Untersuchungen zu Phasenwechselvorgängen von Methan und Wasserstoff bei variablen Beschleunigungen in Bezug auf zukünftige Raumfahrzeuge - Kavitation und Sieden von Methan und Wasserstoff (KASIMOFF 2)

Abstract

Das Ziel des Vorhabens war es, die Phasenwechselprozesse in kryogenen Fluiden in einer für die Raumfahrt relevanten Umgebung zu untersuchen. Die Verdampfung einer Flüssigkeit kann entweder durch das Anheben der Temperatur über die Sättigungstemperatur (Sieden) oder durch das Absenken des Drucks unter den Sättigungsdruck (Kavitation) realisiert werden. Die Mechanismen des Energietransports unterscheiden sich bei den beiden Prozessen.

Es wurde basierend auf den Erfahrungen der Wasserstoff-Fallturmexperimente aus dem Vorhaben KASIMOFF 1 eine umfangreiche Modifikation des Versuchsaufbaus ausgeführt, um individuelle Wasserstoffdampfblasen untersuchen zu können. Es wurde die Auswertung der Daten aus dem Vorhaben KASIMOFF 1 fortgeführt. Es wurden Bodentests für Druckabsenkungs- und Siedeversuche mit Wasserstoff durchgeführt. Es wurden zum selben Thema Fallturmversuche durchgeführt und ausgewertet. Die Machbarkeitsstudie eines suborbitalen Raketenexperiments mit flüssigem Wasserstoff wurde unterstützt.

Die Arbeiten wurden in der Fachzeitschrift Cryogenics veröffentlicht (Depressurization induced vapor bubble growth in liquid methane during microgravity, Weber, N. H. und Dreyer, M. E., Cryogenics 134 (2023), p. 103716. doi:10.1016/j.cryogenics.2023.103716. Die Arbeit wurde mit dem Cryogenics Best Paper Award 2023 ausgezeichnet. Die Arbeit von Herrn Dr.-Ing. Niklas H. Weber wurde als Dissertation "Methane Vapor Bubble Growth due to Depressurization and Boiling" von der Universität Bremen 2024 akzeptiert und veröffentlicht: doi.org/10.26092/elib/3793

The aim of the project was the investigation of phase change phenomena of cryogenic fluids at a relevant environment for spacecraft. The evaporation of a liquid may be caused by the elevation of the temperature above the saturation temperature, or by the decrease of the pressure below the saturation pressure. The energy transport from the liquid into the vapor is different in both processes.

Based on previous drop tower experiments with hydrogen in the KASIMOFF 1 project, the hardware was modified in order to create single hydrogen bubbles. The evaluation of the data from KASIMOFF 1 was continued. Ground tests with hydrogen for depressurization and boiling were performed. Drop tower test were performed with the same purpose. A feasibility study for a suborbital rocket experiment with liquid hydrogen was supported.

The work was published in the journal Cryogenics (Depressurization induced vapor bubble growth in liquid methane during microgravity, Weber, N. H. und Dreyer, M. E., Cryogenics 134 (2023), p. 103716. doi:10.1016/j.cryogenics.2023.103716). The paper was awarded with the Cryogenics Best Paper Award 2023. The work of Dr. Niklas Weber was accepted as a dissertation “Methane Vapor Bubble Growth due to Depressurization and Boiling” from the university of Bremen, 2024: doi.org/10.26092/elib/3793