Gemeinsamer Bodentank: Hilft Raketen, Gewicht zu reduzieren und die Effizienz zu steigern, um die Leistung zu verbessern

Am 26. Juli hat der Boden des ersten Wasserstoff-Sauerstoff-Standardbodentanks meines Landes mit einem Durchmesser von 3,35 Metern eine Reihe statischer Tests erfolgreich bestanden und wird in der universellen Wasserstoff-Sauerstoff-Endstufe der neuen Generation mittelgroßer Trägerraketen eingesetzt. Was ist ein Raketen-Common-Bottom-Tank? Welche Vorteile bietet die Verwendung dieser Konstruktion für den Lagertank? Welche technischen Herausforderungen müssen Forscher bewältigen?

Es gibt viele Stile und sie sind exquisit

Gemeinsame Bodentanks werden häufig in Trägerraketen im In- und Ausland verwendet. Wie der Name schon sagt, bedeutet dies, dass zwei Tanks einen gemeinsamen Boden haben, der als gemeinsamer Boden bezeichnet wird. Insgesamt handelt es sich um eine halbkugelförmige bzw. halbellipsoidförmige Struktur. Durch die gemeinsame Bodenstruktur können der obere und der untere Raketentank zu einem einzigen verbunden werden.

Entsprechend der Form des gemeinsamen Bodens können Tanks mit gemeinsamem Boden in konvexe Typen, konkave Typen und Strukturen mit Sonderform unterteilt werden.

Beim konvexen Typ ist die gemeinsame Unterseite nach oben gewölbt, während beim konkaven Typ das Gegenteil der Fall ist. Sowohl der konvexe als auch der konkave Typ sind gängige Formen der derzeit üblichen Bodenstruktur. Die konkrete Richtung der gemeinsamen Bodenwölbung wird im Wesentlichen durch den Druck im Ober- und Untertank während des Betriebs bestimmt. Generell sollte der gemeinsame Boden zum Tank mit geringerem Druck hin gewölbt sein.

Früher wurde der konvexe gemeinsame Boden verwendet. Zu seinen „Kunden“ zählen unter anderem die Atlas-D-Rakete, mit der das erste bemannte US-Raumschiff gestartet wurde, die mittelgroße Rakete N-1 aus Japan, die Langer Marsch 1, die erste Rakete meines Landes, die den Satelliten Dongfanghong-1 erfolgreich ins All brachte, sowie Raketen der Serien Langer Marsch 3A, Langer Marsch 6 und Langer Marsch 8.

Auch der konkave gemeinsame Boden steht in dieser Hinsicht nicht nach. Zu seinen Nutzern zählen die in den letzten Jahren sehr beliebte wiederverwendbare Rakete Falcon 9, die erste dreistufige Rakete der Sowjetunion, Tornado 3, mit vollautomatischer Starttechnologie, die einstige „führende“ Proton-Rakete auf dem internationalen Markt für Weltraumstarts, die gerade außer Dienst gestellte Ariane 5-Rakete der ESA und die indische PSLV-Rakete.

Tanks mit gewöhnlichem Boden und speziell geformter Struktur sind relativ selten. Der Präzedenzfall für seine Anwendung ist die Ariane-5-Rakete. Für die mit Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff betriebene zweite Stufe war ursprünglich geplant, den Flüssigsauerstofftank und den Flüssigwasserstofftank unabhängig voneinander zu gestalten und den Flüssigsauerstofftank unter dem Flüssigwasserstofftank aufzuhängen. Später wurde der Plan verbessert und man entschied sich für einen Tank mit gemeinsamem Boden, einer speziell geformten Struktur und unterschiedlichen Durchmessern.

Es wird ein Tank mit besonders großem Durchmesser und gemeinsamem Boden transportiert

Aus Sicht des Treibstofftyps können herkömmliche Bodentanks in zwei Kategorien unterteilt werden: Normaltemperatur- und Niedertemperaturtanks. Aus struktureller Sicht können herkömmliche Bodenlagertanks in einschichtige und zweischichtige Tanks unterteilt werden.

