Technik kurz erklärt Die Entwicklung des Aerospike-Triebwerkes

Autor: M.A. Bernhard Richter

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir jede Woche ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Das Aerospike-Triebwerk

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Der Test von zwei Linear Aerospike XRS-2200-Triebwerken, die ursprünglich für das X-33-Programm gebaut wurden. Die Triebwerke wurden für 90 Sekunden gezündet und erreichten eine Maximalleistung von 85 Prozent.
Der Test von zwei Linear Aerospike XRS-2200-Triebwerken, die ursprünglich für das X-33-Programm gebaut wurden. Die Triebwerke wurden für 90 Sekunden gezündet und erreichten eine Maximalleistung von 85 Prozent.
(Bild: / CC BY-SA 3.0)

Das Aerospike-Triebwerk ist eine besondere Form des Raketentriebwerks, das seine aerodynamische Effizienz über einen großen Höhenbereich beibehält. Ein Fluggerät mit einem Aerospike-Triebwerk verbraucht 25% bis 30% weniger Treibstoff in niedrigen Höhen, wo die meisten Anwendungen den größten Bedarf an Schub haben. Aerospike-Triebwerke werden seit einigen Jahren untersucht und sind die Basis für viele Single-Stage-to-Orbit (SSTO)-Konstruktionen und waren auch als Haupttriebwerk des Space Shuttle angedacht. Allerdings befindet sich kein solches Triebwerk in der kommerziellen Produktion, obwohl sich einige große Aerospikes in der Testphase befinden.

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Funktionsweise

Grundsätzlich ist der Zweck einer jeden Triebwerksglocke, den Ausstoß eines Raketentriebwerks in eine Richtung zu lenken und in der entgegengesetzten Richtung Schub zu erzeugen. Das Hochtemperatur-Gasgemisch, hat eine effektiv zufällige Impulsverteilung. Wenn man die Gase in dieser Form entweichen lässt, bewegt sich nur ein kleiner Teil der Gasströmung in die gewünschte Richtung und trägt so zum Vorwärtsschub bei. Eine Triebwerksglocke lenkt das in die "falsche" Richtung strömende Abgas um, so dass es Schub in die richtige Richtung lenkt. Der Umgebungsluftdruck übt ebenfalls Druck auf den Abgasstrom aus, der dazu beiträgt, dass er sich beim Austritt aus dem Raketenmotor in die "richtigen" Richtung bewegt.

Wenn sich nun das Gefährt durch die Atmosphäre nach oben bewegt, reduziert sich dieser Umgebungsluftdruck. Dies führt dazu, dass der schuberzeugende Abgasstrom beginnt, sich über den Rand der Glocke hinaus auszudehnen. Er beginnt, sich in die "falsche" Richtung zu bewegen, verringert sich der Wirkungsgrad des Motors, da dieser Gasstrom nicht mehr zum Schub beiträgt. Ein Aerospike-Raketentriebwerk versucht, diesen Effizienzverlust auszugleichen.

Anstatt die heißen Gase aus einem kleinen Loch in der Mitte einer Glocke heraus abzufeuern, vermeidet ein Aerospike-Triebwerk diese zufällige Verteilung, indem es entlang der Außenkante eines keilförmigen Vorsprungs, des sogenannten "Stachel", feuert, welcher prinzipiell die gleiche Funktion wie die einer herkömmlichen Triebwerksglocke erfüllt. Die Idee hinter dem Aerospike-Design besteht darin, dass der Umgebungsdruck in niedriger Höhe den Abgasstrom gegen den Stachel komprimiert. Der Druck des ausströmenden Abgases kann durch den Massendurchsatz entsprechend variiert und so dem Umgebungsdruck der Atmosphäre angepasst werden.

Das größte Problem bei der Entwicklung eines Aerospike-Triebwerkes ist die Kühlung des Zentralkonus. Eine Verkürzung des Stachels reduziert die Auswirkung, da die Fläche, mit der die Verbrennungsgase in Berührung kommen, verkleinert wird. Eine Verkürzung des Stachels ist jedoch immer auch mit einer Verringerung der Leistung verbunden.

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Über den Autor

M.A. Bernhard Richter

M.A. Bernhard Richter

Redakteur Online/Print/Video, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht