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Eplus3D und UCL Rocket entwickeln und testen erfolgreich ein regenerativ gekühltes Raketentriebwerk und einen Swirl-Injektor

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Unternehmensnachrichten

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Einleitung: Eplus3D hat in Zusammenarbeit mit dem University College London (UCL) und dem von Studenten geleiteten UCL-Raketenteam erfolgreich Excelsior entworfen und additiv gefertigt - ein regenerativ gekühltes, bipropellantes Raketentriebwerk für den britischen Wettbewerb Race 2 Space 2025. Hergestellt aus AlSi10Mg mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) auf dem EP-M400S Quad-Laser-System, zeigte das Projekt, wie die additive Fertigung fortschrittliche Kühlkanäle, integrierte Funktionen und eine schnelle Entwicklung ermöglicht. Als technischer Partner bot Eplus3D Prozessberatung und Fertigungsausführung für die komplexen Schubkammer- und Einspritzkomponenten von Excelsior. Excelsior erreichte bei den Heißzündversuchen den angestrebten Schub von 5 kN und belegte damit den vierten Platz in der Kategorie "Nitrous Bipropellant" und war eines von nur acht von siebzehn Triebwerken, die alle Tests überstanden.

UCL-Rakete: Das UCL ist eine globale Top-10-Universität im Herzen Londons, die für ihre weltweit führende Forschung und Ausbildung bekannt ist. Am UCL Mechanical Engineering wird die Forschung von dem Bestreben angetrieben, einige der drängendsten Herausforderungen der Gesellschaft zu bewältigen - von der Entwicklung von Antriebssystemen der nächsten Generation zur Unterstützung der Dekarbonisierung des Verkehrs bis hin zur Entwicklung medizinischer Geräte zur Verbesserung der Patientenversorgung und Lebensqualität.

Im Mittelpunkt der Lehre an der UCL Mechanical Engineering steht MechSpace - ein spezielles Angebot an Lehrlabors und Werkstätten, in denen die Studenten praktische Erfahrungen mit Design und Prototyping sammeln können. Ob für Kursarbeiten oder von Studenten geleitete außerschulische Projekte wie die der sechs UCL Racing (UCLR)-Teams, MechSpace bietet den Studenten die Werkzeuge und das Umfeld für Innovationen und Zusammenarbeit in einem breiten Spektrum von Bereichen, einschließlich Raketen, Drohnen, autonome Rover, U-Boote und Formula Student Autos. Diese Betonung der praktischen Ingenieursarbeit spiegelt sich in den beständigen Erfolgen bei der Institute of Mechanical Engineers (IMechE) Design Challenge wider, bei der UCL-Studenten im ersten Studienjahr vier Jahre in Folge den nationalen Titel gewonnen haben - und in diesem Jahr einen fünften Sieg in Folge anstreben. Eplus3D trat dem Projekt als technischer Fertigungspartner bei, beriet beim Design für die additive Fertigung und führte den Bau des LPBF in seiner deutschen Niederlassung durch.

Technische Herausforderungen: Das Projekt war mit mehreren technischen Herausforderungen verbunden. Die Temperaturen in der Brennkammer überstiegen 2.500 K, was eine robuste Kühlstrategie erforderte, um Materialversagen zu verhindern. Die Konstruktion umfasste achtundfünfzig innere Kühlmittelkanäle, koaxiale Drallinjektorelemente und enge Maßtoleranzen, die fortschrittliche Fertigungsmöglichkeiten erforderten. Bei der Materialauswahl mussten Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit, Dichte und Bearbeitbarkeit in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen, während der Herstellungsprozess schnell und kosteneffizient sein musste, um den begrenzten Zeitrahmen eines Studentenprojekts einzuhalten.

Motorkonstruktion und Leistung: Das Excelsior-Triebwerk verwendet Isopropylalkohol (IPA) als Treibstoff und Kühlmittel und Distickstoffoxid (N₂O) als Oxidationsmittel. Es ist für einen Zielschub von 5 kN, einen Kammerdruck von 25 bar und einen theoretischen spezifischen Impuls von 204 Sekunden ausgelegt. Das Triebwerk besteht aus zwei Teilen, der Schubkammerbaugruppe, die die Kammer und die Düse umfasst, und dem koaxialen Drallinjektor. Diese sind über einen verschraubten Flansch mit Viton-O-Ring-Dichtungen für einen leckagefreien Betrieb verbunden.

Der Koaxial-Drallinjektor besteht aus fünfzehn Elementen. Jedes Element hat eine innere Öffnung, die N₂O axial in die Kammer abgibt, und ist von einer äußeren Öffnung umgeben, die IPA in einem wirbelnden konischen Bogen einspritzt. Diese Wirbelbewegung wird durch drei tangentiale Einlassöffnungen erreicht, die eine Wirbelkammer stromaufwärts der Düse speisen und eine hohe tangentiale Geschwindigkeit für eine schnelle Zerstäubung bewirken. Die Geometrie wurde mit Hilfe des LISA-Modells (Linearised Instability Sheet Atomisation) optimiert, um den Tröpfchenaufbruch zu maximieren und gleichzeitig einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Die Modellierung des dynamischen Ansprechverhaltens wurde ebenfalls durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Verhalten der Einspritzdüse bei Druckschwankungen nicht mit den akustischen Resonanzmoden des Motors zusammenfällt, was zu einer instabilen Verbrennung führen könnte.

