Analysis of a hybrid propulsion lunar sample return mission

Abstract

Eine Probenrückführungsmission zum Mond bietet viele Erkenntnisse für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen. Der Mond und seine Geschichte haben sich wieder in das Blickfeld der Wissenschaft bewegt. In den letzten 20 Jahren ist das Interesse an Raumfahrtmissionen zum Mond stetig gewachsen, weswegen viele Satelliten und sogar Landefahrzeuge zum Mond geschickt wurden. Die Rückführung von Bodenproben bringt einige Vorteile, da in den Laboren auf der Erde das ganze Spektrum an Instrumenten zur Untersuchung der Proben zur Verfügung steht. Die Weiterentwicklung von Instrumenten bringt außerdem in der Zukunft die Möglichkeit, bereits untersuchte Proben noch genauer zu analysieren. In der Vergangenheit wurden bemannte (Apollo, USA) und unbemannte (Luna, UdSSR) Mondmissionen mit Probenrückführung durchgeführt. Die Missionen zeugen von den großartigen technologischen Fortschritten der Nationen in den 1960er und 1970er Jahren. Heute werden wissenschaftliche Raumfahrtmissionen auch von wirtschaftlichen und ökologischen Faktoren beeinflusst. Obwohl bei Explorationsmissionen die Ökonomie nicht im Vordergrund steht, sind Kostenreduktionen in den unterschiedlichen Bereichen einer Mission unerlässlich. Besonders die Treibstoffwahl ist in mehrerer Hinsicht entscheidend. Umweltfreundliche Treibstoffe reduzieren die Kosten bei der Handhabung und stellen andererseits sicher, dass Personal und Umwelt keinen gefahrvollen Stoffen wie Hydrazin ausgesetzt werden. Deshalb werden neue Treibstoffe und sogar neue Antriebssysteme entwickelt, um Kosten und Gefahren zu reduzieren. Die Hybridantriebstechnologie ist diesbezüglich vielversprechend. Daher wird eine Probenrückführungsmission mit Hybridraketenantrieben zum Mond vorgeschlagen und untersucht. Hierfür wird zunächst eine Übersicht über Mondmissionen und ihre Geschichte erstellt. Dabei wird der Fokus auf die etablierten Antriebssysteme mit traditionellen, lagerfähigen Brennstoffen und Oxidatoren gelegt. Anschließend werden die Grundlagen der Hybridantriebstechnologie präsentiert. Hybridraketenantriebe werden von ihrem Aufbau mit einer flüssigen und festen Treibstoffkomponente geprägt. Dies bringt einerseits viele Vorteile: es gibt keine Explosionsgefahr und der Aufbau des Antriebssystems ist einfacher. Gleichzeitig stellt das Hybridraketenantriebsystem einige neue Herausforderungen: die volumenspezifische Effizienz und das Verhältnis von Schub zu Gewicht ist niedrig, da die Abbrandrate klassischer Brennstoffe gering ist und die Oberfläche des Brennstoffkerns erhöht werden muss. Wie neue Fortschritte mit Paraffin-basierten Brennstoffen zeigen, gewinnen Hybridantriebe mit dieser Brennstoffart erhebliche Vorteile, da diese Brennstoffe eine Flüssigkeitsschicht bilden. Dies erhöht die Abbrandrate durch Tropfenbildung um einen Faktor von bis zu sechs. Wenn verflüssigende Brennstoffe genutzt werden, ist die Geometrie des Brennstoffs daher einfacher. Dies verringert die Kosten von Hybridraketenantrieben weiter. Verschiedene Modelle, um die Abbrandrate vorherzusagen, werden nach einer Literaturrecherche vorgestellt. Neue Modelle für klassische und verflüssigende Brennstoffe werden in ein existierendes ESPSS Modell implementiert, um die zukünftige Simulationsmöglichkeiten sowohl für Vorentwurf als auch für den Vergleich mit Testergebnissen zu verbessern. Ein Programm zur Simulation und Optimierung von Hybridraketenantriebssystemen in Kombination mit der Trajektorie des Raumfahrzeugs wird mit dem Programm ASTOS entwickelt. Eine Schnittstelle wird erstellt, um beide Programme gekoppelt zu benutzen und hybride Antriebssysteme zu simulieren und zu optimieren. Die Programme werden mit Simulationen und Optimierungen verschiedener Trajektorien verifiziert. Die Simulation der hybriden Antriebssysteme in ESPSS wird mit Antriebstests am DLR Prüfstand M11 verglichen und bewertet. Eine experimentelle Testkampagne wurde durchgeführt um mehr Daten über Paraffin-basierte Brennstoffe bei der Verbrennung mit gasförmigem Sauerstoff zu bekommen. Um Hybridraketenantriebe in einem breiter gefächerten Bereich zur Anwendung zu bringen, ist eine längere Brenndauer der Triebwerke notwendig. Diese längere Brenndauer erzeugt neue Probleme durch thermische und mechanische Lasten auf Bauteile. Als weitere Eigenschaft von Hybridraketentriebwerken wird die Drosselbarkeit untersucht. Drosseln ist mit Hybridraketentriebwerken einfach möglich, da nur eine Flüssigkeit aktiv gesteuert werden muss. Dennoch ergibt sich eine Schwierigkeit: Da der Brennstoffmassenstrom direkt mit den Strömungsbedingungen verbunden ist, ist eine Veränderung des Mischungsverhältnisses unvermeidbar. Das resultiert in Leistungsverlusten. Mit den erstellten Programmen wurden sechs Varianten von Landefahrzeugen mit Hybridraketenantrieben entworfen und miteinander verglichen, so wie mit zwei Konzepten mit Flüssigantriebssystemen mit lagerfähigen und kryogenen Treibstoffen. Kryogene Treibstoffe sind nutzbar, solange die Missionsdauer auf wenige Tage begrenzt ist und die Treibstofftemperatur mit Isolation und Verdampfung gehalten wird. Die sechs Varianten mit Hybridantrieben nutzen drei verschiedene Stufungskonzepte und werden jeweils mit Wasserstoffperoxid und flüssigem Sauerstoff als Oxidator untersucht. Die Ergebnisse sind vielversprechend. Während Hybridraketenantriebe einen guten idealen spezifischen Impuls haben, ist die Verbrennungseffizienz gewöhnlich niedriger als bei Flüssigtreibstoffen. Weitere Verbesserungen in diesem Bereich können Hybridraketenantriebe auf dasselbe Leistungsniveau wie Flüssigraketentriebwerke bringen. Die Trockenmasse von Hybridantriebssystemen ist dennoch etwas höher als bei Flüssigantriebssystemen, da die Lagerung des Brennstoffs in der zylindrischen Brennkammer weniger optimal als in einem Kugeltank ist. Außerdem wird für die Brennkammer auch Isolationsmaterial benötigt, da eine regenerative Kühlung nicht möglich ist. Dies erhöht die Strukturmasse weiter. Aber selbst mit diesen Einschränkungen ist die Leistungsfähigkeit vergleichbar zu Flüssigantrieben. Die niedrigeren Kosten, die Ungiftigkeit der Treibstoffe und das Vermeiden von Explosionsgefahr verbessern die Stellung von Hybridraketenantrieben unter den verschiedenen möglichen Antriebskonzepten. Eine Probenrückführungsmission zum Mond mit Hybridraketenantriebstechnologie ist eine umsetzbare Option für die Entwicklung kostengünstiger Raumfahrzeuge und kann in der Zukunft ein Projekt der Europäischen Raumfahrtgemeinschaft werden.