Warum das Aerospike-Triebwerk die Zukunft von Raketen und Raumfahrt ist

Das innovative Raketentriebwerk könnte die Raumfahrt, wie wir sie kennen, revolutionieren.

Raketen sind seit ihrer Einführung im 20. Jahrhundert weitgehend unverändert geblieben. Von Apollo 11 im Jahr 1969 bis zu den SpaceX Falcon Heavy-Missionen, die 2018 begannen, wurden beide von Raketen mit glockenförmigen Düsen angetrieben. Dieses Design ist also nicht nur bewährt, sondern auch robust genug, um Raumfahrzeuge außerhalb der Erdumlaufbahn zu befördern. Aber was wäre, wenn es einen besseren Weg gäbe?

Diejenigen, die hinter dem Aerospike-Raketentriebwerk stehen, glauben das sicherlich. Dieses relativ innovative Konzept verspricht, die Mängel der frühen Glockendüsenraketen auszunutzen, die ineffizient, teuer und schwer waren. Seit den 1950er-Jahren beschäftigen sich Ingenieure mit dem Konzept des Aerospike-Triebwerks, das Interesse erwachte jedoch Anfang der 2000er-Jahre mit dem NASA-Projekt X-33 wieder. Tatsächlich hat das deutsche Militär erst in diesem Jahr einen Auftrag an Polaris vergeben, ein kleines Start-up, das ein neues lineares Aerospike-Raketentriebwerk testet.

Bevor wir beginnen, sprechen wir darüber, wie konventionelle Raketen funktionieren – und wie der Aerospike uns auf die nächste Stufe bringen kann. Falls es noch nicht klar war: Alle Raketen müssen eine Düse irgendeiner Art verwenden, um heiße Abgase zu beschleunigen und so Schub zu erzeugen. Die Düse selbst ist nichts anderes als ein speziell geformtes Rohr, durch das heiße Gase strömen können.

Alle Raketen funktionieren nach Newtons drittem Bewegungsgesetz:

Oben abgebildet sind herkömmliche glockenförmige Raketendüsen – auch als konvergente-divergente Düsen bekannt – auf der Raumfähre Discovery. Wie der Name schon sagt, konvergiert die Düse bis zu einem Quetschpunkt und divergiert und dehnt sich dann zum Ausgang hin aus. Die Größe des Konvergenzpunkts (auch als Düsenhals bekannt) kann geändert werden, um die von der Rakete erzeugte Schubmenge abzustimmen. Dieser Prozess ist von entscheidender Bedeutung, da dieses Design in verschiedenen Höhen unterschiedliche Leistungsniveaus erzeugt.

Das bedeutet, dass die Größe des Düsenhalses so gewählt werden muss, dass während des Brennzyklus beim Steigen des Raumfahrzeugs eine optimale Leistung erzielt wird. „Grundsätzlich wählt man die beste Betriebshöhe … und dann stellt man fest, dass die Effizienz abnimmt, wenn man in großer Höhe ankommt, da man nicht den größtmöglichen Schwung erhält“, sagt Stephen Whitmore, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Utah State University. Dies ist ein bemerkenswerter Nachteil der Glockendüsenkonstruktion, der die Ingenieure dazu zwingt, einen kalkulierten Kompromiss bei der Größe des Düsenhalsabschnitts einzugehen.

Die Glockendüse ist im Weltraum tatsächlich effizienter als in der Nähe der Erdoberfläche. Dies liegt daran, dass der Luftdruck in unserer Atmosphäre den von jeder einzelnen Rakete erzeugten Schub hemmt – was bedeutet, dass sie im Weltraum mehr Schub erzeugen als auf der Erde.

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Das Aerospike-Triebwerk – genauer gesagt das konische Aerospike – sieht einer herkömmlichen Rakete ziemlich ähnlich und funktioniert nach weitgehend demselben Prinzip: dem Austausch von Wärmeenergie gegen kinetische Energie. Im Querschnitt oben sehen Sie, dass der Aerospike einen, nun ja, spitzenförmigen Abschnitt verwendet, der dort hineinpasst, wo sich der divergente Teil einer Glockendüse befinden würde. „Es ersetzt diese feste Grenze durch eine freie Grenze … anstatt dass die Glockenform eine äußere Grenze ist, ist es eine innere Grenze, gegen die man stößt“, sagt Whitmore.

Möglicherweise haben Sie auch einen linearen Aerospike-Motor gesehen, bei dem es sich im Wesentlichen um einen konischen Aerospike handelt, der ausgerollt und abgeflacht wurde. Diese Konfiguration wurde für Projekt X-33 verwendet, da sie besser zur flachen Form des Raumfahrzeugs passte. „Der lineare Aerospike für den X-33 wurde im Wesentlichen davon bestimmt, wie die Basis des X-33 aussah“, sagt Whitmore.

Schlicht und einfach, es handelt sich im Wesentlichen um eine Glockendüse, die auf den Kopf gestellt und von innen nach außen gedreht wurde. Dies bedeutet, dass die Aerospike-Düse nicht nur kleiner verpackt werden kann als eine Glockendüse, sondern auch Höhenunterschiede wesentlich effektiver ausgleichen kann. Dies führt zu einem erheblich geringeren Leistungsabfall, während die Rakete an die äußeren Ränder der Erdatmosphäre katapultiert wird.

Vielleicht sind Sie jetzt neugierig, warum wir immer wieder erwähnen, wie wichtig es ist, Gewicht zu reduzieren und die Leistung für die Erforschung des Weltraums zu steigern. Während Gewichtsreduzierung oft als eine Möglichkeit bezeichnet wird, schneller voranzukommen, geht es bei der Erforschung des Weltraums vor allem darum, eine schwerere Nutzlast weiter zu transportieren. Um einen Einblick zu geben, erwähnte Whitmore, dass jedes Pfund Nutzlast derzeit etwa 10.000 US-Dollar kostet, um es ins All zu bringen.

