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14.02.2020 | Strömungsmechanik + Aerodynamik | Im Fokus | Onlineartikel

Innovatives Raketentriebwerk

Autor:
Dieter Beste
3 Min. Lesedauer

Kleine Trägerraketen sollten künftig auch von Deutschland aus ins All starten, forderte BDI-Präsident Dieter Kempf Ende letzten Jahres. An Raumfahrt-Kompetenz mangelt es hierzulande nicht, wie ein innovatives Raketentriebwerk jetzt eindrucksvoll unterstreicht.

Die stumpfe Nase einer Rakete trifft in der Atmosphäre auf erheblichen Luftwiderstand – mit der Folge einer starken Erwärmung ihrer Oberfläche und entsprechenden Belastungen der Struktur. Hilfreich ist ein sogenannter Aerospike; ein Stachel, der die Strömung beeinflusst und den Luftwiderstand bei Hyperschallgeschwindigkeiten reduziert. Das Aerospike-Prinzip ist seit Jahrzehnten bekannt und kann auch auf Triebwerkskonstruktionen angewendet werden. Der deutsche Wissenschaftsastronaut und Springer-Autor Ulrich Walter diskutiert in seinem Standardwerk zur Physik des Weltraumfluges, "Astronautics", ab Seite 97 die Konstruktionsformen von Raketenantrieben, darunter technische Ausführungen mit Aerospikes.

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Trotz jahrzehntelanger Forschung sind Aerospike-Triebwerke jedoch immer noch nicht verfügbar. "Die technologische Konzeption solcher Triebwerke ist erstmals in den 1960er Jahren aufgekommen. Aber nur durch die Freiheiten der Additiven Fertigung und die Einbettung dieser in konventionelle Prozessketten ist es uns möglich, so effiziente Triebwerke überhaupt herzustellen", sagt Michael Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), das gemeinsam von der TU Dresden und dem Fraunhofer IWS betrieben wird. Aerospike Rocket Engines versprechen eine Treibstoffeinsparung von etwa 30 Prozent gegenüber konventionellen Raketenantrieben.

Probleme bereitete bislang die Kühlung von Aerospike-Triebwerken, denn "in der Brennkammer herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius, insofern ist eine aktive Kühlung erforderlich", erläutert Müller. "Dieses komplexe regenerative Kühlsystem mit innen liegenden, verschlungenen Strukturen lässt sich konventionell nicht fräsen oder gießen", präzisiert Mirko Riede, Gruppenleiter 3D-Generieren am Dresdener Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS). 

3D-Druck brachte den Durchbruch

Eine Lösung für das vertrackte Fertigungsproblem bietet jetzt der 3D-Druck. Hierbei wird das Pulver Schicht für Schicht aufgetragen und anschließend selektiv per Laser aufgeschmolzen. So entsteht nach und nach das Bauteil inklusive der einen Millimeter breiten Kühlkanäle, die der Kontur der Brennkammer folgen. Das Pulver wird nachträglich aus den Kanälen herausgesaugt. Die Anforderungen an das metallische Material: Es muss bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. Für die Fertigung von Treibstoffinjektor, Brennkammer und Düse nutzen die Dresdener Wissenschaftler das Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren.

Weltraumbahnhof in Deutschland?

Der Markt mit kleinen Satelliten wird in den kommenden Jahren boomen. Großbritannien plant im Norden Schottlands den ersten Weltraumbahnhof auf europäischem Boden und auch der Bundesverband der Deutschen Industrie BDI hält einen Weltraumbahnhof hierzulande für sinnvoll. Von dort sollen kleine bis mittelgroße Trägerraketen Forschungsinstrumente und kleine Satelliten ins All bringen. Mittelgroße Transportsysteme, sogenannte Microlauncher, sind für eine Nutzlast von bis zu 350 Kilogramm ausgelegt. Auf dem Teststand des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden testeten die Dresdner Forscher den Prototypen ihres Aerospike-Triebwerks bereits. Sie erzielten eine Brenndauer von 30 Sekunden. "Das ist ein besonderer Vorgang, denn bislang gibt es noch kaum Tests von Aerospike-Düsen", sagt Müller. "Wir haben nachgewiesen, dass sich mittels Additiver Fertigung ein funktionierendes Flüssigkeitstriebwerk herstellen lässt." Auf der diesjährigen Hannover-Messe vom 20. bis 24. April wollen die Entwickler ihre technische Meisterleistung präsentieren. 
 

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