Vom Zeichentisch zur Zündung: DGLR-Nachwuchsgruppe WARR entwickelt Hybridraketenantriebe
Die Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt (WARR), die an der Technischen Universität München (TUM) angesiedelt und auch eine Nachwuchsgruppe der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) ist, macht große Fortschritte bei der Entwicklung einer experimentellen hybriden Höhenforschungsrakete, der sogenannten WARR Ex-3. Derzeit führen die studentischen Mitglieder eine Reihe von Heißtests des Triebwerks beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Trauen durch – der finale Schritt vor der Fertigung der Flughardware. Der Prüfstandprototyp des Triebwerks liefert über eine Tonne Schub und wurde im Rahmen des Projekts Cryosphere entwickelt, das sich mit der Entwicklung von Kompetenzen im Umgang mit flüssigem Sauerstoff (LOx) als Oxidator befasst.
Bild: WARR
Die WARR besteht schon seit 1966, als sie mit dem Start der Barbarella, Deutschlands erster Hybridrakete, einen frühen Erfolg feierte. Die heutige WARR vereint als Dachverein für Raumfahrtenthusiasten verschiedene Untergruppen mit unterschiedlicher Ausrichtung. Neben der Raketentechnik gibt es die Gruppen Satellitentechnik, Autonome Rover, Space Elevator und SpaceLabs, die eine Plattform für Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelt.
Im Lauf der Zeit hat sich die Raketentechnik weiterentwickelt und die umweltschädlichen karzinogenen hypergolen Treibstoffe durch modernere und leistungsstärkere Alternativen ersetzt. Seit 2013 arbeiten die Studierenden der WARR mit LOx, dem meist benutzten Oxidationsmittel in der modernen kommerziellen Raumfahrt. Durch seine hohe Dichte und verbrennungsfördernden Eigenschaften ist LOx unentbehrlich in der Entwicklung größerer und leistungsstärkerer Raketen. Damit Sauerstoff flüssig vorliegt, muss dieser auf kryogene Temperaturen von minus 180 Grad Celsius abgekühlt werden. Aufgrund dieser extrem niedrigen Temperaturen sowie der hohen Reaktionsaffinität, müssen beim Umgang mit LOx hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Die daraus resultierenden baulichen und prozesstechnischen Maßnahmen machen die Mitarbeit bei der WARR zu einer in Europa einzigartigen Möglichkeit für Studierende, Erfahrungen mit LOx als Oxidator für ein größeres Raketentriebwerk zu sammeln.
Neben 45 Kilogramm Oxidator setzt die Ex-3-Rakete auf 22 Kilogramm festes hydroxyl-terminiertes Polybutadin (HTPB) als Brennstoff. HTPB ist bekannt als eine der Kernkomponenten von Feststoff-Raketenmotoren. Aufgrund der Kombination einer flüssigen und einer festen Komponente im Triebwerk nennt man auf diese Art angetriebene Raketen Hybridraketen.
Sie sind in der kommerziellen Raumfahrt zwar kaum präsent, werden aber gerne für sicherheitskritische Anwendungen verwendet. Da der Brennstoff in fester Form gebunden ist und in einem anderen Zustand (fest statt flüssig) als der Oxidator vorliegt, ist eine Detonation der Rakete beinahe ausgeschlossen. Zudem bleibt so die Möglichkeit, im Gegensatz zu der oft gewählten Alternative eines Feststoffmotors, den Brennschluss durch Stoppen der Sauerstoffzufuhr hervorzurufen. Zusammen erzeugen die Treibstoffkomponenten der Ex-3-Rakete zehn Kilonewton Schub für 15 Sekunden und befördern die Rakete mit Geschwindigkeiten größer Mach 3 auf 35 Kilometer Höhe. Mit der Rakete wollen die Studierenden der WARR den europäischen Amateurraketen-Höhenrekord brechen, der aktuell bei 32,1 Kilometer liegt.
