How to build a Raketentriebwerk

Wer hoch hinaus will, braucht ambitionierte Pläne. So wie jene der Akademischen Raumfahrt Initiative Schweiz (ARIS). Bei ARIS forschen, entwickeln und bauen jährlich über 150 Studenten und Studentinnen der ETH Zürich, HSLU, ZHAW, OST und Universität Zürich an Raumfahrt-relevanter Hardware. Jedes Jahr wird eine neue Rakete gebaut, die sich im Wettkampf mit Raketen anderer Hochschulen und Universitäten dieser Welt misst.

Beim letzten, weltweit grössten Ingenieurwettbewerb für Raketenbau, dem Spaceport America Cup 2019, konnte das Schweizer Team mit Rakete HEIDI bereits einen riesen Erfolg verbuchen: Sie wurde in ihrer Kategorie zweite.

Rakete HEIDIs Flug am Spaceport America Cup 2019 brachte den zweiten Platz.

2020 fällt der Cup leider wegen Corona aus und im Jahr 2021 wird er nur noch virtuell stattfinden. Dafür gibt es neu einen Wettbewerb in Portugal, der vergangenes Jahr sein Debut feierte – die European Rocketry Challenge.

Wettkämpfe zu gewinnen ist ein Ziel von ARIS, wenn auch nicht das primäre: Bis Ende des Jahrzehnts soll ein Objekt in einen Orbit gebracht werden. Das kann entweder eine eigene Rakete, oder ein Satellit sein, der von einem grösseren Raumfahrtunternehmen gestartet wird. Doch sind die Wettkämpfe wichtig, denn da können junge Talente nicht nur zeigen, was ihre Technik drauf hat, sondern insbesondere Erfahrung sammeln. Das ist in der Schweiz nur begrenzt möglich.

Wer hierzulande eine Rakete starten möchte, darf aufgrund des (normalerweise) stark belasteten Luftraums und der Gesetzeslage nicht hoch hinaus. Daher waren die in der Schweiz absolvierten Flüge der Vergangenheit nur kleine Hopser mit anschliessendem Test des Recovery Systems – des Fallschirms.

Testflug der Rakete HEIDI 2019 im Kanton Jura.

Hier noch eine Aufnahme der letztjährigen Rakete EULER bei einem Drop Test in unserem schönen Land. Leider musste bei der portugiesischen Challenge im Herbst 2020 der Start aufgrund von Komplikationen mit dem Flugcomputer abgebrochen werden. Dennoch gewann das ARIS-Team einen Technical Excellence Award.

Drop Test der Rakete EULER 2020 im Kanton Luzern.

Dass ein eigenes Triebwerk gebaut werden soll, darüber ist sich das ARIS-Team spätestens seit der Explosion der Rakete TELL im Juni 2018 bewusst. Sie flog nur eineinhalb Sekunden.

Video zeigt Zeitlupenaufnahme der explodierenden Rakete TELL 2018.

Nicht, dass ein eigenes Triebwerk nicht explodieren kann, doch läge der Erfolg oder Misserfolg damit gänzlich in den eigenen Händen.

Beim HEIDI-Flug 2019 in der Wüste von New Mexico wie auch bei EULER 2020 wurden die Triebwerke zugekauft, da bisher noch kein eigenes bestand. Zwischenzeitlich hat sich einiges getan; im Jahr 2019 wurde ein Teil der Testinfrastruktur sowie ein erster kleiner Prototyp-Motor RHEA entwickelt und dann im Dezember 2019 getestet. 2020 wurde eine erste Flight-Scale Hybrid Rocket Engine entwickelt, gebaut und erfolgreich getestet. Aktuell entsteht eine zweite Version, die im Herbst in Portugal erstmals in einer Rakete antreten soll.

Doch wie wird ein Raketentriebwerk überhaupt gebaut?

Hybrides Triebwerk mit Sorbitol, Kerzenwachs und Lachgas

Um eine eigene Rocket Engine zu bauen, benötigt es erstmal die richtigen Köpfe zur Umsetzung.