Fortschrittliche Kühlungsstrategie: Um hohe Wärmeströme zu überstehen, verwendet Excelsior ein dreifaches Kühlsystem. Bei der regenerativen Kühlung zirkuliert der gesamte IPA-Strom von 0,59 kg/s durch einen gedruckten Einlasskrümmer am Düsenausgang und in achtundfünfzig axiale, in die Motorwände integrierte Kühlmittelkanäle mit einem Durchgang. Die Filmkühlung erfolgt über fünfzehn maschinell bearbeitete 0,6 mm große Öffnungen an der Einspritzdüsenfläche, die zehn Prozent des IPA-Stroms an der Kammerwand entlang leiten, um einen schützenden Flüssigkeitsfilm zu bilden. Schließlich wird eine keramische Wärmedämmschicht auf Zirkoniumdioxidbasis (Zircotec ThermoHold® H2000) im Plasmaspritzverfahren auf die Innenwand aufgetragen, um den Wärmefluss zu reduzieren und die thermische Belastung zu mindern, insbesondere im Halsbereich - dem kritischsten Bereich des Motors.

Auswahl des Materials
AlSi10Mg wurde aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit von ca. 165 W/m-K nach dem Spannungsabbau, die eine schnelle Wärmeübertragung an das Kühlmittel ermöglicht, gegenüber herkömmlichen Luftfahrtlegierungen wie Inconel 718 und CuCrZr ausgewählt. Seine geringe Dichte von 2,7 g/cm³ ermöglicht erhebliche Gewichtseinsparungen, und seine Bearbeitbarkeit unterstützt die effiziente Endbearbeitung von Dichtungsflächen und Präzisionsmerkmalen. Der größte Nachteil von AlSi10Mg ist die Verringerung der Streckgrenze bei erhöhten Temperaturen von nahezu 600 K, was eine detaillierte thermomechanische Spannungsanalyse zur Überprüfung der Überlebensfähigkeit erforderlich machte.

Herstellung auf EP-M400S
Der Fertigungsprozess wurde auf dem Vierfach-LPBF-System EP-M400S durchgeführt, das mit vier 700-W-Lasern ausgestattet ist. Es wurde eine Schichtdicke von 60 µm verwendet, um eine feine interne Kanalauflösung und die für die Leistung des Injektors erforderlichen glatten Oberflächen zu erreichen. Die Erfahrung und der Input von Eplus3D im Bereich DfAM stellten sicher, dass das Design für die Druckbarkeit optimiert wurde, wodurch das Risiko von Defekten minimiert und die Nachbearbeitungsanforderungen reduziert wurden. Das Drucken des Motors als zwei integrierte Baugruppen ermöglichte eine erhebliche Reduzierung der Anzahl der Teile und der Komplexität der Baugruppe im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden.

Tests und Ergebnisse: Das erste regenerativ gekühlte Triebwerk von UCL Rocket, Excelsior, wurde bei Airborne Engineering Ltd. für Race 2 Space 2025 erfolgreich heiß gezündet und hat drei Heißzündversuche überstanden, um den Zielschub von 5 kN zu erreichen.

Höhepunkte von Test 1:

- Erreichen des angestrebten IPA-Massendurchsatzes.
- 90 % des angestrebten N2O-Massendurchsatzes erreicht; der Tankdruck wurde erhöht, um einen größeren Massendurchsatz für die nachfolgenden Tests zu erreichen.
- Durchschnittliche Druckverluste vom Kraftstoffeinlass bis zur Einspritzdüse wurden mit 0,9 bar gemessen, was innerhalb von 6,6 % der CFD-Simulationsvorhersagen liegt.
- Geringfügige IPA- und N2O-Leckagen aufgrund defekter Dichtungen (nach dem Test ausgetauscht).

Höhepunkte von Test 2:
- Der angestrebte N2O-Massendurchsatz wurde erreicht.
- Teilweise Verstopfung der 0,84-mm-IPA-Injektoröffnungen aufgrund von Restspänen im Injektorverteiler. Die Verstopfung wurde in der Mitte der Verbrennung beseitigt.

Höhepunkte von Test 3:
- IPA- und N2O-Massendurchsatz wurden proportional gedrosselt, um den Zielschub von 5 kN zu erreichen, mit einem Spitzenwert von durchschnittlich 4,92 kN in den letzten 100 ms der Verbrennung.
- Der maximal mögliche N2O-Massendurchsatz wurde innerhalb der Grenzen des Zufuhrsystems erreicht.
- Es wurde ein maximaler spezifischer Impuls von 174,47 s und ein c*-Wirkungsgrad von 85,66 % erreicht, der beste aller 3 Tests.

Im Wettbewerb belegte Excelsior den vierten Platz in der Kategorie Nitrous Bipropellant und war einer von nur acht von siebzehn Motoren, die alle Heißbrandtests überstanden. Aus dem Projekt wurden mehrere wichtige Lehren gezogen, u. a. die Bedeutung einer gründlichen Reinigung, um Verstopfungen der Einspritzdüsen zu vermeiden, die Notwendigkeit zuverlässiger Dichtungslösungen und die Fähigkeit von LPBF, eine schnelle, leistungsstarke Hardwareentwicklung für die Luft- und Raumfahrt in einer von Studenten geführten Umgebung zu ermöglichen.

Der Erfolg von Excelsior zeigt, dass fortschrittliche LPBF in AlSi10Mg hochleistungsfähige regenerativ gekühlte Raketentriebwerke im Rahmen eines Universitätsprojekts herstellen können. Durch die Kombination von innovativem Design, optimierter Fertigung und rigorosen Tests zeigt die Zusammenarbeit zwischen Eplus3D und UCL Rocket, wie die additive Fertigung die Entwicklung von Luft- und Raumfahrtantrieben beschleunigen kann.