Quelle: DLR 28. März 2024.

28. März 2024 – Ein Raketentriebwerk besteht aus vielen einzelnen Bauteilen, auf die enorme Kräfte wirken. Damit beim Einsatz auch zusammenpasst, was zusammengehört, reicht es nicht aus, die einzelnen Bauteile zu entwickeln und zu überprüfen. Vielmehr braucht es das Verständnis des gesamten Zusammenspiels der Komponenten. Darauf zielt das Projekt LUMEN (Liquid Upper Stage Demonstrator Engine) im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ab. Das DLR-Team hat jetzt den selbst entwickelten LUMEN-Demonstrator – ein pumpengefördertes Flüssigsauerstoff (LOX)- und Methan-Triebwerk – am europäischen Forschungs- und Technologieprüfstand P8.3 beim DLR in Lampoldshausen erfolgreich in Betrieb genommen. „LUMEN ermöglicht uns die Validierung von Technologien, die nur in einem kompletten Raketentriebwerk getestet werden können. Das ist in Europa einzigartig und stärkt nicht nur unsere Forschungskompetenz, sondern eröffnet auch Industrieunternehmen und Start-ups weitreichende Anwendungsmöglichkeiten“, erklärt Projektleiter Tobias Traudt vom DLR-Institut für Raumfahrtantriebe.

Erfolgreiche Zündung des kompletten LUMEN-Demonstrators
Die Tests des LUMEN-Demonstrators sind ein wichtiger Meilenstein des umfassenden Entwicklungsprojekts. Im Fokus steht dabei das Zusammenspiel aller Komponenten eines Raketentriebwerks: von der Brennkammer über die Turbopumpen bis hin zu den Ventilen. Neben der Brennkammer gehören Turbopumpen zu den wichtigsten Bauteilen. Sie erzeugen den notwendigen Druck in der Brennkammer und befördern die Treibstoffe in den Einspritzkopf. „Mit dem LUMEN-Demonstrator können wir nun die Interaktion einzelner Triebwerkskomponenten sehr präzise, schnell und kosteneffizient untersuchen“, fasst Tobias Traudt die Erfolge des Projekts zusammen. Darüber hinaus bietet LUMEN als Prüfstand künftig auch Interessenten aus der Wissenschaft und der Raumfahrtindustrie die Gelegenheit, Komponenten oder Technologien in einer realen Umgebung für Raketentriebwerke zu testen, um einen schnellen Transfer in industrielle Anwendungen zu erreichen.

Anwendungsorientierte Forschungsplattform
Mit dem neuen LUMEN-Forschungsaufbau können die umfassenden Entwicklungskompetenzen des DLR über den gesamten Triebwerkszyklus hinweg zukünftig noch effektiver gebündelt werden. Die Bauweise des Demonstrators ist für einen Einsatz am Prüfstand optimiert. Deswegen ist die Messtechnik für die Einzelkomponenten gut zugänglich und leicht zu handhaben. Beim Heißlauf des Triebwerks ermitteln die Forschenden Daten, wie die Temperatur in der Brennkammer oder das Zündverhalten. Der Demonstrator bietet dabei einen wesentlich detaillierteren Einblick in das Betriebsverhalten, als dies an realen Flugtriebwerken möglich ist. Zusätzlich untersuchen DLR-Forschende Methoden zur KI-basierten Triebwerkssteuerung und Zustandsüberwachung der Triebwerke, dem sogenannten Health-Monitoring. So werden Aussagen über die Lebensdauerentwicklung der einzelnen Demonstrator-Komponenten wie beispielsweise der Schubkammer, Turbopumpen und anderer Bauteile ermöglicht. Dies sind notwendige Entwicklungsschritte hin zu wiederverwendbaren Raketentriebwerken.

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• DLR

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Quelle: TU Wien 6. Juli 2022.

6. Juli 2022 – Seit Jahren gelingen dem TU Wien Space Team immer wieder spektakuläre Erfolge: Man beförderte Raketen in eine Höhe von mehreren Kilometern, man entwickelte Mini-Satelliten, die ins All transportiert wurden, immer wieder trat man auch bei internationalen Challenges gegen Teams von anderen Universitäten an. Nun glückte dem Verein, der aus Studierenden verschiedener Fachrichtungen der TU Wien besteht, der nächste Meilenstein: Man entwickelte einen Raketenprüfstand, mit dem man leistungsfähige Flüssigtriebwerke testen kann. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die nächste Generation von Raketen, die das Team nun konstruieren möchte.

