Vulcain

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Dieser Artikel behandelt ein Raketentriebwerk. Zum Uhrenhersteller siehe Vulcain (Uhrenmarke), zur Band siehe Vulcain (Band).
Ausstellungsexemplar eines Vulcain-1-Triebwerks
Ausstellungsexemplar eines Vulcain-2-Triebwerks

Vulcain ist ein Raketentriebwerk der ESA, das in der ersten Stufe der Ariane 5 eingesetzt wird. Es gibt zwei Hauptversionen dieses Triebwerkes, Vulcain 1 und Vulcain 2, sowie eine Variante des Vulcain 1, das Vulcain 1B.

Entwicklung[Bearbeiten]

Bereits 1957 entschied das französische Verteidigungsministerium, ein Kalttemperatur-Triebwerk für Raketen zu entwickeln.[1] Der erste Prototyp wurde 1964 in Betrieb genommen. Seither wurden mehrere Generationen des Triebwerks entwickelt. Auf der ESA Ministerkonferenz in Den Haag im Jahre 1987 wurde die Entwicklung einer stärkeren Trägerrakete, der Ariane 5, beschlossen. Dafür musste auch ein neues Triebwerk, eben das Vulcain-Triebwerk (ehemals HM 60), gebaut werden. Schon nach einer relativ kurzen Entwicklungszeit durch die Firmen Snecma und EADS Astrium (früher MBB) wurde im April 1990 das erste Vulcain-Triebwerk gezündet, welches am 4. Juni 1996 zum ersten Mal in einer Trägerrakete eingesetzt wurde. Für die Ariane 5 GS wurde eine leicht modifizierte Version des Triebwerks mit der Bezeichnung Vulcain 1B eingesetzt. Eine Erhöhung des Brennkammerdrucks um 10 bar lieferte dabei 20 kN mehr Schub.

Für die größere Ariane 5 ECA wurde wegen der erhöhten Masse der Oberstufe ein leistungsstärkeres Triebwerk gewünscht, und so wurde bereits Ende der Neunziger Jahre der Nachfolger, das Vulcain 2, entwickelt. Beim Erstflug am 11. Dezember 2002 kam es zum strukturellen Versagen der Düse infolge zu hoher thermischer Belastung der Röhrchenstruktur, mit der die Düse gekühlt wird, damit zur Rissbildung in der Schubdüse, Kühlmittelverlust und Durchbrennen der Röhrchenstruktur. Darüber hinaus wurde die Düse durch axiales Beulen unter Vakuumbedingungen beschädigt.[2] Daraufhin musste das Triebwerk nachgebessert werden. Der Erfolg war Vulcain 2 erst beim zweiten Einsatz am 12. Februar 2005 beschieden.

Technische Daten[Bearbeiten]

Durch die Weiterentwicklung zur Vulcain 2 wurden die Leistungsdaten in fast allen Bereichen gesteigert. Ziel war bei gleichem Gesamttankvolumen der Ariane 5 mehr Treibstoff mitführen zu können. Aufgrund des großen Dichteunterschiedes von flüssigem Sauerstoff zu flüssigem Wasserstoff wurde der Zwischenboden, der die beiden Treibstoffe trennt, zu Gunsten des Sauerstoffvolumens verschoben. Damit ist es möglich, 16 t zusätzlichen Sauerstoff bei Verlust von 1 t Wasserstoff mitzuführen.[3] Um diese zusätzliche Treibstoffmenge fördern zu können, wurde die Leistung der Sauerstoff-Turbopumpe gesteigert und die Anzahl Einspritzdüsen erhöht. Durch diese Maßnahme würde der spezifische Impuls leicht sinken. Dies wurde durch Erhöhung des Brennkammerdrucks und Verlängerung der Schubdüse kompensiert. Als weitere leistungssteigernde Maßnahme werden die Abgase des Gasgenerators nach Durchströmen der Turbinen in den unteren Teil der Düse eingeblasen, was Schub und spezifischen Impuls leicht erhöht und zudem die Düse zusätzlich kühlt. Dadurch arbeitet Vulcain 2 nicht mehr nach dem klassischen Nebenstromverfahren sondern nach dem Nebenstromverfahren mit Abgaswiedereinblasung.

Version Vulcain 1 (Vulcain 1B)[4] Vulcain 2[5]
Höhe 3 m 3,45 m
Durchmesser 1,76 m 2,10 m
Masse 1686 kg 2100 kg
Treibstoffe Flüssiger Sauerstoff (LOX) und Wasserstoff (LH2) im Verhältnis 5,9:1 Flüssiger Sauerstoff (LOX) und Wasserstoff (LH2) im Verhältnis 6,1:1
Drehzahl der Turbopumpen[6][7] 11.000 – 14.800 min-1 (LOX)
resp. 28.500 – 36.000 min-1 (LH2)
11.300 – 13.700 min-1 (LOX)
resp. 31.800 – 39.800 min-1 (LH2)
Leistung der Turbopumpen 2,0 – 4,8 MW (LOX) resp. 7,4 – 15,5 MW (LH2) 3,7 – 6,6 MW (LOX) resp. 9,9 – 20,4 MW (LH2)
Brennkammerdruck 100 bar (110 bar) 115 bar
Vakuumschub 1120 kN (1140 kN) 1340 kN
Bodenschub 815 kN 960 kN
Spezifischer Impuls im Vakuum (SI) 4228 m/s 4228 m/s

Geplante Weiterentwicklung[Bearbeiten]

Wegen der vermuteten Zunahme der Nutzlastmassen soll im Rahmen der Weiterentwicklung der Ariane 5 die Leistung des Vulcain-Triebwerkes gesteigert werden. Zudem sollen die Produktionskosten des Triebwerks gesenkt werden, um so auf dem internationalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben. Zum Erreichen dieser Ziele wurden verschiedene Studien von Seiten der Herstellerfirma SNECMA und CNES durchgeführt. Der spezifische Impuls wird je nach Variante um bis zu 3,7 % gesteigert. Bei dem Einsatz eines solchen Triebwerks auf einer Ariane 5 würde die Nutzlast in einen niedrigen Orbit (LEO) um bis zu 3,4 t erhöht werden.[8]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Vulcain – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Quellenangaben[Bearbeiten]

  1. Vulcain engine Artikel auf esa.int vom 29. November 2005.
  2. Prof. Wolfgang Koschel im Magazin des Zentrums für Luft- und Raufahrt, Juli 2005, S.19 (PDF; 9,7 MB)
  3. Ausbau der Ariane 5 Artikel von bernd-leitenberger.de
  4. Die Ariane 5 Artikel von bernd-leitenberger.de
  5. Datenblatt der Herstellerfirma Snecma als PDF (französisch)
  6. Datenblatt LOX-Turbopumpen von Volvo (englisch)
  7. Datenblatt LH2-Turbopumpen von Volvo (englisch)
  8. Engines Trade Off for Ariane 2010 Initiative A. Dalbies et al., 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, July 7-10, 2002.