Raumfahrt: Hyimpulse startet hocheffiziente Hybridrakete
Die deutsche Firma Hyimpulse(öffnet im neuen Fenster) hat erfolgreich ihre SR75-Rakete(öffnet im neuen Fenster) gestartet, die als kommerzielle Höhenforschungsrakete angeboten wird und auch als Test für eine geplante orbitale Rakete namens SL1 dient.
Die Rakete hob um 7:10 Uhr mitteleuropäischer Zeit auf der australischen Koonibba Test Range erfolgreich ab(öffnet im neuen Fenster) , unklar ist derzeit jedoch, ob sich auch der Fallschirm zur Landung öffnete.
Die mit flüssigem Sauerstoff und festem Paraffin betriebene Hybridrakete ist die bislang effizienteste Rakete dieser Bauart. Solche Hybridraketen bilden eine Kompromiss zwischen Feststoffraketen und Flüssigraketen, bei denen der Brennstoff fest ist und der Oxidator flüssig.
Reine Feststoffraketen nutzen eine Mischung aus Brennstoff und Oxidator, deren Verbrennung nach der Zündung nicht mehr gestoppt, gesteuert oder neu gestartet werden kann.
In der Hybridrakete wird der Oxidator, ohne den die Verbrennung nicht stattfinden kann, als Flüssigkeit in die Brennkammer gepumpt. Dort befindet sich ein fester Brennstoff, dessen Verbrennung über den Zufluss zum Oxidator gesteuert und auch mehrfach neu gestartet werden kann. Im Vergleich zu reinen Flüssigkeitstriebwerken ist der mechanische Aufbau einfacher, weil nur eine Flüssigkeit gepumpt werden muss.
Treibstoff ohne Explosionsrisiko
Der Nachteil von Hybridraketen ist die große Brennkammer, die beim Start den gesamten Brennstoff enthält und den hohen Verbrennungsdruck aushalten muss. Ein hoher Druck erhöht die Effizienz des Triebwerks, aber das Gewicht der Brennkammer steigt mit dem Druck. In Flüssigtriebwerken kann die Brennkammer dagegen sehr klein gebaut werden und einige der besten Treibstoffe wie Wasserstoff und Methan sind auch nur als Flüssigkeiten nutzbar.
Hyimpulse nutzt eine für Hybridraketen ungewöhnliche Treibstoffkombination. Zumeist werden Kunststoffe wie Nylon oder auch Gummi als fester Brennstoff mit guter mechanischer Stabilität verwendet.
Als Oxidator kommen Wasserstoffperoxid oder Lachgas, Distickstoffmonoxid, zum Einsatz, die auch bei Zimmertemperatur flüssig bleiben können. Lachgas ist allerdings potenziell explosionsfähig und auch in konzentriertem Wasserstoffperoxid können kleine Verunreinigungen zu gefährlichen Explosionen führen.
Paraffin und flüssiger Sauerstoff sind wesentlich schwieriger zu handhaben, stellen aber kein Explosionsrisiko dar. Das Paraffin muss mit Zusätzen mechanisch stabilisiert werden, damit es nicht vorzeitig schmilzt und unverbrannt aus dem Raketenmotor ausgestoßen wird, während der Raketenmotor mit Temperaturen über 3.000 Grad Celsius brennt. Anders als Kerzenwachs sieht der Brennstoff deshalb schwarz aus.
Der Aufwand lohnt sich allerdings; der spezifische Impuls des Triebwerks ist fast so gut wie bei Triebwerken mit Kerosin und Sauerstoff mit dem gleichen Brennkammerdruck. Der spezifische Impuls entspricht dabei dem Treibstoffverbrauch bei einem gegebenen Schub oder auch der effektiven Durchschnittsgeschwindigkeit der die Verbrennungsgase. Je schneller die Gase die Düse verlassen, desto höher ist der mechanische Impuls pro Kilogramm Gas, mit dem die Rakete in die Gegenrichtung beschleunigt wird.
Der Flug in den Orbit braucht mehr Entwicklungsarbeit
Paraffin ähnelt chemisch dem Kerosin, das ebenfalls als Raketentreibstoff verwendet wird. Es besteht aber aus längeren Ketten von Kohlenwasserstoffen und hat somit einen etwas niedrigeren Wasserstoffgehalt, was die Effizienz reduziert. Andere Kunststoffe enthalten mehr Kohlenstoff und andere schwere Elemente, die die Effizienz weiter verringern.
Ähnliches gilt für den Oxidator. Sowohl Lachgas als auch Wasserstoffperoxid setzen Sauerstoff und Energie frei, wenn sie sich chemisch zersetzen, lassen aber Stickstoff oder Wasser zurück. Reiner Sauerstoff ist effizienter.
Wirklich wichtig wird der spezifische Impuls bei der geplanten orbitalen Variante der Rakete, in der ein höherer Treibstoffverbrauch direkt die Nutzlast reduziert. Neben der Wahl des Treibstoffs ist auch der Druck in der Brennkammer wichtig für die Effizienz. Aber die Brennkammer in einem Hybridtriebwerk muss den gesamten Brennstoff enthalten und den hohen Druck aushalten, womit nur Kohlefaser als Material in Frage kommt, damit die Brennkammer nicht zu schwer wird. Dennoch ist der erreichbare Brennkammerdruck, im Vergleich zu den kleinen Brennkammern der Triebwerke mit Flüssigtreibstoff, deutlich niedriger.
Turbinen für den Flug in den Orbit
Der Druck in der Brennkammer bestimmt auch den notwendigen Druck, um den flüssigen Oxidator in die Brennkammer zu pumpen. Bei der SR75 wird dieser Druck durch eine vergleichsweise schwere Heliumdruckflasche aufgebaut, was Schub und Effizienz des Triebwerks im Laufe des Fluges reduziert.
Für die geplanten Orbitalflüge wird eine turbinenbetriebene Pumpe entwickelt. Damit kann der Verbrennungsdruck kontrolliert geregelt werden. Die Turbine wird mit Gas aus der Verbrennung von Ethanol mit Sauerstoff betrieben. Turbine, Pumpe und Ethanoltank wiegen dabei weniger als der zur Zeit nötige Heliumtank, so dass die Rakete mit weniger Startmasse eine höhere Leistung erreichen kann.
Für den Flug in den Orbit werden die acht Triebwerke in der ersten Raketenstufe durch vier Pumpen versorgt und die vier Triebwerke in der zweiten Stufe durch zwei Pumpen, um den Aufwand weiter zu reduzieren. In der dritten Stufe kommen vier verkleinerte Varianten des Triebwerks zum Einsatz. Bis dahin müssen aber zunächst die Daten des ersten Flugs ausgewertet werden.
Hyimpulse ist der erste von drei deutschen Raketenherstellern, die in diesem Jahr Testflüge ihrer Raketen geplant haben. Die wesentlich besser finanzierten Firmen Rocketfactory Augsburg und Isar Aerospace hoffen jedoch, schon beim ersten Flug einen Erdorbit zu erreichen.
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