Zwei Prototypen des Rotationsdetonationsraketentriebwerks (rotation detonation rocket engines, RDRE) von Astrobotic haben erfolgreich eine Reihe von Heißlauftests im Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama absolviert, wie Astrobotic am Donnerstag mitteilte. Bei insgesamt acht Tests liefen die beiden Triebwerke kumuliert 470 Sekunden ohne erkennbare Schäden an der Hardware. Die Kampagne beinhaltete auch einen einzelnen, 300 Sekunden dauernden Testlauf, was nach Angaben von Astrobotic ein Rekord für die bislang längste Brenndauer eines RDRE sein dürfte.
Das neuartige Raketentriebwerk namens Chakram habe bei den Tests mehr als 17,8 kN entwickelt, was es zu einem der stärksten RDREs mache, die bisher getestet wurden, so Astrobotic. Mit Ausnahme von zwei absichtlich kurzen Zündungstests hätten alle Heißläufe im Rahmen der Kampagne einen thermisch stabilen Zustand, was einen beständigen und dauerhaften Betrieb belege.
Antrieb für künftige Mondlander?
Astrobotic will mit RDREs nach eigenen Angaben die Leistung und Nutzlastkapazität seiner künftigen Raumfahrzeuge verbessern, dazu gehören Mondlandefähren, wiederverwendbare Raketen und ein orbitales Transfervehikel, das derzeit entwickelt wird.
"Chakram hat unsere Erwartungen mehr als übertroffen. Bei jeder Spitzentechnologie wie einem RDRE macht man sich beim Übergang vom Entwurf zur Testphase immer Sorgen um unbekannte Faktoren, die für die Leistung entscheidend sein könnten. Aber das Triebwerk hat sogar noch besser abgeschnitten als erwartet", so Bryant Avalos, leitender Forscher bei Astrobotic für das Chakram-Programm. "Die 300-sekündige Zündung war das Tüpfelchen auf dem i. Demonstrationen wie diese zeigen, wie die RDRE-Technologie eine Vielzahl von Astrobotic-Missionen unterstützen könnte, vom Antrieb zukünftiger Mondlandefähren bis hin zu Orbitaltransferfahrzeugen im Weltraum und anderen Fähigkeiten, die dazu beitragen werden, die Operationen im cislunaren Raum auszuweiten."
Wie Rotationsdetonationstriebwerke funktionieren
Rotationsdetonationstriebwerke (RDE) funktionieren anders als herkömmliche Triebwerke: Der Verbrennungsprozess läuft mit Überschallgeschwindigkeit ab (man nennt das Detonation) und führt zu einem Druckgewinn. In herkömmlichen Triebwerken verbrennt das Treibstoff-Oxidator-Gemisch mit Unterschallgeschwindigkeit (das nennt man Deflagration) und sie arbeiten bei konstantem Druck.
Vorteile von RDEs sind ihr einfacher und kompakter Aufbau und ihre hohe Effizienz. Herzstück ist eine zylindrische Ringbrennkammer, Einspritzdüsen am Lufteinlass und einer Zündanlage. Der Treibstoff wird kontinuierlich eingespritzt, mit der einströmenden Luft (bei luftatmenden Antrieben) oder dem Oxidator (bei Raketentriebwerken) vermischt und initial extern gezündet. Die Geometrie begünstigt die Entstehung einer oder mehreren umlaufenden Schockwellen, die die Brennkammer mit hoher Frequenz umrunden.
Hinter der Detonationsfront folgt ein Bereich mit hohem Druck, der das Gemisch verdichtet, erhitzt und zündet. So ergibt sich eine selbst erhaltende Verbrennung. Dadurch, dass sich die Verbrennungsprodukte ausdehnen und der Druck abfällt, wird frisches Gemisch in die Brennkammer gesaugt. Die Verbrennungsprodukte verlassen die Brennkammer am hinteren Ende.
Astrobotic plant technische Ausreifung
RDEs können aus derselben Menge Treibstoff mehr Arbeit extrahieren als konventionelle Triebwerke. Rotationsdetonationstriebwerke sind interessant für militärische Anwendungen, beispielsweise Lenkflugkörper, aber auch für die Raumfahrt. Dort bieten sie das Potenzial, den spezifischen Impuls und das Verhältnis von Schub zu Gewicht zu steigern. Zudem ermöglichen sie eine verbesserte Triebwerksintegration und mehr Platz für Nutzlast durch ihre kompakte Bauweise.
Die Entwicklung und die Tests des Chakram-Triebwerks wurde von der NASA finanziell unterstützt. Astrobotic will den Antrieb durch weitere Designverbesserungen und Testkampagnen ausreifen. Dabei will sich das Unternehmen auf die Themen Kühlung, Drosselung und Gewichtseinsparungen konzentrieren.
"Diese Testreihe war ein großer Erfolg, und wir haben alle unsere Ziele erreicht", sagte Monica Traupmann, Mitforscherin im Chakram-Programm. "Die Daten aus diesen Tests bilden eine solide Grundlage für die nächste Phase der RDRE-Entwicklung und werden als Orientierung für künftige Triebwerkskonstruktionen dienen."
