Künstlerische Darstellung des Integrated Powerhead Demonstrators. Bildnachweis: NASA. Klicken um zu vergrößern.
Wenn Sie an zukünftige Raketentechnologie denken, denken Sie wahrscheinlich an Ionenantrieb, Antimaterie-Triebwerke und andere exotische Konzepte.
Nicht so schnell! Das letzte Kapitel der traditionellen Flüssigtreibstoffraketen muss noch geschrieben werden. Es wird an einer neuen Generation von Flüssigtreibstoff-Raketendesigns geforscht, die die Leistung gegenüber heutigen Designs verdoppeln und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern könnten.
Flüssigtreibstoffraketen gibt es schon lange: Der erste flüssigkeitsbetriebene Start wurde 1926 von Robert H. Goddard durchgeführt. Diese einfache Rakete erzeugte ungefähr 20 Pfund Schub, genug, um sie ungefähr 12 Meter in die Luft zu tragen. Seitdem sind Designs raffiniert und kraftvoll geworden. Die drei flüssigkeitsbetriebenen Bordtriebwerke des Space Shuttles zum Beispiel können auf dem Weg zur Erdumlaufbahn mehr als 1,5 Millionen Pfund kombinierten Schub ausüben.
Sie könnten davon ausgehen, dass inzwischen alle erdenklichen Verfeinerungen an Flüssigtreibstoff-Raketendesigns vorgenommen worden sein müssen. Sie würden falsch liegen. Es stellt sich heraus, dass es Raum für Verbesserungen gibt.
Angeführt von der US Air Force arbeitet eine Gruppe bestehend aus der NASA, dem Verteidigungsministerium und mehreren Industriepartnern an besseren Triebwerksdesigns. 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 Kraftstofffluss:
Die Grundidee einer Flüssigtreibstoffrakete ist ziemlich einfach. Ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel, beide in flüssiger Form, werden einer Brennkammer zugeführt und gezündet. Das Shuttle verwendet beispielsweise flüssigen Wasserstoff als Treibstoff 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 Haupttriebwerke des Shuttles würden in nur 25 Sekunden ein Schwimmbecken voller Treibstoff entleeren!
Dieser sprudelnde Treibstoffstrom 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 die Hauptbrennkammer pumpt. Ein ähnlicher Prozess wird verwendet, um das Oxidationsmittel zu pumpen.
Heutige Flüssigtreibstoffraketen schicken nur eine geringe Menge Treibstoff und Oxidationsmittel durch die Vorbrenner. Das Schüttgut fließt direkt in die Hauptbrennkammer und überspringt die Vorbrenner vollständig.
Eine von vielen Innovationen, die von der Air Force und der NASA getestet werden, besteht darin, den gesamten Brennstoff und das Oxidationsmittel durch ihre jeweiligen Vorbrenner zu leiten. Dort wird nur eine kleine Menge verbraucht – gerade genug, um die Turbos zu betreiben; der Rest fließt in die Brennkammer.
Dieses „Full-Flow Staged Cycle“-Design hat einen wichtigen Vorteil: Je mehr Masse durch die Turbine strömt, die die Turbopumpe antreibt, desto stärker wird die Turbopumpe angetrieben und erreicht somit 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 zuvor in einer mit Flüssigtreibstoff betriebenen Rakete verwendet. Genge ist stellvertretender Projektleiter für den Integrated Powerhead Demonstrator (IPD) – eine Test-Engine für diese Konzepte.
„Diese Designs, die wir untersuchen, könnten die Leistung in vielerlei Hinsicht steigern“, sagt Genge. „Wir hoffen auf eine bessere Kraftstoffeffizienz, ein höheres Schub-Gewichts-Verhältnis, eine verbesserte Zuverlässigkeit – und das alles zu geringeren Kosten.“
„In dieser Phase des Projekts versuchen wir jedoch nur, dieses alternative Strömungsmuster richtig zum Laufen zu bringen“, bemerkt er.
Ein wichtiges Ziel haben sie bereits erreicht: einen kühler laufenden Motor. „Turbopumpen mit traditionellen Strömungsmustern können sich auf bis zu 1800 °C erhitzen“, sagt Genge. Das ist eine große thermische Belastung für den Motor. Die „Full-Flow“-Turbopumpe ist kühler, da mit mehr Masse durch sie hindurch niedrigere Temperaturen verwendet werden können und dennoch eine gute Leistung erzielt wird. „Wir haben die Temperatur um mehrere hundert Grad gesenkt“, sagt er.
IPD sei nur als Testumgebung für neue Ideen gedacht, bemerkt Genge. Der Demonstrator selbst wird niemals ins All fliegen. Aber wenn das Projekt erfolgreich ist, könnten einige der Verbesserungen von IPD ihren Weg in die Trägerraketen der Zukunft finden.
Fast hundert Jahre und Tausende von Starts nach Goddard könnten die besten Flüssigtreibstoffraketen noch kommen.
Originalquelle: NASA-Wissenschaftsartikel