Es gibt keine feste Regel für die Auswahl einer gängigen Bodenstruktur für eine Rakete. Es hängt im Allgemeinen von der Art des Treibmittels ab: Für Treibmittel mit normaler Temperatur kann ein einschichtiger Tank mit gemeinsamem Boden verwendet werden, während für Treibmittel mit niedriger Temperatur aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen den Treibmitteln in den beiden Tanks ein doppelschichtiger Vakuum- oder Waben-, Schaum- oder anderer Sandwich-Tank mit gemeinsamem Boden besser geeignet ist.

Beispielsweise verwendet die zweite Stufe der Tornado-3-Rakete den Treibstoff Stickstofftetroxid/Undimethylhydrazin, während die zweite Stufe der japanischen N-1-Rakete den Treibstoff Stickstofftetroxid/Hydrazin-50 verwendet. Beide verwenden einen einschichtigen Tank mit gemeinsamem Boden. Die zweite und dritte Stufe der schweren Saturn-V-Rakete der USA verwenden beide flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff als Treibstoff, daher wird ein doppelschichtiger gemeinsamer Bodentank verwendet.

Design und Fertigung sind anspruchsvoll

Die Tanks einer Flüssigkeitsrakete müssen ein Oxidationsmittel und einen Treibstoff enthalten, die wiederum den Motor versorgen und Schub erzeugen, so wie Benzin mit dem Sauerstoff in der Luft verbrennt, um ein Auto anzutreiben. Typischerweise können Oxidationsmittel und Brennstoff in zwei unabhängig voneinander konstruierten Tanks, sogenannten Split-Tanks, gelagert werden. Im Gegensatz dazu muss bei einem Tank mit gemeinsamem Boden die Leistung beider Tanks berücksichtigt werden, was sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Herstellung gewisse technische Schwierigkeiten mit sich bringt.

Der gemeinsame Boden ist der Schlüssel zum Design eines Lagertanks mit gemeinsamem Boden. Es muss sowohl Wärmedämmung als auch Tragfähigkeit bieten, was wohl die größte Herausforderung bei der Konstruktion darstellt.

Raketentreibstoffe werden in Treibstoffe für Raumtemperatur, Treibstoffe für niedrige Temperaturen usw. unterteilt. Wenn die Rakete fliegt, müssen die entsprechenden Triebwerke, Rohrleitungen usw. bei der entsprechenden Temperatur normal funktionieren. Insbesondere bei Niedertemperatur-Treibstofftanks mit gemeinsamem Boden besteht ein Temperaturunterschied zwischen den Treibstoffen in den beiden Tanks, und der gemeinsame Boden muss diesen Temperaturunterschied „isolieren“.

Neben der Wärmedämmung muss der gemeinsame Boden den kombinierten Auswirkungen von Temperaturbelastungen standhalten, die durch Temperaturunterschiede, das Gewicht des Treibstoffs im darüber liegenden Tank, den Ladedruck im Tank sowie die Belastungen durch den Raketenschub und sein Eigengewicht verursacht werden. All dies erfordert von den Raketenkonstrukteuren die Festlegung angemessener Strukturparameter, sodass der gemeinsame Bodentank inneren und äußeren Druck- und Temperaturbelastungen standhalten und die Anforderungen an die strukturelle Festigkeit und Stabilität erfüllen kann.

Darüber hinaus ist auch die Produktion und Herstellung herkömmlicher Bodentanks anspruchsvoller. Der gemeinsame Boden kann nicht reißen. Sobald der Treibstoff austritt, besteht Explosionsgefahr. Daher werden bei der Verarbeitung und Herstellung des gemeinsamen Bodens sehr hohe Anforderungen an die Schweißqualität, die Materialauswahl und die Schweißkontrolle gestellt. Während des Schweißvorgangs verformt sich die Struktur sehr leicht und es muss darauf geachtet werden, dass die lokale Verformung des Kastenbodens nicht zu groß ist.

