Lampoldshausen testet Raketenantriebe mit Methan

Der Test des DLR (Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt) mit dem neuen Raketenantrieb lief erfolgreich. Das Triebwerk Prometheus® wurde am modernisierten Prüfstand P5 in Lampoldshausen gezündet. Die Tests liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung wiederverwendbarer Raketenantriebe.

Methan-Antriebe jetzt auch am P5

Die Testkampagne mit dem von ArianeGroup entwickelten Triebwerk knüpft an vorangegangene Versuche am französischen Standort des Unternehmens in Vernon an. Zugleich demonstriert sie die erweiterten Testmöglichkeiten des Prüfstands P5, der Teil der Testinfrastruktur der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist und vom DLR betrieben wird. Durch die umfassende Modernisierung für den Betrieb mit Flüssigmethan können dort nun auch komplexe Betriebsabläufe methanbetriebener Raketentriebwerke untersucht werden.

Der Prüfstand P5 wurde unter anderem für den Betrieb mit Flüssigmethan und die Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Triebwerkszündungen erweitert. Damit lassen sich Betriebsabläufe untersuchen, wie sie während des Flugs einer wiederverwendbaren Raketenstufe auftreten können. Anja Frank, Direktorin der DLR-Einrichtung Raumfahrtantriebe erläutert: "Mit dem modernisierten P5 können wir schubstarke methanbetriebene Raketentriebwerke zuverlässig und umfassend testen. Dabei untersuchen wir nicht nur einzelne Betriebszustände, sondern auch das Zusammenspiel verschiedener Phasen – von längeren Heißläufen über große Schubänderungen bis hin zur erneuten Zündung des Triebwerks. Damit haben wir eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung zukünftiger wiederverwendbarer Raketenantriebe geschaffen."

Der Prüfstand versorgt das Triebwerk während der Versuche mit den benötigten Treibstoffen und Gasen und stellt die erforderlichen Druck- und Temperaturbedingungen sicher. Umfangreiche Messsysteme erfassen dabei unter anderem Schub, Treibstoffdurchfluss, Druckverhältnisse und Temperaturen. Die gewonnenen Messdaten ermöglichen es, sowohl das Verhalten des Triebwerks als auch die Abläufe am Prüfstand detailliert zu analysieren.

Mehrfachstart belastet Material und Technik

Wiederverwendbare Raketenantriebe müssen sich während einer Mission mehrfach zünden lassen. Nach dem Start kann es beispielsweise erforderlich sein, den Antrieb abzuschalten und für ein Rückkehr- oder Landemanöver erneut zu zünden. Die zuverlässige Wiederzündung stellt dabei hohe Anforderungen an das Triebwerk und die Testinfrastruktur. Die aktuelle Testkampagne zeigt, dass sich am modernisierten P5 auch komplexe Abfolgen aus wiederholten Zündungen und stabilen Betriebsphasen erfolgreich erproben lassen. Solche wiederholten Zündungen stellen auch an den Prüfstand besondere Anforderungen.

Nach jedem Heißlauf müssen das Triebwerk und die Versorgungssysteme sicher heruntergefahren und für den nächsten Start vorbereitet werden. Dazu gehören unter anderem das Entleeren und Spülen der Versorgungssysteme sowie das erneute Einstellen der erforderlichen Druck- und Temperaturbedingungen. "Bis zu fünf Zündungen an einem Versuchstag stellen hohe Anforderungen an das Zusammenspiel der Prüfstandssysteme. Dass wir diese Abläufe automatisiert, sicher und reproduzierbar durchführen können, ist ein wichtiger Schritt für die Erprobung wiederverwendbarer Antriebe", sagt Anja Frank.

Düse ermöglicht variablen Schub

Neben mehrfachen Zündungen ist die gezielte Regelung des Schubs eine weitere Voraussetzung für wiederverwendbare Raketenantriebe. Während beim Start einer Rakete hoher Schub benötigt wird, muss sich die Triebwerksleistung in späteren Flugphasen gezielt anpassen lassen – insbesondere bei der Rückkehr und Landung einer wiederverwendbaren Raketenstufe.

Der modernisierte Prüfstand P5 ermöglicht es, unterschiedliche Schubstufen und die Übergänge zwischen ihnen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Dabei lässt sich ermitteln, wie stabil das Triebwerk bei verschiedenen Leistungsstufen arbeitet, wie es auf schnelle Schubänderungen reagiert und welchen thermischen und mechanischen Belastungen es dabei ausgesetzt ist. Die Ergebnisse fließen in die weitere Entwicklung und Erprobung des Prometheus®-Triebwerks ein.

Prometheus®: Methan statt Wasserstoff

ArianeGroup entwickelt das Prometheus®-Triebwerk mit Unterstützung der ESA. Das Triebwerk nutzt die Treibstoffkombination Flüssigmethan und Flüssigsauerstoff und gehört zur 100-Tonnen-Schubklasse. Eine wesentliche Neuerung des Prometheus®-Konzepts ist die Verwendung von Flüssigmethan als Treibstoff. Im Vergleich zu Flüssigwasserstoff besitzt es eine deutlich höhere Dichte und kann bei höheren Temperaturen gelagert werden. Dies erleichtert die Auslegung und Handhabung der Tanks und Versorgungssysteme.

Neben der angestrebten Wiederverwendbarkeit und einer flexiblen Schubregelung zielt die Entwicklung darauf ab, die Herstellungskosten gegenüber bisherigen Triebwerksgenerationen deutlich zu reduzieren. Dazu tragen unter anderem ein vereinfachtes Design und moderne Fertigungsverfahren wie die additive Fertigung bei. Die Entwicklung des Prometheus®-Triebwerks wird im Rahmen des Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) der ESA finanziert, das neue Technologien für zukünftige europäische Trägerraketen vorantreibt.

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