Im Rahmen des Future Launchers Preparatory Program (FLPP) der ESA wurde die erste Phase der Heißtests an einem neuen Raketentriebwerk mit variablem Schub in Warschau, Polen, abgeschlossen. Das Triebwerk wird von einem polnischen Konsortium entwickelt, das neue Designs für Treibstoffventile und Injektoren untersucht, mit denen der Schub von Raketentriebwerken, die mit nachhaltigeren und besser lagerbaren Treibstoffen betrieben werden, variiert werden kann. Solche Triebwerke haben großes Potenzial für den Einsatz in zukünftigen Weltraummissionen und wiederverwendbaren Raketen.
Der neue Motor trägt die Bezeichnung Throttleable Liquid Propulsion Demonstrator (TLPD). Er wird derzeit demontiert und untersucht. Die Ergebnisse werden am Standort des Hauptauftragnehmers Łukasiewicz Research Network—Institute of Aviation (Lukasiewicz-ILOT) in Polen zusammen mit den Partnern Astronika und Jakusz SpaceTech analysiert, bevor die nächste Testphase beginnt.
Flüssige Treibmittel mit langer Lebensdauer
Das drosselbare Triebwerk verfügt über einen neu entwickelten Kraftstoffeinspritzer und Steuerventile. Mit einem Schub von 5 kN (im Vergleich zum Schub des Ariane 6-Oberstufentriebwerks von 180 kN) eignet sich das TLPD-Triebwerk perfekt für die Oberstufe kleinerer Raketen, für Raumfahrzeuge, für Trägerraketen-Kick-Stages und Erkundungsmissionen. Die Möglichkeit, seinen Schub zu modifizieren, macht es auch sehr interessant für die Landung von Raumfahrzeugen auf der Erde, dem Mond und darüber hinaus.
Das neue Raketentriebwerk wird von lagerfähigen Treibstoffen wie Wasserstoffperoxid und Ethanol angetrieben, die sicherer und weniger giftig sind als andere derzeit verwendete Treibstoffe (wie Hydrazin und Stickstofftetroxid). Im Vergleich zu kryogenen Treibstoffen wie flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff erfordern lagerfähige Treibstoffe keine aktiven Kühlmaßnahmen und verlieren zwischen aufeinanderfolgenden Triebwerkszündungen nicht an Kraft.
Raketentriebwerke, die mit lagerfähigen Treibstoffen betrieben werden, können im Weltraum eine lange Lebensdauer haben und lassen sich bei Missionen, die viele Monate dauern, einfach und zuverlässig wieder zünden. Kryogene Treibstoffe benötigen außerdem Energie, um die Verbrennung zu starten, die von einem „Zünder“ bereitgestellt wird, während die TLPD-Treibstoffe bei Kontakt miteinander zünden, was den Motor einfacher und zuverlässiger macht.
Triebwerkstests für neuen, variablen Demonstrator. Bildnachweis: Łukasiewicz Research Network—Institute of Aviation (Lukasiewicz-ILOT)
Herzstück: Neue elektronisch gesteuerte Ventile und Einspritzdüsen
Das Hauptziel des aktuellen Projekts zum drosselbaren Motor besteht darin, ein neu entwickeltes Ventilsystem und einen beweglichen „Zapfen“-Injektor zu testen – eine Art Treibstoffinjektor, der in Raketentriebwerken mit Zweistofftreibstoff verwendet wird – die alle von einem elektronischen Kontrollsystem gesteuert werden.
Die Ventile sorgen dafür, dass die richtige Menge des Treibstoffs in die Brennkammer strömt – je höher die Menge, desto größer der Schub. Der Kraftstoffeinspritzer mischt die beiden Treibstoffe (den Ethanolkraftstoff und das Wasserstoffperoxid-Oxidationsmittel), während sie unter hohem Druck in die Kammer eingespritzt werden, und sorgt so für eine stabile Verbrennung, während ihre Menge durch die Ventile variiert. All dies stellt sicher, dass ein effizienter und kontrollierter Verbrennungsprozess stattfinden kann.
Neuer variabler Motor wird dynamisch getestet. Bildnachweis: Łukasiewicz-Forschungsnetzwerk – Institut für Luftfahrt (Lukasiewicz-ILOT)
Weiter: Vollgas geben
Das TLPD-Triebwerk ist so konstruiert, dass es auf 20 % und bis zu 110 % seines optimalen Schubs gedrosselt werden kann. Eine solche „tiefe“ Drosselung, also die Möglichkeit, die Leistung des Triebwerks wirklich zu variieren, ist für die Landung von Raketenstufen auf der Erde oder von Raumfahrzeugen auf dem Mond oder anderen Planetenkörpern erforderlich.
Die gerade in Phase A abgeschlossenen Heißbrandtests waren ursprünglich als rein statische Tests geplant, bei denen die Fähigkeit des Motors getestet wurde, mit konstanter Rate zu zünden. Der Motor wurde 17 Mal für bis zu 10 Sekunden gezündet, während die einströmende Menge an Kraftstoff und Oxidationsmittel konstant gehalten wurde.
Die ersten Ergebnisse waren so vielversprechend, dass die Teams beschlossen, früher als geplant mit der nächsten Phase fortzufahren – der dynamischen Drosselung. Der Motor wurde noch zweimal gestartet, jedes Mal für 15 Sekunden, wobei der Schub zwischen 20 % und 80 % des optimalen Niveaus variiert wurde.
Sobald die Ergebnisse analysiert wurden, wird der TLPD-Motor wieder eingebaut und der volle Umfang der geplanten dynamischen Tests mit noch längeren Zündzeiten beginnt. Diese Testreihe wird voraussichtlich im Oktober beginnen und die „Drosselbarkeit“ des Motors wirklich auf die Probe stellen.
Das Future Launchers Preparatory Program der ESA und Lukasiewicz-ILOT führen derzeit Gespräche über die Fortführung des Projekts, wobei auf den Testergebnissen aufgebaut und an der Entwicklung eines insgesamt drosselbaren Flugtriebwerks gearbeitet werden soll.