19. Juli 2021
Bereit für den praktischen Einsatz

Hy­bridra­ke­ten­trieb­werk VI­SE­RI­ON er­folg­reich ge­tes­tet

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Test des Hybridraketentriebwerks VISERION in Trauen
Test des Hy­bridra­ke­ten­trieb­werks VI­SE­RI­ON in Trau­en
Bild 1/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Test des Hybridraketentriebwerks VISERION in Trauen

Test des Hy­bridra­ke­ten­trieb­werks VI­SE­RI­ON in Trau­en
Vi­deo: Hy­bridra­ke­ten­trieb­werk VI­SE­RI­ON auf dem Prüf­stand
Video 2/4, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Video: Hybridraketentriebwerk VISERION auf dem Prüfstand

Länge: 00:00:56
Bei den Test­läu­fen an der Ver­suchs­an­la­ge am DLR-Stand­ort Trau­en ge­lang­te das ka­ta­ly­tisch zer­setz­te Was­ser­stoff­per­oxid mit et­wa 650 Grad Cel­si­us in die Brenn­kam­mer. Die frei­wer­den­de Wär­me wur­de in Be­we­gungs­ener­gie - in ei­nen Schub von et­wa 12.000 New­ton - um­ge­wan­delt.
Triebwerk VISERION
Trieb­werk VI­SE­RI­ON
Bild 3/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Triebwerk VISERION

Das Trieb­werk VI­SE­RI­ON auf dem Prüf­stand des In­sti­tuts für Ae­ro­dy­na­mik und Strö­mungs­tech­nik am Vie­rerblock beim DLR Trau­en. VI­SE­RI­ON ist ein La­b­or­trieb­werk des­sen In­nen­le­ben na­he­zu un­ver­än­dert auch in ei­ner flug­fä­hi­gen Leicht­bau­va­ri­an­te ge­nutzt wer­den kann.
Schema eines Hybridraketentriebwerk
Sche­ma ei­nes Hy­bridra­ke­ten­trieb­werks
Bild 4/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Schema eines Hybridraketentriebwerks

Hy­bridra­ke­ten­trieb­wer­ke sind Kom­bi­na­tio­nen aus Fest­stoff- und Flüs­sig­trieb­wer­ken und ver­ei­nen die bes­ten Ei­gen­schaf­ten bei­der Trieb­werks­ty­pen. Der für die Ver­bren­nung nö­ti­ge flüs­si­ge Sau­er­stoff-Trä­ger - in die­sem Fall hoch­kon­zen­trier­tes Was­ser­stoff­per­oxid - und der fes­te Brenn­stoff HT­PB (Hy­dro­xyl-ter­mi­nier­tes Po­ly­buta­di­en) lie­gen in VI­SE­RI­ON in ver­schie­de­nen Ag­gre­gat­zu­stän­den vor und rea­gie­ren erst bei ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren und Drücken in der Brenn­kam­mer mit­ein­an­der. Die Vor­tei­le: Da­durch be­steht wäh­rend der La­ge­rung und des Be­triebs kei­ne Ex­plo­si­ons­ge­fahr. Dar­über hin­aus sind die ver­wen­de­ten Stof­fe un­gif­tig und nicht um­welt­ge­fähr­dend.
  • Hybridraketentriebwerke können günstiger und sicherer als herkömmliche Raketenantriebe betrieben werden.
  • Die Tests zeigen: Das neue Triebwerk VISERION ist nochmals effizienter als seine Vorgänger.
  • Um eine umweltschonende und sichere Anwendung zu gewährleisten wird für die Verbrennung Wasserstoffperoxid eingesetzt.
  • Neben einer kompakteren Bauweise kommen Bauteile aus Kohlefaserverbundwerkstoffen zum Einsatz.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Sicherheit

Nach dem erfolgreichen Test des neuartigen Hybridraketentriebwerks "AHRES-B" im Frühjahr 2019 hat nun das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am 17. Juni und 7. Juli 2021 zwei weitere erfolgreiche Tests mit der deutlich größeren Variante VISERION durchgeführt. Die Versuchsvorbereitungen und die Inbetriebnahme erfolgten am Prüfstand für Hybridraketentriebwerke am DLR-Standort Trauen.

