Prometheus + Callisto

Moin,

Zur Methan/LOX-Technologie in Europa gibt es ein paar neue Infos von Seiten der DLR:

http://www.dlr.de/dlr/de/desktopdefault.aspx/tabid-10081/151_read-22066/#/gallery/26832

Ab Absatz: "Forschen für den Einstieg in neue Technologien"

Wenn ich das richtig verstehe und das Photo aktuell ist, läuft zumindest schon ein Demonstrator in Lampoldshausen.

Gruß
roger50

Das Foto ist von 2016 von Airbus Safran Launchers.  Ja es läuft was.

Faszinierend! Hat es Europa jemals geschafft, innerhalb so kurzer Zeit aus einem Triebwerkskonzept einen testbaren Prototypen zu entwickeln? Schade nur, dass es immernoch nicht wirklich einen richtigen Plan für das Triebwerk gibt

Das Foto ist "nur" eine Brennkammer. Keine Turbopumpen und Düse, also noch kein Triebwerk

Faszinierend! Hat es Europa jemals geschafft, innerhalb so kurzer Zeit aus einem Triebwerkskonzept einen testbaren Prototypen zu entwickeln? Schade nur, dass es immernoch nicht wirklich einen richtigen Plan für das Triebwerk gibt

In Europa setzt man auf die galvanische Bauweise. Selbst wenn der Bauplan für das Triebwerk fertig ist, dauert es noch ca. 24 Monate um ein Triebwerk wie das Vulcain 2 zu bauen. Jede Designänderung dauert dann nochmal 24 Monate bis sie getestet werden kann.

Es sei denn natürlich Airbus ändert die Bauweise. Aber gibt man eine alte bewährte Technologie so schnell auf? Gibt VW den Diesel auf?

Also gerade hat Tom Mueller von SpaceX mal eben im Skype ausgeplaudert, dass das Merlin 1D, das seit 2013 fliegt, wenig bis keine Ventile mehr hat.
https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=3424.msg393837#msg393837

Das war öffentlich so bisher nicht bekannt. Sicher wusste man das intern bei NASA. Dass man es bei CNES wusste, glaube ich nicht.

Da ist das Merlin 1D natürlich viel günstiger. Da kann Prometheus meiner Meinung nach nicht mithalten. Daher muss Prometheus IMHO sofort auch auf den Pintleinjektor wechseln. Laut Tom Muellers Interview hat der Pintle beim Raptor auch 99% Wirkungsgrad. Leider haben wir in Europa mit diesem Injektor keine Erfahrung -  ein Wechsel dürfte also nicht so schnell möglich sein.

Prometheus soll 2018 auf dem Prüfstand sein, es ist zu spät für eine Designänderung.

Das sieht nicht gut aus.

Da ist das Merlin 1D natürlich viel günstiger.

Etwas günstiger bestimmt. Aber viel günstiger?

Gibt es irgendwo längere Erklärungen was den Unterschied der beiden Injektionsarten aufzeigt?

Ich kann mir natürlich vorstellen dass Triebwerke ohne Ventile günstiger sein können.
Aber ist es unbedingt so eine große Revolution?

so groß ist diese Revolution nicht. Pintle-Injektoren gibt es auch schon seit 60 Jahren. Warum wird er also nicht überall eingesetzt? Man könnte sich doch tatsächlich alle Ventile einsparen und alle Triebwerke damit regelbar machen. Der Nachteil von Pintle-Injektoren liegt in der niedrigeren Verbrennungseffizienz, da der Treibstoff nicht so optimal gemischt wird wie bei Koaxial-Injektoren, und bei der inhomogenen Temperaturverteilung. Bei Pintle-Injektoren entstehen Bereiche, die besonders heiß werden und das kann z.B. problematisch sein um eine gute Kühlung der Brennkammer zu ermöglichen.

Sehr gut möglich, dass SpaceX einiger der Probleme durch Neu-Entwicklung und Verbesserung in den Griff bekommen hat. Das wird sich zeigen. 3D-Druck von Metallteilen macht das Pintle-Injektor-Design auch besser möglich. Zum Teil ist die Konstruktion solcher Injektoren nicht so einfach mit traditionellen Bearbeitungsmethoden. Kann also durchaus sein, dass diese Injektorart sich auf Dauer nun mehr verbreiten wird.

