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Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) und das in Indiana ansässige Luft- und Raumfahrtunternehmen IN Space LLC haben begonnen, Daten aus den Tests eines bemerkenswerten Raketentriebwerksdesigns zu analysieren. Die Tests beziehen sich auf ein rotierendes Detonationsraketentriebwerk, das Wellen aus verbranntem Treibstoff und Oxidationsmittel verwendet, um Schub zu erzeugen, indem es Überschall-Stoßwellen erzeugt. Diese Motoren sind leistungsstärker als die chemischen Motoren, die zum Transport von Menschen und Fracht in den Weltraum verwendet werden, und die Tests der NASA umfassten mehr als ein Dutzend Durchläufe und erzeugten den größten Schub für diese Motorkonstruktion. Die Raumfahrtbehörde wollte mit diesen Tests die Materialfestigkeit testen und plant, bald eine leistungsstärkere Variante zu testen.
NASA erzeugt mehr als 4.000 Pfund Schub mit Rotating Detonation Rocket Engine (RDNE)
Ein typisches Raketentriebwerk, wie dasjenige, das die Space Launch System (SLS)-Rakete der NASA oder die Falcon-Reihe von SpaceX antreibt, verwendet eine Standard-Brennkammer, um Schub zu erzeugen. Diese Kammer führt das Treibmittel (Brennstoff) und das Oxidationsmittel (brennbares Material) mit hohem Druck in die Kammer ein, wo sie angezündet werden. Der resultierende Schub wird dann durch eine sorgfältig gefertigte Düse geleitet – und das Gleichgewicht der Abgase und der Produkte in der Kammer (Kammerdruck) ist entscheidend dafür, ob der Motor funktioniert oder ob er die Abgase einfach zurück in die Tanks schickt .
Dieser Vorgang wird als Deflagration bezeichnet, ein Fachbegriff, bei dem sich die Abgase oder die Nebenprodukte einer Verbrennungsreaktion langsamer als mit Schallgeschwindigkeit fortbewegen. In ähnlicher Weise tritt eine Detonation auf, wenn sich die Nebenprodukte schneller als mit Schallgeschwindigkeit oder mit Überschallgeschwindigkeit bewegen. Dies verleiht ihnen einen zusätzlichen Kick, da die Gase die Partikel des Mediums, in dem sie sich bewegen, anregen. Zur einfachen Veranschaulichung ist eine Trinitrotoluol (TNT)-Explosion auf der Erde eine Detonation, da die Nebenprodukte Wasser, Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind und andere bewegen sich schneller als Schall in der Luft. Dies führt auch zu einer charakteristischen Stoßwelle, die bei den Explosionen beobachtet wird.
Ein rotierender Detonationsmotor nutzt auch das Prinzip der Detonation, um einen selbsterhaltenden Druck innerhalb der Brennkammer aufzubauen, was zu mehr Kraftstoffeffizienz und höherer Leistung führt. In einem solchen Motor bewegen sich die Verbrennungsprodukte innerhalb einer zylindrischen Brennkammer, oder was technisch als Ringraum bezeichnet wird. Die Form dieser Brennkammer ermöglicht es den Druckwellen der Detonation, sich um das Triebwerk zu drehen, wobei sich die Wellen in einem bemerkenswerten Prozess selbst „jagen“. Ihre hohe Geschwindigkeit führt dazu, dass die Wellen Zehntausende von Umdrehungen pro Sekunde zurücklegen, und der Prozess der Detonation ist im Vergleich zur Verpuffung besser darin, die Energie des Treibstoffs in Schub umzuwandeln.
Die NASA sagt, dass ihr RDNE mehrere Hot-Fire-Tests im Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, durchlaufen hat, und die Agentur analysiert die Daten von diesen in Zusammenarbeit mit In Space, LLC. Das Paar führte mehr als ein Dutzend Tests durch, bei denen der Motor insgesamt mehr als zehn Minuten lang ansprang. Darüber hinaus erzeugte ein Vollgastest des RDNE 4.000 Pfund Schub mit einem Kammerdruck von 622 Pfund pro Quadratzoll (psi), wobei der psi-Wert der höchste für das rotierende Detonationsdesign war. Herkömmliche Motoren, wie sie derzeit von der NASA und SpaceX verwendet werden, haben Kammerdrücke von Tausenden von psi.
Ziel der Tests war laut Raumfahrtbehörde nicht, neue Kammerdruckrekorde aufzustellen. Stattdessen wollte die NASA bewerten, ob die Baumaterialien des Triebwerks den hohen Belastungen der detonativen Verbrennung standhalten – insbesondere einer, die für den Raketenantrieb verwendet wird. Diese Materialien wurden durch 3D-Fertigung hergestellt, wobei das genaue Material laut der Weltraumbehörde „die von der NASA entwickelte Kupferlegierung GRCop-42“ ist. Der 4.000-Pfund-Schubmotor drosselte und demonstrierte auch erfolgreich die interne Zündung, wobei die NASA nun darauf abzielt, eine viel leistungsstärkere 10.000-Pfund-Version zu testen.