Vulcain (Raketentriebwerk)
Vulcain ist ein Raketentriebwerk der ESA, das in der ersten Stufe der Ariane 5 seinen Einsatz findet. Es gibt zwei verschiedene Versionen dieses Triebwerkes: eine ältere Vulcain 1 und die neuere und stärkere Vulcain 2.
Entwicklung
Bereits 1957 entschied das französische Verteidigungsministerium, ein Kalttemperatur-Triebwerk für Raketen zu entwickeln.[1] Der erste Prototyp konnte 1964 in Betrieb genommen werden, und seither wurden viele Generationen verschiedener Triebwerke entwickelt. Auf der ESA Ministerkonferenz in Den Haag im Jahr 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 Firma Snecma wurde im April 1990 das erste Vulcain-Triebwerk gezündet, welches dann am 4. Juni 1996 zum ersten mal in einer Trägerrakete eingesetzt wurde. Für die Ariane 5 GS wird eine leicht modifizierte Version des Triebwerks mit der Bezeichnung Vulcain 1B eingesetzt. Eine Erhöhung des Brennkammerdrucks um 10 bar liefert 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 Neuziger Jahre der Nachfolger, die 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
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 rpm (LOX) resp. 28 500 – 36 000 rpm (LH2) | 11 300 – 13 700 rpm (LOX) resp. 31 800 – 39 800 rpm (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
Wegen absehbarer Zunahme der Nutzlastmassen soll im Rahmen der Ariane 2010 Initiative die Leistung des Vulcain-Triebwerkes gesteigert werden. Zudem sollen die Produktionskosten des Triebwerks gesenkt werden, um auf dem internationalen Satellitenstart-Markt weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben. Im diese Ziele zu erreichen wurden verschiedene Studien von Seiten der Herstellerfirma SNECMA und CNES durchgeführt. Die vorgeschlagenen Triebwerksmodifikationen erlauben je nach Konfiguration Kostenreduktionen von bis zu 30% oder Schubsteigerungen von maximal 50%. Der spezifische Impuls wird je nach Variante um bis 3,7% gesteigert. Bei Einsatz eines solchen Triebwerks in einer Ariane 5 würde die Nutzlast um bis zu 3,4 t erhöht.[8]
Weblinks
- Offizielle ESA-Seite zum Triebwerk (englisch)
- Verantwortliche Entwicklung der Brennkammer bei Astrium
Quellenangaben
- ↑ Vulcain engine Artikel auf esa.int vom 29. 11.2005.
- ↑ Prof. Wolfgang Koschel im Magazin des Zentrums für Luft- und Raufahrt, Juli 2005, S.19
- ↑ Ausbau der Ariane 5 Artikel von bernd-leitenberger.de
- ↑ Die Ariane 5 Artikel von bernd-leitenberger.de
- ↑ Datenblatt der Herstellerfirma Snecma als PDF (französisch)
- ↑ Datenblatt LOX-Turbopumpen von Volvo (englisch)
- ↑ Datenblatt LH2-Turbopumpen von Volvo (englisch)
- ↑ 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.