Linearführungen im Test von Triebwerken Forschungsrakete mit Flüssigtreibstoff auf dem Prüfstand

„Bei dem Projekt Nixus entsteht eine etwa 5 m hohe flüssig-flüssig-Rakete mit einem Durchmesser von 20 cm, die im Oktober 2023 an der European Rocketry Competition teilnehmen wird,“ berichtet Projektleiter Lorenz Pak von der WARR-Raketentechnik. Bis dahin werden weiterhin regelmäßig Triebwerkstest gemacht.

Die maximale Flughöhe der mit dem Kürzel Ex-4 benannten Rakete soll bei 10 km liegen, womit sie den aktuellen studentischen Weltrekord in der Klasse für flüssig-flüssig-Raketen aufstellen würde. Das Projekt soll Studierende an die Prozesse und Vorgehensweisen der kommerziellen Raumfahrt heranführen. Das bedeutet, dass für die Forschungsrakete auch höchste technische Ansprüche gelten und die fortschrittlichsten Techniken, Materialien und Fertigungsmethoden zum Einsatz kommen.

Innovation wird bei WARR großgeschrieben. So stammt zum Beispiel das Triebwerk der Ex-4-Rakete vollständig aus der eigenen Entwicklung der Studentengruppe. Es wurde zusammen mit einer integrierten regenerativen Kühlung additiv aus einer korrosionsbeständigen Nickelbasislegierung gefertigt. Sämtliche Komponenten wie Ventile, Druckminderer, Massenstromregler, ein Hochdruckbehälter – der einem maximalen Druck von über 300 bar standhält – und sogar die Außenhaut der Rakete, die zu einem großen Teil aus Kohlefaserverbund besteht, haben die Studierenden selbst hergestellt.

Test der Treibstofftanks und Brennkammer

Im Raketentriebwerk wird Flüssigsauerstoff mit Ethanol verbrannt und damit ein Schub von 3,25 kN erzeugt. Damit das Triebwerk vor dem Erstflug der Rakete umfangreich getestet und gegebenenfalls entsprechend optimiert werden kann, wurde ein spezieller Prüfstand für das Projekt Nixus entwickelt und errichtet.

Aufgrund der Flüssig-Brennstoff-Komponenten benötigte dieser einen ganz speziellen Aufbau. Zwei wichtige Funktionen des neuen Prüfstands sind zum Beispiel die Massenstrommessung der Treibstofftanks sowie die Schubmessung der Brennkammer, für die Realisierung dieser Funktionen setzt die Arbeitsgemeinschaft auf eine Kombination aus Linearführungen und Lastmesszellen.

Präzise Messung und Unterstützung bei Raketenprojekt

Wie schon im Raketen-Projekt Cryosphere – bei dem es der WARR vor einigen Jahren darum ging, als erstes studentisches Team in Europa eine Hybridrakete mit einem kryogenen Motor zu entwickeln – kommen auch bei dem Projekt Nixus wieder Profilschienen und Präzisionslaufwagen von Rodriguez aus Eschweiler beim Aufbau des Prüfstandes zum Einsatz. Damals hatte das Forschungsteam gute Erfahrungen mit der Lineartechnik des Herstellers gemacht und auch bei diesem Raketenprojekt hat sich das Unternehmen wieder bereit erklärt, die Forschungsgruppe zu unterstützen.

„Um den Massendurchfluss der Treibstoffe zu bestimmen, messen wir das Gewicht der Tanks“, erklärt Lorenz Pak. „Über die Veränderung dieser Werte in einem gewissen Zeitraum lässt sich der Massenstrom ermitteln.“ Diese Messung muss so präzise wie möglich sein, da ein Großteil der Optimierungen an der Rakete auf diesen Werten basiert. Um die passende Verbrennung zu erreichen, müssen die Forscher zudem den Druck in der Brennkammer definieren, um so eine optimale Steuerung des Vorgangs im realen Betrieb zu gewährleisten.

Anwendung der Lineartechnik für die genaue Messung

Um eine genaue Massenmessung zu ermöglichen, werden die beiden Treibstofftanks mit den Linearführungen separat gelagert, sodass diese sich einflusslos in vertikaler Richtung bewegen können. Für diesen Zweck stellte Rodriguez Profilschienen und Präzisionslaufwagen für das Forschungsprojekt zur Verfügung. „Für unsere Anwendung auf dem Prüfstand benötigten wir eine steife und präzise Lagerung unseres Versorgungssystems“, beschreibt Lorenz Pak die Anforderungen des Projekts.

