Vulcain

Ausstellungsexemplar eines Vulcain-1-Triebwerks

Ausstellungsexemplar eines Vulcain-2-Triebwerks

Vulcain ist ein Raketentriebwerk der ESA, das in der ersten Stufe der Ariane 5 seinen Einsatz findet. Es gibt zwei Hauptversionen dieses Triebwerkes, Vulcain 1 und Vulcain 2, sowie eine Variante des Vulcain 1, das Vulcain 1B.

Entwicklung

Bereits 1957 entschied das französische Verteidigungsministerium, ein Kalttemperatur-Triebwerk für Raketen zu entwickeln.^[1] Der erste Prototyp konnte 1964 in Betrieb genommen werden, und seither wurden viele Generationen verschiedener Triebwerke entwickelt. Auf der ESA Ministerkonferenz in Den Haag im Jahr 1987 wurde die Entwicklung einer stärkeren Trägerrakete, der Ariane 5, beschlossen. Dafür musste auch ein neues Triebwerk, eben das Vulcain-Triebwerk (ehemals HM 60), gebaut werden. Schon nach einer relativ kurzen Entwicklungszeit durch die Firmen Snecma und EADS Astrium (früher MBB) wurde im April 1990 das erste Vulcain-Triebwerk gezündet, welches dann am 4. Juni 1996 zum ersten Mal in einer Trägerrakete zum Einsatz kam. Für die Ariane 5 GS wurde eine leicht modifizierte Version des Triebwerks mit der Bezeichnung Vulcain 1B eingesetzt. Eine Erhöhung des Brennkammerdrucks um 10 bar lieferte dabei 20 kN mehr Schub.

Für die größere Ariane 5 ECA wurde wegen der erhöhten Masse der Oberstufe ein leistungsstärkeres Triebwerk gewünscht, und so wurde bereits Ende der Neunziger Jahre der Nachfolger, die Vulcain 2, entwickelt. Beim Erstflug am 11. Dezember 2002 kam es zum strukturellen Versagen der Düse infolge zu hoher thermischer Belastung der Röhrchenstruktur, mit der die Düse gekühlt wird, damit zur Rissbildung in der Schubdüse, Kühlmittelverlust und Durchbrennen der Röhrchenstruktur. Darüber hinaus wurde die Düse durch axiales Beulen unter Vakuumbedingungen beschädigt.^[2] Daraufhin musste das Triebwerk nachgebessert werden. Der Erfolg war Vulcain 2 erst beim zweiten Einsatz am 12. Februar 2005 beschieden.

Technische Daten

Durch die Weiterentwicklung zur Vulcain 2 wurden die Leistungsdaten in fast allen Bereichen gesteigert. Ziel war bei gleichem Gesamttankvolumen der Ariane 5 mehr Treibstoff mitführen zu können. Aufgrund des großen Dichteunterschiedes von flüssigem Sauerstoff zu flüssigem Wasserstoff wurde der Zwischenboden, der die beiden Treibstoffe trennt, zu Gunsten des Sauerstoffvolumens verschoben. Damit ist es möglich, 16 t zusätzlichen Sauerstoff bei Verlust von 1 t Wasserstoff mitzuführen.^[3] Um diese zusätzliche Treibstoffmenge fördern zu können, wurde die Leistung der Sauerstoff-Turbopumpe gesteigert und die Anzahl Einspritzdüsen erhöht. Durch diese Maßnahme würde der spezifische Impuls leicht sinken. Dies wurde durch Erhöhung des Brennkammerdrucks und Verlängerung der Schubdüse kompensiert. Als weitere leistungssteigernde Maßnahme werden die Abgase des Gasgenerators nach Durchströmen der Turbinen in den unteren Teil der Düse eingeblasen, was Schub und spezifischen Impuls leicht erhöht und zudem die Düse zusätzlich kühlt. Dadurch arbeitet Vulcain 2 nicht mehr nach dem klassischen Nebenstromverfahren sondern nach dem Nebenstromverfahren mit Abgaswiedereinblasung.

Version	Vulcain 1 (Vulcain 1B)[4]	Vulcain 2[5]
Höhe	3 m	3,45 m
Durchmesser	1,76 m	2,10 m
Masse	1686 kg	2100 kg
Treibstoffe	Flüssiger Sauerstoff (LOX) und Wasserstoff (LH2) im Verhältnis 5,9:1	Flüssiger Sauerstoff (LOX) und Wasserstoff (LH2) im Verhältnis 6,1:1
Drehzahl der Turbopumpen[6][7]	11.000 – 14.800 min-1 (LOX) resp. 28.500 – 36.000 min-1 (LH2)	11.300 – 13.700 min-1 (LOX) resp. 31.800 – 39.800 min-1 (LH2)
Leistung der Turbopumpen	2,0 – 4,8 MW (LOX) resp. 7,4 – 15,5 MW (LH2)	3,7 – 6,6 MW (LOX) resp. 9,9 – 20,4 MW (LH2)
Brennkammerdruck	100 bar (110 bar)	115 bar
Vakuumschub	1120 kN (1140 kN)	1340 kN
Bodenschub	815 kN	960 kN
Spezifischer Impuls im Vakuum (SI)	4228 m/s	4228 m/s

Geplante Weiterentwicklung

Wegen absehbarer Zunahme der Nutzlastmassen soll im Rahmen der Ariane 2010 Initiative die Leistung des Vulcain-Triebwerkes gesteigert werden. Zudem sollen die Produktionskosten des Triebwerks gesenkt werden, um auf dem internationalen Satellitenstart-Markt weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben. Um diese Ziele zu erreichen wurden verschiedene Studien von Seiten der Herstellerfirma SNECMA und CNES durchgeführt. Die vorgeschlagenen Triebwerksmodifikationen erlauben je nach Konfiguration Kostenreduktionen von bis zu 30% oder Schubsteigerungen von maximal 50%. Der spezifische Impuls wird je nach Variante um bis 3,7% gesteigert. Bei Einsatz eines solchen Triebwerks in einer Ariane 5 würde die Nutzlast um bis zu 3,4 t erhöht.^[8]

Weblinks

• Offizielle ESA-Seite zum Triebwerk (englisch)
• EADS Astrium: Vulcain Rocket Engine - Thrust Chamber (englisch)
• EADS Astrium: Vulcain 2 Rocket Engine - Thrust Chamber (englisch)
• CAPCOM ESPACE: LE MOTEUR VULCAIN (französisch)
• Capcom Espace: LE MOTEUR VULCAIN 2 (französisch)

Quellenangaben

1. ↑ Vulcain engine Artikel auf esa.int vom 29. November 2005.
2. ↑ Prof. Wolfgang Koschel im Magazin des Zentrums für Luft- und Raufahrt, Juli 2005, S.19
3. ↑ Ausbau der Ariane 5 Artikel von bernd-leitenberger.de
4. ↑ Die Ariane 5 Artikel von bernd-leitenberger.de
5. ↑ Datenblatt der Herstellerfirma Snecma als PDF (französisch)
6. ↑ Datenblatt LOX-Turbopumpen von Volvo (englisch)
7. ↑ Datenblatt LH2-Turbopumpen von Volvo (englisch)
8. ↑ Engines Trade Off for Ariane 2010 Initiative A. Dalbies et al., 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, July 7-10, 2002.