Zum Mond und zurück will Aerojet die zukünftige cislunare Wirtschaft vorantreiben

Düsen für neue RS-25-Triebwerke werden bei Aerojet Rocketdyne produziert, um die späteren Flüge des Space Launch System der NASA anzutreiben.

Während Aerojet Rocketdyne die Produktion seiner traditionellen Großtriebwerke für Fahrzeuge der NASA und der United Launch Alliance fortsetzt, sieht der Hersteller die aufstrebende Cislunar-Wirtschaft als potenziellen Katalysator für die Einführung einer neuen Generation kostengünstiger Raketentriebwerke mit Flüssigtreibstoff.

Bereits 2013 skizzierte das Unternehmen Entwicklungspläne für eine erste Familie kleinerer, additiv gefertigter Bantam-Motoren, die den Schubbereich von 5.000 bis 30.000 Pfund abdecken, und spricht nun mit Entwicklern von Trägerraketen über einen viel breiteren Leistungsbereich. „Wir sind auf einen kleineren Triebwerkssatz umgestiegen, und es handelt sich um einen Schubbereich, der von 5.000 bis 150.000 Pfund reichen könnte. Der Schwerpunkt liegt auf Kerosin – könnte aber auch problemlos mit Wasserstoff oder speicherbar sein“, sagt Jim Maser, Senior Vice President von Aerojet Rocketdyne, sagte Aviation Week am Rande des Weltraumsymposiums in Colorado Springs am 18. April.

Obwohl die Erprobung und Entwicklung der kleineren Bantam-Motoren bereits seit etwa einem Jahrzehnt im Gange ist, geben die ausgefeilten additiven Produktionskapazitäten des Unternehmens sowie das Aufkommen einer neuen Generation von Entwicklern kleiner und mittlerer Trägerraketen laut Maser dem Unternehmen neuen Auftrieb Reihe potenzieller Marktchancen.

„Da sind all diese Leute, die ankündigen, dass sie auf eine mittlere Trägerrakete umsteigen, und sie sind alle vertikal integriert“, bemerkte er. „Wir haben mit allen gesprochen und wir glauben, dass sie irgendwann erkennen werden, dass es ihr Geschäft ist, Dinge in die Umlaufbahn zu bringen. Ihr Geschäft besteht nicht darin, Raketentriebwerke herzustellen. Ich denke, wenn die Kapitalmärkte austrocknen, werden die Menschen den Wert darin erkennen“, fügte er hinzu.

„Wir glauben, dass die Bantam-Klasse der richtige Weg ist, weil sie zu einem erschwinglicheren System führt“, fuhr Maser fort. „Man braucht immer noch einen Business Case, also kommt es darauf an, dass niemand für die Entwicklung bezahlen möchte. Aber sie wollen sich nicht auf eine große Anzahl von Motoren festlegen, und deshalb ist es schwierig, das herauszufinden. Ich bin bereit, eine Wette einzugehen – wir müssen nur das richtige Unternehmen auswählen und es muss motiviert sein, mit uns zusammenzuarbeiten.“

Obwohl Aerojet Rocketdyne keine konkreten potenziellen Anwendungen identifiziert, sei die Marktsituation „derzeit sehr dynamisch und die Dinge ändern sich schnell“, sagte Maser. „‚Wir positionieren uns für Chancen‘, so würde ich es charakterisieren.“

Ein weiterer Faktor, der zu günstigeren Bedingungen für eine potenzielle neue Anwendung beiträgt, ist der schnell wachsende Markt für Raumfahrtantriebe zur Unterstützung der aufstrebenden cislunaren Wirtschaft.

