Am DLR in Lampoldshausen in der Einrichtung Raumfahrtantriebe ist nach eigenen Angaben erstmals in Europa ein Rotationsdetonationstriebwerk (Englisch Rotating Detonation Engine, RDE) mit Flüssigsauerstoff erfolgreich gezündet und betrieben worden. Das geht aus einem Instagram-Beitrag des DLR vom 19. März hervor.
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Für den Testlauf auf einem Prüfstand sei der Sauerstoff schrittweise von gasförmig bis zu rund -183 Grad Celsius heruntergekühlt worden. "Unter diesen extremen, realistischen Bedingungen entstehen rotierende Detonationswellen, die Energie besonders effizient freisetzen. Die Tests liefern entscheidende Daten, vor allem für die präzise Treibstoffeinspritzung, eine der größten Herausforderungen dieser Technologie", heißt es in dem Instagram-Beitrag.
Das DLR arbeitet nach eigenen Angaben intensiv an RDEs, um mögliche Anwendungen zu erproben. Das Ziel sind kompaktere, leistungsstärkere Raketentriebwerke in der Kilonewton-Schubklasse.
Klein, stark, effizient
Das Besondere an einer RDE: Sie ist einfach aufgebaut und benötigt keine beweglichen Teile. Die Brennkammer besteht aus zwei an den Enden offenen Zylindern, Einspritzdüsen am Lufteinlass und einer Zündanlage. Der Treibstoff wird kontinuierlich eingespritzt, mit der einströmenden Luft vermischt und am Anfang extern gezündet.
Anders als in konventionellen Brennkammern verbrennt das Gemisch mit Überschallgeschwindigkeit (man nennt das Detonation). Aufgrund des Aufbaus entstehen eine oder mehrere Detonationswellen, die die Brennkammer kontinuierlich mit hoher Frequenz umrunden. Diesen Schockwellen folgt ein Bereich mit hohem Druck, der das eingespritzte Gemisch verdichtet, erhitzt und zündet. Dadurch ergibt sich eine sich selbst erhaltende Verbrennung. Die Detonation führt theoretisch zu einem Druckgewinn und damit auch zu einer Effizienz- und Leistungssteigerung.
Das DLR hat in einem ersten Schritt eine kleine, kapazitiv gekühlte (d. h. ohne Kühlkanäle) Ringbrennkammer entworfen und gebaut. Der Außendurchmesser der Brennkammer aus Kupferlegierung beträgt nach Angaben des DLR 68 Millimeter. Aufgrund der modularen Bauweise können unterschiedliche Konfigurationen getestet werden. Ob diese Brennkammer auch bei dem kryogenen Test zum Einsatz kam, geht aus dem Instagram-Beitrag nicht hervor.
Sehr kurze Versuchsdauer
Dem Test mit kryogenem Wasserstoff gingen rund 100 Heißgasversuche in Lampoldshausen voraus. Dabei sei hauptsächlich die Treibstoffkombination Wasserstoff und Sauerstoff untersucht worden, in einigen Versuchen auch gasförmiges Methan und Sauerstoff. Aufgrund der kapazitiven Kühlung lagen die Versuchszeiten bei maximal 1,5 Sekunden. Selbst in dieser kurzen Zeit umrundet die Detonationswelle die Brennkammer mehrere tausend Mal. In dem Video des jüngsten Tests mit Flüssigsauerstoff scheint das Triebwerk rund 5 Sekunden lang zu laufen.
Interessant sind RDEs wegen ihrer Eigenschaften nicht nur für die Raumfahrt, sondern auch für Hyperschallwaffen. Weltweit arbeiten Unternehmen und Forschungsorganisationen an der Triebwerkstechnologie, in den USA beispielsweise die Triebwerkshersteller Pratt & Whitney und GE Aerospace, in Deutschland gehört die Technische Universität Berlin zu den führenden Einrichtungen in diesem Bereich.
Es gibt aber auch noch einige offene Fragen hinsichtlich RDE: Die Einspritzdüsen müssen so ausgelegt werden, dass der Druckverlust so gering wie möglich ausfällt, eine stabile Verbrennung muss gewährleistet werden und auch die Brennkammerkühlung ist eine Herausforderung.
