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Active throttling and dual‑thrust capability of 3D‑printed swirl‑star fuel grains for hybrid rocket engines

Diese Studie zeigt, dass 3D-gedruckte 5-Punkt-Wirbelstern-Brennstoffkörner mit umgekehrten Ports die Drosselreaktionsfähigkeit und die Dual-Thrust-Stabilität von Hybridraketentriebwerken signifikant verbessern, indem sie eine schnelle Stabilisierung und minimale Druckschwankungen während der aktiven Oxidatorflussmodulation erreichen.

Ursprüngliche Autoren: Mostafa El-Naggar, Ahmed F. A. Hassan, Mahmoud Y. M. Ahmed, Anwer Hashish

Veröffentlicht 2026-06-29

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Mostafa El-Naggar, Ahmed F. A. Hassan, Mahmoud Y. M. Ahmed, Anwer Hashish

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich ein Hybridraketentriebwerk wie ein Auto mit einem einzigartigen Motor vor: Es trägt festen Brennstoff (wie einen Holzstab) und flüssigen Oxidator (wie Sauerstoffgas). Um das Auto zum Fahren zu bringen, sprühen Sie das Gas auf das Holz, damit es verbrennt. Das Problem bei traditionellem „Holz“-Brennstoff ist, dass er auf eine unordentliche, unvorhersehbare Weise verbrennt. Wenn man versucht, den Gasfluss zu drosseln, um das Auto zu verlangsamen, reagiert das Holz nicht immer schnell oder gleichmäßig. Es könnte stottern, ruckeln oder zu lange brauchen, um sich anzupassen, was es schwierig macht, präzise zu steuern.

In dieser Arbeit geht es darum, dass ein Team von Ingenieuren beschlossen hat, dieses „Holz“ durch das 3D-Drucken in ganz bestimmte, ausgeklügelte Formen zu schnitzen. Sie wollten einen Brennstoffkorn erstellen, der augenblicklich zwischen einem „Boost“-Modus (schnelle Beschleunigung) und einem „Sustain“-Modus (konstantes, langsameres Gleiten) wechseln kann, ohne zu ruckeln oder zu stocken.

So haben sie es gemacht, einfach erklärt:

1. Der „Wirbel“-Trick

Anstatt den Sauerstoff einfach direkt auf den Brennstoff zu blasen, verwendeten sie eine spezielle Düse, die den Sauerstoff wie Wasser in einem Abfluss wirbelt. Dies erzeugt einen starken Wirbel. Stellen Sie sich das wie das Rühren in einem Topf Suppe vor; die Drehbewegung hilft dabei, die Hitze gleichmäßig zu verteilen und lässt den Brennstoff schneller und konstanter verbrennen.

2. Die Form entscheidet: Sterne vs. Rohre

Sie testeten verschiedene Formen für das Loch in der Mitte des Brennstoffstabs:

Das Rohr: Ein einfaches rundes Loch (wie ein Strohhalm). Das ist die alte, langweilige Art. Es brennt okay, ist aber nicht sehr reaktionsschnell.
Der Stern: Sie schnitzten das Loch in eine Sternform mit Spitzen, die herausstehen. Dies erhöht die Oberfläche, ähnlich wie ein zerknittertes Blatt Papier im Vergleich zu einem flachen Blatt. Mehr Oberfläche bedeutet mehr Verbrennung.
Der „Swirl-Star-Reverse“: Dies ist ihre Geheimzutat. Es ist eine Sternform, bei der die Spitzen gedreht sind, um dem wirbelnden Sauerstoff zu entsprechen. Es ist wie ein Korkenzieher, der so konstruiert ist, dass er den wirbelnden Wind perfekt einfängt.

3. Das Experiment: 66 Testfeuerungen

Das Team druckte diese Brennstoffkörner aus einem Kunststoff namens ABS (der gleichen Art, die auch für LEGO-Steine verwendet wird) und testete sie in einem kleinen 1-Zoll-Motor. Sie führten insgesamt 66 Tests durch.

