Aerospike

Twin Linear Aerospike XRS-2200

Aerospike-Antrieb

Aerospike (engl. „Luftstachel“) ist ein Raketentriebwerk, das nicht auf dem Prinzip der glockenförmigen Raketendüse basiert. Die Änderung des Düsenprinzips ermöglicht eine Anpassung an den atmosphärischen Luftdruck in unterschiedlichen Flughöhen. Durch diese Anpassungsfähigkeit kann das Triebwerk unter optimalen Bedingungen betrieben werden. Aerospike-Triebwerke werden bereits seit Mitte der 1950er Jahre erforscht. Aufgrund der Komplexität dieses Triebwerktyps konnte ein Prototyp jedoch erst in den 1990er Jahren mit dem X-33-Programm entwickelt werden. Derzeit gibt es kein einsatzfähiges Triebwerk.^[1]

Prinzip

Datei:Düsenexpansionsverhalten.png

Expansionsverhalten einer Düse

Konventionelle Düse im Vergleich zum Aerospike

Ein traditionelles Triebwerk verwendet eine Lavaldüse, um die Hitze der ausströmenden Verbrennungsgase in Schub umzuwandeln. Der Schub eines Raketentriebwerkes wird durch die folgende Formel beschrieben:^[1]

F={\dot {m}}\cdot V_{e}+(P_{e}-P_{\mathrm {atm} })\cdot A_{e}

Er setzt sich zusammen aus der Schubkraft durch das ausströmende Abgas (Produkt aus Austrittsgeschwindigkeit $V_{e}$ und Massendurchsatz pro Zeit ${\dot {m}}$ ) und einem zweiten Formelteil, welches die Auswirkungen der Atmosphäre berücksichtigt. Es ist das Verhältnis vom Druck des ausströmenden Abgases zum atmosphärischen Druck.

Bei einer optimalen Düse entspricht der Druck des Abgases dem der Atmosphäre. Ist der atmosphärische Druck größer als der des Abgases, spricht man von einer überexpandierenden und im gegenteiligen Fall von einer unterexpandierenden Düse. Eine glockenförmige Düse ist bei einem Flug durch eine Atmosphäre für eine bestimmte Höhe (Atmosphärendruck) ausgelegt und kann deshalb während des Fluges bzw. Aufstiegs unter-, ideal- und überexpandierend sein.

Das Aerospike-Triebwerk versucht, dieses Problem zu umgehen. Anstatt die Verbrennungsgase durch eine Düse am Glockenansatz abzuleiten, verwendet der Aerospike mehrere kleinere, flach ausgerichtete Brennkammern an der Außenseite. Dabei wird aus dem Stachel auf der einen Seite und der vorbeiströmenden Luft auf der anderen Seite eine virtuelle Glocke gebildet – der Luftstachel (Aero-spike). Der Druck des ausströmenden Abgases kann durch den Massendurchsatz entsprechend variiert und so dem Umgebungsdruck der Atmosphäre angepasst werden.

Vor- und Nachteile

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Vorteile

Aerospike verbraucht in der Theorie bis zu 35 % (niedrige Höhe) weniger Treibstoff.
Die Richtungssteuerung kommt ohne komplizierte kardanische Aufhängung der Triebwerke oder Leitbleche im heißen Abgasstrahl aus, da der Schub der außenliegenden Brennkammerzellen einfach entsprechend unterschiedlich ausgesteuert wird.
Durch die Verteilung der Verbrennung auf mehrere kleine Brennkammern wird das Risiko einer Explosion deutlich verringert.
Ein Aerospike-Triebwerk ist leichter als ein traditionelles und nur etwa halb so hoch.

