Forscher am Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben gemeinsam mit Raumfahrtexperten der TU Dresden Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher entwickelt, das additiv im Laser Powder Bed Fusion (LPB-F)-Verfahren, einem Metall-3D-Druck-Verfahren, hergestellt wurde. Der skalierte Prototyp aus Metall soll 30 % weniger Treibstoff als konventionelle Triebwerke verbrauchen.
Laser Powder Bed Fusion erleichtert Konzeption von Kühlkanälen
„Bei der Herstellung der Rakete aus Metall haben wir uns für die Additive Fertigung entschieden, da das Triebwerk eine sehr gute Kühlung und innen liegende Kühlkanäle erfordert. Dieses komplexe regenerative Kühlsystem mit innen liegenden, verschlungenen Strukturen lässt sich konventionell nicht fräsen oder gießen“, so Mirko Riede, Gruppenleiter 3D-Generieren am Fraunhofer IWS. Das Pulver wird mit Laser Powder Bed Fusion Schicht für Schicht aufgetragen und anschließend selektiv per Laser aufgeschmolzen. So entsteht nach und nach das Bauteil inklusive der einen Millimeter breiten Kühlkanäle, die der Kontur der Brennkammer folgen. Das Pulver wird nachträglich aus den Kanälen herausgesaugt. Die Anforderungen an das Metall: Es muss bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. „In der Brennkammer herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius, insofern ist eine aktive Kühlung erforderlich«, erläutert Michael Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), das gemeinsam vom Fraunhofer IWS und der TU Dresden betrieben wird.
Microlauncher bringen Satelliten ins All
Microlauncher sind eine Alternative zu herkömmlichen Trägerraketen. Die mittelgroßen Transportsysteme können Nutzlasten bis 350 kg befördern. Künftig sollen sie kleine Satelliten in den Weltraum bringen. Eine effiziente Art, diese Microlauncher anzutreiben, sind sogenannte Aerospike-Triebwerke. Diese stellen nicht nur eine erhebliche Massereduktion, sondern auch eine signifikante Treibstoffersparnis in Aussicht. Im Laufe der letzten beiden Jahre hat ein Forscherteam des Fraunhofer IWS zusammen mit dem Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden ein solches Aerospike-Triebwerk entwickelt, gefertigt und getestet. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Die Besonderheit: Treibstoffinjektor, Brennkammer und Düse werden per Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) hergestellt. Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden.
Der additiv gefertigte Prototyp auf dem Teststand
In dem Projekt „CFDμSAT“, das im Januar 2020 startete, legen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS und der TU Dresden den Fokus auf das Einspritzsystem, um die Effizienz der Antriebssysteme weiter zu steigern. Assoziierte Partner im Projekt sind die ArianeGroup und die Siemens AG. Die Fertigung der Injektoren stellt besonders hohe Anforderungen an Design und Fertigung. »Man nutzt die Treibstoffe erst zur Kühlung des Triebwerks, sie erwärmen sich und werden dann in die Brennkammer eingebracht. Dabei werden flüssiger Sauerstoff und Ethanol separat zugeführt und über einen Injektor zusammengeführt. Das so entstehende Gasgemisch wird gezündet. Es dehnt sich in der Brennkammer aus, strömt dann durch einen Spalt in der Brennkammer und wird über die Düse entspannt und beschleunigt«, erklärt Müller den Vorgang der Schubentwicklung. Die Dresdner Aerospike-Düse passt sich auf dem Weg von der Erde in den Orbit besser an die Druckverhältnisse an. Dadurch ist sie effizienter und benötigt weniger Treibstoff als herkömmliche Triebwerke. Auf dem Teststand des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden testeten die Dresdner Forscher den Prototypen des Aerospike-Triebwerks bereits. Sie erzielten eine Brenndauer von 30 Sek. „Das ist ein besonderer Vorgang, denn bislang gibt es noch kaum Tests von Aerospike-Düsen“, sagt Müller. „Wir haben nachgewiesen, dass sich mittels Additiver Fertigung ein funktionierendes Flüssigkeitstriebwerk herstellen lässt.“ eve
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