Kombinierte Zyklus-Triebwerke (Combined Cycle Engines, CC) stellen eine bedeutende technologische Entwicklung dar, die darauf abzielt, die Effizienz und Leistungsfähigkeit hyperschallgetriebener Raumfahrzeuge maßgeblich zu verbessern. Ein zentraler Aspekt dieser Triebwerke ist ihre Fähigkeit, verschiedene Betriebsmodi zu integrieren, um unter variierenden Flugbedingungen optimal zu arbeiten. So lassen sich beispielsweise die Vorzüge von Raketentriebwerken und luftatmenden Triebwerken in einem System vereinen, was zu einem erheblich geringeren Startmassenverhältnis (Mass Ratio WR) führt – eine entscheidende Größe für die Wirtschaftlichkeit von Weltraumstarts.

Die Nutzung von luftatmenden Betriebsarten, insbesondere durch sogenannte Ejektor-Raketen und Supersonic Combustion Ramjets (SCRJ), ermöglicht es, das Startmassenverhältnis um etwa den Faktor zwei gegenüber reinen Raketensystemen zu reduzieren. Dies resultiert in einer höheren Nutzlast bei gleichem Startgewicht und eröffnet Möglichkeiten für vielseitige Missionen. Jedoch sind diese Vorteile mit einer deutlichen Steigerung der Komplexität verbunden: Die Auslegung und Steuerung solcher Triebwerke verlangen eine präzise Regelung des Verhältnisses zwischen dem Luftstrom, der direkt zur Verbrennung geführt wird, und dem, der beispielsweise verflüssigt wird (in Systemen wie LACE oder ACES). Solche Prozesse sind thermodynamisch anspruchsvoll und erhöhen das Gewicht sowie die Anforderungen an das Design.

Ein Beispiel für die Komplexität kombinierter Zyklus-Triebwerke ist das SABRE-Motorenkonzept, bei dem Helium als Zwischenkühlmittel zum Einsatz kommt, um den Wärmetransport zu optimieren. Gleichzeitig erschwert dies Änderungen im Mischungsverhältnis von Treibstoff und Oxidator zur Emissionskontrolle, was die Flexibilität des Motors einschränkt. Ein ideales System müsste hingegen die Treibstoff-Luft-Mischung dynamisch an Mach-Zahl und Flughöhe anpassen können.

Die Leistungsfähigkeit von CC-Triebwerken hängt stark vom Mach-Bereich und der Flughöhe ab. Für Wiederverwendbare Trägerraketen, insbesondere solche mit Zwei-Stufen-Startsystemen (Two-Stage-To-Orbit, TSTO), ist es sinnvoll, den ersten Antrieb mit CC-Motoren auszustatten, die bis zu Mach 7 bis 8 betrieben werden können. Dabei können diese Motoren sogar mit Kohlenwasserstoffen betrieben werden, deren Kühlung über thermische Crackverfahren realisiert wird. Dies reduziert den Tankbedarf und erleichtert das Design der ersten Stufe erheblich. Jedoch steigen bei höheren Mach-Zahlen die thermischen Belastungen stark an, weshalb ein höherer Flugkoridor und Flughöhe eingehalten werden müssen, um Materialgrenzen nicht zu überschreiten.

Die Geschichte der CC-Technologie zeigt sich exemplarisch im SERJ-Programm von Marquardt, das von den 1960er Jahren bis in die 1990er Jahre betrieben wurde. Der SERJ-Motor integrierte verschiedene Antriebskomponenten, darunter einen Raketen- und Gasturbinenantrieb, einen Ejektor-Ramjet sowie einen Lüfter, der für den Start mit Hilfe eines Gasgenerators angetrieben wurde. Diese multifunktionale Integration ermöglichte es, verschiedene Flugphasen mit unterschiedlichen Betriebsmodi zu bedienen – von der Bodenstartphase bis zum Überschallflug bei Mach 4,5 bis 5.

Der technische Anspruch bei der Auslegung solcher Motoren liegt unter anderem in der Kühlung: Für die Treibstoffe wie JP-4 ist die Kühlfähigkeit begrenzt, sodass der maximale effiziente Betrieb meist unter Mach 5 liegt. Über diese Geschwindigkeit hinaus wird die Kühlung zum kritischen Problem. Die flexible Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit, etwa durch das Ausklappen der Lüfterblätter, veranschaulicht die Komplexität und das ausgeklügelte Design der Steuerungsmechanismen.

Trotz der technologischen Herausforderungen wurden diese Triebwerke erfolgreich getestet und gelten weiterhin als vielversprechende Konzepte, die nicht nur militärische Anwendungen, sondern auch zukünftige zivile Raumfahrtmissionen revolutionieren könnten. Die Kombination verschiedener Antriebsarten in einem kompakten System verdeutlicht die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Fahrzeugdesigns, das alle thermodynamischen, strukturellen und betrieblichen Anforderungen integriert, um die Gesamtentropie und damit die Kosten zu minimieren.

