Triergole Antriebe

Theoretisch untersucht, aber nicht in der Praxis eingesetzt sind Triergole Antriebe. Bei ihnen besteht das gesamte Arbeitsmedium aus drei Teilen, wie das „Tri“ schon sagt. Bekannter sind die beiden anderen Zusammensetzungen:

  • Monergole Antriebe. Es gibt keinen Oxydator und keinen Verbrennungsträger sondern nur ein Medium. Das ist chemisch instabil und kann durch einen Katalysator gespalten werden. Hydrazin und früher Wasserstoffperoxyd sind solche Monergole Treibstoffe. Sie liefern beim katalytischen Zerfall ein Heißgas.
  • Bi oder Diergole Antriebe: Es gibt zwei Komponenten. Eine ist der Oxydator und eine der Verbrennungsträger. Dies sind die meisten heutigen Treibstoffe.
  • Bei den triergolen Antrieben gibt es nun einen Oxydator und zwei Verbrennungsträger oder umgekehrt. Theoretisch zählen die Feststoffantriebe dazu. Doch da hier Oxydator und Verbrennungsträger nicht getrennt sind fallen die in eine eigene Kategorie die zusammengesetzten Treibstoffe. Ebenfalls gehört auch das nominell triergole Hybridgemisch Polyethylen / FLOX oder FLOX/RP1 nicht zu den Triergolen, da es nicht drei getrennte Tanks sondern nur zwei gibt. (FLOX kann man als Mischung von zwei Oxydatoren sehen so wie heute schon eingesetzt NTO/NO bzw. Kerosin ist auch ein Gemisch verschiedener Alkane, Alkene und aromaten.

Es sind theoretisch enorm viele Kombinationen denkbar. Schließlich gibt es mehrere Oxydatoren und mehrere Verbrennungsträger. Aber in der Praxis macht nur eine Kombination Sinn: LOX/RP1/LH2. Sie ist auch die am besten untersuchte.

LOC/LH2 hat den Vorteil einer hohen Energieausbeute, die man schlussendlich im spezifischen Impuls als Zahl fassen kann. Dafür sind die Ansprüche an ein Triebwerk hoch (höhere Verbrennungstemperaturen, Wasserstoff verdampft bei der Kühlung, hohe Förderleistung für die LH2-Turbopumpe benötigt. Zudem ist der LH2-Tank sehr groß und muss besonders isoliert werden.

LOX/RP1: ist eine Technik die weitaus weniger Anspruchsvoll als LOX/LH2 ist. Alle Parameter sind nicht so extrem wie Temperaturen in der Brennkammer, Förderleistung, Wärmeaufnahme des Kerosins. Die Tanks sind deutlich kleiner und brauchen keine Isolierung. Als zusätzlicher Vorteil ist die Brennzeit bei gegebenem Schub und Treibstoffzuladung kleiner, das reduziert die Gravitationsverluste.

Daher gab es nicht wenige Überlegungen daher beide Verfahren zu kombinieren. Dabei gibt es zahlreiche Variationen. Am komplexesten ist es wenn das Triebwerk mit beiden Treibstoffen gleichzeitig zurecht kommen muss. So verdampft der Wasserstoff bei der Kühlung, das Kerosin je nach Typ aber erst wenn es 500°C heißer ist, als Folge gibt es Gasblasen im flüssigen Medium. Der Gasgenerator wird bei LOX/LH2 meist mit Wasserstoffüberschuss betrieben, bei LOX/RP1 dagegen mit Sauerstoffüberschuss um die Graphitbildung zu verhindern. Das ist also kein sinnvoller weg. Vielmehr wird man die Ströme trennen und zum Beispiel den Gasgenerator mit Wasserstoff, die Kühlung mit Kerosin versorgen. Was man erhält ist eine durch den Wasserstoff heißere Verbrennung, praktisch keine Graphitbildung und die mittlere Molekülmasse sinkt: da Wasserstoff eine höhere Affinität zu Sauerstoff hat wird es kaum Kohlendioxyd, dafür mehr Kohlenmonoxid geben.

