Wie startet man Raketentriebwerke?

Eine interessante Frage, denn bis heute gilt der Startvorgang als der kritische Vorgang, bei dem am meisten schief gehen kann. Nicht umsonst geht der Trend dazu möglichst wenige Triebwerke im Flug zu zünden. Arbeiten wir uns in der Schwierigkeit nach oben.

Druckgeförderte Triebwerke mit hypergolen Triebstoffen: Heute in zahlreichen Satelliten eingesetzt, aber auch in einigen Oberstufen wie der EPS oder Delta. Die Technologie ist auch deswegen so verbreitet weil sie so einfach und zuverlässig ist.

Es reicht im Prinzip die Ventile zu öffnen. Der Druck in den Tanks treibt den Treibstoff in die Leitungen. Bei Zünden unter Schwerelosigkeit und nicht ganz vollen Tanks wird es schwieriger. Dann wird entweder durch ein dehnbares Diaphragma der Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt, sodass es keine Gasblase geben kann (Das Druckgas ist nur in dem einen Teil der von dem Treibstoff durch eine Membran abgetrennt ist.

Es gibt kein aktives Treibstoffförderungssystem. So kann wenig passieren – nun ja doch einiges. Der kritische Punkt ist der Start der Verbrennung. Es muss vermieden werden, dass diese zu abrupt startet und es dann eine Verbrennungsinstabilität gibt. Zwar reagieren die Treibstoffe spontan und bilden kein hypergole Gemisch, trotzdem muss beim Start vermieden werden, dass die Temperatur zu schnell zu stark ansteigt und es zu einer Druckspitze kommt. Wenn dies passiert, dann kann es zu einem Feedbacksymptom kommen, wie dies bei L510 der Ariane 5 geschah. Üblicherweise wird dies so gemacht indem die Ventile zeitverzögert geöffnet werden und wenn möglich die Flussmenge langsam erhöht wird (meistens nicht gegeben). Beim Start am Boden wird so das NTO Ventil zuerst geöffnet. Danach das des Hydrazins. So liegt NTO im Überschuss beim Start vor, es verbrennt nur ein Teil und der Rest wirkt als "Kühlmittel" – er reagiert noch nicht nimmt aber Wärme auf. Da NTO in der Luft ein braunes Gas bildet sieht man daher bei Ariane 1-4 oder der Titan 2 eine braune Wolke beim Start. (Hydrazin wird nicht als erstes vorgelegt, weil es giftig ist).

Schwieriger ist der Start eines Triebwerks ohne hypergole Treibstoffe. Diese müssen entzündet werden. Die bei LOX/Kerosin noch immer verbreitete Methode ist der hypergole Vorlauf. Substanzen wie Triethylaluminat entzünden sich hypergol mit Sauerstoff. Sie werden entweder aus einem separaten Tank injiziert oder es gibt in den Tanks einen vrlauf oder die Treibstoffleistungen werden mit einer Membran blockiert in die der hypergole Vorlauf eingeschlossen ist. Sie wird durch den Treibstoffdruck dann gesprengt. So wurde dies bei der Saturn V gehandhabt.

Hypergole Vorläufe werden meist angewandt bei Triebwerken die nur einmal gezündet werden. Bei mehreren Zündungen oder bei flüssigem Wasserstoff als Treibstoff geht dies nicht. Die Temperatur von LH2 ist so niedrig dass alle hyerpgolen Substanzen zu Eis gefrieren würde. Es gibt mehrere Methoden. Eine sehr sichere ist eine Zündung durch ein eigenes Triebwerk. Also Festkörpertriebwerke mit kurzer Brennzeit. Die heißen Flammen entzünden das Gas und sie können bei Triebwerken mit Gasgeneratorantrieb acuh das Startgas für den Betrieb des Gasgenerators liefern. Da man für mehrere Zündungen mehrere Triebwerke benötigt ist dort eher die Entzündung mit einer Flamme, induziert durch einen elektrischen Zündfunken verbreitet. Bei Triebwerken mit Expander Cycle ist dies sogar die normale Vorgehensweise.

Das Problem ist es auch hier den Treibstoff zu entzünden. Ist die Energie gering oder kommt die Flamme nicht direkt an den Treibstoffeinlaß, so kann es sein, dass es zu keiner Zündung kommt. Das war die Ursache von zwei Fehlstarts bei der Ariane 2+3 (V15 und V18). Danach wurde das Triebwerk überarbeitet und lieferte dreimal so viel Energie.

Über die unterschiede beim Triebwerksstart geht es dann in einem neuen Blog.