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Neben ausreichenden Effizienzgewinnen verspricht das Aerospike-Triebwerk auch Vorteile bei der Steuerung.

Glockendüsenraketen verwenden mechanische Systeme, sogenannte Kardanringe, um einen unterschiedlichen Schub zu erzeugen, der zur Steuerung der Richtung eines bestimmten Raumfahrzeugs verwendet wird. Dabei handelt es sich um ein System hydraulischer Aktuatoren, die die Richtung anpassen, in die die Raketendüse zeigt. Dieses System bietet nicht nur nicht viel Kontrolle, sondern erhöht auch das Gewicht, was die Effizienz beeinträchtigt.

Während Kardanringe aktive Systeme zur Steuerung des Differentialschubs sind, nutzt ein Aerospike-Triebwerk einen passiven Prozess namens Druckinjektion.

Passiver Differentialschub bedeutet, dass die Wolke der Rakete manipuliert werden kann, ohne dass die schweren Kardangelenke erforderlich sind, die man bei Glockendüsenraketen kennt. Anstatt die Richtung der Düse selbst zu ändern, kann der Aerospike Druck durch eine Reihe von Öffnungen und Durchgängen innerhalb des Spikes selbst injizieren, um zu manipulieren, wohin die Kraft fließt. Neben der Vereinfachung des Prozesses bedeutet die Reduzierung des Gewichts der Kardanringe, dass die Raketen viel effizienter sein können – leichtere Raumfahrzeuge verbrauchen weniger Treibstoff, um eine bestimmte Distanz zurückzulegen.

Sehen Sie sich das Video unten an, um einen Gimbal-Test in Aktion an einem J-2X-Motor zu sehen – und drehen Sie die Lautstärke herunter!

Anders als Sie vielleicht denken, befindet sich der Aerospike tatsächlich schon seit einiger Zeit in der Designphase. Die Rocketdyne Propulsion & Power-Einheit von Boeing legte in den 1960er und 70er Jahren den Grundstein für denselben Aerospike, über den wir heute schreiben.

Das NASA-Projekt X-33 brachte Ende der 90er und Anfang der 2000er Jahre den Stein ins Rollen. In Zusammenarbeit mit Lockheed Martin Aeronautics Co. in Palmdale, Kalifornien, haben sie die ursprüngliche Idee übernommen und sie mit neuen Technologien und Materialien auf den neuesten Stand gebracht.

Es ist kein Zufall, dass das Aerospike-Triebwerk die meisten Kriterien erfüllt, nach denen die NASA in ihren Plänen zum Bau einer wiederverwendbaren Trägerrakete (RLV) gesucht hat, die ein Antriebssystem benötigt, das leicht und effizient, aber robust genug ist, um sie in den Weltraum zu befördern. Außerdem muss der Betrieb erschwinglich genug sein, eine hohe Zuverlässigkeit bieten und kurze Abfertigungszeiten zwischen den Flügen bieten.

Die Validierungstests begannen 1998, nicht lange nach der Gründung der Arbeitsgruppe. Die Verfahren fanden im Stennis Space Center der NASA in Mississippi statt, wo der Aerospike im Frühjahr 2000 zum ersten Mal gezündet wurde. Insgesamt führte das Team 14 Heißfeuertests durch – laut NASA-Angaben zum Hochfahren des Triebwerks.

Bei all den versprochenen Vorteilen des Aerospike fragen Sie sich vielleicht, warum die NASA die Glockendüse nicht bereits aufgegeben hat. Spoiler-Alarm: Am Aerospike muss noch etwas gearbeitet werden, bevor er mit Passagieren an Bord im Heck eines Raumschiffs untergebracht werden kann.

Whitmore stellte fest, dass das neue Design viel höhere Temperaturen im Düsenhals erzeugt – die vorhandenen Materialien, die in Glockendüsen verwendet werden, würden einfach einfach schmelzen. „Diese erhöhte Erwärmungsstufe erfordert, dass die Betriebsdüsen Halseinsätze verwenden, die aus exotischeren Materialien wie hochschmelzenden Metallen, pyrolytischem Graphit oder Bornitrid – einem Material, das zur Isolierung von Kernreaktorkammern verwendet wird – hergestellt werden“, sagt Whitmore.

Obwohl der Aerospike eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich bringt, warnte Whitmore, dass er nicht das Allheilmittel sei, das viele von ihm versprochen hatten. Er geht davon aus, dass Aerospikes die Glockendüsenraketen wahrscheinlich erst in etwa 20 Jahren ersetzen werden. Es handelt sich um eine Idee, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie schon seit geraumer Zeit im Umlauf ist, aber angesichts der Fortschritte, die die Materialwissenschaften in so kurzer Zeit gemacht haben, tatsächlich Wirklichkeit werden könnte.

Matt Crisara stammt aus Austin und hat eine unbändige Leidenschaft für Autos und Motorsport im In- und Ausland. Als Autoredakteur für Popular Mechanics schreibt er den Großteil der Automobilberichterstattung in digitaler und gedruckter Form. Zuvor war er als Autor für Motor1 tätig, nachdem er Praktika bei Circuit Of The Americas F1 Track und Speed ​​City absolviert hatte, einem Radiosender in Austin, der sich auf die Welt des Motorsports konzentriert. Er erwarb einen Bachelor-Abschluss an der University of Arizona School of Journalism, wo er mit dem University Club Team Mountainbike-Rennen fuhr. Wenn er nicht arbeitet, genießt er Sim-Racing, FPV-Drohnen und die freie Natur.

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