Ich waere auch sehr interessiert mal etwas zu dem Thema Brennkammer zu lesen. Der Pintle ja auch ein Koaxial Injektor.

Mit den Ventilen habe ich das uebrigens so verstanden, dass viele der Ventile eingespart werden, aber natuerlich nicht alle. Insbesondere fuer den Start Up (Chill Down, Spin Up beider Turbosaetze, Zuendung) benoetigt es wohl so einiges an Ventilen, aber ebenso zum Betrieb (Regeln der Triebwerksleistung, Temperkontrolle der regenerativen Kuehlung etc). Ohne Ventile geht's aber nicht.

Ein ganz interessanter Vortrag zum SSME hab' ich hier gefunden.
http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/nguyen1/docs/SSME_PRESENTATION.pdf

Ich waere auch sehr interessiert mal etwas zu dem Thema Brennkammer zu lesen. Der Pintle ja auch ein Koaxial Injektor.

Mit den Ventilen habe ich das uebrigens so verstanden, dass viele der Ventile eingespart werden, aber natuerlich nicht alle. Insbesondere fuer den Start Up (Chill Down, Spin Up beider Turbosaetze, Zuendung) benoetigt es wohl so einiges an Ventilen, aber ebenso zum Betrieb (Regeln der Triebwerksleistung, Temperkontrolle der regenerativen Kuehlung etc). Ohne Ventile geht's aber nicht.

Ein ganz interessanter Vortrag zum SSME hab' ich hier gefunden.
http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/nguyen1/docs/SSME_PRESENTATION.pdf

Wenn der Pintle Injektor auch als Ventil nutzbar sein soll, dann muss er sowohl Brennstoff auch als oxidator-Leitungen ganz verschließen. Das kann der auf wikipedia gezeigte Injektor nicht. Ob der Pintle-Injektor von SpaceX daher auch gleichzeitig ein "coaxialer" Injektor ist, ist nicht gesagt.

Dieser Face-Shutoff bedeutet aber eben doch, dass auf alle Ventile am Triebwerk verzichtet werden kann. Bestimmt gibt es noch Ventile am Tank, an den Pumpen, Ablassleitungen, Spülleitungen etc.

@Kryo: Den Injector Face Shutoff kann man sicher auch beim Gasgenerator verwenden, damit ist man schon 4 Ventile los.

Die anderen Ventile sind doch klein, die Hauptventile sind das schwere.

In Europa sollte man dringend ein Forschungsprogramm für den Pintle-Injektor auflegen und zwar sofort (z.B. erstmal mit nationalen Geldern). Nicht erst bei der übernächsten Ministerratskonferenz. Leider wird es genauso kommen. Das wie mit Callisto  & Promtheus, die Reaktionszeit ist leider viel zu träge.

naja, den Pintle musst du aber auch mit einem Aktuator bewegen. Ist das wirklich so viel einfacher? Ich weiß es nicht.

naja, den Pintle musst du aber auch mit einem Aktuator bewegen. Ist das wirklich so viel einfacher? Ich weiß es nicht.

Im bei wiki verlinkten AIAA paper http://www.rocket-propulsion.info/resources/articles/TRW_PINTLE_ENGINE.pdf [AIAA 2000-3871] ist es in Figure 20 gezeigt. Ein hydraulisch bewegter Zylinder verschließt gleichzeitig die beiden Ringspalte für Ox und Brennstoff. Der Vorteil ist daß der Zustrom zur Brennkammer direkt an der Frontplatte erfolgt (daher der Name face shut-off) und es quasi keine Leervolumina gibt zwischen Ventil und Brennkammer, die sich erst noch entleeren bevor die Verbrennung wirklich aufhört. Damit lässt sich der transiente Impuls während des Abschalten minimieren, wodurch die Schubsteuerung sehr genau wird. Wie man sich denken kann ist das vor allem für militärische Vehikel gedacht.

Faszinierendes Design. Auch an so einem kleinen Duesenkopf ist halt doch viel mehr dran als man so denkt.

@Kryo: Den Injector Face Shutoff kann man sicher auch beim Gasgenerator verwenden, damit ist man schon 4 Ventile los.

