Raptor (Raketentriebwerk)

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Raptor beim ersten Test
Landeanflug der Erststufe des Zwischenprojekts „Interplanetary Transport System

Das Raptor ist ein Flüssigkeitsraketentriebwerk des Raumfahrtunternehmens SpaceX. Es soll Raketenstufen mit hoher Antriebseffizienz und bis zu 1000-facher Wiederverwendbarkeit ermöglichen (Planungsstand 2017[1][2][3]) und damit die Entwicklung einer vollständig wiederverwendbaren Großrakete mit sehr niedrigen Kosten pro Start.[4]

Die Entwicklung des Triebwerks begann in den frühen 2010er Jahren als Teil des Raketenkonzepts Mars Colonial Transporter („Marskolonisationstransporter“). Seit 2017 arbeitet SpaceX am Nachfolgeprojekt BFR – heute Starship und Super Heavy – mit geplanten 28 Raptoren in der ersten und 6 in der zweiten Stufe. Flugtests mit Raptor-Vorserientriebwerken finden seit 2019 statt.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Potentielle Methanquellen (CH4) auf dem Mars

Treibstoff[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Konzeptionsphase war zunächst flüssiger Wasserstoff und Flüssigsauerstoff (liquid oxygen, LOX) als Treibstoffmischung ins Auge gefasst worden. Unter anderem wegen der von SpaceX angestrebten bemannten Marsflüge legte sich das Unternehmen dann auf flüssiges Methan und flüssigen Sauerstoff fest. Methan kann auf dem Mars prinzipiell durch den Sabatier-Prozess gewonnen werden[5] und könnte somit auch als Treibstoff für eine Rückreise vom Mars verwendet werden, müsste also nicht bereits auf der Hinreise mitgeführt werden. Genutzt werden soll beim Sabatier-Prozess Kohlendioxid, das den Hauptbestandteil der Mars-Atmosphäre bildet, und Wasser aus den auf dem Mars nachgewiesenen Wassereisvorkommen. Die Energie für den Prozess möchte SpaceX mit einem Solarkraftwerk gewinnen.[6] Bisher verwendet SpaceX für seine Raketentriebwerke (Merlin und Kestrel) Raketenkerosin RP-1 und Flüssigsauerstoff.

Leistung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Tom Mueller, vormals SpaceX-Vizepräsident für Triebwerksentwicklung, teilte im Februar 2014 mit, das Raptor-Triebwerk sei für einen Schub von 4500 kN konzipiert worden. Im Vergleich hierzu habe das aktuelle Triebwerk Merlin 1D einen Schub von 689 kN. Der spezifische Impuls soll auf Meereshöhe 321 s und 363 s im Vakuum betragen.[7]

Im September 2016 stellte Elon Musk das Projekt ITS mit 42 Raptor-Triebwerken vor. Der Schub wurde mit 3500 kN auf Meereshöhe angegeben.

Am 29. September 2017 stellte Elon Musk auf dem International Astronautical Congress (IAC) in Adelaide ein dem ITS ähnliches, kleineres Raumfahrtsystem vor, das vorläufig BFR (Big Falcon Rocket) genannt wurde. Die Startrakete soll über 31 Raptor-Triebwerke verfügen. Diese sollten zusammen einen Schub von 5400 Tonnen für die maximal 4400 Tonnen schwere BFR erzeugen. Einige dieser Triebwerke dürften demnach so wie bei der Falcon 9 auch als Landetriebwerke der Erststufe fungieren.[8]

Varianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Raumschiff, die Zweitstufe der BFR-Rakete, sollte über zwei verschiedene Raptor-Triebwerke verfügen: Zwei Landetriebwerke mit einem Durchmesser von 1,3 m und einem Schub von je 1700 kN auf Meereshöhe. Der spezifische Impuls sollte 330 s auf Meereshöhe und 356 s im Vakuum betragen. Die vier Vakuum-Triebwerke sollten einen Schub von je 1900 kN haben. Spezifischer Impuls: 375 s. Der Durchmesser der Austrittsdüse hätte 2,4 m betragen.

