Raketentriebwerk für Kleinsatelliten

Ob allein oder im Schwarm – kleine Satelliten mit einem Gewicht von wenigen Kilogramm bis zu mehreren hundert Kilo­gramm werden techno­logisch immer ausgereifter und haben das Potenzial, die Branche grundlegend zu verändern. In den nächsten Jahren sollen hunderte solcher Klein­satelliten in die Erdum­laufbahn befördert werden. Im Zuge des EU-Projekts SMILE – Small Innovative Launcher for Europe – haben Forscher am Institut für Bauweisen und Struktur­technologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR ein wieder­verwendbares Raketen­triebwerk speziell für den Start solcher Satelliten entwickelt und in ersten Versuchen am Prüfstand erfolgreich getestet.

Bisher gelangen Klein­satelliten oft an Bord von großen Raketen ins All, wenn dort noch Platz übrig ist. Primäres Ziel dieser Flüge ist es, große Satelliten in eine bestimmte Umlauf­bahn zu bringen. Was Timing und Zielorbit angeht, müssen sich die kleinen Satelliten den großen unterordnen. Vierzehn europäische Forschungs­einrichtungen und Unternehmen arbeiten deshalb im Projekt SMILE daran, einen wirtschaft­lichen Raketen­träger zu entwerfen. Mit dessen Hilfe sollen kleine Satelliten bis zu einem Gewicht von siebzig Kilogramm in erdnahe Umlauf­bahnen gebracht werden. Im Fokus des Projekts stehen die notwen­digen Techno­logien für Antrieb, Bord­elektronik und kosten­effiziente Produktion.

Das von den DLR-Wissen­schaftlern speziell für diesen Anwendungs­bereich entwickelte Raketen­triebwerk setzt sich aus zwei zentralen Kompo­nenten zusammen: dem metal­lischen Einspritz­kopf und der keramischen Brenn­kammer. Der belgische Projekt­partner 3D Systems realisierte den aus einer Nickel-Chrom-Le­gierung bestehenden Einspritz­kopf mittels metallischem 3D-Druck. „Mit Hilfe dieser neuen Fertigungs­technologie benötigen wir signifikant weniger Einzel­teile und Verfahrens­schritte, was den Herstellungs­prozess des Einspritz­kopfes beschleunigt und die Produktions­kosten senkt. Gleich­zeitig konnten wir das Gewicht der Komponente deutlich reduzieren, was bei Raumfahrt­anwendungen immer ein sehr wichtiger Faktor ist“, sagt Markus Kuhn, der das Projekt am DLR-Institut für Bauweisen und Struktur­technologie in Stuttgart feder­führend betreut.

Für die Brenn­kammer verwendeten die Forscher eine kohlenstoff­faserverstärkte Keramik, die haupt­sächlich aus Silizium­karbid besteht. Sie eignet sich besonders gut für Hoch­temperatur­anwendungen und hält auch extreme Temperatur­wechsel zuverlässig aus. „Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung war die Wieder­verwend­barkeit: Lässt sich das gesamte System mehrfach einsetzen, sinken die Betriebs­kosten erheblich, was eine kommer­zielle Umsetzung für Unter­nehmen attraktiv macht“, sagt Ilja Müller, DLR-Ingenieur für Raketen­antriebe am Institut für Bauweisen und Struktur­technologie.

Bei Heißtests im September 2018 unterzog das Team um Markus Kuhn das Raketen­triebwerk einer ersten Bewährungs­probe: Am Hochdruck­prüfstand des spanischen Projekt­partners PLD Space absol­viertes es erfolgreich insgesamt 18 Versuche mit einer Brennzeit von bis zu 45 Sekunden und zeigte dabei sehr hohe Verbrennungs­effizienzen von mehr als neunzig Prozent. Zum Einsatz kamen dabei flüssiger Sauer­stoff und Kerosin.

DLR / JOL