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Hybride Antriebe

Hybride Antriebe

Heute verwendet man Feststofftriebwerke und Flüssige Antriebe bei Raketen. Beide haben Vor und Nachteile:

Ideal wäre es also wenn man einen Antrieb hätte der die Vorteile beider Technologien vereinigt, dies ist der Hybridantrieb. Dabei ist in der Regel der Verbrennungsträger fest, der Oxidator aber flüssig. Der Oxidator wird zum Verbrennungsträger durch Druck oder Pumpen gespritzt und verbrennt mit diesem. Man hat also ein Triebwerk wie bei einer Feststoffrakete (ebenso einfach und unkompliziert) verbunden mit einem Fördersystem für flüssige Treibstoffe (dadurch wiederzündbar und der Schub regelbar). Von besonderem Interesse ist, dass man durch die Kombination von Lithium und Berylliumhydrid als extrem starken Reduktionsmitteln mit Fluor und Sauerstoff als extrem starken Oxidationsmitteln eine Energieausbeute erreicht, die der Kombination Wasserstoff und Sauerstoff vergleichbar ist. Das unten abgebildete Konzept war einmal als Oberstufe für die Delta Rakete im Gespräch und hätte einen spezifischen Impuls von 4000 m/s erreicht, bei geringem Brennkammerdruck. Andere Triebwerke mit anderen Kombinationen erreichen sogar 4300 m/s.

Theoretisch sollte ein Antrieb mit Fluor als Oxidator und Lithiumhydrid einen spezifischen Impuls erreichen, der dem von Wasserstoff und Sauerstoff ebenbürtig ist (etwa 4300-4400 m/s im Vakuum). Berylliumhydrid zusammen mit FLOX als Oxidator wäre sogar besser als Wasserstoff/Sauerstoff und würde einen spezifischen Impuls von 5200 m/s ergeben. Allerdings ist Beryllium ein extrem teures Metall und Fluor ist giftig. Daher wird man hybride Triebwerke mit diesen Treibstoffen nur in Oberstufen einsetzen.

Bislang gibt es wenige hybride Antriebe. Frankreich hat eine Höhenforschungsrakete mit einem hybriden Antrieb gebaut, in den USA wurde ein 49 kN Triebwerk entwickelt. In Deutschland hat die Technische Universität München alleine in einer Studentengruppe (ohne fremde Unterstützung) eine kleine hybride Experimentalrakete gebaut. Ende der siebziger Jahre galten diese Antriebe noch als eine zukünftige Alternative. Mittlerweile hat sich aber kaum etwas getan, während man die Feststoffraketen sehr viel weiter entwickelt hat.

Die Treibstoffe

Wie der Name sagt sind diese Triebwerke eine Mischung von festen und flüssigen Triebwerken. Heute ist meist der Treibstoff fest und der Oxidator flüssig. Dies liegt daran, dass es sehr hochwirksame flüssige Oxidatoren wie reines Fluor oder Sauerstoff gibt. Dagegen besitzen feste Oxidatoren wie nitrierte Kohlenwasserstoffe oder Ammoniumperchlorat immer einen inerten oder reduzierenden Molekülteil.

Es gibt aber gute Verbrennungsträger in fester Form. Zum einen Kunststoffe, die von der Energieausbeute vergleichbar Kerosin sind. Viel interessanter sind jedoch starke Reduktionsmittel mit niedriger Molekularmasse. Dies sind Lithium und Beryllium sowie ihre Hydride. Man kann diese auch mit Kunststoffen mischen. Dies würde man vor allem bei den Metallen tun um hier Wasserstoff in Form von Kohlenwasserstoffen mit einzubringen.

Man nutzt die hohe Verbrennungstemperatur bei der Verbrennung der Metalle aus, um Wasserstoff aus den Kohlenwasserstoffen freizusetzen und so ein Abgas mit niedriger Molekülmasse aber hoher Ausströmgeschwindigkeit zu erreichen. Ein Hybrider Antrieb ist also vergleichbar einem Dreistoffsystem, das technologisch viel schwerer zu beherrschen ist.

Als Oxidatoren kommen die Substanzen in Frage die man auch bei flüssigen Treibstoffen einsetzt: Sauerstoff und Stickstofftetroxid sowie Fluor. Fluor bringt bei flüssigen Treibstoffen nur einen kleinen Gewinn gegenüber dem Sauerstoff. In Verbindung mit den Alkalimetallen ist dieser größer, so das Fluor oder Mischungen von Fluor und Sauerstoff (FLOX) sehr interessante Oxidatoren sind.

