Ein Raketentriebwerk mit langer Tradition markierte am Montag einen großen Meilenstein. Es ist 60 Jahre her, dass der wasserstoffbetriebene RL10-Motor am 27. November 1963 an Bord einer Centaur-Oberstufe vom Start aus Cape Canaveral debütierte.

Mit diesem ersten Start war das RL10-Triebwerk, das derzeit von Aerojet Rocketdyne hergestellt wird, das erste Triebwerk, das mit einer Kombination aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff betrieben wird und im Weltraum abgefeuert wird. Der Meilenstein kam zu einem entscheidenden Zeitpunkt für die Vereinigten Staaten, da er nur fünf Tage nach der Ermordung des ehemaligen Präsidenten John F. Kennedy stattfand.

Seitdem sind vor 60 Jahren 522 RL10-Triebwerke im Weltraum geflogen, der Löwenanteil dieser Flüge an Bord der Delta- und Atlas-Raketen der United Launch Alliance (ULA). Diese Motoren treiben die kryogene Zweitstufe von Delta bzw. die Oberstufe von Centaur an.

„Centaur und der RL10 haben es uns ermöglicht, Raumschiffe mit größerer Größe und größerem Gewicht als alle anderen verwendeten Oberstufendesigns zu starten“, sagte Gary Wentz, ULA-Vizepräsident für Regierungs- und kommerzielle Programme, während einer Medienveranstaltung zur Feier des Meilenstein. „Es hat fantastische Missionen zur Sonne, unserem Mond, Asteroiden und jedem Planeten im [Sonnen-]System durchgeführt.“

Der Motor wurde Ende der 1950er Jahre von Pratt & Whitney unter der Aufsicht des Lewis Research Center der NASA entwickelt, das 1999 in NASA John H. Glenn Research Center at Lewis Field umbenannt wurde. Centaur wurde ursprünglich von General Dynamics entwickelt.

Die Kombination trug dazu bei, die Eignung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff als Treibstoffkombination für zukünftige Trägerraketen zu beweisen. Die RL10 selbst wurden später an Bord der Raketen Saturn 1, Atlas, Titan und Delta eingesetzt.

Das Triebwerk wurde auch an Bord des experimentellen suborbitalen Fahrzeugs DC-X eingesetzt, das von der NASA und dem Verteidigungsministerium zur Demonstration einer vertikalen Raketenlandung eingesetzt wurde. 

„Es ist sehr aufregend, 60 Jahre alt zu sein, und es ist ein Beweis für die unglaubliche Teamarbeit, die über all die Jahre zwischen Aerojet Rocketdyne und ULA stattgefunden hat, ein Beweis für alle Menschen, die all diese Jahre an diesem Produkt gearbeitet haben, und für ein unglaubliches Design.“ „ursprünglich in den späten 1950er Jahren angelegt“, sagte Jim Maus, Vizepräsident für Programmausführung und -integration bei Aerojet Rocketdyne.

Maus sagte, trotz der Erfolge, die sie bei Hunderten von Triebwerksflügen gesehen haben, stützen sie sich weiterhin auf das ULA-Motto, sich darauf zu konzentrieren, einen nach dem anderen zu starten.

„Wenn wir zum Starttag gehen, konzentrieren wir uns sehr auf den Start an diesem Tag“, sagte Maus. „Wenn man also einen großen Meilenstein erreicht, tritt man irgendwie zurück und erkennt, wissen Sie, schaut sich alles an, was wir getan haben. Daher ist es großartig, Teil des Teams zu sein, das das tut, und wir sind wirklich begeistert, dass wir 60 Jahre alt sind.“

Weiterentwicklung des RL10

Derzeit sind zwei Varianten des RL10 im Einsatz: der RL10C-1-1 auf den Atlas-Raketen der ULA und der RL10B-2, der auf den Raketen ULA Delta 4 Heavy und NASA Space Launch System (SLS) zum Einsatz kommt.

Die letztere Variante hat jedoch eine begrenzte Lebensdauer, da es nur noch eine Delta-4-Heavy-Rakete gibt, die 2024 zu einer Mission für das National Reconnaissance Office (NRO) starten soll. Ein einzelner RL10B-2 wird auch auf der Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS) des SLS für die ersten drei Artemis-Missionen zum Mond eingesetzt. 

