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Hot water rockets - Thrust curve analysis and application as an affordable sounding rocket for universities

Lippmann, Robert

The TU Berlin has a long history of Hot Water Rocketry, the current system employing this technology is called Decan Aquarius. This thesis describes an affordable and very safe to operate Hot Water Sounding Rocket for teaching and research purposes. The proposed launch vehicle is based on the Decan Aquarius engine and is able to reach altitudes of some hundred meters up to one kilometer. A literature research revealed that the necessary information for building such a system was not available in detail. Usually, the development of any rocket propulsion system entails extensive testing activities in order to asses the characteristic performance of the engine. Additionally, the influence of key parameters, such as the nozzle geometry, on the performance of the motor is of great interest in order to create the most efficient system as possible. To be able to design and operate a Hot Water Rocket system using the minimum of resources, this thesis aims on researching the proposed engine and its properties through systematic testing. The results of those tests will be used to create a set of design rules and calculations which enables a straight forward and easy system performance assessment without having to conduct any test bench tests. To determine the performance of the engine, six conic nozzles were measured using the Decan Aquarius motor, installed in the corresponding test bench. Furthermore, a flight vehicle was built and launched. The nozzles featured different surface area ratios and throat diameters, to determine the influence of these characteristics on the thrust profiles and the engine performance. The efficiencies, mean thrusts, thrust profiles, motor run time and thrust peaks of the nozzle were calculated from the test campaign results and are provided in this document. Additionally, design rules concerning the aforementioned engine properties were derived and are also available in this thesis. Assumed their application boundaries are respected, those design rules and dimensioning formulas enable one to calculate significant information of a Hot Water Rocket engine during the development process. This makes expensive, time-consuming and labor-intensive test bench measurements unnecessary which leads to a reduction in development costs and effort. Additionally, the rocket Decan Aquarius was built in the frame of this thesis. After the design and test process of the vessel and the dedicated release GSE was finished, a launch campaign was conducted. At the launch site, the GSE and the rocket could be set up successfully and a nominal heating of the rocket followed. Also, the release of the vessel and the launch were conducted as planned and the Decan Aquarius showed a stable flight. Through this launch, in flight data could be gained. Furthermore, trajectory simulations were executed using the professional simulation tool Astos. The maximal achievable heights for each nozzle were identified. These simulations were validated using the actual in flight data. Calculation rules for the maximal achievable height were formulated. This further enables to determine the final height of such a Hot Water Sounding Rocket during the development process. The presented investigation of the performance parameter and the stated design rules and functions resemble a contribution to the research of the Hot Water Rocket technology and fill a knowledge gap. Additionally, they simplify the design process of such a Hot Water Rocket.
Die TU Berlin kann auf eine lange Geschichte der Heißwasserraketentechnik zurückblicken, das aktuelle System, welches diese Technologie einsetzt, heißt Decan Aquarius. Diese Arbeit beschreibt eine kosteneffiziente und sehr sichere Heißwasserhöhenrakete für Ausbildungs- und Forschungszwecke. Die vorgestellte Rakete basiert auf dem Decan Aquarius Motor und kann Höhen von einigen hundert Metern bis einen Kilometer erreichen. Eine Literaturrecherche offenbarte, dass die notwendigen Informationen, um so ein System zu bauen, nur begrenzt zur Verfügung standen. Üblicherweise zieht die Entwicklung eines Raketenantriebssystems aufwändige Testaktivitäten nach sich, um die Leistungsparameter des Motors zu bestimmen. Weiterhin ist der Einfluss von Schlüsselparametern, wie zum Beispiel die Geometrie der Düse auf die Leistung des Motors, von großem Interesse, um ein möglichst effizientes System zu kreieren. Diese Arbeit hat es sich zum Ziel gesetzt, den vorgestellten Motor und dessen Leistungsparameter systematisch zu untersuchen, um ein Heißwasserraketensystem mit dem Minimum an Ressourcen designen und betreiben zu können. Die Ergebnisse dieser Tests werden genutzt, um ein System an Designregeln und Berechnungsformeln zu erzeugen. Diese ermöglichen eine unkomplizierte und einfache Systemleitungsfähigkeitsbestimmung, ohne Teststandtests durchführen zu müssen. Zur Ermittlung der Leitungsfähigkeit des Motors wurden sechs Kegeldüsen unter Nutzung des Decan Aquarius Motors im Teststand vermessen. Weiterhin wurde eine Rakete gebaut und gestartet. Die Düsen verfügten über verschiedene Flächenverhältnisse und Düsenhalsdurchmesser, um in Erfahrung zu bringen, wie diese Charakteristiken die Schubprofile und Leistungsfähigkeit des Motors beeinflussen. Die Effizienzen, die mittleren Schübe, die Schubprofile, die Motorlaufzeiten und die Schubspitzen wurden aus den Daten der Testkampagne berechnet und sind in diesem Dokument bereitgestellt. Zusätzlich konnten Auslegungsregeln der vorher genannten Motorparameter abgeleitet werden, welche ebenfalls in dieser Arbeit zur Verfügung stehen. Diese Auslegungsregeln und Dimensionierungsformeln ermöglichen es, wesentliche Informationen eines Heißwassermotors während des Entwicklungsprozesses zu berechnen, vorausgesetzt, die Anwendungsgrenzen werden eingehalten. Das macht kosten-, zeit- und arbeitsintensive Schubmessungen unnötig, was zu einer Reduzierung der Entwicklungkosten und des Entwicklungsaufwandes führt. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit die Decan Aquarius Rakete gebaut. Nachdem der Entwicklungs- und Testprozess des Flugkörpers und des GSE beendet war, wurde eine Startkampagne durchgeführt. Das GSE und die Rakete konnten am Startplatz erfolgreich aufgebaut werden und ein ordnungsgemäßer Heizprozess folgte. Die Freigabe und der Start erfolgten ebenso wie geplant und die Dean Aquarius zeigte ein stabiles Flugverhalten. Durch diesen Start konnten im Flug gemessene Daten gewonnen werden. Außerdem wurden Aufstiegsbahnsimulationen mit dem professionellen Tool Astos durchgeführt. Die maximal erreichbaren Höhen für jede Düse wurden identifiziert. Diese Simulationen wurden durch die im Flug gewonnenen Daten validiert. Es wurden Berechnungsregeln für die maximal zu erreichende Höhe formuliert. Dies ermöglicht, die finale Höhe einer solchen Heißwasserhöhenrakete während des Entwicklungsprozesses zu ermitteln. Die vorliegende Ermittlung der Leistungsparameter und die genannten Auslegungsregeln und -funktionen stellen einen Beitrag zur Erforschung der Heißwasserraketentechnologie dar und füllen eine Wissenslücke. Zusätzlich vereinfachen sie den Entwicklungsprozess einer solchen Heißwasserrakete.