Nestepolttoaineella toimivan rakettimoottorin rakenteellinen analyysi

Abstract

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli analysoida nestepolttoaineella toimivan rakettimoottorin rakenteellisia kuormituksia ja arvioida simulointimenetelmän luotettavuutta verrattuna aiempaan tutkimukseen. Työn alkuosassa esiteltiin rakettimoottorin rakenne, toiminta, yleisimmät polttoaineet ja jäähdytysratkaisut sekä moottoriin liittyvät kuormitukset. Työssä keskityttiin palokammioon, jossa tapahtuvat suurimmat lämpö- ja painekuormitukset. Työn loppuosassa suoritettiin Case-esimerkki tällaisen moottorin simuloinnista.

Simulointi toteutettiin käyttäen COMSOL Multiphysics -ohjelmistoa, jossa suoritettiin yksinkertaistettu mallinnus regeneratiivisesti jäähdytetystä vety-fluori -rakettimoottorista erään NASA:n teknisen dokumentin pohjalta. Rakenteeseen kohdistuvat paine- ja lämpökuormat saatiin mittausdatasta, ja mallinnus tehtiin kuorielementein.

Tuloksina saatiin jännitys- ja lämpötilajakaumat eri osille palokammiota. Mallin luotettavuus arvioitiin hyväksi staattisten kuormitusten osalta, mutta virtausmekaanisten mallinnuksien puuttuminen nähtiin kehityskohteena mallille. Lisäksi huomattiin, että rakennemateriaaleja vietiin myötämisen äärirajoille.

Tämä työ osoittaa, että elementtimenetelmä tarjoaa luotettavan tavan rakettimoottorin rakenteellisen käyttäytymisen mallintamiseen, kun kuormitukset on määritelty huolellisesti. Tuloksia voidaan hyödyntää rakettimoottorien suunnittelun tukena.