Acht Personen sind für die erste Version des Triebwerkes IRIDE verantwortlich. Das wird dieses Jahr in Projekt DAEDALUS durch sechs weitere überarbeitet und erstmals in eine Rakete integriert.

Hier kann Team IRIDE in gross betrachtet werden.
Hier Team DAEDALUS.

Ganz alleine sind die sechs neuen Teammitglieder allerdings nicht. Um einen perfekten Wissenstransfer der Vorjahresprojekte in allen Details zu gewährleisten, stehen Coaches und ARIS Alumni zur Seite. Einer davon ist Shady Elshater. Er ist auf dem ersten Bild ganz oben links zu sehen und hat bereits bei den Projekten RHEA und IRIDE als Project Manager und System Engineer mitgewirkt. Ausserdem ist er für die nun folgenden Erklärungen verantwortlich. Auch Presse-Arbeit liegt ihm.

Neben hellen Köpfen braucht es ehrgeizige Ziele:

• Entwickelt wird ein Hybrid-Raketentriebwerk, das zuverlässig funktioniert und modular aufgebaut ist.
• Die Schubkraft soll eine Spitzenleistung von 5000 Newton aufweisen und Raketen auf bis 10 000 Meter Höhe bringen.
• Die Brenndauer soll zehn Sekunden betragen. Die Zündphase davor vier Sekunden.
• Weiter soll auf eine Leichtbauweise gesetzt und eine Schubdrosselung integriert werden.

Die Schubkraft von fünf Kilonewton Leistung entspricht ungefähr der Gewichtskraft einer halben Tonne – so viel Schub wird benötigt, um sie in der Luft zu halten. Oder um eine 81 Kilogramm schwere Rakete auf über 8.5 g zu beschleunigen. Damit sollen vier Kilogramm Nutzlast mit der Normgrösse von drei Cubesats auf bis zu 10 000 Meter gebracht werden. Genauer soll dieses Jahr eine 6,34 Meter lange Rakete Namens PICCARD mit 17,9 Zentimeter Durchmesser und einem Gewicht von 81 Kilogramm mit einer maximalen Geschwindigkeit von 1,05 Mach in neun Sekunden das Ziel in einer Höhe von 30 000 Fuss oder 9144 Meter erreichen.

Mach 1 entspricht der einfachen lokalen Schallgeschwindigkeit. Das sind 343 Meter pro Sekunde oder 1235 Kilometer pro Stunde bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius, trockener Luftfeuchtigkeit und einem Umgebungsdruck von 1 atm (Physikalische Atmosphäre bei 0 Meter Meereshöhe). Die angestrebte Spitzengeschwindigkeit von 1,05 Mach entspricht 1296,54 km/h. Tatsächlich schneller als der Schall kann allerdings auch bereits mit weniger Tempo geflogen werden, da die Geschwindigkeit des Schalls relativ stark temperaturabhängig ist. Soll ein Flugobjekt beispielsweise die Schallmauer in einer Höhe von 10 Kilometern erreichen, muss es bei einer dort herrschenden Umgebungstemperatur von -50 °C in der Sekunde nur noch 300 Meter zurücklegen.

Dass bei der Realisierung auf ein hybrides Raketentriebwerk gesetzt wird, bedeutet, dass Treibstoff in fester Form mit einem flüssigen Oxidator kombiniert wird. Bei ARIS kommt als Oxidationsmittel Distickstoffmonoxid, besser bekannt als Lachgas, zur Anwendung. Dieses steckt wie auf obiger Darstellung zu sehen in einem unter Druck stehenden Tank. Durch das Öffnen eines pneumatischen Ventils wird das Gas in eine Einspritzdüse geleitet, die es ähnlich einem Duschkopf zerstäubt ins Triebwerksgehäuse injiziert. Im Gehäuse wird das Gas gezündet und bildet einen Feuerstrudel, welcher der Festtreibstoff-Komponente ein gleichmässiges Abbrennen ermöglicht und gemeinsam mit ihr durch die Düse den benötigten Schub bietet.