Spätere Versionen des SLS werden die Exploration Upper Stage verwenden, die von Boeing entwickelt wird. Angetrieben wird es von vier RL10C-3-Triebwerken, die zusammen einen Schub von mehr als 97,000 Pfund (431 kN) liefern werden. Zum Vergleich: Der einzelne RL10B-2 des Artemis 1 ICPS erzeugte etwa 24,750 Pfund (110 kN) Schub.

Bisher gab es laut Maus acht große Upgrades des RL10-Motors. Die nächste große Version des Triebwerks, der RL10C-X, der sich noch in der Entwicklung befindet, wird die zukünftige Version der kommenden Vulcan-Rakete von ULA antreiben.

Die größte Veränderung bei dieser Version des Motors ergibt sich aus der Verwendung additiver Fertigungstechniken, besser bekannt als 3D-Druck.

„Wir fliegen den RL10 bereits mit einem additiv gefertigten Injektor, aber jetzt bauen wir eine additiv gefertigte Schubkammer und durchlaufen diese Zertifizierung gerade“, sagte Maus. „Dieser Motor wird die höchste Leistung erbringen, die uns heute im Bereich Schutz zur Verfügung steht, und die Lebensdauer des RL10 in die Zukunft verlängern.“

Maus fügte hinzu, dass die neuen Produktionstechniken auch zu Kosteneinsparungen führen würden, wollte jedoch nicht näher auf die Treiber der Kostensenkung eingehen.

„Die Kosten für die Motorkammer wurden erheblich gesenkt. Wir bauen auch eine große Carbon-Silikon-Düse ein, die den ISP erhöht, um eine gute Leistung zu erzielen“, sagte Maus. „Und dann ist die Turbomaschinerie und das, was ich den Antriebskopf und das Rückgrat des Triebwerks nenne, identisch mit dem, was wir im Restbestand geflogen haben. Damit es vom ersten Tag an weiterhin die sehr hohe Zuverlässigkeit bietet, starten wir es.“

Das konkrete Startdatum steht noch nicht fest, aber Maus sagte, dass sie die Einführung des RL10C-X im Jahr 2025 auf einer ULA-Vulcan-Rakete anstreben. Allerdings stellte Maus fest, dass bis 10 Bestellungen für die aktuellen RL1C-1-2026-Motoren vorliegen.

Sowohl die NASA als auch die ULA treiben einen Rückstand von mehr als 150 Triebwerken voran, wie Maus es nannte, bei denen es sich um eine Kombination aus den Legacy-Versionen sowie den XC-Varianten mit den additiv gefertigten Funktionen handelt. Er sagte, die NASA überlege noch, ob sie für künftige Artemis-Missionen mehr alte Triebwerke kaufen oder mit dem Kauf von Triebwerken mit additiver Fertigungstechnologie beginnen wolle.

In einem typischen Jahr, so Maus, produziert Aerojet Rocketdyne zwischen 16 und 18 Triebwerke, aber mit der Integration von mehr additiver Fertigung in ihre Produktionslinie steigern sie die Produktion auf bis zu 40 Triebwerke pro Jahr.

„Wir haben schnell erkannt, dass wir durch den 3D-Druck der Brennkammer die Kosten des Motors erheblich senken und die Abhängigkeit von manuellen Herstellern verringern können“, sagte Maus. „Durch den Übergang von der Edelstahlfertigung hin zum 3D-gedruckten Kupfer sind wir nun in der Lage, Geometrien zu bauen, die wir mit der additiven Fertigung sonst nicht hätten herstellen können. Und dann sind wir jetzt in der Lage, den Motor in den großen Stückzahlen und mit den hohen Raten zu produzieren, die ULA benötigt.“

Klassischer Motor, neue Rakete

In weniger als einem Monat plant ULA die Einführung ihrer Vulcan-Rakete. Die Mission mit dem Namen Vulcan Cert-1 wird ein Paar RL10C-1-1A-Triebwerke verwenden, um die Oberstufe von Centaur 5 anzutreiben und Astrobotics Mondlander Peregrine auf den Weg zum Mond zu schicken.