Die Versuchsergebnisse der aktuellen Tests zeigen ganz klar: Das in den DLR-Projekten AHRES und ATEK entstandene und nun im DLR-Querschnittsprojekt Simulation Based Certification (SimBaCon) getestete Triebwerk VISERION ist weit effizienter als die bisherigen Hybridraketentriebwerke. Für die Forschenden des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik ein besonderer Grund zur Freude, denn Hybridraketentriebwerke sind nicht nur grundsätzlich günstiger und sicherer als herkömmliche Raketenantriebe, VISERION ist zudem deutlich effizienter als alle seine Vorgänger. „Die aktuellen Tests haben gezeigt, dass die technologische Entwicklung von Hybridraketentriebwerken jetzt für den praktischen Einsatz weit genug fortgeschritten ist, beispielsweise für den Einsatz in Höhenforschungsraketen“, erläutert Dr.-Ing Thino Eggers, Leiter der Abteilung Raumfahrzeuge vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik.

Was sind Hybridraketentriebwerke?

Hybridraketentriebwerke sind Kombinationen aus Feststoff- und Flüssigtriebwerken und vereinen die besten Eigenschaften beider Triebwerkstypen. Der für die Verbrennung nötige flüssige Sauerstoff-Träger - in diesem Fall hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid - und der feste Brennstoff HTPB (Hydroxyl-terminiertes Polybutadien) liegen in VISERION in verschiedenen Aggregatzuständen vor und reagieren erst bei hohen Temperaturen und Drücken in der Brennkammer miteinander. Die Vorteile: Dadurch besteht während der Lagerung und des Betriebs keine Explosionsgefahr. Darüber hinaus sind die verwendeten Stoffe ungiftig und nicht umweltgefährdend.

Kompakter, leichter und sicherer

Im Gegensatz zu anderen Oxidator-Brennstoff-Kombinationen von Hybridtriebwerken hat die Nutzung von Wasserstoffperoxid als Oxidator einige wesentliche Vorteile: Die Verwendung ermöglicht merklich kompaktere Triebwerke als beispielsweise bei Verwendung von flüssigem Sauerstoff. Der flache Verlauf des spezifischen Impulses erlaubt eine bessere Regelbarkeit und die einfache Zündung durch Katalyse erspart einen Zünder als zusätzliches Bauteil. Die deutlich niedrigere Brennkammertemperatur und die dadurch geringeren strukturellen Anforderungen bewirken ebenfalls eine Gewichtsersparnis der Thermalschutzsysteme. Weiterhin ist das hier verwendete Wasserstoffperoxid, zum Beispiel im Vergleich zu üblicherweise verwendetem flüssigem Sauerstoff, einfacher zu handhaben und zu lagern.

Bei den Testläufen an der Versuchsanlage am DLR-Standort Trauen gelangte das katalytisch zersetzte Wasserstoffperoxid mit etwa 650 Grad Celsius in die Brennkammer. Die freiwerdende Wärme wurde in Bewegungsenergie - in einen Schub von etwa 12.000 Newton - umgewandelt. Dabei nutzte VISERION den Brennstoff über eine Zeit von 27 Sekunden nahezu vollständig aus und erzielte, ähnlich wie AHRES-B, eine deutlich erhöhte Abbrandrate im Vergleich zu früheren Hybridraketentriebwerken. Letztere ist wichtig für den Entwurf eines effizienten und kompakten Triebwerks und wurde auch bei VISERION durch eine innovative, verwundene "Finnengeometrie" realisiert.

Wegbereiter für effiziente und flexible Höhenforschungsraketen

Der für den Test genutzte Prüfstand in Trauen verfügt über zahlreiche moderne Mess- und Steuerungseinrichtungen und ermöglicht den sicheren Versuchsbetrieb von Hybridraketentriebwerken. Die Infrastruktur für den sicheren, umweltschonenden Umgang mit großen Mengen Wasserstoffperoxid ist deutschlandweit einzigartig.

Der Funktionsnachweis ist ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg zu einer flugfähigen Brennkammer in Leichtbauweise mit einer tragenden Struktur aus Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK). Die flugfähige Variante wird unter dem Namen VISERION+ weiterentwickelt und kann als Hybrid-Oberstufe für zukünftige Höhenforschungsexperimente dienen“, ergänzt Eggers.

Forschung zu Hybridraketentriebwerken im DLR

Die Entwicklung und die Betreuung der Fertigung des VISERION-Triebwerks wurden am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig durchgeführt. Die finanzielle Grundlage für den Bau von VISERION kam aus der Unterstützung der Investitions- und Förderbank des Landes Niedersachsen (NBank). Personell werden die Aktivitäten zu VISERION seit Januar 2021 auch durch das neu gegründete Kompetenzzentrum für Reaktionsschnelle Satellitenverbringung der DLR Sicherheitsforschung unterstützt, das ein besonderes Interesse an alternativen, einfach aufgebauten Oberstufen zur Beförderung von Satelliten hat.

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