Wie schon erläutert kann man mit FLOX und einem Gemisch von Lithium in einem Kunststoff in etwa spezifische Impulse wie bei einer Raketenstufe mit Wasserstoff und Sauerstoff erreichen. Jedoch ist die Technologie der Stufe viel einfacher und ähnelt mehr der einer Feststoffrakete.

Die Technologie

Vom Aufbau her verwenden sie hybride Triebwerke Technologien von flüssigen und festen Antrieben. Der Verbrennungsträger selbst befindet sich wie bei Feststofftriebwerken in einer massiven Hülle die mit der Düse endet. Bis zur Hälfte ist es also ein Feststofftriebwerk. Die andere Hälfte ist ein Tank mit dem flüssigen Oxidator. Da man keine Brennkammer hat, genügt es den Oxidator durch Druck zu fördern und auf den Verbrennungsträger zu versprühen. Dort verbrennt er, reist aber meist noch unverbrannten festen Treibstoff bei der Verbrennung mit, Diese Technologie vereint Vor- und Nachteile:

• Die Leermasse ist wie bei Feststofftriebwerken relativ hoch durch das schwere Gehäuse für den festen Treibstoff. (aber nicht ganz so hoch, da der Oxidatortank dünnwandig sein kann).
• Technisch ist das System einfacher als eine Stufe mit flüssigen Treibstoffen aufgebaut. Es gibt keinen Gasgenerator, keine Turbinen, keine Brennkammer. Zur Treibstoffförderung genügt Druckgas. Damit sinken die Herstellungskosten und die Anfälligkeit des Systems ist geringer als bei einem flüssigen Triebwerk. (Eine Turbinenförderung ist natürlich auch möglich, doch dann verspielt man diesen Vorteil).
• Der Wirkungsgrad ist geringer als bei modernen Flüssigkeitstriebwerken, jedoch höher als bei Feststofftriebwerken, da ein leistungsfähiger Oxidator eingesetzt werden kann. Der Nachteil gegenüber Flüssigkeitstriebwerken liegt darin, dass eine Vermischung der beiden Treibstoffe nicht so gut ist wie bei flüssigen Treibstoffen (Zerstäuben unter Hochdruck) oder festen (Vermischt in einer homogenen Masse). Es wird immer zu lokalen Überkonzentrationen kommen, vor allem wenn die Menge des Oxidators variiert wird (Schubregelung). Macht man nichts, so wird ein großer Teil des festen Treibstoffs unverbrannt mit dem heißen Verbrennungsgas mitgerissen.
• Die Dichte der Treibstoffe liegt über denen von flüssigen Treibstoffen, Vor allem wenn man es mit Wasserstoff/Sauerstoff vergleicht
• Hybride Triebwerke sind außerordentlich sicher. Selbst bei einer Beschädigung des Oxidatorbehälters kann es nicht zu einer Explosion kommen. Der feste Treibstoff brennt immer nur an der Kontaktfläche ab.
• Die Abbrandfläche ändert sich laufend. Man muss die Oxidatormenge daher während dem Betrieb anpassen. Ein konstanter Schub ist so schwer möglich.

Gegenüber Feststofftriebwerken sind hybride Triebwerke jedoch in fast allen Belangen überlegen :

• Man kann die Schubentwicklung durch Regelung des Oxidatorflusses steuern, sogar die Triebwerke abschalten und wiederzünden. Ebenso ist ein vorzeitiger Brennschluss möglich. Dies ist mit Feststofftriebwerken zwar technisch möglich doch extrem aufwändig und daher so teuer dass es praktisch nicht angewendet wird. Die spezifischen Impulse liegen im Normalfall höher als beim in festen Antrieben verwenden Treibstoff HTPB / Ammoniumperchlorat / Aluminium.
• Eine Schubvektorsteuerung wäre sehr einfach möglich wenn man die Richtung in der der Oxidator verspritzt wird variieren kann, z.B.. durch eine bewegliche Düse.
• Die spezifischen Impulse können bei exotischen Materialen (Polyethylen als Binder + Beryllium als Verbrennungsträger mit Fluor/Sauerstoff als Oxidator) über 5000 m/s erreichen. Doch bei den meisten bezahlbaren und erprobten Kombinationen liegen sie bei 2500-4300 m/s .

