Extrem hart im Nehmen

Als Reaktion auf Sparmaßnahmen wenden sich die Welt­raum­organisationen immer stärker der kommerziellen Raumfahrt als Kundenkreis für künftige Träger­raketen zu. Einige Unternehmen bieten in diesem Bereich mittlerweile hoch zuverlässige, wirtschaftliche Trägerraketen an, die unterschiedlichste Nutzlasten in die Erdumlaufbahn befördern können.

Eine Möglichkeit, um die Kosten in Grenzen zu halten, besteht darin, die Treibstoffverbrennung während des Starts so zu optimieren, dass Verluste minimiert werden. Ein speziell entwickeltes Treibstoff-Trimmventil garantiert hierbei optimale Leistungen. Angetrieben wird es von robusten und zuverlässigen Servomotoren von FAULHABER.
Moderne Trägerraketen arbeiten mit dem Raketentreibstoff RP-1, einer hochraffinierten Form von Kerosin, die zur Verbrennung mit Sauerstoff gemischt werden muss. In der Trägerrakete verlaufen 10-Zentimeter-Durchmesser-Leitungen von den Tanks mit RP-1 und Flüssigsauerstoff (LOX) kurz vor der Brennkammer zusammen, in die das Gemisch dann ab­gegeben wird.
Die Chemie der Verbrennung von RP-1 ist unkritisch. Ohne Sauerstoff brennt der Treibstoff nicht, aber solange Sauerstoff vorhanden ist, brauchen beide Kom­­­ponenten nicht unbedingt in einem prä­zisen Verhältnis gemischt zu werden. Das Problem ist allerdings, dass bei einer Abweichung vom optimalen Mischungsverhältnis zwischen LOX und RP-1 entweder der Sauerstoff- oder der Treibstoffvorrat zuerst zur Neige geht. Sobald aber die Verbrennung endet, wird der Rest zu unerwünschtem Ballast. Damit dieser Fall nicht eintritt, reguliert das Treibstoff-Trimmventil das Mischungsverhältnis in Echtzeit.
Die Treibstoff-Trimmvorrichtung besteht aus einer Drosselklappe, die von einem Servomotor betätigt wird. Damit dies mit der richtigen Geschwindigkeit und dem richtigen Drehmoment erfolgt, ist die Baugruppe mit einem Planetengetriebe, das für ein Untersetzungsverhältnis von etwa 151 : 1 sorgt, sowie mit einem zu­­­sätzlichen geräteinternen Getriebe ausgerüstet. Für die einzelnen Komponenten wurde vom Entwicklerteam ein beträchtlicher Sicherheitsspielraum eingeplant, um auch gegen die gängigsten Ausfallarten gewappnet zu sein. Die Motorwelle ist direkt mit dem Ventil gekoppelt und sorgt für die nötigen Feinverstellungen.

Extreme Einsatzbedingungen

Von der Präzision abgesehen, verlangen die meisten Anwendungen von Servomotoren tendenziell ein hohes Drehmoment, hohe Geschwindigkeit oder eine kompakte Bauform. Im Fall des Treibstoff-Trimmventils war die zentrale Anforderung an die Motoren einfach: Sie mussten den Start überstehen. Insbesondere in der ers­ten Stufe entstehen extreme Stöße und Vibrationen. Während der rund dreiminütigen Brenndauer einer Raketenstufe produziert das Triebwerk rund 440.000 kN Schub, wodurch gewaltige Kräfte auf das sich in unmittelbarer Nähe befindende Treibstoff-Trimmventil wirken.
Als sich das Entwicklerteam an die Auswahl der passenden Komponenten für das Treibstoff-Trimmventil machte, fiel während der Vibrationstests ein Motor nach dem anderen aus. Um die Zahl der Fehlerstellen zu minimieren, gingen die Ingenieure von Bürstenmotoren zu bürstenlosen Motoren über. Das wichtigste Kriterium dabei lautete: Kann der Motor diese Betriebsbedingungen überstehen? Mit anderen Worten: Das Getriebe musste den Belastungen standhalten, die Hall­­sensoren durften nicht beschädigt sein, kurz – es durfte in diesem extremen Betriebsumfeld einfach zu keinerlei Ausfällen kom­­­­­men. Auf der Suche nach einem Hersteller, dessen Motoren diese Torturen überleben, stießen die Ingenieure auf FAULHABER.
Nun produzieren Raketentriebwerke nicht nur Vibrationen, sondern auch Hitze, aber das Wärmemanagement bietet - anders als man vielleicht annehmen würde - in diesem Anwendungsfall keine besonderen Herausforderungen. Ein großer Teil der Hitze wird einfach durch Abstrahlung und Reflexion abgeführt. Interessanterweise sind beim Wärmehaushalt nicht hohe, sondern eher tiefe Temperaturen problematisch. Beispielsweise zünden die Triebwerke während des Betriebs der zweiten Stufe möglicherweise nur kurzzeitig. Anschließend fliegt die Trägerrakete unter Umständen für 45 Minuten weiter, bevor eine zweite Brennphase stattfindet. Zu diesem Zeitpunkt ist die Rakete schon außerhalb der Atmosphäre, wo ziemlich niedrige Temperaturen herrschen.
Um sowohl die Kosten als auch die Produktionszeitpläne unter Kontrolle zu halten, verfolgt man die Philosophie, nach Möglichkeit mit Lagerteilen zu arbeiten. So wurden dann auch keine besonderen Maßnahmen ergriffen, um die Motoren von FAULHABER für die Anwendung robuster zu machen – das Entwicklerteam bestellte einfach Standardprodukte.
Die Ingenieure machten sich außerdem das Express-Prototyping-Programm von FAULHABER zunutze und kam so in kürzester Zeit zu den benötigten Mustern.

Das Treibstoff-Trimmventil sitzt unmittelbar über dem Triebwerk, wo die Zuleitungen von den Tanks mit RP-1- Treibstoff und Flüssigsauerstoff zusammenlaufen, und gewährleistet eine gleichmäßige Leerung der beiden Tanks.
Die erste Raketenstufe beinhaltet fünf Triebwerke, von denen jedes mit einem servomotorbetriebenen Treibstoff- Trimmventil ausgerüstet ist, das für eine gleichmäßige Treibstoffverbrennung sorgt.