Als fester Treibstoff kommt bei ARIS eine Kombination aus Kerzenwachs (Paraffin) und Sorbitol zum Einsatz. Sorbitol benutzen Bäcker zum Süssen oder Ärzte als Abführmittel bei Einläufen. Dinge, welche auch in Portugal oder den USA gekauft oder importiert werden können.

Wassergekühlte Raketendüse im Frachtcontainer

Um von der Theorie in die Praxis zu gelangen, benötigt es gute Pläne, die auf bestehenden Konzepten aufbauen. Ausserdem sind Sponsoren unerlässlich. Etwa um Einzelteile (anhand von CAD-Zeichnungen) zu fertigen oder ein sicheres Testgelände zur Verfügung zu stellen. Das bedeutet für den Bau, der bei der ETH Zürich stattfindet, dass dieser auf einer mobilen Plattform geschehen muss. Daher entscheidet sich das Team für eine Testbench in einem Frachtcontainer.

Der Frachtcontainer hat drei abgetrennte Räume. Im ersten wird eine Testbench aufgebaut, auf der das Triebwerk so montiert wird, dass die Düse aus dem Container feuern kann.

Wird das Triebwerk irgendwann in eine Rakete eingebaut, erhält es eine handgefertigte Düse aus Kohlefaser mit Graphiteinlage. Diese wird aufgrund zu hoher Temperaturen allerdings nicht für mehrere Flüge eingesetzt. Um den Düsen-Verschleiss beim Testen niedrig zu halten, wird daher auf der Testbench auf eine Kupfer-Düse mit Wasserkühlung gesetzt.

Das Triebwerk wird links auf der Testbench montiert und von rechts mit dem Oxidizer gespiesen. Bei Öffnung des Hauptventils überwacht ein Sensor den Massenfluss des Oxidators. Weiter ist ein Schubmessungs-System eingebaut, das nach der Zündung des Triebwerkes für den Erhalt korrekter Daten sorgt. Bereits in diesem ersten Raum befinden sich über 15 Sensoren, die jeden einzelnen Parameter des Motors und des strömenden Oxidators messen.

Der zweite, mittlere Raum bietet Platz für den Tank des Oxidators, der ganz links zu sehen ist. Daneben sind an der Aussenwand drei Stickstofftanks angebracht. Der erste davon dient dem Druckbeaufschlagungssystem. Der zweite dem pneumatischen System, das für die Öffnung und Schliessung der Ventile zuständig ist. Mit dem dritten Stickstofftank kann das Triebwerk durchgespült werden.

Rechts neben den drei Stickstofftanks wird bei Betrieb eine zusätzliche Sicherheitswand eingebaut, hinter der sich zwei weitere Tanks mit Lachgas befinden. Diese dienen zum Befüllen des direkt mit dem Triebwerk verbundenen Oxidationsmitteltankes.

Im dritten Container-Raum sind Messmodule, Sicherheitsrelais sowie das Stromversorgungssystem, Überwachungskamerasystem und viele Kabel – die gesamte elektronische Hardware steht in diesem Bereich. Hier findet die Steuerung des gesamten Aufbaus statt. Und die Sammlung sämtlicher Testdaten.

Im gesamten Aufbau sind über zwei Kilometer Kabel installiert.

Und ein besonderes Gadget, das später ausserhalb des Containers in sicherem Abstand leider nur jeweils eine Person bedienen darf.

Von wegen 5 Kilonewton: Feuer frei!

Der oben zu sehende Startknopf steht schon lange bereit als im Spätsommer 2020 nach einem Jahr der Planung, Fertigung und Montage endlich alles für erste Tests bereit ist. Komponenten, welche nicht eigenhändig gefertigt werden konnten, wurden durch die Hilfe von Sponsoren realisiert.

Die metallene Spezialdüse, welche an die Wasserkühlung angehängt wird, ist eine externe Fertigung. Dagegen wurden erste Düsen aus Carbon in Handarbeit vor Ort hergestellt.