60 Tests dienten dazu, zu sehen, wie schnell sie mit einer konstanten Geschwindigkeit brannten.
6 spezielle Tests wurden durchgeführt, um zu sehen, ob sie von „schnell“ auf „langsam“ sofort umschalten konnten (Drosselung).

Sie testeten Sterne mit 5 Spitzen, 7 Spitzen und 9 Spitzen, um zu sehen, welche Größe die „Goldlöckchen“-Größe war – nicht zu wenig, nicht zu viel.

4. Die Ergebnisse: Den perfekten Stern finden

Hier ist das, was sie herausfanden, unter Verwendung einer einfachen Analogie:

Der 5-Punkt-Stern: Dieser brannte am schnellsten, war aber wie ein Rennwagen mit einer lockeren Lenkung. Wenn sie versuchten, den Sauerstofffluss zu drosseln, wurde das Triebwerk unruhig und instabil. Es reagierte zu heftig auf die Änderung.
Der 9-Punkt-Stern: Dieser war zu überfüllt. Die Spitzen lagen so dicht beieinander, dass der wirbelnde Sauerstoff seine Aufgabe nicht richtig erfüllen konnte. Er verhielt sich fast wie das einfache runde Rohr, brannte langsam und brauchte zu lange, um zu reagieren, wenn sie versuchten, die Geschwindigkeit zu ändern.
Der 7-Punkt-Stern (Der Gewinner): Dies war die perfekte Balance. Er brannte schnell, aber noch wichtiger war, dass er stabil war. Wenn sie von „Boost“ zu „Sustain“ wechselten, sank der Druck im Triebwerk sanft ab und stabilisierte sich fast sofort. Es gab kaum ein Ruckeln oder ein „Undershoot“ (einen Leistungseinbruch, bevor es sich stabilisiert).

5. Warum das wichtig ist

Das Hauptziel war das Aktive Drosseln. Stellen Sie sich eine Rakete vor, die schnell abheben muss, um der Erdanziehungskraft zu entkommen (Boost), und dann sofort langsamer werden muss, um sanft auf der Oberfläche zu landen (Sustain).

Mit altem Brennstoff ist dieser Wechsel riskant und holprig. Mit ihrem neuen 3D-gedruckten 7-Punkt-Swirl-Star-Brennstoff ist der Wechsel sauber und präzise. Das Triebwerk reagiert fast exakt wie ein Flüssigkeitsraketentriebwerk, was der „Heilige Gral“ des Raketendesigns ist.

Das Fazit

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass durch das 3D-Drucken von Brennstoffkörnern mit einer spezifischen gedrehten 7-Punkt-Sternform ein Hybridraketentriebwerk geschaffen wurde, das „programmierbar“ ist. Es kann zwischen hoher und niedriger Leistung reibungslos und sicher wechseln, ohne das gefährliche Ruckeln, das normalerweise auftritt. Dies eröffnet die Tür für zukünftige Raketen, die komplexe Manöver durchführen können, wie etwa das Landen auf anderen Planeten oder das Ändern von Umlaufbahnen, mit größerer Präzision.

Hinweis: Die Arbeit hat dies nur in kleinem Maßstab (einem 1-Zoll-Motor) und mit einem spezifischen Kunststoff-Brennstoff getestet. Sie haben dies in dieser spezifischen Studie nicht an voll Größen Raketen oder mit anderen Materialien getestet, aber die Ergebnisse legen nahe, dass das Konzept funktioniert.

Technisches Resümee: Aktive Drosselung und Dual-Thrust-Fähigkeit von 3D-gedruckten Swirl-Star-Brennstoffkörnern