Neben den bereits erwähnten technischen Parametern sollte der Leser verstehen, dass die Entwicklung und Implementierung kombinierter Zyklus-Triebwerke ein hochgradig interdisziplinäres Unterfangen ist. Es erfordert eine enge Verzahnung von Thermodynamik, Materialwissenschaft, Aerodynamik und Steuerungstechnik. Die Komplexität dieser Systeme bedeutet auch, dass Verbesserungen in der Triebwerkstechnologie eng mit Fortschritten in der Fahrzeugintegration und Missionsplanung verbunden sind. Nur durch die Optimierung des Gesamtsystems kann der volle Nutzen der kombinierten Zyklus-Technologie ausgeschöpft werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Nachhaltigkeit und das Emissionsverhalten dieser Antriebssysteme. Während das Potenzial zur Reduzierung der Treibstoffmasse und damit der Kosten unbestritten ist, müssen die Umweltauswirkungen und die Effizienz im gesamten Missionszyklus berücksichtigt werden. Flexibilität in der Treibstoff-Luft-Mischung könnte hier eine entscheidende Rolle spielen, um Emissionen gezielt zu reduzieren und Betriebsparameter optimal anzupassen.

Insgesamt zeichnet sich ab, dass die Zukunft hyperschallgetriebener Raumfahrzeuge stark von der erfolgreichen Umsetzung und Weiterentwicklung kombinierter Zyklus-Antriebssysteme abhängt. Diese Triebwerke sind nicht nur ein Schlüssel zu verbesserten Startmassenverhältnissen und höheren Fluggeschwindigkeiten, sondern auch ein Wegbereiter für vielseitige, wirtschaftliche und nachhaltige Raumfahrtmissionen.

Wie der Mischmechanismus von Brennstoff und Luft bei Überschallgeschwindigkeit funktioniert und welche Rolle Vortizität spielt

Die effiziente Mischung von Brennstoff und Luft in einem Überschallströmungssystem ist eine der größten Herausforderungen in der modernen Strömungsdynamik und Thermodynamik, insbesondere bei der Verbrennungstechnologie. Es gibt mehrere Faktoren, die die Effektivität dieses Prozesses beeinflussen, wobei die Kinetische Energie (KE) des Brennstoffs und der Luftströmung sowie die Bildung von Vortizität eine zentrale Rolle spielen. In diesem Zusammenhang spielt das Momentum der Brennstoffstrahlen, insbesondere das Verhältnis des Impulsflusses (J), eine entscheidende Rolle.

Ein wichtiger Parameter, der die Effektivität der Mischung bestimmt, ist das Momentum-Verhältnis, oder das KE-Fluss-Verhältnis J, das als Verhältnis der Kinetischen Energie des Brennstoffstrahls zur Kinetischen Energie des Luftstroms definiert ist. Dieser Parameter muss größer als 1 sein, um eine schnelle und tiefe Penetration des Brennstoffstrahls in den Luftstrom zu gewährleisten. Dies liegt daran, dass bei niedrigen Werten von J, wie sie bei Brennstoffen mit niedriger Dichte, wie Wasserstoff, häufig vorkommen, der Brennstoffstrahl nicht genügend Impuls hat, um den Luftstrom effektiv zu durchdringen. Ein solches Phänomen wurde in Experimenten beobachtet, in denen der Brennstoffstrahl unter normalen Bedingungen in einen Überschall-Luftstrom injiziert wurde.

Die Interaktion zwischen Brennstoffstrahl und Luftströmung ist ein komplexer, dreidimensionaler Prozess, der sowohl Vortizität als auch turbulente Strömung erfordert. Vortizität entsteht, wenn die Luftströmung durch den Brennstoffstrahl gestört wird, was zu einem lokalen Wirbel führt, der den Brennstoff mit der Luft vermischt. Ein solcher Wirbel muss jedoch eine ausreichend hohe Kinetische Energie aufweisen, damit der Mischprozess in der kurzen Distanz, die durch die Reibung im System vorgegeben ist, effektiv stattfinden kann. In den 1960er Jahren wurde die Technik der Brennstoffinjektion unter verschiedenen Winkeln erprobt, um zu testen, wie gut sich Brennstoff mit Überschall-Luftströmungen vermischen lässt.

