter und experimenteller Zündverzögerungszeit nicht mehr als 15 %; bei Änderung der Anfangstemperatur der Komponenten beträgt die Abweichung nicht mehr als 10 %.
Das Modell berücksichtigt umfassend den Wärmeaustausch zwischen den Systemkomponenten, Phasenübergänge, Dampfdiffusion sowie chemische Reaktionen in der kondensierten und der Gasphase. Im Rahmen der Studie wurden mithilfe der Technologie der Tomsker Polytechnischen Universität die Temperatur- und Konzentrationsfelder in Echtzeit erfasst und deren Zusammenhänge ermittelt. Eine der Autorinnen der Studie, Olga Vysokomornaya, außerordentliche Professorin an der Fakultät für Physik hochenergetischer Prozesse der TPU, wies darauf hin, dass dieses mathematische Modell dazu beiträgt, das Verhalten hypergoler Brennstoffsysteme unter praxisnahen Bedingungen genauer vorherzusagen.
Die Studie deckte einige wichtige Gesetzmäßigkeiten auf. So steigt beispielsweise die Verdampfungsrate mit zunehmender anfänglicher Größe der wechselwirkenden Partikel exponentiell an; gleichzeitig existiert eine kritische Anfangsgröße von etwa 3 Millimetern, oberhalb derer die Zündverzögerungszeit nahezu konstant bleibt. Olga Vysokomornaya erklärte, dass der mathematische Rahmen die physikalisch-chemischen Prozesse zum Zeitpunkt der Zündung des Brennstoffs in der kondensierten und der Gasphase vollständig berücksichtigt und dass eine höhere Berechnungsgenauigkeit für die praktische Anwendung hypergoler Brennstoffsysteme von entscheidender Bedeutung ist. In Zukunft könnte diese Technologie die Grundlage für die Entwicklung sichererer und kontrollierbarerer hypergoler Brennstoffsysteme bilden. An der Studie beteiligte Forscher stammen vom Labor für Wärme- und Stoffübertragung der Tomsker Polytechnischen Universität und vom Nationalen Forschungsinstitut für Technologie „MISIS".
