imported>N9713: Unterschied zwischen linearer und ringförmiger Bauweise in den Bildunterschriften klarer gemacht

2025-03-01T13:06:40Z

Unterschied zwischen linearer und ringförmiger Bauweise in den Bildunterschriften klarer gemacht

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[[Datei:Twin Linear Aerospike XRS-2200 Engine.jpg|mini|Twin Linear Aerospike XRS-2200]]
[[Datei:Aerospike close-up.jpg|mini|Ringförmiger Aerospike-Antrieb]]

'''Aerospike''' ({{enS}} „Luftstachel“) ist ein [[Raketentriebwerk]], das nicht auf dem Prinzip der [[Lavaldüse|glockenförmigen Raketendüse]] basiert. Die Änderung des Düsenprinzips ermöglicht eine Anpassung an den [[Erdatmosphäre|atmosphärischen]] [[Luftdruck]] in unterschiedlichen Flughöhen. Durch diese Anpassungsfähigkeit kann das Triebwerk unter optimalen Bedingungen betrieben werden. Aerospike-Triebwerke werden bereits seit Mitte der 1950er Jahre erforscht. Aufgrund der Komplexität dieses Triebwerktyps konnte ein Prototyp jedoch erst in den 1990er Jahren mit dem [[X-33]]-Programm entwickelt werden. Derzeit gibt es kein einsatzfähiges Triebwerk.<ref name="NAGTOL">{{Internetquelle |autor=Arash Naghib-Lahouti, Elhaum Tolouei |url=https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid:6eeca7c2-95d8-414a-ace6-766bdf1d8b0c/datastream/OBJ/download |titel=European Conference on Computational Fluid Dynamics - INVESTIGATION OF THE EFFECT OF BASE BLEED ON THRUST PERFORMANCE OF A TRUNCATED AEROSPIKE NOZZLE IN OFF-DESIGN CONDITIONS - Introduction |format=PDF; 580 kB |sprache=en |abruf=2023-03-15}}</ref>

== Prinzip ==
[[Datei:Düsenexpansionsverhalten.png|mini|Expansionsverhalten einer Düse]]
[[Datei:Aerospikeprinciplediagram.svg|mini|Konventionelle Düse im Vergleich zum linearen Aerospike]]

Ein traditionelles Triebwerk verwendet eine [[Lavaldüse]], um die Hitze der ausströmenden Verbrennungsgase in Schub umzuwandeln. Der Schub <math>F</math> eines Raketentriebwerkes wird durch die folgende Formel beschrieben:<ref name="NAGTOL" />

:<math>F = \dot m \cdot V_e + (P_e - P_\mathrm{atm}) \cdot A_e</math>

Er setzt sich zusammen aus der [[Rückstoß#Rückstoß als Antriebsmittel|Rückstoßkraft]] durch das ausströmende Abgas (Produkt aus Austrittsgeschwindigkeit <math>V_e</math> und Massendurchsatz pro Zeit <math>\dot m</math>) und der Kraft, welche der verbleibende Druck auf die Öffnungsfläche <math>A_e</math> der Düse ausübt. Dieser Druck ist die Differenz aus Abgasdruck <math>P_e</math> und dem Druck der umgebenden Atmosphäre <math>P_\mathrm{atm}</math>.

Bei einer optimalen Düse entspricht der Druck des Abgases dem der Atmosphäre. Ist der atmosphärische Druck größer als der des Abgases, spricht man von einer überexpandierenden und im gegenteiligen Fall von einer unterexpandierenden Düse. Eine glockenförmige Düse ist bei einem Flug durch eine Atmosphäre für eine bestimmte Höhe (Atmosphärendruck) ausgelegt und kann deshalb während des Fluges bzw. Aufstiegs über-, ideal- und unterexpandierend sein.

Das Aerospike-Triebwerk versucht dieses Problem zu umgehen. Anstatt die Verbrennungsgase durch eine [[Düse]] am Glockenansatz abzuleiten, verwendet der Aerospike mehrere kleinere, flach ausgerichtete [[Brennkammer]]n an der Außenseite. Dabei wird aus dem Stachel auf der einen Seite und der vorbeiströmenden Luft auf der anderen Seite eine virtuelle Glocke gebildet – der Luftstachel (Aero-spike). Der Druck des ausströmenden Abgases kann durch den Massendurchsatz entsprechend variiert und so dem Umgebungsdruck der Atmosphäre angepasst werden.

== Vor- und Nachteile ==
{{Belege fehlen}}
=== Vorteile ===
* Aerospike verbraucht in der Theorie bis zu 35 % (niedrige Höhe) weniger Treibstoff.
* Die Richtungssteuerung kommt ohne komplizierte [[kardanische Aufhängung]] der Triebwerke oder [[Strahlruder]] im heißen Abgasstrahl aus, da der Schub der außenliegenden Brennkammerzellen einfach entsprechend unterschiedlich variiert wird.<ref name="NASAfacts" />
* Durch die Verteilung der Verbrennung auf mehrere kleine Brennkammern wird das Risiko einer Explosion deutlich verringert.
* Ein Aerospike-Triebwerk ist leichter als ein traditionelles und nur etwa halb so hoch.

