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Abgebremst zurück auf den Mond

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Von Null auf Hundert zu beschleunigen und dann an einer roten Ampel abzubremsen ist kein Problem, für ein gewöhnliches Auto. Wenn Sie aber eine Rakete steuern würden, wäre das nicht so einfach. Die meisten Raketenantriebe sind so konstruiert, dass sie entweder mit vollem Schub (beim Start) oder ohne Schub (beim kreuzen durch dass All) arbeiten, ohne irgend etwas dazwischen. Und dies kann ein Problem sein -- nämlich, wie landen Sie das Ding?

Eine Drosselung ist entscheidend für die Landung auf einem Planeten. Der Abstieg aus der Umlaufbahn ist ein Balanceakt, bei dem der Schub des Antriebs heruntergesetzt werden muss, während die Sonde durch die Benutzung des Antriebs, der sie abbremst, Masse verliert, bis die Landekufen gerade den Boden berühren. Bei einer Mondlandung wird innerhalb von etwa einer Stunde von fast 6.500 km/h auf Null abgebremst.

Der Motor des Apollo Mondmodul arbeitete bei allen sechs Landungen von 1969-72 perfekt. Er konnte von 10.125 Pfund Schub auf 1.250 Pfund Schub gedrosselt werden. Es war ein einfacher Motor der Treibstoff und Oxidationsmittel verbrannte, welches sich beim Kontakt entzündete, und das durch Tanks geliefert wurde, die unter Druck standen, so dass keine Pumpen nötig waren.

Die NASA kehrt innerhalb der nächsten 10 Jahre zum Mond zurück, und "wir möchten mehr Masse auf der Mondoberfläche absetzen als Apollo es tat. Das bedeutet, dass wir stärkere Antriebe benötigen," sagt der Techniker Tony Kim vom NASA Marshall Space Flight Center. "Der Antrieb des Apollo Mondmoduls war sehr gut, sehr verlässlich, hat aber nicht ausreichend Kraft für die zukünftigen Missionen."

Um die Technologien für die Mondlandefähren der nächsten Generation zu untersuchen, unterstützen Techniker an zwei NASA Standorten -- dem Marshall Space Flight Center in Alabama und dem Glenn Research Center in Ohio -- Pratt & Whitney Rocketdyne bei der Entwicklung des Common Extensible Cryogenic Engine -- "CECE" in Kurzform. 

In CECE's Kern befindet sich der RL10 Motor, der die Surveyor Landefähren von 1966-68 angetrieben hatte, und dann dutzende weiterer Missionen mit mehr als 2,2 Millionen Sekunden (fast 26 Tagen) und 718 Zündungen im All durchführte. Der RL10 ist ein wesentlich stärkeres und komplexeres Biest als der Apollo LM Antrieb. Er verbrennt Wasserstoff und Sauerstoff, die als superkalte Flüssigkeiten in isolierten Tanks gelagert werden. Dies sind nicht nur hochenergetische Antriebsstoffe, sondern sie sind auch umweltfreundlich, verglichen mit dem Treibstoff der ursprünglichen LM Antriebe.

Jetzt muss der Antrieb etwas Neues demonstrieren: Auf Kommando eine Drosselung von 100% seines 13.800 Pfund Schubs auf 10% in einem bemannten Raumschiff. Ihn zu drosseln ist aber nicht so einfach wie ein Gaspedal kontrollieren. Wie die meisten Raketenantriebe wurde der RL10 für vollen Schub konstruiert. Fast wie bei einem lebenden Organismus bemerkt man Änderungen in einem Bereich im gesamten Körper. Zum Beispiel kann flüssiger Wasserstoff, bei niedriger Energie, in den Kühlmittelleitungen abbremsen und verdampfen, und den Motor möglicherweise zum Stillstand bringen.

In den Phase 1 Demo 1 Tests, "waren wir in der Lage den Antrieb zu modifizieren und zu zeigen, dass eine Drosselung möglich ist, allerdings vorsichtig," sagt Kim. CECE erreichte 932 Sekunden Brennzeit in acht Tests, auch wenn einige vorzeitig abgebrochen wurden "da wir experimentierten."

Die Hauptherausforderung war das "dahintuckern." Etwas lies den Motor 100 Mal pro Sekunde vibrieren. Pratt & Whitney Rocketdyne führte eine "Demo 1,5" durch, um das Problem zu isolieren und zu untersuchen: Es zeigte sich, dass sich Sauerstoffdämpfe auf der Einspritzplatte bildeten und den normalen Fluss bei niedrigen Schubstärken blockierten.

"Wir denken über Veränderungen an Einspritzdüse und Ventilen nach, um die Leistung zu verbessern," sagt Kim. Schon jetzt hat CECE eine stabile Verbrennung gezeigt (ohne tuckern), bei Werten von 5- zu-1, und Funktionsfähigkeit (mit etwas tuckern) bei 11- zu-1 Verhältnissen in der Antriebsstärke. 

CECE ist noch nicht fertig für den Weltraum, betont Kim, aber er ist eine wichtige Testumgebung um Technologie zu entwickeln. "Diese Arbeit hat das Potential das Design der nächsten Mondlandefähren zu beeinflussen."

Quelle: Science(at)NASA

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