In der zweiten Jahreshälfte 2018 wurden das Design des Raumschiffs geändert und das Triebwerk „grundlegend überarbeitet“ (radically redesigned). Es soll zunächst nur noch eine Raptor-Variante mit 2000 kN Schub für die gesamte BFR verwendet werden. Später soll der Schub der Erststufentriebwerke auf 2500 kN gesteigert werden, während im Raumschiff eine Vakuum-Variante mit mindestens 380s spezifischem Impuls zum Einsatz kommen soll.[9]

Im Mai 2019 ging SpaceX zum ursprünglichen Entwurf zurück, in dem das Raumschiff von Anfang an eine für das Vakuum und eine für die Meereshöhe optimierte Triebwerksvariante erhalten soll. Diesmal sollen von beiden Varianten jeweils 3 Triebwerke benutzt werden.[10]

Aufbau und Ablauf der Verbrennung in einem Vollstrom­vorverbrennungs­triebwerk (stark vereinfacht)[11]

Vollstromvorverbrennung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei herkömmlichen Raketentriebwerken wird ein Teil des Treibstoffs oder des Sauerstoffs abgezweigt, in einem Vorbrenner mit einem geringen Teil (was die Gase weniger heiß und es somit einfacher macht, sie über Leitungen weiter zu führen) des jeweils anderen Stoffs vermischt und das so entstehende Gas als Grundantrieb für die Turbine benutzt. Diese treibt die Treibstoff- und Sauerstoffpumpe an, die wiederum den jeweiligen Stoff in die Brennkammer leiten.

Bei Nebenstromtriebwerken wird das im Vorbrenner entstehende treibstoff- oder sauerstoffreiche Gas, dessen chemische Energie zu diesem Zeitpunkt nicht vollständig aufgebraucht ist, ungenutzt seitlich des Triebwerks ausgestoßen.

Bei Hauptstromtriebwerken wird dies vermieden, indem das Gas wieder zurück ins Triebwerk und in die Brennkammer geleitet wird, wo es durch Verbrennung und das hinzukommende Gewicht des herabstürzenden Treibstoffs zusätzliche Energie erzeugt.

Bei der Teilstromvorverbrennung gibt es hierbei genau eine Turbine, die beide Pumpen antreibt, und dabei entweder Sauerstoff mit einer geringen Menge Treibstoff oder andersrum Treibstoff mit einer geringen Menge Sauerstoff verwendet.

Bei der Vollstromvorverbrennung (engl. full flow staged combustion cycle), zu denen auch das Raptor-Triebwerk zählt, gibt es zwei Turbinen: Eine, die Treibstoff mit einem kleinen Anteil Sauerstoff verbrennt, um die Treibstoffpumpe anzutreiben, und eine, die Sauerstoff mit einem kleinen Anteil Treibstoff verbrennt, um die Sauerstoffpumpe anzutreiben. Dadurch, dass es zwei Turbinen bei jeweils gleichbleibendem Massestrom gibt, können die Turbinen zusammen mehr Leistung für die Pumpen erbringen. Die Pumpen können schließlich den Druck in der Brennkammer und damit den spezifischen Impuls des Triebwerks erhöhen. Eine weitere Möglichkeit ist, die Kraft der Turbinen zu senken, da zwei zusammen nur noch so viel Leistung erbringen müssen, wie vorher eine einzelne. Hierdurch lässt sich der Druck und die Temperatur in den Turbinen und somit auch der Abrieb verringern, was wichtig ist, da Wiederverwendbarkeit ein Schlüsselkonzept der BFR ist. Eine dritte Möglichkeit, die auch in den Raptor-Triebwerken verwendet wird, ist eine Mischung aus beiden Verfahren, bei der die Leistung (und somit der Abrieb) der einzelnen Turbinen zwar gesenkt wird, aber nur soweit, dass beide Turbinen zusammen immer noch mehr Leistung erzeugen, als zuvor eine einzelne. Somit hat man sowohl eine höhere Leistung als auch einen geringeren Abrieb. Die Effizienz der Triebwerke erhöht sich zusätzlich dadurch, dass Treibstoff und Sauerstoff gasförmig, statt wie bei herkömmlichen Triebwerken flüssig, in die Brennkammer geleitet werden, was die Reaktionszeit der beiden verringert.

Sollte das Raptor-Triebwerk tatsächlich zum Einsatz gelangen, wäre es das erste Vollstromvorverbrennungstriebwerk, das die Testphase verlässt und den Weltraum erreicht.

