Black Engine – Innovative Schubkammer-Technologie für Raketentriebwerke
Raumfahrt
Black Engine – Innovative Schubkammer-Technologie für Raketentriebwerke
"Black Engine" ist der Name einer transpirationsgekühlten keramischen Schubkammertechnologie, die am DLR-Institut für Bauweisen- und Strukturtechnologie entwickelt wurde. Unter Ausnutzung der günstigen Materialeigenschaften von Keramischen Faserverbundwerkstoffen (CMC) wird die Brennkammer durch Transpiration des Treibstoffs durch die Brennkammerwand gekühlt. Diese hocheffiziente Kühlmethode mit ihrem geringen Druckbedarf im Gegensatz zur konventionellen Regenerativkühlung, kombiniert mit der hohen Temperaturbeständigkeit des Materials, hat das Potenzial, ein sehr effizientes Gesamtsystem zu ergeben.
Video: Black Engine (engl.)
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Video: Black Engine (engl.)
"Black Engine" ist der Name einer transpirationsgekühlten keramischen Schubkammertechnologie, die am DLR-Institut für Bauweisen- und Strukturtechnologie entwickelt wurde. Unter Ausnutzung der günstigen Materialeigenschaften von Keramischen Faserverbundwerkstoffen (CMC) wird die Brennkammer durch Transpiration des Treibstoffs durch die Brennkammerwand gekühlt. Diese hocheffiziente Kühlmethode mit ihrem geringen Druckbedarf im Gegensatz zur konventionellen Regenerativkühlung, kombiniert mit der hohen Temperaturbeständigkeit des Materials, hat das Potenzial, ein sehr effizientes Gesamtsystem zu ergeben.
Die Schubkammer - bestehend aus Einspritzkopf, Brennkammer und Expansionsdüse - als Teil eines Raketentriebwerks gehört zu den thermisch und mechanisch höchstbelasteten Teilen einer Rakete und hat damit großen Einfluss auf die Leistung, Zuverlässigkeit und die Kosten eines Trägersystems. Die Kombination aus modernen Verbundmaterialien und innovativen Designkonzepten und Kühlmethoden im Rahmen der „Black Engine“ - Technologie verspricht hier Vorteile hinsichtlich vereinfachter Herstellung, Zuverlässigkeit und Wiederverwendbarkeit.
Design und Entwicklung moderner Schubkammer-Technologien
Der Name „Black Engine“ leitet sich von den bisher überwiegend verwendeten schwarzen Kohlenstofffasern ab, die im Rahmen der Hybridbauweise für die Verbundwerkstoffkomponenten zum Einsatz kommen:
CFK für den äußeren Tragmantel
poröse, faserverstärkte Keramik für den inneren Brennkammerliner, sowie
dichte CMCs (Ceramic Matrix Composites) für die Überschall-Expansionsdüse.
Angepasst an die Materialeigenschaften der faserverstärkten Keramik, wird die Brennkammer durch Transpiration des Treibstoffs durch die Brennkammerwand gekühlt. Dazu wird ein Teil der Betriebsmedien (i.d.R. Brennstoff), anstatt für die Verbrennung, für die Kühlung verwendet. Diese jedoch äußerst effiziente Kühlmethode, zusammen mit dem, im Vergleich zur herkömmlichen Regenerativkühlung, geringen Druckverlust im Gesamtzyklus sowie der hohen Temperaturbeständigkeit des Materials, führt dabei zu einem potentiell sehr effizienten Triebwerkssystem. Das darüber hinaus modulare und last-entkoppelte bauliche Design der Brennkammer sorgt für eine signifikante Reduktion der Strukturermüdung. Der CFK-Tragmantel wird hierbei dauerfest zur Übernahme der mechanischen Vibrations- und Drucklasten, der CMC-Innenliner unabhängig davon zum Ausbalancieren des Thermalhaushalts ausgelegt. Gepaart mit äußerst geringen Thermaldehnungen der verwendeten Materialien lässt die Black Engine somit ein deutlich erhöhtes Maß an Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Wiederverwendbarkeit erwarten. Die Modularität im Strukturdesign verspricht zudem günstige Vereinfachungen in der Fertigung.
Thermalmanagement in der Brennkammer durch Transpirationskühlung
Die Mehrschalen-CMC-Expansionsdüse wird mit Hilfe des durch die poröse Innenwand transpirierten Brennstofffilms gekühlt und benötigt aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit im Überschallteil keine zusätzliche aktive Kühlung mehr. Durch diese erhebliche Systemvereinfachung wird die Sicherheit und Effizienz des gesamten Raketentriebwerksystems zusätzlich gesteigert, indem die Anforderungen an das Kühlsystem und die generelle Komplexität des integrierten Schubkammer-Designs verringert werden.
In bisherigen Entwicklungen konnte die Funktionsweise der Technologie im Brennkammerbetrieb mit der Verbrennung von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff in Versuchen bis zu 3 Tonnen Schubkraft und Testdauern bis zu 120 Sekunden z.B. am Europäischen Forschungs- und Technologieprüfstand P8 des DLR-Lampoldshausen nachgewiesen werden.
Entwicklungsziele der Technologie für die Zukunft sind die Übertragung der Technologie auf die Oxidator/Treibstoff-Kombination LOX/LCH4 sowie die generelle Weiterentwicklung im Rahmen des noch zu erwartenden Potenzials zur Erhöhung von Effizienz und Wiederverwendbarkeit.