Nach der Auslieferung eines aufgerüsteten Centaur 5 aus seinem Werk in Decatur, Alabama, integrierte ULA am 19. November die Oberstufe in den Vulcan-Booster. Die Mission soll frühestens am 24. Dezember 2023 starten.

ULA bereitet sich auf eine Generalprobe in der ersten Dezemberhälfte vor, bei der die voll integrierte Vulcan-Rakete zur Startrampe ausgerollt und wie beim Start betankt wird. Maus sagte, dass die Ingenieure von Aerojet Rocketdyne während dieses Betankungstests Headsets tragen werden, um den Centaur zu überwachen und zu überwachen, wie das Triebwerk gekühlt und konditioniert wird, wie es am Starttag sein wird.

„Wir haben Ingenieure, die sich während der Generalprobe alle Daten ansehen, die vom Motor kommen, und wir können so ziemlich in Echtzeit verstehen, dass alles richtig läuft“, sagte Maus. „Aber danach folgt natürlich noch eine Datenüberprüfung, um sicherzustellen, dass alles wie erforderlich funktioniert.“

Ron Fortson, der Direktor und General Manager der Startoperationen der ULA, sagte, dass sie die Rakete dann am Tag vor dem Start zur Startrampe rollen und etwa 12 Stunden im Voraus an die Konsole gehen und den Countdown starten werden.

Fortson sagte, die Integration des RL10C-1-1A in das Vulcan-Fahrzeug verlief reibungslos.

„In unserer Produktionsanlage lief alles gut, und dann kommt es hier bereits komplett zusammengebaut und wir koppeln es einfach mit unserer Rakete und schon kann es losgehen“, sagte Fortson. „Es war also eine tolle Aktivität.“

Fortson sagte, er und das Team von ULA hätten eng mit Aerojet Rocketdyne zusammengearbeitet, während sie auf die Einführung des RL10C-X-Triebwerks in ein paar Jahren hinarbeiteten.

„Wir arbeiten bei ihrem Design und ihren Tests sehr eng mit ihnen zusammen. Sobald das alles abgeschlossen ist, freuen wir uns darauf, es tatsächlich in unsere Vulcan-Rakete zu integrieren“, sagte Fortson. „Und dann werden wir natürlich alle unsere kommenden Missionen im Hinblick auf diese Anforderungen prüfen und sicherstellen, dass wir diese Anforderungen mit diesem neuen Motor erfüllen können.“

Er sagte, dass für das Debüt des RL10C-X auf Vulcan wahrscheinlich kein bestimmtes Flugprofil erforderlich sei, und fügte hinzu: „Dieser Motor wird in der Lage sein, alles zu tun, was wir von ihm verlangen.“

„Ich denke, welche Anforderungen wir auch immer stellen, wir sind zuversichtlich, dass dieser Motor sie erfüllen wird“, sagte Fortson.

„Wir verfolgen die Philosophie des Testens wie beim Fliegen, was bedeutet, dass das Triebwerk im Flug nur das sieht, was es am Boden erlebt hat, im Rahmen dessen, was wir testen oder analysieren können“, sagte Maus. „Wir haben also in den letzten Jahren all diese Tests durchgeführt, um zu verstehen, wie der Motor im Vulcan-System funktioniert.“

Maus sagte, dass sie sich darauf freuen, die RL10 mit neuen Raketen und in neuen Iterationen zu fliegen, und dass sie sich auf einen weiteren wichtigen Meilenstein freuen: den Flug von Menschen über die Commercial Crew und die Artemis-Programme.

„Wir haben Astronauten nach West Palm Beach in unsere Einrichtung gebracht, um mit unserem Team über die Realität unserer Leistungen zu sprechen, und es ist für uns sehr motivierend zu sehen, wie unsere Passagiere vor dem Raum stehen und uns erzählen, wie viel Sie verlassen sich auf uns“, sagte Maus. „Aber die Realität ist, dass wir ein äußerst zuverlässiges Produkt entwerfen und bauen, und es hat seine Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt.“

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• Quelle: https://spaceflightnow.com/2023/11/28/aerojet-rocketdyne-ula-mark-60th-anniversary-of-rl10-rocket-engine/