Problemstellung
Hybridraketentriebwerke (HRMs) bieten eine einzigartige Kombination aus der Sicherheit und Lagerfähigkeit fester Treibstoffe mit den Drossel- und Wiederzündungsfähigkeiten Flüssigsystemen. Die praktische Umsetzung einer schnellen, stabilen Schubmodulation wird jedoch oft durch das nichtlineare, diffusionslimitierte Abbrandverhalten konventioneller polymerer Brennstoffkörner behindert. Speziell folgt die Abbrandrate ( $\dot{r}$ ) von Standardbrennstoffen typischerweise einer Potenzgesetz-Abhängigkeit vom Oxidator-Massestromfluss ( $G_{ox}$ ) mit einem Exponenten $n$ im Bereich von 0,5 bis 0,8. Diese Nichtlinearität verursacht signifikante thermische Verzögerungen und Mischungsverhältnisabweichungen während der aktiven Drosselung, was eine präzise Flugbahnsteuerung für Anwendungen wie Planetenlander, Orbitaltransferfahrzeuge und Lenkwaffen erschwert. Es besteht ein kritischer Bedarf an Brennstoffkörnern, die eine Abbrandrate aufweisen, welche einer linearen Abhängigkeit vom Oxidatorfluss nahekommt ( $n \to 1$ ), um reaktionsfähige, schwingungsarme Dual-Thrust-Operationen (Boost–Sustain) zu ermöglichen.

Methodik
Diese Studie untersuchte den Einsatz von additiv gefertigten (3D-gedruckten) Brennstoffkörnern mit komplexen internen Geometrien, um die Abbrandraten zu erhöhen und die Drosselstabilität zu verbessern.

Brennstoff und Fertigung: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) wurde aufgrund seiner Verarbeitbarkeit und Stabilität mit gasförmigem Sauerstoff als Brennstoff ausgewählt. Die Körner wurden mit einem Prusa i3 MK3 Drucker mit 100 % Infill gefertigt.
Grain-Geometrien: Die Studie verglich ein basisbasiertes tubuläres Korn gegen sternförmige Varianten: Basic Star (BS), Swirl Star (SS) und Swirl-Star-Reverse (SSR). Diese wurden mit variierenden Anzahlen von Sternspitzen ( $N = 5, 7, 9$ ) getestet.
Injektordesign: Ein tangentialer Swirl-Injektor ( $S=0,7$ ) wurde eingesetzt, um eine hohe Winkelgeschwindigkeit des Oxidators zu erzeugen, was einen starken Wirbel erzeugt, um den konvektiven Wärmetransport und die Vermischung zu verstärken.
Experimenteller Aufbau: Ein 1-Zoll-Testmotor wurde für 66 statische Feuerungstests verwendet. Das System nutzte eine Dual-Line-Oxidator-Zufuhrarchitektur mit parallelen Magnetventilen, um schnelle, schrittweise Übergänge zwischen einer Hochschubphase („Boost“ bei 5 g/s) und einer Niedrigschubphase („Sustain“ bei 2,5 g/s) zu erreichen.
Datenanalyse: Abbrandraten wurden aus dem Massenverlust berechnet, und empirische Gesetze ( $\dot{r} = a G_{ox}^n$ ) wurden mittels kleinster Quadrate ermittelt. Die Drosselleistung wurde basierend auf dem Drucktransientenverhalten, dem Ausmaß des Unterschwungs und den Oszillationswerten während des Boost-zu-Sustain-Übergangs bewertet.

Kernergebnisse

Stationäre Abbrandrate: Die Studie bestätigte, dass komplexe Geometrien den Abbrandexponenten signifikant verändern. Das tubuläre Korn zeigte einen klassischen Exponenten von $n \approx 0,617$ . Die Einführung von Swirl- und Sterngeometrien erhöhte $n$ , wobei die 5-punktige Swirl-Star-Reverse-Konfiguration (5SSR) den höchsten Exponenten erreichte ( $n = 1,080$ ). Die 7-punktige Swirl-Star-Reverse-Konfiguration (7SSR) bot jedoch eine ausgewogene Leistung mit $n = 0,911$ und einem hohen Abbrandkoeffizienten.
Drosseldynamik:
- 5SSR ( $N=5$ ): Während sie die höchste Rohabbrandrate lieferte, zeigte das 5SSR-Korn ein instabiles Transientenverhalten während der Drosselung, charakterisiert durch Drucküberschwinger und Oszillationen aufgrund instabiler Wirbelstrukturen.
- 9SSR ( $N=9$ ): Die 9-punktige Konfiguration resultierte in einem niedrigeren Exponenten ( $n \approx 0,57$ ) und einem trägen Druckansprechen, wodurch sie effektiv wie ein kreisförmiger Port funktionierte, bei dem die Sternspitzen keinen starken Wirbel aufrechterhalten konnten.
- 7SSR ( $N=7$ ): Diese Konfiguration demonstrierte das optimale dynamische Verhalten. Sie erreichte einen sauberen Übergang von Boost zu Sustain mit minimalem Druckunterschwung (<5 %) und ohne signifikante Oszillationen. Die Kopplung zwischen Oxidatorfluss und Brenstoffabbrand war nahezu linear, was eine stabile, gut kontrollierte Drosselung ermöglichte.
Reproduzierbarkeit: Die Dual-Line-Drosselungsarchitektur lieferte reproduzierbare, nahezu instantane Schrittübergänge, wie durch die enge Überlagerung der Druckkurven bei wiederholten Tests belegt wurde.

