Die Technische Universität Dresden (TUD), die Ariane Group und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben im Forschungsprojekt „Numerical and Experimental Demonstration Study for Engines using Rotating Detonation“ (NEDSERD) eine neue Brennkammertechnologie erprobt. Getestet wurde eine sogenannte Rotating Detonation Rocket Engine (RDRE), also ein Umlauf-Detonationsraketentriebwerk.
Nach Angaben der Beteiligten handelt es sich um die erste wassergekühlte Brennkammer dieser Art in Deutschland und zugleich um die erste aktiv gekühlte Wasserstoff-Sauerstoff-RDRE Europas. Die Tests fanden an der Einrichtung für Raumfahrtantriebe des DLR in Lampoldshausen (Baden-Württemberg) statt.
Umlauf-Detonationsraketentriebwerke unterscheiden sich grundlegend von klassischen Raketentriebwerken. In herkömmlichen Triebwerken verbrennt der Treibstoff bei gleichbleibendem Druck kontinuierlich. RDREs nutzen dagegen eine umlaufende Detonationswelle in der Brennkammer, die den Treibstoff explosionsartig umsetzt. Nach Einschätzung der beteiligten Wissenschaftler könnte diese Technologie die Treibstoffe effizienter nutzen. Zudem bestehe durch die kürzere Verbrennungsregion das Potenzial, Triebwerke leichter und kompakter zu bauen. Für die Raumfahrt könnte das einen geringeren Treibstoffverbrauch, höhere Nutzlastkapazitäten und geringere Startkosten bedeuten.
Wasserkühlung ermöglicht längere Testläufe
Bisherige europäische Umlauf-Detonationsraketentriebwerke wurden meist ungekühlt betrieben und liefen nur wenige Sekunden. Damit ließen sich die Wärmeströme im stationären Betrieb kaum präzise erfassen. Die TU Dresden entwickelte daher eine wassergekühlte Variante, die mit der Treibstoffkombination Wasserstoff und Sauerstoff arbeitet. Das Bauteil wurde mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF), auch als Metall-3D-Druck bekannt, additiv gefertigt.
Im Projekt gab es zwei Testkampagnen. In der ersten kam ein ungekühltes RDRE des DLR zum Einsatz. Die zweite Kampagne konzentrierte sich auf die größere, wassergekühlte Brennkammer der TU Dresden. Im Fokus standen Temperaturmessungen, um die thermischen Belastungen der Struktur zu erfassen.
Neun Testläufe über insgesamt 80 Sekunden
„Die zentrale Herausforderung bestand neben der Entwicklung der gekühlten Brennkammer selbst darin, die hohen Wärmebelastungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu analysieren“, erklärt Christian Bach, Leiter des Forschungsfelds Raumtransportsysteme an der TU Dresden. Als Exzellenzuniversität gehört sie zu den leistungsstärksten Forschungseinrichtungen Deutschlands. „Hierfür haben wir drei verschiedene Verfahren zur Temperatur- und Wärmestrommessung eingesetzt. Insgesamt haben wir die wassergekühlte Brennkammer in neun Testläufen mit einer Gesamtdauer von etwa 80 Sekunden getestet, wobei die einzelnen Brennphasen bis zu zehn Sekunden andauerten.“
Nach Angaben von Bach zeigen die Ergebnisse, dass die Wasserkühlung über einen Kühlmantel den längeren Betrieb ermöglicht und zugleich umfangreiche Daten aus dem stationären Betrieb liefert. „Für die Treibstoffkombination Wasserstoff-Sauerstoff wurden diese Daten, soweit aus frei zugänglichen Quellen bekannt, zuvor noch nicht erhoben“, so Bach.
Grundlage für künftige Triebwerksentwicklung
Die Tests sollen die Grundlage bilden, um das Betriebsverhalten von Umlauf-Detonationsraketentriebwerken detailliert zu untersuchen und die Technologie schrittweise für Raketenanwendungen nutzbar zu machen. Aus Sicht des Projektkonsortiums könnten RDREs die Raumfahrt durch höhere Effizienz und leichtere Bauweise wirtschaftlicher machen.
Das Projekt NEDSERD wird vom Bundeswirtschaftsministerium unterstützt.