Fest oder flüssig?
Wenn ein Raketentriebwerk gezündet wird, braucht es mehr Sauerstoff als die Umgebungsluft zur Verfügung stellen kann. Man muss der Flamme also den Sauerstoff direkt zuliefern. Dafür gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten: „Bei kleinen Raketen, besonders im Hobbybereich, verwendet man normalerweise Feststoffmotoren, in denen der Oxidator mit dem Brennstoff vergossen wird“, erklärt Taras Weinl, Vizepräsident des TU Wien Space Teams. „Wenn man den Motor zündet, reagiert beides miteinander. So funktionieren auch gewöhnliche Feuerwerksraketen.“

Die meisten Trägerraketen heutzutage verwenden Flüssigtreibstoffe. Man verwendet getrennte Flüssigkeitstanks – einen für den Brennstoff, den anderen für das Oxidationsmittel. Flüssigtriebwerke geben mehr Flexibilität, ermöglichen dazu oft Schubregelung und Wiederzündbarkeit, sind dafür aber wesentlich komplexer: Man muss die Stoffe im richtigen Verhältnis zusammenfügen und die passende Mischung erzeugen, um eine kontinuierliche, effiziente Verbrennung zu ermöglichen.

Franz, die neue Testanlage
„Die NASA oder SpaceX verwenden immer Flüssigraketen. Für Studierendenteams ist das aber noch ungewöhnlich“, sagt Taras Weinl. „Es gibt weltweit derzeit nur ganz wenige Teams, die sich an das Thema Flüssigrakete heranwagen.“ Das TU Wien Space Team beschloss bereits 2017, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Weil die Technologie deutlich komplizierter ist, muss man die Triebwerke unbedingt am Boden testen, bevor man Raketen in den Himmel schickt. Kleine Triebwerke testet das Team bereits seit einigen Jahren. Mit der neuen Triebwerktestanlage „Franz“, können nun auch Testreihen für große Triebwerke durchgeführt werden.

„Franz“ ist auf Raketentriebwerke mit einem Schub von bis zu 25 Kilonewton ausgelegt. Zum Vergleich: Ein Formel-1-Auto, das innerhalb von 2,5 Sekunden auf 100 km/h beschleunigt, hat einen Schub von etwa 8 Kilonewton. Die gesamte Testanlage wurde so konstruiert, dass sie auf einen Fahrzeuganhänger passt. Aus Sicherheitsgründen werden große Raketentriebwerke nur an entlegenen Orten getestet, wo man garantiert niemanden gefährdet – etwa in Steinbrüchen, die für den Test gesperrt werden.

Das Team ist während des Tests gut 100 Meter vom Teststand entfernt und steuert den Ablauf am Computer. Sauerstoff und Ethanol werden zerstäubt und gezündet. Aus der Brennkammer, die aus einer dicken Kupferschicht besteht, schießt ein weißer Feuerstrahl. Sensoren überwachen den Ablauf aller wesentlichen Prozesse und messen den erzielten Schub.

Erster Triebwerkstest
Im Juni wurde nun erstmals ein Triebwerksversuch durchgeführt, nun wurden die Daten ausgewertet. Getestet wurde ein Triebwerk mit neuartiger Injektortechnologie. „Alles hat super geklappt. Für uns ist das ein wichtiger Durchbruch. Wir haben mit unserem Teststand nun die Möglichkeit, leistungsstarke Flüssigtriebwerke zu testen und damit viel größere Raketen zu konstruieren als bisher.“

Auch wenn Österreich nicht zu den führenden Nationen der Weltraumforschung gehört – das Know-how des TU Wien Space Teams stößt auch hier in der Industrie auf viel Interesse. „Wir arbeiten gern mit verschiedensten Firmen zusammen und freuen uns, dass vom kleinen Start-up bis zum großen Player viele an unseren Leistungen interessiert sind“, sagt Taras Weinl.

Die Stärke des Teams liegt vor allem in seiner Vielseitigkeit: Von mechanischen Berechnungen bis zur Elektronik werden viele kleinere und größere Probleme vom Team selbst gelöst – daher sucht das Team auch immer wieder Space-begeisterte aus allen Studienrichtungen, die ihr Wissen in der Praxis umsetzen wollen, etwas komplett Neues lernen möchten oder einfach nur auf der Suche nach Herausforderungen sind.

Mehr über das TU Wien Space Team: https://spaceteam.at/

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• Raketentechnik

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