Ingenieure
in Baden-Württembergs „Tor zum Weltraum“ haben
neue Raketen-Schubkammer aus Leichtbaumaterialien entwickelt. Mit
neuen Materialien wird die Antriebstechnologie für Raketen revolutioniert.
Die hohen Transportkosten in den Weltraum sind das Hauptproblem heutiger
Trägerraketen. Mit einer neuen Brennkammerbauweise unter Verwendung
von durchlässigem und extrem hitzefestem Carbon/Carbon (C/C)
und kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen stehen Wissenschaftler
des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) nun
kurz davor, die Antriebstechnologie zu revolutionieren. Die Wissenschaftler
im Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung in Stuttgart
und im Institut für Raumfahrtantriebe in Lampoldshausen in der
Region Heilbronn-Franken erreichen mit den modernen Materialien und
dem Prinzip der Schwitzkühlung eine drastische Reduzierung des
Gewichts bei gleichzeitig deutlichen Systemverbesserungen. In Versuchen
auf dem Testgelände für Raketenantriebe in Lampoldshausen
in der Region Heilbronn-Franken haben die DLR-Ingenieure unter realitätsnahen
Start- und Abschaltphasen jetzt nachgewiesen, dass die neu entwickelte
Schubkammer unter den Betriebsbedingungen repräsentativer Oberstufentriebwerke
einsetzbar ist.
Gerade die Prämissen einer hohen Zuverlässigkeit der Systeme
unter optimierten Kostengesichtspunkten stellen für kommende
Missionen zukünftiger Raumtransportsysteme große Herausforderungen
an die Raumfahrtingenieure dar. Die Effizienz hängt dabei in
entscheidendem Maße von den Triebwerken ab. In Fachkreisen
gelten die Schubkammern in den heutigen Bauweisen allerdings als
nahezu optimiert.
Die DLR-Wissenschaftler haben jetzt einen komplett neuen Ansatz gewählt.
Sie setzen Faserkeramikmaterialien und Hochleistungsverbundwerkstoffe
in Verbindung mit dem Prinzip der Effusionskühlung ein, die
eine Art Schwitzkühlung an der Brennkammerinnenwand darstellt.
Dadurch erreichen die Ingenieure ein ideales Verhältnis des
sowohl als Treibstoff als auch zur Kühlung verwendeten tiefkalten
Wasserstoffs im System. Zusammen mit den Vorteilen der etwa fünfmal
leichteren Verbundwerkstoffe gegenüber den heute eingesetzten
Metallen Kupfer und Nickel und den sehr guten Werkstoffeigenschaften
bei Hitze und Kälte werden die Vorzüge der neuen Technologie
erkennbar: Durch die Gewichtsreduktion können größere
Nutzlasten in den Orbit transportiert werden, die weitgehend ausdehnungsneutralen
Werkstoffe ermöglichen eine höhere Lebensdauer und es werden
deutliche Vorteile auf Gesamtsystemebene und bei den Kosten erwartet.
In der herkömmlichen Raketentechnologie besteht der innere Teil
der Brennkammer aus Kupfer. Dieser wird mit zahlreichen dünnen
Kühlkanälen durchzogen. Eingebettet ist er in einen massiven
Nickelmantel. Diesen schweren Metallmantel ersetzen die Wissenschaftler
jetzt durch einen kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) als
tragende Außenschale. Anstelle des Kupfers verwenden die Forscher
einen porösen Innenmantel aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff
(C/C). Zwischen den beiden Schichten dieses Doppelwandaufbaus führen
die Ingenieure nun den tiefkalten Wasserstoff hindurch. Dieser dringt
durch das poröse Material ohne Phasenübergang in die Brennkammer
ein und bildet an der Wand einen Kühlfilm aus. Gegenüber
der herkömmlichen Kühlung kann der Wasserstoff jetzt mit
einem deutlich niedrigeren Druck eingeführt werden, was wiederum
für das Triebwerk insgesamt von Vorteil ist: die Turbopumpen
zur Treibstoffförderung, die hinsichtlich ihres Leistungsgewichts
in höchstem Maße ausgereizt sind und die damit die Leistungsfähigkeit
der Triebwerke generell limitieren, lassen sich dadurch entlasten
bzw. könnte alternativ hierzu der Brennkammerdruck erhöht
werden. Dies kann zur Steigerung der Zuverlässigkeit im Förderstrang
genutzt werden.
Obwohl diese Methode der Effusionskühlung schon lange bekannt
ist, scheiterte die Umsetzung an den bislang ungünstigen Materialeigenschaften
der verwendeten Metalle. Durch das poröse C/C erreichen die
Wissenschaftler aber jetzt, dass der mitgeführte Wasserstoff
nur zu einem geringen Teil als Kühlmittel benötigt wird.
Vielmehr kann er nun hauptsächlich der Verbrennung zugeführt
werden und damit der Schuberzeugung dienen. Auch die weiteren Materialvorteile
der Verbundwerkstoffe, wie die geringe Ausdehnung bei hohen Temperaturen
und das Ausbleiben der Schmelzphase im Vergleich zu Metallen minimieren
den Kühlungsaufwand. C/C hält Temperaturen über 2000° Celsius
stand.
Die vergangene Versuchskampagne am europäischen Forschungs-
und Technologieprüfstand P8 im DLR Standort in Lampoldshausen
in der Region Heilbronn-Franken, der für realitätsnahe
Tests ausgelegt ist, brachte für die Wissenschaftler nun den
Durchbruch. Die effusionsgekühlte Brennkammer hat sowohl unter
verschiedenen Gasdrücken bis zu 80 bar, bei unterschiedlichen
Treibstoffmischungen und auch bei variierenden Kühlmittelmengen
die Praxistests bestanden und ihre prinzipielle Einsetzbarkeit nachgewiesen.
Durch die einfachen Grundkomponenten im Strukturaufbau weisen die
Wissenschaftler zudem auf ein erhebliches Potenzial zur Kostenreduzierung
hin.
Quelle: DLR Presse- und Öffentlichkeitsarbeit vom 14. Juli 2005
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