=== Nachteile ===
* Das größte Problem bei der Entwicklung eines Aerospike-Triebwerkes ist die [[Kühlung]] des Zentralkonus. Eine Verkürzung des Stachels reduziert die Auswirkung, da die Fläche, mit der die Verbrennungsgase in Berührung kommen, verkleinert wird. Eine Verkürzung des Stachels ist jedoch immer auch mit einer Verringerung der Leistung verbunden. Ein zweiter Luftstrom im Stachel kann diesem Effekt wiederum entgegenwirken.
* Bei einem linear-V-förmigen Aerospike-Triebwerk, wie es bisher bei Tests meist eingesetzt wird, kommt es durch [[Wirbel (Strömungslehre)|Wirbelbildung]] an den Seiten zu einem Leistungsverlust.

== Tests und Projekte ==

Zwischen 1950 und 1970 wurden von der Firma [[Rocketdyne]], der NASA und der [[United States Air Force|U.S. Air Force]] mit verschiedenen Größen und Varianten insgesamt 73 Tests durchgeführt.

Die Triebwerksanordnung in der ersten Stufe der sowjetischen Mondrakete [[N1 (Rakete)|N1]] (Fehlstarts 1969–1972) mit seinen in einem äußeren Ring angeordneten 24 Triebwerken [[Kusnezow NK-33|Kusnezow NK-15]] erzeugte einen gewissen Aerospike-Effekt für die inneren sechs Triebwerke.

Für das [[X-33]]-VentureStar-Projekt der [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]] wurden auf Basis der früheren Forschungen vier ''XRS-2200''-Aerospike-Triebwerke entwickelt und von 1997 bis 2000 erfolgreich getestet<ref name="NASAfacts">{{Internetquelle |url=https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/aerospike.html |titel=Linear Aerospike Engine — Propulsion for the X-33 Vehicle |hrsg=[[NASA]] ([[Marshall Space Flight Center]]) |datum=2008-08 |sprache=en |abruf=2019-01-12 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20230718095241/https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/aerospike.html |archiv-datum=2023-07-18 |offline=ja |archiv-bot=2024-06-30 22:10:06 InternetArchiveBot }}</ref>. Das Projekt wurde jedoch aufgrund überhöhter Kosten und technischer Probleme der X-33 eingestellt.

Der erste bekannte Testflug eines Aerospike-Triebwerks wurde im Rahmen des ''Linear Aerospike SR-71 Experiments'' (LASRE) am 31. Oktober 1997<ref>{{Internetquelle |autor=Yvonne Gibbs |url=https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-043-DFRC.html |titel=NASA Armstrong Fact Sheet: Linear Aerospike SR-71 Experiment (LASRE) Project |hrsg=[[NASA]] ([[Neil A. Armstrong Flight Research Center|Armstrong Flight Research Center]]) |datum=2014-02-28 |sprache=en |abruf=2017-11-18 }}</ref> an Bord einer [[Lockheed SR-71]] durchgeführt.<ref name="NASA">{{Internetquelle |url=https://www.nasa.gov/centers/dryden/news/NewsReleases/1998/98-79_pf.html |titel=LASRE Test Flights End, VentureStar<sup>TM</sup> Aerodynamic Performance Predicted (Pressemitteilung) |hrsg=[[NASA]] ([[Neil A. Armstrong Flight Research Center|Dryden Flight Research Center]]) |datum=1998-11-20 |sprache=en |abruf=2017-11-18 }}</ref> Dabei wurde das Triebwerk jedoch nicht gezündet.<ref name="NASA" />

In [[Westdeutschland]] wurde Ende der 1960er Jahre an einem Aerospike-Triebwerk für das Raumfahrzeug [[Neptun (Raumfahrzeug)|Neptun]] gearbeitet.

2020 starteten die [[Technische Universität Dresden|TU Dresden]] und das [[Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik|Fraunhofer IWS]] das ''CFDμSAT''-Projekt zur Forschung an 3D-gedruckten Aerospike-Triebwerken.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.raumfahrer.net/additiv-gefertigtes-raketentriebwerk-mit-aerospike-duese-fuer-microlauncher/ |titel=Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher |hrsg=raumfahrer.net |datum=2020-02-12 |abruf=2023-07-17 }}</ref>
Am 22. November 2021 führte das [[Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt|Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt]] auf dem Prüfstand P8 einen erfolgreichen Test durch.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.astronews.com/news/artikel/2021/11/2111-016.shtml |titel=Triebwerke: Erfolgreiche Tests eines Aerospike-Antriebs |abruf=2021-11-25 }}</ref>

Das Unternehmen Hyperganic stellte 2022 einen 3D-gedruckten Prototyp für ein Aerospike-Triebwerk vor, das von der KI-basierten Software von Hyperganic entwickelt worden war.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.hyperganic.com/ |titel=Hyperganic |sprache=en |abruf=2022-08-19 }}</ref>