„Wir konzentrieren uns wirklich auf den Raumfahrtmarkt, in dem ich viele Chancen sehe“, sagte Maser. „Die Menschen wollen den ganzen Weg zum Mond und zurück – und das erfordert viel Manövrieren – darin liegt die echte Chance.“

Die kleinere Motoroption könnte einen Mix-and-Match-Ansatz ermöglichen, sagte Maser. „Man könnte einen Booster mit fünf Triebwerken und einer Oberstufe mit einem oder zwei haben, oder einen Booster mit drei Triebwerken und einer Oberstufe mit einem, je nachdem, welche Klasse oder Rakete man möchte“, sagte er. „Wir haben mit Leuten über dieses Konzept gesprochen, aber ich denke, was Flüssigkeitsraketentriebwerke betrifft, ist das wahrscheinlich die Zukunft für uns.“

Die Arbeiten am Bantam, der ursprünglich auf dem Injektor des Atlas Sustainer-Triebwerks basierte, wurden fortgesetzt, seit 2014 Heißfeuertests der kleinsten Variante, Baby Bantam genannt, durchgeführt wurden. Drei Jahre später wurde Aerojet im Rahmen eines von der DARPA unterstützten Programms durchgeführt Rocketdyne führte außerdem eine Reihe von Heißfeuertests an einer Version der 30.000-Pfund-Schubklasse durch. „Wir investieren interne Forschung und Entwicklung in diese Motorenfamilie, daher denke ich, dass sie das beste Potenzial für uns hat“, sagte Maser.

Aerojet Rocketdyne befindet sich inzwischen mitten in den Zertifizierungstests der ersten neu gebauten RS-25-Triebwerksversion, die die Kernstufe für spätere Missionen der Superschwerlastrakete Space Launch System (SLS) der NASA antreiben wird.

Der erste völlig neue RS-25, der seit mehr als 15 Jahren gebaut wurde, beinhaltet Verbesserungen, die an den generalüberholten ehemaligen RS-25-Raumfähren vorgenommen wurden, die Aerojet Rocketdyne auch für die ersten SLS-Flüge für das Artemis-Programm der NASA bereitstellt, dessen erste Mission am 17. November 2019 startete 16. Das Unternehmen hat kürzlich die vier RS-25-Triebwerke für die geplante Mondlandemission Artemis III fertiggestellt, deren Start etwa Mitte des Jahrzehnts geplant ist.

Da vom Shuttle-Programm nur noch 16 Triebwerke übrig waren – genug für die ersten vier Artemis-Missionen – baut Aerojet Rocketdyne 24 neue RS-25-Serientriebwerke für die Missionen Artemis V und folgende.

Die Zertifizierungs-Engine und eine Entwicklungs-Engine werden dieses Jahr einem Heißbrandtest unterzogen, um das Design für die Produktion zu überprüfen. Der Aufwand umfasst 12 Tests, die am Ende des Jahres in einer Überprüfung der Designzertifizierung gipfeln. Tests eines Nachrüstmotors, der eine Kombination aus alten und neuen Komponenten enthält, werden dabei helfen, die „zusätzliche Lebensdauer einiger dieser Teile“ einzuschätzen, sagte Maser.

Die Zertifizierungsmaschine laufe „erstaunlich gut“, stellte er fest. „Wenn man sich für ein Triebwerk mit einer solchen Flughistorie und Wiederverwendbarkeit entscheidet, hat das unter anderem den Vorteil, dass man das Triebwerk wirklich versteht.“ Und aus Effizienzsicht ist es der leistungsstärkste Wasserstoffmotor.“

Bei den laufenden Tests im NASA Stennis Space Center in Mississippi wird die Triebwerksleistung anhand einer Reihe von Designbedingungen und Exkursionen bewertet. Die Arbeit wird verbesserte Komponenten wie die Düse, die Hauptbrennkammer und die Pogo-Akkumulatorbaugruppe validieren – ein additiv gefertigtes Teil, das Schwingungen dämpfen soll, die durch Treibstoffe beim Fluss zwischen Fahrzeug und Motor verursacht werden.