Die anderen Ventile sind doch klein, die Hauptventile sind das schwere.

Hallo Zusammen,

nachdem ich mir das von proton1 verlinkte Bild angesehen habe, würde ich sagen man hat mehrere Funktion in wenigen Bauteilen integriert.
Allerdings sehe ich jetzt nicht wie man (funktional) damit Ventile einsparen soll.
Man hat hydraulisch bewegte Teile, die gleiten (Verschleiß), Dichtflächen an den Ringspalten und Montageaufwand.
Laienhaft gesagt, eigentlich ist es ein Doppelventil das gleichzeitig Injektor in einer Brennkammer ist.
Insgesamt sind es so wahrscheinlich weniger Bauteile, aber zumindest funktional fallen die Ventile nicht weg.
Sie sind im Injektor integriert und das hat sicherlich seine Vorteile.

Viele Grüße
Rücksturz

Es ist nun ein Bauteil, das sicherlich viel komplexer ist als ein einzelnes Ventil.
Aber die übliche Bauweise bedeutet dass es mindestens zwei Hauptventile gibt. Die werden hydraulisch betätigt, was weitere Ventile erfordert.
Der Pintle benötigt nur die Ventile, um die Gasturbine zu zünden, der Treibstoffdruck öffnet die Ventile. Die richtige Reihenfolge ist konstruktiv gelöst, was exzessives testen erfordert.

Bei CNES untersucht man gerade drei Landevarianten für die Erststufe: Vertikale Landung wie bei SpaceX, horizontale Landung im Gleitflug und horizontale Landung mit vier Luftstrahltriebwerken. Weitere Details gibt mein Schulfranzösisch leider nicht her.

- Le mode Toss-Back qu'utilise SpaceX pour récupérer l'étage principal du Falcon 9. Cette manœuvre consiste à « réaliser un demi-tour, une marche arrière et un rallumage du moteur ». Dans cette configuration, l'étage utilise la « propulsion fusée pour fournir les impulsions permettant le retour au sol, le freinage en phase atmosphérique et l'atterrissage à la verticale ».
- Le mode Fly Back qui permet à un « étage doté de petites ailes de retourner se poser à l'horizontale d'où il a décollé ». L'Onera travaille sur un étage utilisant une « propulsion aérobie obtenue par le biais de quatre turboréacteurs situés dans le nez de l'étage ».
- Le mode Glider dans lequel l'étage utilise également la « propulsion fusée pour freiner et initier la phase de retour qui s'effectue par un vol plané, au moyen de surfaces portantes additionnelles et un atterrissage à l'horizontale ».

Quelle: http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/acces-espace-ariane-next-ressemblera-successeur-ariane-6-66350/ // http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=41330.msg1692725#msg1692725

Flügel sind eine schlechte Lösung.

Flügel sind schwer, stattdessen kann man auch Treibstoff mehr mitnehmen.

Das mit den Luftstrahltriebwerken ist mit Abstand die schlechteste Lösung. Steigert nur die Komplexität, total unnötig.

Außerdem hat das SpaceX-Konzept immer noch den Vorteil, dass man ab und zu auch mal im Wegwerfmodus fliegen kann. Wenn die Stufe Flügel hat, bietet der Wegwerfmodus keinen Vorteil.

Kommt drauf an. Diese Flügel sehen schon recht klein und leicht aus. Ich würde jetzt keine hohen Summen darauf verwetten dass die Flügel + Fahrwerk (! dürfte schwerer sein als die Flügel selber) schwerer sind als Landebeine + Zusatztreibstoff für RTLS.
Größere Probleme wird da schon die veränderte Anforderung an die Statik der Rakete sorgen: die Flügel und Fahrwerke werden starke, punktuelle, horizontale Lasten verursachen die auch erst einmal aufgefangen und neu verteilt werden müssen.


Und Luftstrahltriebwerke sind jetzt nicht wirklich soo komplex.
Es ist natürlich schöner wenn man auf zusätzliche Hardware verzichten kann aber kleine Strahltriebwerke sind nicht sonderlich schwer und inzwischen auch sehr zuverlässig.

