Chemische Antriebe Raumfahrt

 

 

 

Testlauf eines SSME-Triebwerks als Beispiel eines Diergol-Antriebs

Chemische Antriebe in der Raumfahrt

 

Chemische Antriebe beziehen ihre Energie aus der exothermen Reaktion von chemischen Elementen. Die Abgase werden anschließend durch eine Lavaldüse entspannt. Chemische Antriebe sind schubstark, haben aber eine im Vergleich mit anderen Antrieben geringe Ausströmgeschwindigkeit.

 

Feststoff

Bei den existierenden chemischen Varianten liegt beim Feststoffraketentriebwerk der Treibstoff in fester Form vor, der Treibstofftank ist hierbei auch die Verbrennungskammer. Festtreibstoffe können homogene oder auch heterogene Feststoffe (Composits) sein, die neben dem Brennstoff und dem Oxidator noch andere Zusätze (Stabilisatoren) enthalten. Für Feststoffraketen, wie sie in der Raumfahrt üblich sind, werden meistens spezielle gießfähige Gemische aus Ammoniumperchlorat (APCP) oder Natrium- bzw. Ammoniumnitrat, Aluminiumpulver, Kunstharz (Polybutadiene, Polyurethane etc. als Bindesubstanz) und eventuell geringen Mengen Eisenoxid als Katalysator verwendet. Diese Gemische ergeben nach dem Gießen einen festen, aber plastischen Körper (Treibsatz), was Riss- und Lunkerbildung stark vermindert. Ebenso werden Transport und Handhabung sehr sicher. Zunehmend wird anstelle oder zusätzlich zu Aluminium auch Lithium, Beryllium, Bor oder Magnesium verwendet.

Monergol

Bei monergolen Flüssigtreibstoffen handelt es sich um nur eine flüssige Komponente. Monergole werden durch das Hinzubringen eines Katalysators zum Zerfall gebracht, weswegen für Monoergole auch der Begriff Katergole zulässig ist. Ein Beispiel für ein Katergol ist Hydrazin, welches zum Beispiel für Lageregelungssysteme von Raumflugkörpern verwendet wird. Hierbei wird Hydrazin mit Hilfe eines Katalysators (Aluminiumoxid) zu Stickstoff und Wasserstoff zersetzt.

Monergole weisen i.d.R. eine schlechtere Effizienz als Diergole auf, d. h. sie benötigen für dasselbe Delta-V mehr Treibstoff, allerdings können sie dies wieder durch weniger komplexe Systeme und geringere Systemmasse ausgleichen (z. B. Wegfall des Pumpensystems der zweiten Treibstoffkomponente). Erst bei langen Missionen, bei denen viel Treibstoff benötigt wird, reicht dies nicht mehr.

Diergol

Bei Diergolen existieren zwei Komponenten des Treibstoffes, die gesondert gelagert werden. Der Treibstoff wird unmittelbar vor dem Verbrennungsprozess gesteuert in eine Brennkammer gepumpt. Dort reagieren die Stoffe miteinander.

Triergol

Triergolsysteme (Dreistoffsysteme) enthalten Diergolsysteme (zwei Komponenten), denen noch zusätzlich Wasserstoff oder Metallpulver (Lithium, Aluminium, Beryllium) zur Erhöhung des spezifischen Impulses zugeführt wird. Diese Treibstoffsysteme wurden zwar bisher gut untersucht, jedoch wegen des drei Tanks benötigenden komplexen Aufbaus von Triebwerk und Rakete nie praktisch eingesetzt.

Hybridrakete

Bei Hybridraketentriebwerken liegt sowohl flüssiger als auch fester Treibstoff vor. Als Hybridtreibstoff (Lithergol) bezeichnet man einen Mischantrieb aus einem festen Treibstoff, meistens aus Kunststoff, zum Beispiel Hydroxyl-Terminiertes Poly-Butadien (HTPB) oder Lithiumhydrid und einem flüssigen Oxidator. Dieser ist meistens Salpetersäure, flüssiger Sauerstoff, Distickstoffmonoxid oder eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Fluor (FLOX). Der flüssige Treibstoff wird dem Festen kontrolliert zugeführt. Damit wird die Regel- und Abschaltbarkeit des Triebwerks hergestellt, was bei reinen Feststoffraketen technisch nicht möglich ist.

Luftatmend

Ein luftatmendes Raketentriebwerk wird zum Aufstieg aus der Erdatmosphäre benutzt. Der Vorteil ist, dass der Luftsauerstoff als Oxidator benutzt werden kann und nicht mitgeführt werden muss. Für große Höhen muss allerdings weiterhin ein Oxidator mitgeführt werden, da der Luftsauerstoff zum Betrieb des Triebwerks nicht mehr ausreicht.

Allotrope

Die Verwendung des Sauerstoffallotrops Ozon als Oxidator würde die Ausströmgeschwindigkeit erhöhen. Da Ozon aber instabil ist, ist eine Lagerung sehr schwer wenn nicht unmöglich. Das Allotrop Tetrasauerstoff soll stabiler sein. Damit wären spezifische Impulse von bis zu 564 s im Vakuum möglich.

Metastabile Elemente

Man versucht ebenfalls, metastabile Wasserstoffradikale als Treibstoff zu verwenden. Um die Stabilität des Elements zu erhöhen, werden sie unter den flüssigen Wasserstoff gemischt. Wird diese Kombination (mit theoretischen 15,4 % Radikalen) mit flüssigem Wasserstoff verbrannt, können spezifische Impulse von bis zu 750 s im Vakuum entstehen. An der Université d’Orsay in Paris wurde testweise metastabiles Helium erzeugt und als Bose-Einstein-Kondensat gespeichert. Die Reaktion von metastabilem Helium zu Helium würde spezifische Impulse von 2825 s möglich machen.

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

Copyright Fotos / Grafiken v.o.n.u.v.l.n.r.: NASA 

Lizenzbestimmungen Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported (abgekürzt)