Bei der Injektion von Brennstoff unter einem Winkel von 45° oder weniger in die Überschall-Luftströmung verlängert sich die Mischdistanz im Vergleich zur normalen Injektion (90° Winkel). Diese Art der Injektion ist besonders wichtig, wenn hohe Machzahlen (über Mach 10) erreicht werden, da der Impuls des Brennstoffs zu einer zusätzlichen Schubkraft beiträgt. Ein Beispiel für eine solche Technologie ist das AeroRamp-Konzept, bei dem der Brennstoff von den Wänden des Brennraums durch schräg angebrachte Düsen eingespritzt wird. Diese Technik hat sich als erfolgreich erwiesen, da sie die Bildung großer Vortex-Strukturen fördert, die eine effektive Mischung ermöglichen, ohne die Reibung zu erhöhen, wie es bei Strukturen der Fall wäre.

Ein weiteres interessantes Konzept ist die Injektion von Brennstoffstrahlen in die Strömung von Vortex-Paaren, die durch spezielle Injektoren erzeugt werden. Diese Vortex-Paare werden durch die Strömungsdifferenz zwischen der Luft und der Druckdifferenz an den Injektoren erzeugt, die eine Rotation der Luftströmung erzeugen. In Experimenten mit solchen Systemen wurde festgestellt, dass die Entstehung von Vortizität und Turbulenz innerhalb der Luftströmung eine Schlüsselrolle bei der Förderung einer schnellen und effizienten Mischung spielt. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass bei hohen Machzahlen die Kompressibilität der Strömung dazu führen kann, dass die Mischungsgeschwindigkeit langsamer wird, was die Notwendigkeit von geeigneten Designstrategien zur Förderung der Vortizität verstärkt.

In der Praxis hat sich auch gezeigt, dass die Position und Form der Injektoren eine entscheidende Rolle spielen. Durch die Verwendung von „Ramp-Injektoren“ oder sogenannten „Hypermixern“ kann die Druckdifferenz dazu genutzt werden, Vortizität zu erzeugen, was wiederum den turbulenten Mixprozess verstärkt. Diese Injektoren können entweder parallel oder im Winkel zur Strömung platziert werden, wobei der Brennstoff in die Wirbelzonen injiziert wird, die sich dort entwickeln.

Besonders bei der Injektion von Wasserstoffgas (GH2) in ein Überschallströmungssystem zeigen Untersuchungen, dass die Formation von Vortizität schnell und intensiv wird, was den Mixprozess erheblich beschleunigt. Es wurde sogar festgestellt, dass bei hohen Machzahlen und Überschallgeschwindigkeiten die Vortizität so stark sein kann, dass sie bereits wenige Zentimeter hinter den Injektoren auftritt. Solche Studien belegen, dass die Interaktion zwischen Brennstoffstrahlen und Luftströmung weit komplexer ist, als man zunächst annehmen könnte.

Die Bedeutung der vollen Nutzung des Momentums und der Kinetischen Energie der Brennstoffstrahlen für die Mischrate und die Temperaturverteilung in solchen Systemen kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Neben der Auswahl des richtigen Injektorwinkels und der Erzeugung von Vortizität spielen auch Parameter wie die Brennstoffdichte und die Molekularmasse des Brennstoffs eine Rolle bei der Festlegung der notwendigen Betriebsbedingungen. Beim Design solcher Systeme müssen daher auch die Strömungseigenschaften des Luftstroms und der Brennstoffstrahlen berücksichtigt werden, um eine effiziente Mischung und Verbrennung zu gewährleisten.

Wie wirken sich Kavitäten-Flammenhalter auf die Effizienz der Verbrennung in Überschall-Triebwerken aus?

In sämtlichen Einspritzstrategien muss die kinetische Energie des Brennstoffs mit minimalem Verlust an kinetischer Energie gewonnen werden. Dabei spielt es eine entscheidende Rolle, die Mischung und Verbrennung innerhalb der kürzesten Distanz zu erreichen, um den Reibungswiderstand zu begrenzen. Eine Wandbrennstoffeinspritzung kann zur moderaten Wandreibung und erhöhten Hochtemperaturzonen führen, was auf Kosten des Brennstoffs-Momentum geht – eine Lösung, die erstmals in den 90er Jahren von Ray Stalker an der Universität Sydney getestet wurde. Diese Lösung nutzt die externe oder die Wärmeflüsse der Brennkammeroberfläche, um die kinetische Energie des Brennstoffs oder dessen nützliche Arbeit zu steigern.

In Gasturbinentriebwerken besteht eine gängige Strategie zur Verbesserung der Mischrate bei der Verbrennung von flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen darin, das Verhältnis zwischen zirkulierenden heißen Verbrennungsprodukten und Luft zu erhöhen. Diese heißen Produkte heizen die Reaktanten vor und verkürzen so die Zündverzögerung sowie die Verbrennungszeit. Der Preis dafür ist ein Druckverlust im Bereich von etwa 3 bis 6 Prozent, sowie eine Zunahme der Länge der Brennkammer. Geringere Verluste sind mit sogenannten „trapped vortex combustors“ (TVC) möglich – eine Technologie, die nicht nur bei konventionellen axi-symmetrischen Raketenbrennkammern, sondern auch in SCRJ-Motoren Anwendung findet.