Die zweite Möglichkeit ist es die Ströme zu trennen oder nacheinander zu verbrennen. Sinnvollerweise wird man zuerst LOX/Kerosin verbrennen, durch den höheren Treibstoffverbrauch für einen gegebenen Schub nimmt so die Masse der Rakete schnell ab und die Gravitationsverluste sinken. Danach kann man auf LOX/LH2 umsteigen. Neben der Umschaltung im laufenden Betrieb gibt es noch andere Herausforderungen so ist z.B. der Sauerstofffluss für einen gegebenen Schub völlig unterschiedlich. Bei LOX/RP1 2,8:1 und 3100 m/s sind es z.B. 237 kg LOX/s, bei LOX/LH2 6:1 und 4300 m/s sind es 199 kg. Daneben arbeitet der Gasgenerator mit noch stärkeren Unterschieden im Fluss und die Temperaturen und Beanspruchungen im Triebwerk sind ebenfalls höher.

Untersucht hat man diese Antriebe zumindest theoretisch für Erststufen, wo die Vorteile noch am ausgeprägtesten sind. Hier war vor allem der Wunsch die Rakete sollte nicht zu voluminös sein die Antriebsfeder. Schließlich brauchen bemannte Raumtransporter wie das Space Shuttle bei LOX/LH2 riesige Tanks. Sie sind bei einer geflügelten Erststufe noch größer als beim heutigen Shuttle.

Doch der Nutzen ist gering. Er liegt nach verschiedenen Untersuchungen im einstelligen Prozentbereich vergleichen mit einem getrennten System und gleicher Treibstoffmenge. Daher hat man es noch nicht umgesetzt. Meiner Ansicht nach denkbar wäre für ein System das besonders sicher sein soll und bei dem alle Triebwerke beim Start gezündet werden eine Variation, die ähnlich der Atlas funktioniert:

Mehrere LOX/PR1 Triebwerke und ein LOX/LH2 Triebwerk werden beim Start gezündet. Das LOX/LH2 Triebwerk hat deutlich geringeren Schub und eine viel längere Brennzeit. Es ersetzt so in gewisser Weise die zweite Stufe. Nach verbrauch des Kerosins werden die Triebwerke mitsamt der Kerosin-Tanks abgesprengt. Die nun viel leichtere Rakete kommt mit dem Schub des LOX/LH2-Triebwerks aus. Dieses Konzept hat Vorteile und Nachteile. Als Vorteil nutzt man den Schub des LOX/Lh2 Triebwerks zusätzlich, kann so also die LOX/Kerosintriebwerke kleiner auslegen. Zudem bewirkt der Wasserstoffanteil einen höheren spezifischen Impuls. Als Nachteil ist der Sauerstofftank bei Abtrennung schon ziemlich leer und der Wasserstofftank wahrscheinlich zu einem Drittel bis zur Hälfte geleert. Die Leermasse ist daher deutlich höher als bei einer eigenen Oberstufe.

Da schon die anderthalbstufige Bauweise der Atlas und Sojus nicht mehr aufgegriffen wurde spricht aber auch viel dafür dass dieses Konzept mehr Nachteile als Vorteile bietet. Etwas verbessern könnte man die Bilanz wenn die Kerosintriebwerke eine LOX-Tanks haben, die auch mit abgesprengt werden. Dan nähert man sich aber eine konventionellen Rakete mit einer LOX/LH2 Zentralstufe und LOX/Kerosinboostern, wie sie z.B. in er Energija umgesetzt wurde.

One thought on “Triergole Antriebe

  1. Jewgeni hat ja auch mal was von Acetam / LOX geschrieben. Acetam ist eine Mischung aus Acetylen und Ammoniak. Aber auch das ist streng genommen nicht triergol, da Acetylen und Ammoniak schon vorab gemischt werden. Acetam dürfte aber eines der vielen Projekte sein, die derzeit in der russischen Weltraumforschung festhängen 😉

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