Herausforderungen

Es gibt zwei Phänomene die bei Hybridraketen problematisch sind. Das erste ist der Brennkammerdruck. Damit der Oxidator alleine durch Druckgasförderung in die Brennkammer gelangen kann muss der Druck in dem Oxidatortank größer sein als der Brennkammerdruck. Das macht entweder (bei hohem Brennkammerdruck) einen sehr dickwandigen Tank nötig - das Voll/Leermasseverhältnis wird ungünstig oder man begrenzt den Brennkammerdruck. Bei dem oben abgebildeten Beispiel für die Delta Oberstufe lag er z.B.. bei nur 16.5 Bar. Man kann eine Turbine mit einer Pumpe anbringen, welche den Oxidator unter Druck fördern, doch verliert man dann viel von der Einfachheit der Hybridtriebwerke.

Das zweite ist die Verbrennung. Sie sollte vollständig sein. Das ist schon bei stöchiometrische Verhältnissen nicht im ganzen Brennraum gegeben. In der Mitte hat man noch ein Gemisch reich an Oxidator, nahe des Verbrennungsträgers ist es reich an diesem. Eine Platte mit Öffnungen vor der Düse, welche die Gase verwirbelt könnte dieses Problem lösen. Gedacht wurde auch zu wenig Oxidator einzuspritzen und den Rest erst kurz vor der Düse seitwärts einzuleiten. Dann könnte man durch Variation des Massestroms den Schubvektor einfach ändern.

Zuletzt verändert sich die Geometrie im Laufe der Verbrennung. Die Abbrandfläche wird immer größer je mehr abgetragen wird. Man muss also den Oxidatorstrom anpassen. Gleichzeitig steigt das Innenvolumen, dadurch sinkt der Druck, was wiederum weniger Oxidator nötig macht. Man kann jedoch aufzeigen, dass es bei Innenbrennern eine Geometrie gibt, bei der sich beide Faktoren gerade aufheben. Dann ist der Oxidatorstrom konstant. Dies ist gegeben wenn gilt:

√ (Oxidatormenge / freie Querschnittsfläche) = konst

Denkbar wäre auch die Kühlung der Düse durch den Oxidator. Bislang setzt man jedoch einfache Düsen ein, wie es sie auch bei Feststofftriebwerken gibt.

Einsatzmöglichkeiten

Untersucht wurden hybride Triebwerke bislang als Oberstufen. Dafür gibt es mehrere Gründe. Zum einen die Giftigkeit von Fluor wenn es eingesetzt wird. Bei den interessanten Verbrennungsträgern Lithium und Beryllium ist es vor allem der hohe Preis dieser Elemente der den Einsatz limitiert.

Da der Verbrennungsdruck limitiert ist, setzt man solche Triebwerke am besten im Vakuum ein, da dann gilt: Außendruck = 0 und man so wenig Leistung verliert.

Als letztes kann man zwar Hybridantriebe besser steuern als Feststofftriebwerke. Doch wenn ich darauf verzichte, das heißt einfach den Oxidatortank durch Druckluft leer blase (eventuell vorzeitiges Abschalten durch das Schließen des Ventils), dann habe ich eine Konstruktion die nicht wesentlich aufwendiger als eine Feststoffoberstufe ist. Die Entwicklungskosten sind so klein.

Interessant wäre der Einsatz als Ersatz von Feststoff angetriebenen Oberstufen. Kleinere hybride Triebwerke mit bis zu einigen Tonnen Startmasse kann man mit reiner Druckförderung bauen und Gehäuse für Feststoffantriebe in dieser Größenordnung sind recht leicht. Innerhalb dieser Größenklasse sind hybride Antriebe recht konkurrenzlos, denn ein Antrieb mit Wasserstoff und Sauerstoff werden bei kleinen Treibstoffmengen recht schwer. Der spezifische Impuls ist bei vielen hybriden Antrieben aber höher als bei Feststoffantrieben und lagerfähigen flüssigen Treibstoffen.

Leider arbeitet die Entwicklung bei Satellitenantrieben die früher gerne feste Antriebe einsetzten gegen hybride Antriebe. Die langen Lebensdauer die heute ein geostationärer Satellit hat erfordern viel Treibstoff zu Lagerung. Dadurch setzen Satelliten immer mehr ein kombiniertes System für den Antrieb und die Lageregelung ein. Die Lageregelung kann aber nicht mit hybriden Antrieben erfolgen.

Spezifische Impulse

Der Spezifische Impuls ist in der Raketentechnik eine wichtige Kenngröße für die Qualität eines Treibstoffes. Daher an dieser Stelle einige spezifische Impuls von getesteten und theoretisch interessanten Kombinationen.

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