Cool ins All
Neue Kollaboration optimiert die Wärmeübertragung bei Raketentriebwerken mit kryogenen Treibstoff.
Die Universität Luxemburg und der europäische Raketenhersteller ArianeGroup haben eine Kooperationsvereinbarung unterzeichnet, um die Forschung im Bereich Raketenantriebe voranzubringen. Ziel des zweijährigen Projekts ist es, die Kosten für Raketenstarts zu reduzieren. Das Forschungsprojekt wird von ArianeGroup und dem Luxembourg National Research Fund (FNR) finanziert.
Kryogene Treibstoffe, wie flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff, kommen häufig bei Antriebssystemen in der Raumfahrt zum Einsatz, weil sie effizienter und weniger toxisch sind als andere Treibstoffe. Damit sie in einem flüssigen Zustand bleiben, müssen sie bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden. Allerdings müssen das Raketentriebwerk sowie seine Ventile und Zuleitungen einwandfrei funktionieren, wenn sie in direkten Kontakt mit den extrem kalten Kraftstoffen kommen. Für die störungsfreie Funktion des Triebwerks müssen einige Triebwerkskomponenten vor dem Start auf die Temperatur der kryogenen Flüssigkeiten heruntergekühlt werden.
Um zu gewährleisten, dass die Treibstoffe und das technische System die gleiche Temperatur haben, wird vor dem Start ein komplexer Prozess der Wärmeübertragung, das Chill-Down, eingeleitet. Vor der Zündung werden die Treibstoffe in das Hauptzufuhrventil des Raketentriebwerks geleitet. Erst nachdem das Ventil vollständig abgekühlt ist, kann es sicher geöffnet werden und die Treibstoffe werden dem Triebwerk zur Zündung zugeführt.
Für die Raumfahrtingenieure sowie für Luft- und Raumfahrtunternehmen stellt dieser komplexe Prozess eine Herausforderung dar, denn es ist schwierig, den Zeitaufwand für das Abkühlen des Triebwerks und seiner Komponenten genau zu bestimmen. „Es gibt derzeit keine genauen Modelle, um diesen kryogenen Wärmeübertragungsprozess im Voraus zu berechnen. Dadurch sind wir gezwungen, langwierige Komponententests durchzuführen und technische Schätzungen mit sehr hohem Sicherheitsmargen vorzunehmen. Dies hat teure Testverfahren zur Folge und verlängert die Entwicklungszeiten. Außerdem führt dies in der Flugvorbereitungsphase zu einem übermäßigen Einsatz von Treibstoffen oder Ersatz-Kühlmitteln, was die Startkosten erhöht“, sagt Sebastian Soller von ArianeGroup.
Die Universität Luxemburg und ArianeGroup haben sich in einer öffentlich-privaten Partnerschaft zusammengeschlossen, um den Wärmeübertragungsprozess zwischen dem kryogenen Treibmittel und dem Ventil experimentell und mithilfe von Computersimulationen zu untersuchen. „Unser Team besteht aus Experten für Thermoanalyse und numerische Strömungsmechanik. Um Daten für die Ventilkühlung zu erhalten, werden wir zunächst den Prozess eingehend untersuchen. Anschließend werden wir zuverlässige und präzise Modelle entwickeln, um den Wärmeübertragungsprozess berechnet, der beim Chill-Down der Ariane-6-Raketentriebwerke abläuft“, erklärt Stephan Leyer, Leiter der Forschungseinheit für Ingenieurwissenschaften (Research Unit in Engineering Sciences, RUES). Stephan Leyer hat das Projekt zusammen mit dem Postdoktorats-Forscher Edder Jose Rabadan Santana ins Leben gerufen.
Ziel des Projekts ist es, die ermittelten Wärmeübertragungsmodelle in den Engineering-Workflow der ArianeGroup zu integrieren, um so das Design von Tieftemperaturventilen zu optimieren und Prüfkosten und Entwicklungszeiten zu reduzieren. Diese neue Zusammenarbeit ist Teil der verstärkten Aktivitäten der Universität Luxemburg im Raumfahrtbereich, wie etwa dem Interdisciplinary Space Master (ISM), der im September 2019 anläuft.
U. Luxemburg / DE
Weitere Infos
- Mechanical engineering – Heat and mass transfer and thermodynamics (S. Leyer), Universität Luxemburg
- ArianeGroup
