Zyklusanalyse und Konzeptvergleich vom SLR Raketenmotor für einen Kleinsatellitenträger

Abstract

Die Europäische Kommission fördert mit dem größten Entwicklungs- und Forschungsprogramm Horizont 2020 eine technologische Stärkung und Unabhängigkeit im Bereich des Raumtransports von Kleinsatelliten. Das Projekt SMILE „Small Innovative Launcher for Europe“ zielt auf die Entwicklung von kritischen Technologien für eine Trägerrakete, die den Nutzlasttransport in einen 500 km hohen sonnensynchronen Orbit (SSO) ermöglicht. Innerhalb dieses Projekts hat das DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie die Aufgabe, ein kostengünstiges Flüssigkeitsraketentriebwerk zu entwickeln, um die angestrebten operationellen Kosten von 50.000 € pro Kilogramm Nutzlast zu ermöglichen. Hierzu werden neue Konzepte, Fertigungsweisen und Materialien in Betracht gezogen und eingesetzt. In der vorliegenden Bachelorarbeit werden die Triebwerkskonzepte der ersten und zweiten Stufe der insgesamt dreistufigen SMILE Kleinsatellitenträgerrakete miteinander verglichen. Der Arbeitszyklus, verschiedene mögliche Flüssigtreibstoffe, deren Fördersysteme und Triebwerkszyklen analysiert und diskutiert. Außerdem werden Aerospike-Düsen mit konventionellen Bell-Düsen verglichen. Dabei werden für Aerospikes die theoretisch höhenkompensierenden Eigenschaften zur Steigerung der Antriebsleistung näher betrachtet. Im Detail werden die zwei Trägerkonfigurationen „SMILE Liquid Rocket Version 1“ (‚SLR v1‘) mit Aerospike-Düsen und SMILE Liquid Rocket Version 2“ (‚SLR v2‘) mit Bell-Düsen hinsichtlich Stufen-, Triebwerks- und Zyklusparameter verglichen und anschließend diskutiert. Für das Antriebssystem der ersten Stufe mit Aerospike-Konfiguration SLR v1 wird ein gewichtspezifischer Impuls von 265 s≤I_(sp,SLRE-1)≤332 s erreicht und weist somit eine bessere Performance als die Bell-Konfiguration SLR v2 mit 270 s≤I_(sp,SLRE-2)≤305 s auf. Dies ist einerseits durch die adaptiven Aerospike-Eigenschaften und anderseits durch geringere Gasgeneratorzyklus-Verluste bedingt. Trotz des besseren Leistungsvermögens des Aerospikedüsen-basierten Antriebs der Konfiguration SLR v1 wird vorgeschlagen, weiterhin das Belldüsen-Antriebskonzept der Konfiguration SLR v2 zu verfolgen. Der Grund liegt hauptsächlich darin, dass für SLR v2 ein Triebwerkskonzept mit baugleichen Triebwerken für die erste und zweite Stufe eingesetzt werden kann, was Entwicklungszeiten und -risiken und folglich Investitionen sowie operationelle Kosten deutlich minimiert.