Dass zuvor kein solches Verfahren bis zur Einsatzreife gebracht wurde, lag unter anderem an dem hohen technischen Aufwand für den synchronen Betrieb zweier Vorverbrenner und Turbopumpen. Zudem beherrschten bislang nur russische Ingenieure die nötige Metallurgie, um die Vorbrennkammer und die abgehenden Leitungen vor sauerstoffreichem und damit sehr reaktivem heißem Gas zu schützen. SpaceX löste dieses Problem durch die Entwicklung der neuen Superlegierungen SX300 und SX500.[12] Da sich nicht jeder Treibstoff (wie z. B. Kerosin) nach einer treibstoffreichen Verarbeitung im Vorbrenner weiterverwenden lässt, verwendet SpaceX (neben weiteren Gründen) Methan anstatt Kerosin als Treibstoff.[13][14]

Tests[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bis September 2017 wurden 42 Tests mit einem verkleinerten Prototyp des Triebwerks auf dem Gelände des Stennis Space Center der NASA im Hancock County (Mississippi) durchgeführt. Dabei brannten die Triebwerke während mehrerer Tests insgesamt über 1200 Sekunden. Die maximale Brenndauer pro Test war wegen der Größe der Tanks am Teststand auf 100 s begrenzt. Die Testtriebwerke arbeiteten mit bis zu 200 bar Brennkammerdruck.[8]

Die ersten Tests mit einem Raptor-Prototyp (Seriennummer SN1) in voller Größe fanden im Februar 2019 im SpaceX-Testzentrum in McGregor/Texas statt. Das Triebwerk erreichte den für Starship und Super Heavy benötigten Brennkammerdruck von 250 bar[15] und wurde durch noch höhere Drücke beschädigt.[16]

Erste kurze Flugversuche gelangen am 25. Juli 2019 mit der Testrakete „Starhopper“ und dem Raptor-Triebwerk SN6,[17] im Jahr 2020 dann mit zwei Starship-Prototypen und je einem Triebwerk. Im Dezember 2020 absolvierte ein weiterer Starship-Prototyp erstmals einen mehrminütigen Flug, angetrieben von drei Raptor-Triebwerken, einschließlich Triebwerk Nr. 42 (SN42).[18][19]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Loren Grush: SpaceX’s planned Mars rocket will be reused 1,000 times. The Verge, 27. September 2016.
  2. Patrick Blau: Interplanetary Transport System – Booster. Spaceflight 101, abgerufen am 30. Dezember 2020.
  3. Elon Musk: Making Humans a Multi-Planetary Species. New Space, Band 2, Heft 2/2017, Seite 56.
  4. Mike Wall: SpaceX’s Starship May Fly for Just $2 Million Per Mission, Elon Musk Says. Space.com, 6. November 2019: „Each flight of SpaceX's big Mars-colonizing spacecraft will have a very small price tag, if all goes according to plan.“
  5. Viorel Badescu: Mars: Prospective Energy and Material Resources. Springer Science & Business Media, S. 154 ff.
  6. SpaceX: how Elon Musk plans to power Mars' space-age fuel depots. Inverse, 15. Oktober 2019.
  7. Alejandro G. Belluscio: SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power. nasaspaceflight.com, 7. März 2014, abgerufen am 13. Dezember 2014 (englisch).
  8. a b Elon Musk: Making Life Multiplanetary | SpaceX. Abgerufen am 1. Oktober 2017 (englisch).
  9. Eric Ralph: SpaceX CEO Elon Musk reveals photos of Starship’s first completed Raptor engine. In: Teslarati. 31. Januar 2019, abgerufen am 2. Februar 2019.
  10. https://twitter.com/elonmusk/status/1131433322276483072. Abgerufen am 14. Dezember 2020.
  11. Senkrechtstarter: SpaceX Raptor-Raketentriebwerk - #33 - YouTube. In: YouTube. Senkrechtstarter, S. 7:46 (Zeit), abgerufen am 16. Dezember 2020.
  12. https://twitter.com/elonmusk/status/1076684059827302400. Abgerufen am 15. Dezember 2020.
  13. Raumfahrer net Redaktion: Raptor und Mars Colonial Transporter. Abgerufen am 15. Dezember 2020.
  14. By: The “Impossible” Tech Behind SpaceX’s New Engine. In: Hackaday. 13. Februar 2019, abgerufen am 15. Dezember 2020 (amerikanisches Englisch).
  15. SpaceX’s Starship engine breaks Russian rocketry record held for two decades. In: Teslarati. 10. Februar 2019, abgerufen am 11. Februar 2019.
  16. Twitter-Nachricht von Elon Musk, 21. Februar 2019.
  17. Thomas Burghardt: Starhopper successfully conducts debut Boca Chica Hop. In: Nasaspaceflight.com, 25. Juli 2019 (Ortszeit), abgerufen am 26. Juli 2019.
  18. SpaceX: Starship SN8 High-Altitude Flight Test auf YouTube, 9. Dezember 2020.
  19. Twitter-Nachricht von Elon Musk, 10. Dezember 2020.