SpaceX_Testing_Merlin_1D_Engine_In_Texas

Was ist der beste Weg, ein paar hundert Kilo Treibstoff pro Sekunde zu verbrennen? So ein Raketentriebwerk ist schon eine phaszinierende Sache. Ein Höllenfeuer gespeist aus unglaublichen Treibstoffmengen tobt in einer kleinen Kammer, mit einer kleinen runden Öffnung – und im allgemeinen fliegt einem das Ding nichtmal um die Ohren.

Erstaunlicher Weise sind es nicht einmal mehr die Temperaturen, die das größte Problem beim Bau von Raketentriebwerken darstellen. Man hat gut wirksame Tricks gefunden, um die Temperatur an den entscheidenden Stellen klein genug zu halten. Man kann zum Beispiel einen Teil des Treibstoffs direkt gegen die Wand der Brennkammer sprühen, bevor er verbrennen kann. Dann bildet sich dort eine dünne Schicht Treibstoff, die die Temperaturen dort unterhalb der Schmelztemperatur des Materials halten. Von der Außenseite wird gekühlt, indem man den Treibstoff noch bevor er in die Brennkammer kommt, durch dünne Kanäle hindurch pumpt. Hat der Treibstoff seine Aufgabe als Kühlmittel erfüllt, kommt er in die Brennkammer und wird verbrannt.

Das soll nicht heißen, dass es einfach wäre, aber das Problem ist lösbar. (Sagte der Mathematiker als er den Feuerlöscher erblickte und sich in Anbetracht des Zimmerbrandes wieder schlafen legte.)

Ein ganz anderes Problem stellt es dar, die Unmengen Treibstoff in das Triebwerk zu bekommen. Das ist nicht nur eine Frage der Menge, es ist auch eine Frage des Drucks. Ein hoher Druck in der Brennkammer hilft beim Start von der Erde ungemein, denn der Abgasstrahl muss zunächst gegen den Luftdruck ankämpfen. Genauso wichtig ist aber auch, dass der höhere Druck zu einer höheren Verbrennungstemperatur führt.

Die Temperatur sagt uns, wieviel Energie jedes einzelne Molekül des Verbrennungsgases im Durchschnitt hat. Um so mehr Energie sie haben, um so schneller bewegen sich die Teilchen des Gases. Wie wir im letzten Blogbeitrag gesehen haben, hilft das ungemein. Man braucht weniger Treibstoff um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen und kann deswegen mehr Nutzlast mitnehmen. Man verzichtet nur ungern auf Nutzlast, aber sehr gern auf komplexe Technik. Das ganze schreit nach einem Kompromiss und Möglichkeiten für Kompromisse gibt es eine ganze Menge.

Die erste Möglichkeit ist, schlicht auf hohen Brennkammerdruck zu verzichten. Dafür setzt man die Treibstofftanks mit einem Gas unter genug Druck, dass der Treibstoff von allein in die Brennkammer gedrückt wird. Solche Triebwerke sind weniger effizient, aber sehr einfach aufgebaut. Gerade bei sehr kleinen Raketenstufen ist das eine beliebte Technik. Bei Raketentriebwerken von Satelliten und Raumsonden gibt es gar nichts anderes. (Von Ionentriebwerken und ähnlichen einmal abgesehen.) In der Praxis sieht das dann so aus:

Pressure_fed_rocket_cycle

Das Gas, das für den Druck sorgt, kann nun durch die Hitze der Brennkammer noch etwas aufgeheizt werden, was den Druck deutlich erhöht. Das Gas kann auch der Treibstoff selbst sein. Flüssiges Methan etwa kann aufgeheizt werden und so zu Gas werden, flüssiger Sauerstoff ebenso. Der Treibstoff setzt ich selbst unter Druck. Ein Verfahren, das beispielsweise die Alpha Rakete von Firefly einsetzen soll.

Will man einen höheren Druck in der Brennkammer haben, braucht man Pumpen mit hoher Leistung. Dafür benutzt man Turbopumpen. Die funktioniert wie ein monströser Turbolader für einen Automotor. Eine Turbine wird mit dem Raketentreibstoff angetrieben, die Turbine treibt die Pumpe an, die Pumpe pumpt den Treibstoff in das Raketentriebwerk. Tolle Sache das, hat nur einen Haken: Die Temperaturen beim Verbrennen des Raketentreibstoffs würden die Turbine schmelzen lassen. Die Tricks zur Kühlung der Wand in der Brennkammer funktionieren hier auch nicht, die Turbine ist zu komplex dafür und muss sich extrem schnell drehen.

Der einzige Weg, um die Temperaturen zu senken ist, keine optimale Mischung aus Brennstoff und Oxidator zu benutzen. Entweder nimmt man einen Überschuss von Brennstoff (z.B. Kerosin/Methan/Wasserstoff) oder vom Oxidator (meistens Sauerstoff). In beiden Fällen sorgt die nicht-optimale Mischung für erträglichere Temperaturen. Bei der Ariane 4 hat man schlicht Wasser hinzu gegeben, weil der Brennstoff (UDMH) aus der Sovietunion (später Russland) importiert wurde und recht teuer war.

