Künstlerische Darstellung des Integrated Powerhead Demonstrator. Bildnachweis: NASA. Klicken um zu vergrößern.
Wenn Sie an zukünftige Raketentechnologie denken, denken Sie wahrscheinlich an Ionenantrieb, Antimateriemotoren und andere exotische Konzepte.
Nicht so schnell! Das letzte Kapitel in traditionellen Raketen mit flüssigem Brennstoff muss noch geschrieben werden. Derzeit wird an einer neuen Generation von Raketendesigns mit flüssigem Brennstoff geforscht, die die Leistung gegenüber den heutigen Konstruktionen verdoppeln und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern könnten.
Flüssigbrennstoffraketen gibt es schon lange: Der erste flüssigkeitsgetriebene Start wurde 1926 von Robert H. Goddard durchgeführt. Diese einfache Rakete erzeugte ungefähr 20 Pfund Schub, genug, um sie ungefähr 40 Fuß in die Luft zu tragen. Seitdem sind Designs anspruchsvoll und leistungsstark geworden. Beispielsweise können die drei flüssig betriebenen Bordmotoren des Space Shuttles auf dem Weg zur Erdumlaufbahn mehr als 1,5 Millionen Pfund kombinierten Schub ausüben.
Sie könnten davon ausgehen, dass inzwischen jede denkbare Verfeinerung bei Raketendesigns mit flüssigem Brennstoff vorgenommen worden sein muss. Du liegst falsch. Es stellt sich heraus, dass Verbesserungspotenzial besteht.
Unter der Leitung der US Air Force arbeiten eine Gruppe aus der NASA, dem Verteidigungsministerium und mehreren Industriepartnern an besseren Triebwerkskonstruktionen. Ihr Programm heißt Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies und sie prüfen viele mögliche Verbesserungen. Eines der bisher vielversprechendsten ist ein neues Schema für den Kraftstoffdurchfluss:
Die Grundidee hinter einer Rakete mit flüssigem Brennstoff ist ziemlich einfach. Ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel, beide in flüssiger Form, werden in eine Brennkammer eingespeist und gezündet. Beispielsweise verwendet das Shuttle flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff und flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die bei der Verbrennung entstehenden heißen Gase entweichen schnell durch die kegelförmige Düse und erzeugen so Schub.
Die Details sind natürlich viel komplizierter. Zum einen müssen sowohl der flüssige Brennstoff als auch das Oxidationsmittel sehr schnell und unter hohem Druck in die Kammer eingespeist werden. Die Hauptmotoren des Shuttles würden in nur 25 Sekunden ein mit Kraftstoff gefülltes Schwimmbad entleeren!
Dieser sprudelnde Kraftstoffstrom wird von einer Turbopumpe angetrieben. Um die Turbopumpe anzutreiben, wird eine kleine Menge Kraftstoff „vorverbrannt“, wodurch heiße Gase erzeugt werden, die die Turbopumpe antreiben, die wiederum den Rest des Kraftstoffs in den Hauptbrennraum pumpt. Ein ähnliches Verfahren wird verwendet, um das Oxidationsmittel zu pumpen.
Die heutigen Raketen mit flüssigem Brennstoff senden nur eine geringe Menge Treibstoff und Oxidationsmittel durch die Vorbrenner. Die Masse fließt direkt in die Hauptbrennkammer und überspringt die Vorbrenner vollständig.
Eine von vielen Innovationen, die von der Luftwaffe und der NASA getestet werden, besteht darin, den gesamten Kraftstoff und das Oxidationsmittel durch ihre jeweiligen Vorbrenner zu schicken. Dort wird nur eine geringe Menge verbraucht - gerade genug, um den Turbolader anzutreiben. Der Rest fließt in die Brennkammer.
Diese Konstruktion mit „Vollstrom-Stufenzyklus“ hat einen wichtigen Vorteil: Wenn mehr Masse durch die Turbine fließt, die die Turbopumpe antreibt, wird die Turbopumpe härter angetrieben und erreicht so höhere Drücke. Höhere Drücke bedeuten eine höhere Leistung der Rakete.
Laut Gary Genge vom Marshall Space Flight Center der NASA wurde ein solches Design in den USA noch nie in einer Rakete mit flüssigem Brennstoff verwendet. Genge ist der stellvertretende Projektmanager für den Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) - eine Test-Engine für diese Konzepte.
"Diese Designs, die wir untersuchen, können die Leistung in vielerlei Hinsicht steigern", sagt Genge. "Wir hoffen auf eine bessere Kraftstoffeffizienz, ein höheres Schub-Gewichts-Verhältnis und eine verbesserte Zuverlässigkeit - alles zu geringeren Kosten."
"In dieser Phase des Projekts versuchen wir jedoch nur, dieses alternative Flussmuster zum Funktionieren zu bringen", stellt er fest.
Sie haben bereits ein wichtiges Ziel erreicht: einen kühleren Motor. „Turbopumpen mit herkömmlichen Strömungsmustern können sich auf 1800 ° C erwärmen“, sagt Genge. Das ist eine große thermische Belastung des Motors. Die Turbopumpe mit vollem Durchfluss ist kühler, da mit mehr Masse niedrigere Temperaturen verwendet werden können und dennoch eine gute Leistung erzielt werden. "Wir haben die Temperatur um mehrere hundert Grad gesenkt", sagt er.
IPD ist nur als Testumgebung für neue Ideen gedacht, bemerkt Genge. Der Demonstrator selbst wird niemals in den Weltraum fliegen. Wenn das Projekt jedoch erfolgreich ist, könnten einige der Verbesserungen von IPD Eingang in die Trägerraketen der Zukunft finden.
Fast hundert Jahre und Tausende von Starts nach Goddard könnten die besten Raketen mit flüssigem Brennstoff noch kommen.
Ursprüngliche Quelle: NASA Science Article
