Microlaunchers zijn een alternatief voor conventionele draagraketten. In staat om ladingen tot 350 kilogram te dragen, deze middelgrote transportsystemen zijn ontworpen om kleine satellieten de ruimte in te lanceren. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS in Dresden en lucht- en ruimtevaartexperts van de TU Dresden ontwikkelden een additief vervaardigde raketmotor met een aerospike-mondstuk voor microlaunchers. Het geschaalde metalen prototype zal naar verwachting 30 procent minder brandstof verbruiken dan conventionele motoren. Het zal prominent aanwezig zijn op de Hannover Messe Preview op 12 februari en in de showcase op stand C18 in hal 16 op de Hannover Messe van 20 tot en met 24 april, 2020.

De markt voor kleine satellieten zal de komende jaren zeker groeien. Het Verenigd Koninkrijk wil een ruimtehaven bouwen in het noorden van Schotland, de eerste op Europese bodem. De Federatie van Duitse Industrieën (BDI) heeft ook het idee van een nationale ruimtehaven onderschreven. Het moet dienen als het platform voor kleine tot middelgrote draagraketten die onderzoeksinstrumenten en kleine satellieten de ruimte in slepen. Deze microlaunchers zijn ontworpen om een ​​laadvermogen tot 350 kilogram te dragen. Aerospike-motoren zijn een efficiënt middel om deze microlaunchers aan te drijven. Ze bieden het welkome vooruitzicht van veel minder massa en een veel lager brandstofverbruik. Een onderzoeksteam van Fraunhofer IWS en het Instituut voor Lucht- en Ruimtevaarttechniek van de TU Dresden ontwikkelde, de afgelopen twee jaar een aerospike-motor hebben gefabriceerd en getest. Het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) financierde het project. Wat deze aerospike-motor onderscheidt van andere, is dat de brandstofinjector, verbrandingskamer en mondstuk worden laag voor laag bedrukt in een additief productieproces dat laserpoederbedfusie (L-PBF) wordt genoemd. Het mondstuk bestaat uit een puntig middenlichaam dat is ontworpen om verbrandingsgassen te versnellen.

"De technologie achter aerospike-motoren dateert uit de jaren zestig. Maar ons vermogen om motoren zo efficiënt te produceren als deze is te danken aan de vrijheid die wordt geboden door additieve fabricage en de inbedding ervan in conventionele procesketens, " zegt Michael Müller, wetenschappelijk medewerker bij het Additive Manufacturing Centre Dresden (AMCD), die gezamenlijk wordt beheerd door Fraunhofer IWS en TU Dresden. Aerospike-raketmotoren beloven een brandstofbesparing van ongeveer 30 procent ten opzichte van conventionele raketten. Ze zijn ook compacter dan conventionele systemen, die de massa van het totale systeem vermindert. "Elke gram die bespaard wordt, is zijn gewicht in goud waard tijdens ruimtevluchten, omdat er minder brandstof in een baan om de aarde hoeft te worden gebracht. Hoe zwaarder het totale systeem, hoe lichter het laadvermogen moet zijn, " zegt Mirco Riede, groepsmanager 3D-productie bij Fraunhofer IWS en collega van Michael Müller. Het door Fraunhofer IWS en TU Dresden ontwikkelde aerospike-mondstuk past zich beter aan de veranderende druk op de reis van de aarde naar de baan. Dit maakt het efficiënter, dus het verbruikt minder brandstof dan conventionele motoren.

Een additief vervaardigd mondstuk met conforme koeling

"We hebben gekozen voor een additieve manier om de metalen raket te vervaardigen omdat de motor een zeer goede koeling vereist en interne koelkanalen nodig heeft. Dit complexe regeneratieve koelsysteem met labyrintische interne kanalen kan niet op conventionele manieren worden gefreesd of gegoten, " zegt Riede. Laag voor laag aangebracht, het poeder wordt vervolgens gesmolten. Dit selectief lasersmelten bouwt geleidelijk een onderdeel op met één millimeter brede koelkanalen die de contouren van de verbrandingskamer volgen. Achtergebleven poeder in de kanalen wordt vervolgens weggezogen. Dit metaal moet aan strenge eisen voldoen, bij hoge temperaturen vast blijven en warmte goed geleiden om een ​​optimale koeling te garanderen. "In de verbrandingskamer heersen temperaturen van enkele duizenden graden Celsius, dus dit vereist wel actieve koeling, ', zegt Muller.

Wetenschappers van Fraunhofer IWS en TU Dresden kijken naar het injectiesysteem om de motorefficiëntie verder te verhogen. CFD-SAT genoemd, dit project loopt sinds januari 2020 met de Ariane Group en Siemens AG als geassocieerde partners. Injectoren vormen een grote uitdaging op het gebied van ontwerp en fabricage. "Brandstoffen dienen eerst om de motor te koelen. Ze worden warm en worden vervolgens in de verbrandingskamer gebracht. Vloeibare zuurstof en ethanol worden afzonderlijk toegevoegd om via een injector te worden gemengd. Het resulterende gasmengsel wordt ontstoken. Het zet uit in de verbrandingskamer en vervolgens stroomt door een opening in de verbrandingskamer die moet worden gedecomprimeerd en versneld door het mondstuk, " merkt Müller op, uitleggen hoe deze motor stuwkracht produceert.

Motor hot-fire test

De in Dresden gevestigde onderzoekers hebben het prototype van de aerospike-motor al getest in een testcel van het Institute of Aerospace Engineering van de TU Dresden, het bereiken van een brandtijd van 30 seconden. "Dit proces is speciaal omdat er weinig precedenten zijn voor tests met aerospike-mondstukken. We hebben bewezen dat een werkende straalmotor met vloeibare stuwstof kan worden geproduceerd door middel van additieve fabricage, ', zegt Muller.

Dit project is een voorbeeld van de nauwe samenwerking tussen de TU Dresden en niet-universitaire onderzoeksinstituten binnen een wetenschapscluster genaamd het DRESDEN-concept. TU Dresden is verantwoordelijk voor het ontwerp en de lay-out van de motor; Fraunhofer IWS voor de fabricage en materiaalvalidatie. Hun eerste stap was om het ontwerp aan te passen aan het additieve fabricageproces. De onderzoekers selecteerden en karakteriseerden vervolgens het materiaal. Volgende, ze produceerden de twee componenten van de motor met de L-PBF-methode en herwerkten hun functionele oppervlakken. De componenten werden samengevoegd door laserlassen en een computertomografiescanner werd geïnspecteerd op poriën en andere defecten. Deze niet-destructieve evaluatie kan ook bepalen of gesinterd poeder de koelkanalen blokkeert. Dit project laat zien hoe AM-processen op een productieve manier in alle industrieën kunnen worden geïntegreerd in de huidige procesketens om de state-of-the-art in de productie te bevorderen.