Edelstahl für BERTA

Am 18. Februar 2018 erreichte die Europäische Weltraumorganisation ESA einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu neuen wirtschaftlicheren Raketen: Am Prüfstand P8 in Lampoldshausen absolvierte das BERTA (Biergoler Raumtransportantrieb) -Triebwerk erfolgreich seinen ersten Testlauf. Im 3D-Druck-Verfahren wurden sowohl der Einspritzkopf, der aus einer korrosionsbeständige Nickelbasislegierung besteht, wie auch die Brennkammer aus Edelstahl durch selektives Laserschmelzen, hergestellt.
 
Der P8 ist ein Forschungs- und Entwicklungsprüfstand beim DLR in Lampoldshausen, der gemeinschaftlich vom DLR, der französischen Raumfahrtagentur CNES und dem industriellen Partner ArianeGroup genutzt wird. Die Verantwortung für den Betrieb und die Durchführung der Tests liegt bei dem Prüfstandteam des DLR. Mit dem jüngsten Hot-Fire-Test einer Raketenschubkammer bringt die ESA den 3D-Druck in großem Maßstab in die Triebwerkskonzeptionierung.

Die Brennkammer aus Edelstahl wurde von ArianeGroup im Rahmen des ESA-Vorbereitungsprogramms „Future Launchers“ entwickelt. Sie hilft dabei, Strömungs- und Wärmeübertragungsphänomene auf durch 3D-Druck erzeugten Oberflächen zu untersuchen. Dazu wird der Kühlmechanismus über einen Adapter zwischen der Brennkammer und dem Injektorkopf von der Treibmittelzuführung abgelenkt. Dadurch können Ingenieure das Kühlsystem unabhängig vom Verbrennungsprozess flexibler untersuchen, um die thermodynamischen und fluiddynamischen Eigenschaften der additiv hergestellten Strukturen und Oberflächen zu untersuchen. Für die Testläufe im Prüfstand werden daher kryogene Treibstoffe verwendet. „Dieser Hot-Fire-Test ist eine Möglichkeit, die Wirksamkeit unserer Prozesse zu demonstrieren und mehr über die Strömungsphänomene in additiv hergestellten Raketentriebwerken zu erfahren", sagte Wenzel Schoroth, Antriebstechniker bei der ESA.

Additive Fertigung
Für den Triebwerksbau kann das 3D-Druck Verfahren verschiedene Vorteile bieten. So können zum Beispiel die Produktionszeiten signifikant verringert werden. Derzeit werden Brennkammern in Europa zuerst gegossen und geschmiedet. Anschließend werden Kühlkanäle ausgefräst, die dann mittels galvanischer Prozesse abgedeckt werden. Die üblichen Lieferzeiten betragen bis zu eineinhalb Jahren. Mittels additiver Fertigung können vollständige Triebwerke bereits innerhalb weniger Wochen geliefert werden. 

Im 3D-Druck-Verfahren sind komplexere Strukturen möglich, die sich in konventionellen Verfahren nicht herstellen lassen. So enthält BERTA ein komplexes Design für Kühlkanäle, das ein verbessertes Kühlverhalten der Brennkammer sicherstellen soll. Anstelle Kanäle zu fräsen konnten diese nun direkt in die Kammerwände gedruckt werden. Durch die verbesserte Kühlung können Brennkammern zukünftig kompakter gebaut werden, was Material einspart. „Die additive Fertigung eröffnet Europa neue Wege, Triebwerke zu fertigen“, sagt Lysan Pfützenreuter, Projektleiterin beim DLR Raumfahrtmanagement. „Mit dem erfolgreichen Nachweis der Technologie wird ein wichtiger Schritt in Richtung einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit europäischer Trägersysteme gegangen.“


Für einen Referenzschub von 2,45 Kilonewton ausgelegt, konnte BERTA nun für 560 Sekunden getestet werden. Entwickelt wurde das Triebwerk im Rahmen der Forschungen für zukünftige europäische Trägersysteme (Future Launcher Preparatory Programme/FLPP) der ESA. Deutschland ist seit Jahren größter Beitragszahler im FLPP-Kernprogramm. Das DLR Raumfahrtmanagement steuert die Verwendung der Mittel innerhalb von FLPP und berät die ESA bei der Durchführung einzelner Projekte. Die Erkenntnisse aus dieser Testkampagne werden auf zukünftige Motorkonzepte angewendet, um einen Schubbereich von etwa 2–10 kN zu erreichen. Triebwerke dieser Art können sehr zuverlässig und mehrfach gezündet werden und eignen sich somit für längere Missionen, wie zum Beispiel In-Orbit-Transportanwendungen (Kickstages und Raumschlepper), Mikrolaunchers, und Erkundungsraumfahrzeuge wie zum Beispiel Mondlander.

Die Schubkammer des Triebwerks ist für lagerfähige Treibstoffe ausgelegt, die als Flüssigkeiten bei Raumtemperatur gelagert werden können. Weitere Aktivitäten konzentrieren sich auf den Einsatz von umweltfreundlichen grünen Treibmitteln für einen größeren Motor mit einem Schub von 5 kN. Darüber hinaus entwickelt die ESA eine Technologie für die additive Fertigung für größere Motordemonstratoren mit kryogenen Treibmitteln wie zum Beispiel Prometheus und ETID.

Neue Technologie
Die Testkampagne dauert vier Wochen, die Ergebnisse werden dann auch in weitere aktuelle Entwicklungsvorhaben der ESA einfließen. So sollen 3D-Druckverfahren für Weiterentwicklungen der Ariane-6-Triebwerke Vinci und Vulcain eingesetzt werden.

Die zukünftige europäische Trägerrakete Ariane 6 soll 2020 zum ersten Mal ins All starten. Um alle Nutzlasten sicher auf ihre Umlaufbahnen zu bringen, müssen zuvor die Triebwerke für den neuen Träger ausführlich getestet werden. Für den Test der Oberstufe der neuen Trägerrakete ist am 26. Februar 2019 ein zentraler Schritt erfolgt: Ebenfalls in Lampoldshausen wurde der neue Prüfstand P5.2 eröffnet. Mit diesem Prüfstand können in Zukunft kryogene Oberstufen unter Bodenbedingungen getestet werden. Die Besonderheit des Prüfstands liegt darin, dass nicht nur Triebwerke oder deren Komponenten sondern die komplette kryogene Oberstufe, das sogenannte „Upper Liquid Propulsion Module“ (ULPM), der europäischen Trägerrakete Ariane 6 getestet werden kann.

„Der neue Prüfstand ist eines der größten Projekte in der Geschichte des DLR-Standorts in Lampoldshausen und europaweit einzigartig. Er ist unsere Antwort auf die neuen Anforderungen im weltweiten Raumtransport: anpassungsfähig in kurzer Zeit, flexibel im Einsatz und kosteneffizient. Dieser Prüfstand spiegelt die strategische und wirtschaftliche Bedeutung des europäischen Raumtransports wider und trägt maßgeblich zum Erhalt eines sicheren, wettbewerbsfähigen und unabhängigen Zugangs zum All bei“, sagte der DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Pascale Ehrenfreund.
 

Share this