Tests der Raketen-Brennkammer
Nachdem im Dezember 2017 zunächst das Triebwerk im Rahmen des STERN-Projekts (Studentische Experimental-Raketen) am DLR-Standort Lampoldshausen getestet wurde, konnten die Studierenden in den folgenden zwei Jahren das Flugfluidsystem der Rakete entwickeln, fertigen und in Betrieb nehmen. Diese Arbeit beinhaltete unter anderem auch die Entwicklung eines Flüssigsauerstoffflugtanks für Drücke bis 40 bar, ein Flüssigsauerstoff-Hauptventil und einen Hochdruck-Helium-Druckminderer. Den Großteil der Bauteile, wie zum Beispiel die CNC-gefrästen Tankdeckel (Computerized Numerical Control), konnten die Studierenden selbst fertigen. Es ist außerordentlich wertvoll, den Entstehungsprozess einer Komponente von der Entwicklung über die Fertigung bis hin zur Inbetriebnahme mitverfolgen zu können. Die WARR-Mitglieder lernen so, wie sich kleine Entscheidungen früh im Prozess auf die gesamte Entwicklungskette auswirken.
Weiter hervorzuhebende technische Entwicklungen sind zum Beispiel der Hochdruck-Druckminderer und das Sauerstoff-Hauptventil, das im Tankboden verbaut wird. Am Druckminderer konnte der sogenannte „Supply Pressure“-Effekt, ein Ansteigen des Ausgangsdrucks bei Absenkung des Eingangsdrucks, weitgehend eliminiert werden. Das Hauptventil zeichnet sich durch einen Durchflusskoeffizient (Kv) von sechs Kubikmeter pro Stunde und nur 1,3 Kilogramm Gewicht aus. Mit viel Arbeit war die Gruppe in der Lage, die hohen Materialkompatibilitätsund Dichtungsanforderungen zu erfüllen und ist nun soweit, das Ventil inklusive beweglicher Dichtung mit flüssigem Sauerstoff unter 40 bar, bei warmen wie auch kryogenen Temperaturen sicher zu steuern – ein bedeutender Fortschritt für die Rakete.
Mitte Oktober 2020 konnte das Triebwerk mit dem endgültigen Fluidsystem getestet werden. Gleichzeitig nutzten die Studierenden die modulare Konstruktion des Prototyps aus, um einzelne Parameter und Komponenten zu variieren. Ziel war es, die 2017 erkannten Probleme zu beheben. Hierfür wurde zum Beispiel auf dem Injektor eine 500-Mikrometer-ZirkondioxidKeramik-Beschichtung aufgetragen. Zirkondioxid-Keramik zeichnet sich durch eine extrem niedrige Wärmeleitung aus. Die Beschichtung konnte den messbaren Temperatureintrag der Verbrennung komplett eliminieren. Dadurch konnte der Druckanstieg über den Injektor unterbunden werden und der erwünschte Betriebsdruck von 20 bar Brennkammerdruck wurde für die gesamte Brenndauer konstant gehalten. Zusätzlich dazu gelang es dem Team, die Verbrennungsstabilität durch eine geringe Verlängerung der Vorbrennkammer deutlich zu verbessern.
Weiterentwicklung
Mit den gesammelten wertvollen Temperatur- und Druckdaten für verschiedenste Lastpunkte bereitet sich das Team nun für die Fertigung der Flugbrennkammer vor und setzt dafür auf eine leistungsstärkere Aluminiumlegierung. Gemeinsam mit einer Anpassung des Sicherheitsfaktors für den Flugbetrieb wird so die Wandstärke auf ungefähr ein Viertel der des Prototyps reduziert. Das Design der Flugbrennkammer muss vor dem Start natürlich final verifiziert werden. Verbesserungspotenzial liegt immer vor, so will das Team neben der Verifikation der Flugbrennkammer in der nächsten Testkampagne auch eine neue Treibstoffgeometrie unter die Lupe nehmen, die eine bessere Abstimmung des Treibstoffabbrands mit der Flüssigsauerstoffversorgung ermöglicht.
Mit diesen klaren Zielen vor Augen arbeitet das WARR-Team mit Hochdruck auf die finale Testkampagne hin, die derzeit für April 2021 angesetzt ist und den Flugaufbau der Rakete inklusive Bordelektronik, ferngesteuertem trennbaren Betankungssystem und Flugbrennkammer gründlich untersuchen soll. Einen Start der Rakete planen die Studierenden aktuell für den Sommer 2021.
Der Autor
Kenneth Tagscherer studiert Maschinenbau an der Technischen Universität München (TUM). Seit 2018 ist er Mitglied der WARR und übernahm 2020 die Leitung der Raketentechnikabteilung. Zusätzlich ist er als Hilfswissenschaftler am Extraordinarius für Raumfahrtantriebe am Lehrstuhl für Turbomaschinen und Flugantriebe der TUM angestellt.