Nachteile

Das größte Problem bei der Entwicklung eines Aerospike-Triebwerkes ist die Kühlung des Zentralkonus. Eine Verkürzung des Stachels reduziert die Auswirkung, da die Fläche, mit der die Verbrennungsgase in Berührung kommen, verkleinert wird. Eine Verkürzung des Stachels ist jedoch immer auch mit einer Verringerung der Leistung verbunden. Ein zweiter Luftstrom im Stachel kann diesem Effekt wiederum entgegenwirken.
Bei einem linear-V-förmigen Aerospike-Triebwerk, wie es bisher bei Tests meist eingesetzt wird, kommt es durch Wirbelbildung an den Seiten zu einem Leistungsverlust.

Tests und Projekte

Zwischen 1950 und 1970 wurden von der Firma Rocketdyne, der NASA und der U.S. Air Force mit verschiedenen Größen und Varianten insgesamt 73 Tests durchgeführt.

Die Triebwerksanordnung der sowjetischen Mondrakete N1 erzeugte einen Aerospike-Effekt.

Für das X-33-VentureStar-Projekt der NASA wurden auf Basis der früheren Forschungen vier XRS-2200-Aerospike-Triebwerke entwickelt und von 1997 bis 2000 erfolgreich getestet^[2]. Das Projekt wurde jedoch aufgrund überhöhter Kosten und technischer Probleme der X-33 eingestellt.

Der erste bekannte Testflug eines Aerospike-Triebwerks wurde im Rahmen des Linear Aerospike SR-71 Experiments (LASRE) am 31. Oktober 1997^[3] an Bord einer Lockheed SR-71 durchgeführt.^[4] Dabei wurde das Triebwerk jedoch nicht gezündet.^[4]

In Westdeutschland wurde Ende der 1960er Jahre an einem Aerospike-Triebwerk für das Raumfahrzeug Neptun gearbeitet.

Weblinks

Commons: Aerospike – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Aerospike-Engine auf Nasa Webseite in englischer Sprache

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 Arash Naghib-Lahouti, Elhaum Tolouei: European Conference on Computational Fluid Dynamics - INVESTIGATION OF THE EFFECT OF BASE BLEED ON THRUST PERFORMANCE OF A TRUNCATED AEROSPIKE NOZZLE IN OFF-DESIGN CONDITIONS - Introduction. (PDF; 580 KB) Abgerufen am 23. März 2014 (englisch).
↑ Linear Aerospike Engine — Propulsion for the X-33 Vehicle. NASA (Marshall Space Flight Center), August 2008, abgerufen am 18. November 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
↑ Yvonne Gibbs: NASA Armstrong Fact Sheet: Linear Aerospike SR-71 Experiment (LASRE) Project. NASA (Armstrong Flight Research Center), 28. Februar 2014, abgerufen am 18. November 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
↑ ^4,0 ^4,1 LASRE Test Flights End, VentureStar^TM Aerodynamic Performance Predicted (Pressemitteilung). NASA (Dryden Flight Research Center), 20. November 1998, abgerufen am 18. November 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).

[NAGTOL-1] 1,0 ^1,1 Arash Naghib-Lahouti, Elhaum Tolouei: European Conference on Computational Fluid Dynamics - INVESTIGATION OF THE EFFECT OF BASE BLEED ON THRUST PERFORMANCE OF A TRUNCATED AEROSPIKE NOZZLE IN OFF-DESIGN CONDITIONS - Introduction. (PDF; 580 KB) Abgerufen am 23. März 2014 (englisch).

[2] Linear Aerospike Engine — Propulsion for the X-33 Vehicle. NASA (Marshall Space Flight Center), August 2008, abgerufen am 18. November 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).

[3] Yvonne Gibbs: NASA Armstrong Fact Sheet: Linear Aerospike SR-71 Experiment (LASRE) Project. NASA (Armstrong Flight Research Center), 28. Februar 2014, abgerufen am 18. November 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).

[NASA-4] 4,0 ^4,1 LASRE Test Flights End, VentureStar^TM Aerodynamic Performance Predicted (Pressemitteilung). NASA (Dryden Flight Research Center), 20. November 1998, abgerufen am 18. November 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).

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