1 / 2 / 3 / Auf einer Seite lesen

Kommentare (13)

  1. #1 Ludger
    9. Mai 2015

    Über Materialprobleme bei den hohen Brennkammertemperaturen schreibt auch Martin Bäker http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2015/05/07/waermedaemmschichten-raketentriebwerke-und-das-will-rogers-phaenomen/

  2. #2 wasgeht
    9. Mai 2015

    Hatte ich vor lauter schreiben gar nicht gelesen. :)

  3. […] Aber es hat den großen Vorteil, dass man sich den Treibstoff für den Zweck aussuchen kann. Wir erinneren uns an die schon beschriebenen Probleme mit Rußbildung, Korrosion und schmelzenden […]

  4. #4 Alderamin
    14. Mai 2015

    @Frank

    Super Artikel, Bravo.

    Bei einem richtigen Flug mit diesem Triebwerk, würde sich das Abgas unterhalb des Teststandes den wir hier sehen, am Abgasstrahl der Düse in der Luft entzünden und eine lodernde Flamme entstehen lassen.

    Beim Start der Delta entsteht auch immer so eine Stichflamme beim Start, ich las mal irgendwo, dass das typisch für sie sei. Ist das der beschriebene Effekt mit dem übersättigten Turbopumpen-Gemisch?

    • #5 wasgeht
      14. Mai 2015

      Ich würde eher darauf tippen, dass das unverbrannter Wasserstoff aus dem Triebwerk vor der Zündung ist. Aber das ist genauso wilde Spekulation.

      Jedenfalls erinnerte mich das daran, dass beim SpaceShuttle immer Funken unter die Triebwerke gesprüht wurden und ich nie ganz verstand weshalb.

      Wenn es dort darum ging, eine solche Stichflamme zu vermeiden, dann wäre es wohl definitv unverbrannter Treibstoff aus dem Triebwerk. Denn das RS-25 aus dem SpaceShuttle ist ein Hauptstromtriebwerk.

  5. #6 Alderamin
    14. Mai 2015

    @Frank

    Jedenfalls erinnerte mich das daran, dass beim SpaceShuttle immer Funken unter die Triebwerke gesprüht wurden und ich nie ganz verstand weshalb.

    Ich meine mal gelesen zu haben, mit den Funken wurde das Triebwerk gezündet, das könnte aber auch Unsinn sein. Das RS-25 ist ja auch nicht wiederstartbar, soviel ich weiß, es gab da einige Diskussionen drum bei den Jungs von DIRECT, die ja das SLS auf nasaspaceflight.com vorweg genommen hatten (bzw. einige Senatoren getriezt hatten, für ein solches Konzept zu stimmen, sonst würde man jetzt vermutlich an einer Kerosin-Rakete basteln, die Mitte der 2020er ihren Jungfernflug gehabt hätte).

    • #7 wasgeht
      14. Mai 2015

      Das macht eben wenig Sinn. Das Triebwerk muss in der Brennkammer gezündet werden. Würde man versuche von außen zu zünden, würde sich so viel Treibstoff in der Kammer ansammeln, dass einem das Triebwerk wohl sofort um die Ohren fliegen würde.

  6. #8 Alderamin
    14. Mai 2015

    @Frank

    Bin ich zufällig auf irgendeiner Blacklist? Jeder Post in der Mod…? Ging mir auf anderen Scienceblogs anfangs genau so.

    • #9 wasgeht
      14. Mai 2015

      Nein. Das ist die automatische Einstellung. Ist mir auch lieber so.

      Sieh es einmal so: Ich lese wirklich jedes Kommentar.

  7. #10 Alderamin
    14. Mai 2015

    @Frank

    Ok, gebongt.

    Und Du liegst selbstverständlich richtig bzgl. der Funken:

    http://quest.nasa.gov/qna/questions/FAQ_Shuttle_Launch.htm#What_are_the_sparks

    • #11 wasgeht
      14. Mai 2015

      So selbstverständlich ist das alles nicht. Ich habe irgendwann festgestellt, dass ich nicht unfehlbar bin, siehe auch die Geschichte mit der Semyorka (und Arroganz die merkwürdige Eigenschaft hat, einen unsympathisch zu machen).

  8. […] im Hinterkopf hat erinnert sich vielleicht an diese Rakete. Da wir nun die auch etwas mehr über Raketentriebwerke wissen, lohnt sich ein zweiter […]

  9. […] um den Treibstoff zu verbrennen, auch wenn er heiß genug dafür wäre. (Mehr dazu auch in meinem Artikel über Raketentriebwerke.) Wäre es Kerosin gewesen, hätten sich keine Flammen bilden können. Jedenfalls sieht man hier, […]