Brandstofkleppen op een raket besturen

Een manier om kosten te besparen is om brandstofverspilling tijdens de lancering te voorkomen. Een speciaal ontwikkelde smoorklep garandeert hierbij de optimale verbranding. Hij wordt aangedreven door robuuste en betrouwbare servomotoren van FAULHABER.

Moderne raketten gebruiken de brandstof RP-1. Dit is een verregaand geraffineerd type kerosine, dat voor de ontbranding moet worden vermengd met zuurstof. Op de raket lopen 4 invoerleidingen van de brandstoftanks met RP-1 en vloeibare zuurstof (LOX), die worden gecombineerd voordat ze in de verbrandingskamer vloeien.

De ontbrandingschemie van RP-1 biedt ruimte voor speling. Zonder zuurstof brandt RP-1 niet. Maar zolang als er zuurstof aanwezig is, is een precieze mengverhouding niet per se nodig. Het probleem is dat als de verhouding van LOX en RP-1 niet optimaal is, een van de twee eerder op is. Zodra de verbranding echter ophoudt, is de resterende hoeveelheid zuurstof of brandstof alleen nog maar ongewenste ballast. Om dit te voorkomen past de brandstofsmoorklep de mengverhouding in real-time aan.

Het doseermechanisme bestaat uit een vlinderklep, aangedreven door een servomotor. Om de benodigde toerentallen en koppel te leveren, is het ontwerp voorzien van een planetaire tandwielkast voor een reductieverhouding van ongeveer 151:1, met extra tandwielen in de eenheid. Het team heeft de componenten gekwalificeerd met een forse veiligheidsmarge als beveiliging tegen common-mode uitval. De as van de motor heeft een direct contact met de klep om fijnafstemmingen uit te voeren.

Afgezien van nauwkeurigheid vragen de meeste toepassingen om servomotoren met een hoge koppel, hoge toerentallen of een compact formaat. Voor de brandstofsmoorklep was de vereiste een stuk simpeler: de motoren moesten de lancering overleven. Zeker in het eerste stadium van een raketlancering treden extreme schokken en trillingen op. Tijdens de eerste 3 minuten van de ontbranding van een rakettrap genereert de motor een stuwkracht van zo'n 440.000 kN. Hierdoor werken er gigantische krachten op de brandstofsmoorklep, die zich direct naast de motor bevindt.

Toen de technici componenten wilden kwalificeren voor de klep, viel de ene na de andere motor door de mand bij de vibratietest. Om minder foutpunten te hebben, stapte het team over van motoren met borstel naar borstelloze modellen. Het belangrijkste criterium: overleeft de motor deze bedrijfsomstandigheden? De tandwielkast moest bestand zijn tegen de belasting, de Hall-sensoren moesten onbeschadigd blijven, kortom: de fouttolerantie onder deze extreme bedrijfsomstandigheden lag bij nul. Tijdens de zoektocht naar een fabrikant die motoren maakte die deze beproevingen aan zouden kunnen, ontdekten de ingenieurs FAULHABER.