Bei der Verwendung von Kavitäten als Flammenhalter in SCRJ-Triebwerken, insbesondere bei Machzahlen bis zu ~2, hat sich gezeigt, dass sich mit dieser Technologie ein signifikantes Wachstum der Verweilzeit erreichen lässt, ohne große Druckverluste hinzunehmen. Diese Technologie basiert auf einer flachen Kavität, in die Brennstoffstrom in die Brennkammer injiziert wird, teils auch direkt in die Kavität selbst. In solchen Systemen kann der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit aus kleinen Düsen injiziert werden, was es ermöglicht, die feinen Skalen der Mischung schnell zu erreichen. Das Einfügen von Brennstoff in die Kavität führt typischerweise zu einer stichhaltigeren Mischung, während die Einspritzung stromaufwärts der Kavität eine Äquivalenzrate von etwa 0,6 ermöglicht. Typischerweise werden 2-D-Kavitätenformen eingesetzt, bei denen der Brennstoffstrom entweder direkt in die Kavität oder davor injiziert wird.

Der Fluss innerhalb der Kavität ist qualitativ nicht viel anders als der in einem TVC, da auch hier die Zirkulation vom Überschall-Airstream über die Kavität angetrieben wird. Diese Zirkulation fördert eine starke Scherzone, in der die Luftströmung mit der recirkulierten Luft innerhalb der Kavität wechselwirkt. Diese Schicht transportiert den injizierten Brennstoff innerhalb der Kavität, wo er mit der recirculierten Luft vermischt wird. Bei ausreichendem Druck und einer Temperatur über etwa 1000 K führt dies zur Zündung und Verbrennung. Dies führt zu einer typischen unruhigen Verbrennung mit Druckschwankungen, bei der das Verhältnis von Länge zu Spannweite der Kavität die Art der Schwingungen beeinflusst. Bei einem Verhältnis von Länge zu Spannweite unter 3 dominieren quer zur Strömungsrichtung verlaufende Flammenoszillationen, während bei einem größeren Verhältnis longitudinale Oszillationen auftreten können.

Diese dynamischen Oszillationen, die als limit cycle beschrieben werden, sind das Ergebnis der Balance zwischen schnellen chemischen Reaktionen und schnellen Konvektionsprozessen, die eine schnelle Mischung der Reaktanten begünstigen. Dies steht im Gegensatz zu den intensiven Mischprozessen, die bei der Injektion von Wasserstoffgas mit Überschallgeschwindigkeit durch mehrere Düsen im Querstrom entstehen.

Das Konzept des Kavitäten-Flammenhalters hat in den letzten Jahren zunehmend an Popularität gewonnen, da die Verbrennungseffizienz in einem Bereich von 80 bis 90 Prozent liegt, selbst bei Äquivalenzverhältnissen von etwa 0,7 bis 0,8. Diese Art der Flammenstabilisierung hat den Vorteil, dass der Brennstoff über eine Rückstufung oder Rampe innerhalb der Kavität oder davor injiziert wird. Es gibt verschiedene Varianten von Kavitätenformen, die experimentell untersucht wurden, darunter solche mit einer nach vorne weisenden Stufe oder Rampe im Abgasbereich. Diese Designs beeinflussen die Art und Weise, wie die Luftströmung in der Kavität zirkuliert und wie die Mischprozesse stattfinden.

Ein zusätzlicher Aspekt ist die Bedeutung der sogenannten „Vorticity“ für die Mischung von Brennstoff und Luft. Bei der Injektion von Brennstoff in Strömungswirbelzonen wird die kinetische Energie des Luftstroms besser erhalten, im Gegensatz zu anderen Techniken, bei denen die Strömung möglicherweise mehr Energie verliert, was zu einem höheren Druckverlust führt. Technologisch betrachtet ist es jedoch wichtig, den thermischen Einfluss auf den Flammenhalter zu berücksichtigen. Frühere Tests haben gezeigt, dass diese Kavitäts-Flammenhalter anfällig für hohe Wandwärmeübertragungen sind – ein Problem, das auch beim Testen von TVCs in Gasturbinentriebwerken in den 90er Jahren festgestellt wurde.

Diese Mechanismen, die sich in unterschiedlichen Designs von Kavitäts-Flammenhaltern manifestieren, unterstreichen die Komplexität der Verbrennung in Überschallströmungen. Die Wahl des geeigneten Designs hängt von der gewünschten Verbrennungseffizienz, den gewünschten Temperaturen und der Gesamtleistung des Triebwerks ab.

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