Die 12 Läufe werden eine Gesamtlänge von 6.150 Sekunden haben. der Heißfeuerzeit; Der Testmotor brennt mehr als 500 Sekunden lang mit einer durchschnittlichen Kapazität von 111 %. auf einzelne Tests. Die höhere Schubleistung ist eine Steigerung gegenüber dem Shuttle-Programm mit 104,5 % und den Artemis-I-IV-Missionen mit 109 %. Beim vierten Test, der Ende März auf dem Fred-Haise-Teststand von Stennis durchgeführt wurde, ließen die Bediener den Zertifizierungsmotor zehn Minuten lang laufen. (600 Sek.), länger als die 500 Sek. Motoren müssen während einer tatsächlichen Mission zünden.

„Wir zertifizieren es mit 113 %, und es wird bis zu 111 % erreichen“, sagte Maser. „Das Einzigartige am RS-25 ist, dass die Kernstufe auf halber Strecke zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe liegt, da es auf SLS große Feststoffbooster gibt. Der RS-25 bringt also im Grunde die Kernstufe in die Umlaufbahn. Deshalb läuft dieses Triebwerk 500 Sekunden, im Vergleich zu den meisten Triebwerken der ersten Stufe in einem traditionellen Raketendesign, bei denen sie normalerweise 250 Sekunden laufen.“

Während die Arbeit an der Überprüfung der Designzertifizierung voranschreitet, steigert Aerojet Rocketdyne auch die Produktion. „Unser Hauptaugenmerk liegt jetzt darauf, eine Lernkurve zu durchlaufen und einfach ein stabiles Design zu entwickeln, zuverlässig mit hoher Qualität und so kostengünstig wie möglich“, sagte Maser.

Neue Produktionsprozesse und Fertigungstechnologien haben dem Unternehmen geholfen, die Kosten für ein Motorendesign aus den 1970er Jahren um 30 % zu senken. „Wir haben Additive dort eingesetzt, wo es Sinn macht, und das wird uns viel Geld sparen, die Produzierbarkeit erhöhen und die Teileanzahl reduzieren“, erklärte Maser. „Es gibt viele Einzelteile, die aufwändig von Hand geschweißt werden mussten, und wir haben es vereinfacht, indem wir in einigen Fällen weitaus weniger Teile mit automatisiertem Roboterschweißen bearbeitet haben. Jetzt ist es nur noch eine Lernkurve und Effizienz.“

Nach Angaben des Unternehmens konnte das Unternehmen zwischen der ersten und der vierten Düse die Arbeitsstunden beim Rohrstapeln um 50 % reduzieren, bei der vierten Düse wurde das Erschwinglichkeitsziel um 17 % übertroffen und die Zahl der verschrotteten Rohre um 90 % im Vergleich zu den vorherigen drei Düsen reduziert.

In anderen Bereichen wurde das RS-25-Motordesign durch die Verwendung von Lösungen aus den Programmen J-2X und RS-68 vereinfacht. Durch die Modifizierung der Kanäle, die Treibstoffe von der SLS-Rakete zu den Turbopumpen transportieren, konnten laut Aerojet Rocketdyne die Kosten für die Kanäle der RS-25 um 62 % gesenkt werden. „Beim Antriebskopf, der als strukturelles Rückgrat des RS-25 dient, konnte das Team 1.200 Teile einsparen und die Herstellungszeit der ersten Einheit um 15 % verkürzen“, sagt das Unternehmen. „Die Hauptbrennkammer wird 22 Monate schneller hergestellt, mit 71 % weniger Schweißnähten.“

Die Zertifizierungstests des neuen RS-25-Motors sollen im vierten Quartal 2023 abgeschlossen sein; Die Produktion neuer Triebwerke soll 2024 beginnen. Aerojet Rocketdyne soll 2025 den ersten Schiffssatz von vier neu gebauten RS-25 an die NASA liefern. Obwohl der tatsächliche Startplan für diese und nachfolgende Artemis-Missionen möglicherweise verlängert wird, sagte Maser sagte: „Wir werden bereit sein, wann immer sie gebraucht werden.“

Guy ist leitender Redakteur für Aviation Week und befasst sich mit Technologie und Antrieb. Er lebt in Colorado Springs.