Insbesondere bei Niedertemperatur-Lagertanks mit gemeinsamem Boden muss der gemeinsame Boden doppellagig ausgeführt sein und eine Wärmedämmfunktion haben. Wenn die Wärmedämmstruktur eine Vakuum-Doppelschichtstruktur aufweist, muss ein Vakuum angelegt werden, was hinsichtlich der Herstellung und Prüfung äußerst schwierig ist. Bei der Verwendung von Sandwich-Verbundwerkstoffen wie Waben und Schaumstoff wirkt sich die Qualität der Verbundwerkstoffe direkt auf die Tragfähigkeit der gemeinsamen Bodenstruktur aus. Angesichts der Tatsache, dass Verbundfasern anfällig für Defekte wie Blasen und Ablösung sind, müssen die Forscher technische Schwierigkeiten wie die Herstellung, Formgebung und Bindung des Verbundmaterials überwinden.

Insbesondere Tanks mit großem Durchmesser und gemeinsamem Boden stellen höhere Anforderungen an die Produktions- und Fertigungskapazitäten und erfordern größere Verarbeitungsanlagen und ausgereifte Verarbeitungstechniken, um sicherzustellen, dass das Produkt den Konstruktionsparametern entspricht und so Probleme wie präzise Montage und Lastübertragung gelöst werden.

Hohe Leistung bei reduziertem Gewicht und verkürzten

Der gemeinsame Bodentank hat einzigartige Vorteile und trägt wesentlich dazu bei, die Leistung von Trägerraketen zu verbessern, zumindest in dreierlei Hinsicht.

Erstens kann durch die Verwendung eines gemeinsamen Bodenspeichertanks das „Eigengewicht“ des Bodens des Speichertanks eingespart werden.

Zweitens muss jeder Tank dem Innendruck standhalten, wenn die Tanks eine nicht gemeinsame Bodenkonstruktion aufweisen. Nachdem ein gemeinsamer Boden erreicht wurde, kann der Druckunterschied zwischen dem oberen und unteren Tank genutzt werden, um ihre jeweiligen internen Druckbelastungen auszugleichen und so die Masse des Tankbodens weiter zu reduzieren.

Drittens kann durch den gemeinsamen Bodentank auf die Konstruktion der Zwischentankabschnitte verzichtet werden, wodurch die Masse dieses Strukturteils eingespart wird.

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass der gemeinsame Bodentank die strukturelle Effizienz der Rakete verbessert, was sich positiv auf die Gewichtsreduzierung der Rakete auswirkt, wodurch die Rakete beim Start mehr Nutzlast transportieren kann und ihre Tragfähigkeit verbessert wird. Gleichzeitig wird die Länge der Rakete verkürzt, das Seitenverhältnis optimiert, die „Elastizität“ reduziert und der Raketenflug stabiler.

Erwähnenswert ist, dass in den letzten Jahren im Ausland neu entwickelte Trägerraketen wie „Vulcan-Centaur“ und „Starship“ meist einen konkaven internen Transporttank mit gemeinsamem Boden verwenden. Das Treibstoffzufuhrsystem ist einfacher aufgebaut, wodurch die unbrauchbare Treibstoffmenge verringert wird. Dies trägt wiederum dazu bei, das Gewicht der Rakete zu reduzieren und ermöglicht gleichzeitig den Transport größerer Nutzlasten in den Weltraum. Da sich das Förderrohr im gemeinsamen Bodentank befindet, wird außerdem der strukturelle Vorsprung an der Außenfläche der Rakete reduziert und die aerodynamische Form der Rakete optimiert.

Kurz gesagt, der gemeinsame Bodentank vereint die beiden Tanks zu einem, wodurch die Raketenstruktur leichter, der Flug stabiler, die Leistungsfähigkeit stärker und die Leistung besser wird. Mit der Verbesserung des Design-, Fertigungs- und Technologieniveaus werden herkömmliche Bodentanks im Raketendesign immer häufiger eingesetzt. Die „kleine“ Änderung bringt viele Vorteile mit sich und der gemeinsame Bodentank ist ein würdiger „guter Helfer“ zur Verbesserung der Raketenleistung. (Autor: Zhuang Fangfang, Bildquelle: China Academy of Launch Vehicle Technology, Prüfexperte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)