Computational Engineering Algorithmus entwirft autonom 20-Tonnen-Raketentriebwerk

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LEAP 71, Pionier im Bereich Computational Engineering, und HBD, Hersteller von großformatigen 3D-Metalldruckern, haben eines der komplexesten Raumfahrt-Antriebssysteme der Welt entwickelt und gefertigt – und das ohne klassisches CAD, sondern mithilfe eines autonomen Algorithmus.

Das Triebwerk mit der Bezeichnung XRA-2E5 wurde mithilfe von Noyron entwickelt, dem großen „Computational Engineering“-Modell von LEAP 71. Vereinfacht gesagt handelt es sich dabei um eine Konstruktions-KI, die komplexe 3D-Geometrien nicht durch manuelles Modellieren, sondern rein algorithmisch aus physikalischen Anforderungen und Fertigungsregeln berechnet. Die Software nutzt diese Prinzipien, um völlig autonom und ohne menschliches Eingreifen funktionale Designs zu generieren. 

„Aerospikes gelten oft als der Heilige Gral der Raumfahrtantriebe“, erklärt Josefine Lissner, CEO von LEAP 71 und Chefarchitektin von Noyron. „Sie versprechen große Leistungsvorteile gegenüber herkömmlichen Triebwerken, aber ihre komplexe Geometrie hat Konstruktion, Fertigung und Betrieb in der Vergangenheit extrem schwierig gemacht. Durch die Kombination von Computational Engineering mit fortschrittlicher additiver Fertigung können wir sie nun endlich zum Fliegen bringen.“

Das neue Triebwerk teilt seine Entwicklungs-DNA mit zwei früheren von Noyron generierten Aerospike-Triebwerken, die LEAP 71 in den vergangenen 15 Monaten bereits Heißtests (Hot-Fires) unterzogen hat. Das aktuelle 200-kN-Design ist den Angaben zufolge der größte jemals produzierte 3D-gedruckte Aerospike und eignet sich speziell für die Oberstufen großer wiederverwendbarer Trägerraketen.  

Die konstruktive Herausforderung: „Inside-Out“-Architektur

Aerospike-Triebwerke verwenden eine ringförmige (toroidale) Brennkammer und einen zentralen Stachel (Spike). Um die enormen thermischen Belastungen durch die Verbrennungsgase zu bewältigen, nutzt das XRA-2E5 eine komplexe regenerative Kühlstrategie, die dank des Software-Designs und 3D-Drucks direkt in die Struktur integriert wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Triebwerken mit glockenförmigen Düsen behalten Aerospikes vom Meeresspiegel bis ins Vakuum einen hohen Wirkungsgrad bei. Das macht sie besonders attraktiv für vollständig wiederverwendbare Trägersysteme der nächsten Generation, bei denen Booster und Oberstufe zur Erde zurückkehren. Das erfordert Antriebe, die in allen Atmosphärenschichten effizient arbeiten und sich stark drosseln lassen (Deep Throttling).

Fertigung an der Grenze des Machbaren

HBD druckte das monolithische Triebwerk am Stück in einer Rekordzeit von 289 Stunden. „Noch vor einem Jahr wäre es unmöglich gewesen, ein solches Triebwerk in diesem Maßstab herzustellen“, betont Kevin Chen, Marketingdirektor bei HBD. „Die physikalisch bedingte Geometrie des Aerospikes mit flachen Überhängen und hochkomplexen inneren Strukturen bringt selbst fortschrittliche Metalldruckverfahren an ihre Grenzen. Dass das Triebwerk gleich beim ersten Druckversuch erfolgreich hergestellt werden konnte, beweist die Stabilität und Präzision unserer großformatigen Plattform für die additive Fertigung.“

Die enge Zusammenarbeit der beiden Unternehmen stellte sicher, dass die algorithmische Designstrategie von Noyron optimal auf die Anlagenfähigkeiten des HBD-Systems abgestimmt war. Das Ergebnis ist ein vollständig integriertes monolithisches Triebwerk, gedruckt aus der Legierung Inconel 718.Das XRA-2E5 markiert einen wichtigen Meilenstein bei der Validierung der Fertigung im Rahmen von LEAP 71s mehrjährigem Projekt zur Antriebsentwicklung mit Aspire Space für das vollständig wiederverwendbare Raumfahrzeug Oryx und liefert nun die Hardware, um in die Qualifizierungsphase mit Heißtests überzugehen.

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Über HBD
HBD (Shanghai Hanbang United 3D Tech Co., Ltd.) ist ein führender chinesischer Hersteller von industriellen Metall-3D-Druckern (LPBF-Technologie) mit Hauptsitz in Shanghai. Das 2007 gegründete Unternehmen hat weltweit bereits über 1.000 Systeme installiert. Das Portfolio reicht von kleinen Plattformen bis hin zu großformatigen Multi-Laser-Systemen für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizin und Robotik.
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Über LEAP 71
Das 2023 von Raumfahrtingenieurin Josefine Lissner und Serienunternehmer Lin Kayser gegründete Unternehmen LEAP 71 (Dubai, VAE) ist ein Pionier im Bereich des Computational Engineering. Herzstück des Unternehmens ist Noyron – ein algorithmisches Software-Modell, das physische Bauteile wie Raumfahrtantriebe völlig autonom und ohne menschliches Eingreifen konstruiert. Diese Software generiert in Minutenschnelle fertige Designs, die optimal auf moderne Fertigungsverfahren wie den industriellen 3D-Druck zugeschnitten sind.