Wesentliche Beiträge

Optimierung der Grain-Geometrie: Die Arbeit identifiziert die 7-punktige Swirl-Star-Reverse-Geometrie (7SSR) als das optimale Design für drosselbare Hybridraketen, da sie den Zielkonflikt zwischen der Maximierung der Abbrandraten und der Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung ( $n < 1$ ) erfolgreich löst.
Demonstration der aktiven Drosselung: Die Studie liefert empirische Belege dafür, dass 3D-gedruckte Körner mit optimierten Swirl-Geometrien reaktionsfähige Dual-Thrust-Operationen mit geringen Oszillationen unterstützen können, eine Fähigkeit, die in konventionellen Hybridsystemen oft begrenzt ist.
Validierung der additiven Fertigung: Die Forschung validiert die additive Fertigung als einen gangbaren Weg zur Erzeugung komplexer interner Port-Geometrien, die die internen Strömungsdynamiken manipulieren, um programmierbare Schubprofile zu erreichen.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass diese Arbeit einen praktikablen Weg zu programmierbaren Hybridantriebssystemen aufzeigt, die in der Lage sind, die komplexen Schubprofile für zukünftige Raumfahrtmissionen zu erfüllen. Durch das Erreichen eines Abbrandexponenten nahe der Einheit ( $n \approx 0,911$ ) mit dem 7SSR-Korn wird das Ansprechverhalten des Motors vorhersagbarer und linearer, was das Design geschlossener Regelkreise erleichtert, ohne dass eine Kompensation für hochgradig nichtlineare, hysteretische Prozessdynamiken erforderlich ist.

Die Studie positioniert das demonstrierte 2:1 Drosselungsverhältnis (5 g/s zu 2,5 g/s) im 1-Zoll-Motor als Proof-of-Concept für größere Motoren. Die Autoren merken an, dass für Anwendungen wie die Landung auf Planeten tiefere Drosselungsverhältnisse notwendig sind, aber die Kombination aus additiver Fertigung, Swirl-Injektion und der 7SSR-Geometrie ein neues Designparadigma für drosselbare Hybridraketen bietet. Die Verwendung des Thermoplasts ABS unterstreicht zudem potenzielle logistische Vorteile für ISRU-Konzepte (In-situ-Ressourcennutzung).

Einschränkungen
Die Autoren räumen bescheiden ein, dass die Ergebnisse auf einem einzelnen Motormassstab (1 Zoll) und einem spezifischen Drosselungsverhältnis (2:1) basieren. Sie warnen davor, dass eine Extrapolation auf größere Motoren oder tiefere Drosselungsverhältnisse weitere Validierungen erfordert. Zudem führt die Verwendung der zeitgemittelten Abbrandfläche eine systematische Unsicherheit ein, und die Annahme einer gleichmäßigen axialen Abbrandrate erfordert eine zukünftige Validierung mittels CT-basierter Rekonstruktion oder Multi-Port-Instrumentierung. Zukünftige Arbeiten schlagen vor, das Konzept auf höhere Schubstufen (500–5000 N) zu skalieren und energetische Additive einzubeziehen.