Hybridraketenantriebssystem punktet mit Kosteneffizienz und gesteigerter Leistung
Feste und flüssige Treibstoffe funktionieren über die Verbrennung in Gegenwart von Sauerstoff, wodurch heiße Gase erzeugt werden. Werden diese aus der Rakete ausgestoßen, setzt sich die Rakete vorwärts in Bewegung, ganz wie es schon Newton in seinem dritten Gesetz der Bewegung beschrieben hat. Mit Hilfe der EU-Finanzierung des Projekts ORPHEE ("Innovative propellants in hybrid propulsion technology and its applications in space transportation") wollten die Wissenschaftler hier den Status quo verbessern. Hybridraketen brennen einen festen Treibstoffs in Gegenwart eines flüssigen Oxidationsmittels ab. Der feste Treibstoff bietet den Vorteil der unkomplizierten Handhabung und der geringeren Kosten, während die Flüssigkeit eine justierbare Steuerung des Durchlaufs (Drosselung) ermöglicht, durch die ein präziseres Manövrieren und ein sichererer Eintritt in die Umlaufbahn gewährleistet werden. Bisherige Vorschläge für Hybridraketen hatten die Vergrößerung der brennenden Fläche zum Erreichen der gewünschten Leistung zum Schwerpunkt, was aber eine nicht gewollte Zunahme an Gewicht und Volumen zur Folge hatte. ORPHEE wollte nun die Regression des festen Treibmittels, d. h. die Rate optimieren, mit welcher der Feststoff bei seiner Verbrennung schwindet. Eine Steigerung der Regression wird das Festtreibstoff-Kornvolumen reduzieren und somit die Leistung verbessern. ORPHEE untersuchte drei ausgewählte Anwendungen, bestehend aus oberen Hybridstufen, Mond- oder Mars-Landefahrzeugen und kostengünstigen First-stage-Boostern. Die Wissenschaftler charakterisierten zuerst anhand kleiner Verbrennungsexperimente Treibstoffkandidaten für sämtliche Anwendungen. Bei der Überführung des Prozesses in einen größeren Maßstab ergaben sich neue Einblicke in die mechanischen Eigenschaften der Treibstoffkörner, die Anpassungen in der Herstellung und somit eine deutlich verbesserte Treibstoffkornqualität nach sich zogen. Im letzten Projektjahr wurden neue Formulierungen unter Zusatz von Metallpulvern entwickelt, um die Festbrennstoffregression zu erhöhen. In Verbrennungstests ließen sich nicht die gleichen erwarteten Anstiege der Regression nachweisen, wie sie in kleineren Maßstäben beobachtet wurden. Derartige Beobachtungen gestatteten jedoch die Einbeziehung der wichtigsten Parameter, die durch einen Wechsel der Größenordnung bei den vielen entwickelten rechnerischen Modellen beeinflusst werden. Dieses Wissen wird für die nachfolgenden Design-Studien besonders wichtig sein. Man entwickelte Demonstratoren für die drei Anwendungen und führte vorläufige CFD-Untersuchungen (numerische Strömungsmechanik, Computational Fluid Dynamics) durch. Überdies wurde auf Grundlage der ORPHEE-Ergebnisse ein Fahrplan für Hybridtechnologien vorbereitet. Langfristig erwartet man von ORPHEE erhebliche Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Raumfahrtprogramme.
