Die europäische Raumfahrtagentur ESA fördert das Projekt „AeroSPIke Rocket Engine Realisation“ (Aspirer), aus dem 2022 ein Aerospike-Triebwerk mit 6000 N Schub hervorgehen wird. Moderne Spritz-, Schweiß- und additive Fertigungstechnologien sollen dabei helfen, dem sehr sparsamen alternativen Raketenantrieb für lukrative Kleinsatelliten-Missionen zum Durchbruch zu verhelfen. Bei der Entwicklung halfen das Institut für Luft- und Raumfahrttechnik (ILR) der TU Dresden und Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS.
Komplexe, innere Kühlkanäle erfordern anspruchsvolle Fertigung
Im Gegensatz zu den klassischen glockenförmigen Raketendüsen bilden Aerospikes einen ringförmigen Spalt zwischen Stachel und Brennkammeraußenwand, um die heißen Abgase effizient in Schub umzuwandeln. Sie können sich dadurch besser an den Druck in verschiedenen Atmosphärenschichten anpassen und den Gas-Austrittsstrahl unabhängig vom Umgebungsdruck nahe an der idealen Form halten. Erdacht wurden Aerospikes bereits vor über 60 Jahren. Ihr praktischer Einsatz scheiterte aber an ihrer Komplexität und an der anspruchsvollen Fertigung. Denn mit traditionellen Verfahren lassen sich die komplexen inneren Kühlkanäle für solche Triebwerke kaum erzeugen.
Verfahren der Wahl: pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen
Samira Gruber, Alex Selbmann und Michael Müller aus der Abteilung Additive Fertigung des Fraunhofer IWS nutzen das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen für die Fertigung der zwei Kernkomponenten Stachel und Brennkammeraußenwand. Die Laseranlage schmilzt dafür eine Nickel-Basis-Superlegierung im Metallpulverbett auf und erzeugt Schicht für Schicht die Bauteile. Wichtige Anschlussflächen werden mechanisch nachbearbeitet und die Injektorbohrungen erodiert, um notwendige Toleranzen einzuhalten. Danach erhalten die Teile in der Gruppe Thermisches Spritzen an den thermisch beanspruchten Oberflächen eine keramische Hitzeschutzschicht. Sie verhindert, dass das Kernmaterial später durch die heißen Gase beim Start und während der Flugphase schmilzt. Schließlich verschweißt ein weiteres Team am Fraunhofer IWS den Spike und den Flansch mit einem Laser.
Bild: Fraunhofer IWS
Treibstoffverbrauch senken
Aerospike-Triebwerke könnten den Treibstoffverbrauch bei vielen Raketenstarts um ein Drittel senken und damit die ökologische und finanzielle Bilanz der Raumfahrt verbessern. Ein Design-Demonstrator stellte eine erste Machbarkeitsstudie eines additiv gefertigten Aerospikes dar. Eine umfangreiche Testkampagne am „Space Technologies Center – Lukasiewicz Research Network“ aus Warschau folgt. (eve)