Das Herstellen des Treibstoffes passiert genauso eigenhändig: Dabei werden Paraffin und Sorbitol, mit etwas Aluminiumpulver für den extra Kick, im richtigen Verhältnis vorsichtig erhitzt und in ein Rohr aus Phenolharz gegossen. Danach wird dieses wie eine Trommel gedreht.

Ein erster Zusammenbau des Triebwerkes auf dem Zürcher Hönggerberg stimmt an einem sonnigen Julitag sowohl Team IRIDE wie auch die Sponsoren und Professoren glücklich. Es scheint alles zu passen. Die Systeme sind bereit für eine erste Zündung, weshalb der Container eine Reise macht.

Per LKW wird der gesamte Testaufbau um 60 Kilometer verschoben. Das Ziel ist der Ochsenboden im Kanton Schwyz. Dort besteht ein Erprobungszentrum von Rheinmetall. Nur an sehr abgelegenen Orten kann die Zündung eines Raketentriebwerkes durchgeführt werden.

Die Vorbereitungen vor einer Zündung dauern jeweils einige Stunden. Jeder hat dabei seine fest zugewiesene Aufgabe – wie auch während dem Firing selbst. Dank über einem Jahr Zusammenarbeit und den Kenntnissen über jedes noch so kleinste Teil der Systeme läuft alles glatt.

Das Triebwerk wird erstmalig mit festem Treibstoff befüllt, auf der Testbench fixiert und an den Tank angeschlossen. Die mächtige Wasserkühlung ist dabei ein echter Hingucker.

Nach einem letzten Check der Tanks verschwindet das gesamte Team in einem Bunker. Bei der Zündung muss eine sichere Distanz zum Container gewahrt werden. Im Bunker befinden sich auch das Gadget mit dem Notausschalter und fünf Monitore: Sie zeigen Sensordaten, das Bedienfeld zum Öffnen und Schliessen aller Ventile und die Videos der Überwachungskamera.

Ein letzter Blick durch den Schlitz des Bunkerfensters zeigt die Schiessfahne und die rote LED-Leiste im Container, was bedeutet, dass das System scharf ist.

Es kribbelt im Bauch. Gleich wird eine mächtige Flamme gezündet. Hoffentlich. Die Vorfreude ist riesig und die Anspannung wenige Augenblicke vor dem ersten Druck auf den roten Knopf kaum auszuhalten. Gleich entlädt sich alles, was sich seit über einem Jahr angesammelt hat. Nicht nur im Triebwerk, sondern bei jedem der acht Teammitglieder.

Bringt IRIDE genügend Schub hin? Erreicht das Raketentriebwerk die gewünschten 5 Kilonewton bei einer Brenndauer von 10 Sekunden?

Die Antwort darauf liefert das folgende, bombastische 4K-Video mit Gänsehaut-Potenzial.

Was für ein krasser Feuerstrahl. Und was für Emotionen.

Wie die Auswertungen nach 19 Firings mit einer gesamthaften Brenndauer von 89 Sekunden ergeben, wird das Ziel nicht nur erreicht, sondern um einiges übertroffen: Insgesamt werden zwölf erfolgreiche Tests durchgeführt, von welchen der längste 16 Sekunden dauert. Die gesetzten 5 Kilonewton toppt das Triebwerk bei den Firings mit einer Spitzenleistung von bis zu 7994 Newton. 60 Prozent mehr Leistung als angestrebt.

In der Zwischenzeit hat auch das neue Projekt DAEDALUS den weiterentwickelten Motor bereits ein Dutzend Mal mit grossem Erfolg getestet. Damit dürfte Rakete PICCARD im Oktober in Portugal gut gerüstet sein. Ob sie es wohl schafft, die Schallmauer zu durchbrechen?

Wird die Schweiz Ende des Jahrzehnts dank ARIS zur eigenständigen Raumfahrtnation?

We stay tuned.