Die Massensensoren werden unterhalb der Tanks angebracht. Um valide Ergebnisse zu erhalten, müssen die Linearführungen so präzise sein, dass mögliche Vibrationen und seitliche Bewegungen nicht die Messungen beeinflussen. Hinzu kommt, dass die vollen Tanks etwa 100 kg wiegen und dadurch die Linearführungen und Schlitten besonders hohen Momenten ausgesetzt sind, welche nur durch qualitativ hochwertige Systeme aufgenommen werden können.

Dazu kommt, dass sich die Strukturelemente durch hohe Temperaturgradienten in Folge der Beförderung und Lagerung von cryogenem Flüssigsauerstoff bei -180˚C deutlich verformen. Die Linearführungen müssen auch in diesem Fall die so erzeugten Momente und Spannungen aufnehmen, ohne dass die Laufeigenschaften der Führungen zu beeinträchtigt werden.

Robuste Profilschienenführungen für Raketenprüfstand

Im Prüfstand für das Projekt Nixus kommen insgesamt vier 1.800 mm lange Profilschienenführungen der Größe 20 inklusive Abdeckkappen sowie mit je zwei vierreihigen, langzeitgeschmierten Präzisionslaufwagen ohne Flansch zum Einsatz. „Profilschienenführungen mit vier Kugelreihen pro Laufwagen können Kräfte aus allen Hauptrichtungen aufnehmen“, erläutert Jörg Schulden, Produktmanager Lineartechnik bei Rodriguez.

„Die X-Anordnung der Laufbahnen ermöglicht eine gute Einstellung der Vorspannung, zudem wird das System weniger empfindlich für Fluchtungsfehler. Aus diesem Grund kommen Linearführungen dieser Bauart zum Beispiel auch in Produktionsmaschinen oder in der Robotik zum Einsatz,“ fährt erfort. Ein weiterer Vorteil: Das integrierte Schmiersystem der Profilschienenführungen verlängert die Wartungsintervalle des Systems erheblich, was in der Praxis weniger Aufwand bedeutet. Ein optional lieferbares Metallabdeckband schützt die Schienen zudem vor Verunreinigungen.

Steifigkeit als wichtiges Merkmal

Bei dem Projekt Nixus sind je zwei Profilschienen vertikal verlaufend an den beiden Stirnseiten des Prüfstands verschraubt. Jede Führung hat zwei Laufwagen. An den beiden Stirnseiten wird, mit Hilfe der Laufwagen, jeweils ein Treibstofftank angebracht. Die Tanks sind wiederum über Stützen auf Waagen abgelegt. Dank der verschiebbaren Lagerung wird das zusätzliche Gewicht des Treibstoffs sicher auf die Waagen übertragen. Das lässt sich während der Betankung und während des Betriebs des Triebwerks genau verfolgen.

„Die Präzision und Steifigkeit der Linearführungen von Rodriguez waren besonders wichtig für diesen Aufbau“, betont Pak. „Insbesondere die Steifigkeit des Systems hat die Inbetriebnahme deutlich vereinfacht und die Genauigkeit und Präzision der Messungen deutlich verbessert.“ Abgesehen von der Qualität der Produkte sind die jungen Forscher auch von der guten Zusammenarbeit mit Rodriguez überzeugt – daher arbeiten sie nun bereits zum zweiten Mal mit den Experten für Lineartechnik aus Eschweiler zusammen.

„Bei Rodriguez gibt es einen ausgezeichneten Service und unsere Anfragen wurden immer zügig bearbeitet, was gerade im Prototypenbau wichtig ist“, so Lorenz Pak abschließend. „Daher werden wir uns auch in Zukunft gerne wieder an Rodriguez wenden, sollten wir wieder Linearführungen an unseren Prüfständen benötigen.“ Die Chancen für weitere erfolgreiche Raketen-Projekte stehen gut, denn das Unternehmen bietet umfangreiche Linearführungsvarianten für jede Bewegungsaufgabe.