Das Unternehmen Pangea Aerospace<ref>{{Internetquelle |autor=Federico Rossi |url=https://pangeaaerospace.com/technology/ |titel=Aerospike Propulsion |werk=Pangea Aerospace |datum=2022 |sprache=en |abruf=2022-12-22 }}</ref> hat seit Mitte 2019 an einem Demonstrator-Aerospike-Triebwerk, DemoP1, gearbeitet. DemoP1 wurde 2021 erfolgreich getestet und soll den Weg für ein größeres 300 kN Schub Aerospike-Triebwerk namens ARCOS ebnen. Die Tests von DemoP1 dauerten rund 2 Sekunden und waren gut reproduzierbar.<ref>{{Literatur |Autor=Rossi, Federico & Esnault, Gabrielle & Sápi, Zsombor & Palumbo, Nicola & Argemí, Adrià & Bergström, Rasmus |Hrsg=7th Edition of the Space Propulsion Conference |Titel=Research Activities in the Development of DemoP1: A LOX/LNG Aerospike Engine Demonstrator |Verlag=ResearchGate |Datum=2021-03 |Online=https://www.researchgate.net/publication/350800053_Research_Activities_in_the_Development_of_DemoP1_A_LOXLNG_Aerospike_Engine_Demonstrator }}</ref>

Das deutsche Weltraum-Start-up [[Polaris Raumflugzeuge]] entwickelte im Rahmen eines Bundeswehrauftrags das lineare [[Polaris Raumflugzeuge#Aerospike-Triebwerk AS-1|Aerospike-Triebwerk AS-1]].<ref>{{Internetquelle |url=https://polaris-raumflugzeuge.de/Technology/Aerospike-Engines |titel=POLARIS Raumflugzeuge - Aerospike Engines |abruf=2024-07-30}}</ref> AS-1 wurde seit November 2023 mehrmals erfolgreich gezündet, Flugerprobungen auf Technologie-Demonstratoren der Firma finden seit Oktober 2024 statt.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.linkedin.com/posts/polaris-spaceplanes_we-did-it-polaris-performs-the-first-ever-ugcPost-7260213292676124673-DoUg/ |titel=Linkedin post von Polaris |werk=https://linkedin.com |sprache=de |abruf=2024-11-11}}</ref> Weiterhin plant das Unternehmen ein 28 m langes [[Raumflugzeug]] [[Aurora (Raumflugzeug)|Aurora]] zu entwickeln, das unter anderem durch ein Aerospike-Triebwerk angetrieben werden soll.<ref>{{Internetquelle |autor=Lars Hoffmann |url=https://esut.de/2021/07/meldungen/28651/aufklaerung-bei-hyperschall/ |titel=Startup untersucht Aufklärung bei Hyperschallgeschwindigkeit |datum=2021-07-27 |sprache=de-DE |abruf=2024-07-30}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.golem.de/sonstiges/zustimmung/auswahl.html?from=https%3A%2F%2Fwww.golem.de%2Fnews%2Fpolaris-bundeswehr-will-neues-aerospike-raketentriebwerk-2306-174776.html |titel=Golem.de: IT-News für Profis |abruf=2024-07-30}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Andrew Parsonson |url=https://europeanspaceflight.com/polaris-spaceplanes-take-delivery-of-a-pair-of-aerospike-engines/ |titel=POLARIS Spaceplanes take Delivery of a Pair of Aerospike Engines |werk=European Spaceflight |datum=2023-10-06 |sprache=en-US |abruf=2024-07-30 }}</ref>

== Weblinks ==
{{Commonscat|Aerospike rocket engines|Aerospike}}
* {{Internetquelle |url=https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/aerospike.html |titel=Linear Aerospike Engine — Propulsion for the X-33 Vehicle |hrsg=[[NASA]] ([[Marshall Space Flight Center]]) |datum=2008-08 |sprache=en |abruf=2019-01-12}}
* vdi-nachrichten.com: [https://www.vdi-nachrichten.com/technik/rueckkehr-des-aerospike/ Rückkehr des Aerospike], 12. Februar 2020
* {{YouTube |id=M8WE90jVK_o |titel=Additive Fertigung von Aerospike-Triebwerken |abruf=2023-06-29 |uploader=Fraunhofer IWS |upload=18. Februar 2021 |link=0 |kommentar=Vortrag des Dresdner Fraunhofer-Instituts zur Fertigung des Luftstachel-Triebwerks |sprache=}}
* {{YouTube |id=D4SaofKCYwo |titel=Are Aerospikes Better Than Bell Nozzles? |abruf=2023-06-29 |uploader=Everyday Astronaut |upload=18. Oktober 2019 |link=0 |kommentar=ausführliche Dokumentation über die Geschichte und die Funktionsweise des Aerospike-Triebwerks |sprache=en}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Raketentechnik]]

Aerospike - Versionsgeschichte

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