DOPPELTE ENERGIE FÜR DIE LASERZÜNDUNG

Es ist den Forschern des Kompetenzzentrums ASSIC erstmals gelungen, die Pulsenergie eines ultra-kompakten und -robusten Festkörper-Lasers von 30 mJ auf über 65 mJ mehr als zu verdoppeln. Das für die Zündung von Raketentriebwerken vorgesehene Lasersystem wird in einem nächsten Schritt nun in einem System-Prototyp für Triebwerkstests unter Realbedingungen integriert. Die aus dieser Entwicklung resultierenden neuen technischen Möglichkeiten werden es zukünftig erlauben, verschiedenste Treibstoffgemische auch unter nicht-idealen Bedingungen stabil und effizient mittels Laser zu zünden.

HERAUSFORDERUNG

Die Laserzündung von Raketentriebwerken gilt als zukunftsträchtige Alternative zu klassischen, auf Pyrotechnik basierenden Zündsystemen. Vorteile der Laserzündung im Vergleich zu pyrotechnischen Zündsystemen sind Wiederholbarkeit und Wiederverwendbarkeit, erhöhte Betriebssicherheit, Platzersparnis und potentiell auch ein geringerer Preis. Eine der Herausforderungen bei der andauernden Entwicklung dieser Zündtechnologie ist die Steigerung der Pulsenergie des verwendeten Lasersystems. Das von SAL entwickelte und bereits mehrfach an Raketentriebwerken getestete Lasersystem HiPoLas Gen IV liefert eine typische Pulsenergie von etwa 30 mJ. Dies ermöglicht diesem, in Kompaktheit und Robustheit weltweit einzigartigen Laser, die problemlose Zündung von Triebwerken die flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoff verwenden. Andere Triebwerkstypen, die nicht-kryogene Treibstoffe verwenden oder bei denen die Zündbedingungen z.B. in Folge höherer Strömungsgeschwindigkeiten herausfordernder sind, benötigen allerdings Pulsenergien von mindestens 50 mJ für die zuverlässige Zündung. Im Rahmen des Kompetenzzentrums ASSIC wird an dieser Herausforderung in einem internationalen Konsortium mit Airbus Safran Launchers geforscht. Ziel ist ein, in Kompaktheit und Robustheit zum existierenden HiPoLas Laser vergleichbares Laser-Zündsystem, das Leistungen von über 60 mJ liefern soll.

 

VON DER MACHBARKEIT ZUM TESTFÄHIGEN PROTOTYPEN

In einem Laborversuch ist es den Forschern des Kompetenzzentrums ASSIC rund um DI. Gerhard Kroupa und Dr. Gerald Auböck nun gelungen, ein Lasersystem mit einer Pulsenergie von über 65 mJ zu entwickeln und erfolgreich zu testen. Damit konnte die verfügbare Zündenergie im Vergleich zu bestehenden Laser-Zündsystemen mehr als verdoppelt werden. Der zugrundeliegende technische Ansatz basiert auf der Kopplung des Lasers an einem nachgeschalteten Verstärker. Dies ermöglicht, die Pulsenergie wesentlich zu steigern ohne die Strahlqualität und Pulsdauer des ursprünglichen Laserpulses zu beeinträchtigen. Die verwendete Optik und der Verstärkerkristall wurden durch Simulationen und Versuchsreihen optimiert, wobei in der Systemkonzeptionierung besonders darauf geachtet wurde, ein an Robustheit zum HiPoLas vergleichbares und nur geringfügig größeres Lasersystem zu erhalten. An der Integration des erfolgreich getesteten Versuchsaufbaus in einen Lasersystem-Prototyp für Prüfstandtests wird derzeit gearbeitet. Nach Bestehen entsprechender Prüfungen insbesondere der Robustheit dieses Systems soll dieser Prototyp unter Realbedingungen bei Raketentriebwerkstests am Prüfstand eingesetzt werden. Abgesehen vom Lasersystem selbst ist der optische Zugang zur Brennkammer ein kritischer Punkt für Laserzündsysteme - insbesondere dann, wenn es sich um Raketentriebwerke handelt, da alle verwendeten optische Elemente enormen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Auch an diesen Aspekten wird im Rahmen dieses hochgradig interdisziplinären und kollaborativen Projekts gearbeitet.

 

WIRKUNGEN UND EFFEKTE

Der Beweis der Machbarkeit und die folgende Entwicklung eines Laserzündsystems mit Pulsenergien > 50 mJ eröffnen völlig neue Möglichkeiten im Bereich der Laserzündung von Raketentriebwerken und darüber hinaus. Derartige Systeme werden es in Zukunft erlauben, auch Triebwerke mit nicht-kryogenen Treibstoffen mit höchster Zuverlässigkeit zu zünden. Neben der Verwendung für Raketentriebwerke sind diverse weitere Anwendungen der hier präsentierten Entwicklungen denkbar. Unmittelbar sind Fortschritte in der Laserzündung z.B. für die Zündung von Flugzeugtriebwerken oder den Einsatz als Laserzündkerze in Großmotoren von Interesse. Darüber hinaus sind zahlreiche andere Verwendungszwecke dieser Lasertechnologie, z.B. in der Materialbearbeitung oder der Medizintechnik, denkbar.

Ihr Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Gerhard Kroupa

Senior Researcher Photonic Systems

Telefon: + 43 (0) 4242 56300
E-mail: gerhard.kroupa@silicon-austria.com