Vorbrenner

Ein Vorbrenner ist eine kleine Brennkammer in einem Flüssigtriebwerk, die einen Teil der Triebwerkstreibstoffe verbrennt, um heißes Gas unter hohem Druck zu erzeugen. Dieses Gas treibt eine Turbopumpe an, die die Haupttreibstoffe mit der für einen stabilen Triebwerksbetrieb erforderlichen Förderrate und Druck in die primäre Brennkammer drückt. Ohne den Vorbrenner gäbe es keine Möglichkeit, die Treibstoffe gegen den enormen Gegendruck des Triebwerks selbst in die Hauptkammer zu befördern.

In einem typischen Zweistoffsystem nutzt der Vorbrenner denselben Brennstoff und Oxidator wie das Haupttriebwerk, jedoch in anderen Mischungsverhältnissen. Ein Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk könnte seinen Vorbrenner beispielsweise mit Brennstoffüberschuss betreiben und erzeugt damit kühlere Abgase, die die Turbinenschaufeln weniger beschädigen. Diese Abgase, Turbinen-Ausblasgas genannt, treiben den Turbinenteil der Turbopumpe an und strömen dann in die Hauptkammer, wo sie zu zusätzlicher Verbrennung beitragen. Der Vorbrenner selbst ist deutlich kleiner als die Hauptkammer, oft nur wenige Zentimeter im Durchmesser, und arbeitet bei niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur als die primäre Verbrennungszone.

Die Konstruktion eines Vorbrenners muss mehrere konkurrierende Anforderungen erfüllen. Die Kammer muss ihre Treibstoffe schnell und zuverlässig mischen und zünden, auch während transienter Startvorgänge, wenn sich die Drücke schnell ändern. Die Verweilzeit, typischerweise nur wenige Millisekunden, muss lang genug für vollständige Verbrennung sein, aber kurz genug, um thermische Belastung der Kammerwand zu vermeiden. Die Materialwahl ist entscheidend; Vorbrenner sind Temperaturen von 800 bis 1200 Grad Celsius ausgesetzt, je nach Mischungsverhältnis und Treibstoffart, und müssen Tausende von Sekunden Betrieb über mehrere Testläufe oder Flüge hinweg überstehen.

Vorbrennerausfälle machen einen erheblichen Anteil der Testanomalien und Flugverluste bei Flüssigtriebwerken aus. Häufige Ausfallmechanismen sind Verbrennungsinstabilität, die gewalttätige Druckschwankungen und Strukturermüdung verursachen kann; Hotspots, wo Treibstoffstrahlen nicht gleichmäßig mischen und lokales Schmelzen der Kammerwand verursachen; und Erosion der Einspritzdüsen durch Verbrennungsprodukte, was im Laufe der Zeit das Sprühmuster und die Mischung verändert. Die Kontrolle des Treibstoffverhältnisses des Vorbrenners ist für den Triebwerksbetrieb unverzichtlich und wird typischerweise in engen Toleranzen gehalten, oft mit kleinen Kugelventilen oder verstellbaren Öffnungen in der Brennstoff- oder Oxidatorzuführleitung.

Der Begriff "Vorbrenner" unterscheidet diese Kammer von der "Hauptverbrennung" oder "Hauptkammer", in der die Hauptmenge des Treibstoffs verbrennt und der Schub erzeugt wird. In manchen Triebwerken, besonders bei Stufenverbrennung-Zyklen, wird der Vorbrenner auf hohem Druck betrieben und seine Abgase leisten erhebliche Arbeit, was die Unterscheidung zwischen Vorbrenner und Hauptkammer verschwimmen lässt. In anderen Konstruktionen, wie dem Gasgenerator-Zyklus, wird das Vorbrenner-Äquivalent Gasgenerator genannt und seine Abgase werden ins Freie abgeblasen, statt in die Hauptkammer geleitet, was es weniger zu einem integrierten System und mehr zu einer eigenständigen Energiequelle für die Turbopumpe macht.