Naja, Strahltriebwerke sind zwar Produkte "off the shelf", aber sie machen das Trägersystem schon deutlich komplexer: Treibstoffförderung, Steuerung & Kontrolle, Wartung. Außerdem sind Strahltriebwerke relativ teuer, quasi das teuerste Subsystem an einem Flugzeug.

Gleitflug kann ich mir noch vorstellen, wobei deine Punkte zur Masse des Fahrwerks stimmen. Man könnte aber auch auf Kufen landen. Das spart Masse.

Ich vermute hier aber, man hat erstmal die drei Konzepte nebeneinander gestellt, um sie analysieren und vergleichen zu können. Bauchgefühl und Intuition sind gut ... aber reichen nicht für einen vollständigen Tradeoff.

Und die verschiedenen Varianten mitsamt den Nutzlastverlusten, Kosten und Risiken mal durchzurechnen kann da nur gut sein

Und da ist es schon interessant dass die SpX Landevariante 1zu1 mitgetestet wird.  ^^

Natürlich wird man eines der Flügelkonzepte auswählen (wenn überhaupt Wiederverwendung)

1. Zulange wurde nur an Flügelkonzepten geforscht in Europa (Flyback-Booster). Man kann doch jetzt nicht einfach zugeben, dass das alte vertikale Landung Konzept besser ist.
2. Beim Flügelkonzept (mit oder ohne Triebwerke) kann man Flügel, Klappen, Hydraulik, Fahrwerk (+eventuell Triebwerk) neu industriell verteilen, was einen signifikanten Anteil an der Gesamtwertschöpfung sein dürfte. Damit kann man dann Teile der arbeitverlierenden Feststoffboosterindustrie versöhnen. Ein Flügel hat ja auch viel CFK.
3. Man kann doch nicht einfach kopieren, was SpaceX macht. Das kann Le Gall doch niemals genehmigen.
4. Das Prometheus-Triebwerk ist nicht wiederzündbar, ONERA macht erstmal nur ne Studie. Damit muss das Prometheus-Triebwerk erstmal weiterentwickelt werden, bevor man überhaupt an das SpaceX-Konzept denken kann. Callisto soll ja auch ein japanisches Triebwerk haben.

Abgesehen davon bin ich grundsätzlich skeptisch, ob ESA Ministerratskonferenz überhaupt zu größerer Veränderung bereit ist. Das sehe ich derzeit überhaupt nicht.

ASL hat jetzt den Vertrag zur Entwicklung des Prometheus Triebwerks gemeinsam mit der ESA unterzeichnet. Dadurch gibt es jetzt 80 Millionen Euro von der ESA. Der erste Triebwerkstest soll 2020 statt finden.

Quelle: http://spacenews.com/esa-kickstarts-prometheus-reusable-engine-with-first-funding-tranche/

Bei CNES untersucht man gerade drei Landevarianten für die Erststufe: Vertikale Landung wie bei SpaceX, horizontale Landung im Gleitflug und horizontale Landung mit vier Luftstrahltriebwerken. [..]

Solche Konzepte wurden doch Anfang der 2000er Jahre schon ausführlich untersucht, z.B. "Liquid fly-back booster" vom DLR https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_fly-back_booster, oder "Baikal" in Russland. Ob CNES damals auch schon etwas am Start hate, weiß ich nicht.
Die grundsätzlichen Vor- und vor allem Nachteile der geflügelten Stufen werden sich kaum geändert haben.
Da frage ich mich, wo hier neue Erkenntnisse herkommen sollen... Maximal durch neue Materialien - CFK gibt es aber schon lange - oder Herstellmethoden.

Hm irgendwie hatte ich in Erinnerung, dass Prometheus schon 2018 auf dem Prüfstand sein soll, 2020 ist ja jetzt nicht sehr ambitioniert.

Wenn man bedenkt, dass da schon seit Jahren Vorarbeiten laufen und jetzt dauert es nochmal 3 Jahre und das Triebwerk ist noch nichtmal wiederzündbar.


Die drei Jahre schafft man auch mit der galvanischen Bauweise, wo ist denn hier der Vorteil 3D-Druck?

vielleicht gilt es erst mal daten mit methan zu sammeln, Brennkammer-Tests, Kühlsystem, etc. Das komplette Triebwerk dann zu testen, ist sozusagen nur ein kleiner Teil der Grundlagenforschung.