Halb so viele Bauteile wie das BE-4, das heute die Großrakete New Glenn antreibt, und dazu mehr Schub: So beschreibt Blue Origin sein neues Raketentriebwerk Northstar. Zugleich soll es 30 Prozent weniger wiegen und zu großen Teilen aus dem 3D-Drucker kommen. Nach einem Bericht von Ars Technica will die Firma Northstar sogar für ein Viertel der Kosten eines BE-4 bauen, zu einem Erstflugtermin macht Blue Origin allerdings noch keine Angabe.
Auf 3.181 Kilonewton Schub kommt Northstar laut der Triebwerksübersicht von Blue Origin, das entspricht 715.000 Pfund-Kraft. Das BE-4 erreicht dort 2.846 Kilonewton, das neue Raketentriebwerk legt also rund zwölf Prozent zu. Bislang war das BE-4 das einzige Booster-Triebwerk der von Amazon-Gründer Jeff Bezos gegründeten Raumfahrtfirma. Sieben Exemplare treiben die wiederverwendbare Erststufe von New Glenn an, zwei weitere stecken in der ersten Stufe der Vulcan-Rakete des US-Anbieters United Launch Alliance. In der Oberstufe der Version 7×2 von New Glenn arbeiten dagegen zwei wiederzündbare BE-3U, die flüssigen Wasserstoff statt Erdgas verbrennen, bei der größeren Version 9×4 sind es vier.
Vorgestellt hat das neue Triebwerk Firmenchef Dave Limp auf der Konferenz UP.Summit am Kennedy Space Center in Florida. In der Pressemitteilung zu Northstar beschreibt Blue Origin es als zweites Booster-Triebwerk, das neben das BE-4 tritt und die Palette aus Triebwerken für Erststufen, Oberstufen und den Einsatz im All ergänzt. Limp nannte Northstar laut dem US-Technikmagazin Ars Technica eine vereinfachte, aber stärkere Version des BE-4 und bezeichnete den Schub von Northstar als Ausgangswert. Das Magazin berichtet zudem, dass Northstar das BE-4 in der ersten Stufe von New Glenn langfristig ablösen soll, während Blue Origin das ältere Triebwerk laut Limp für die Vulcan-Rakete weiter baut. Ars Technica zufolge rechnet das Unternehmen damit, Northstar für ein Viertel der Kosten eines BE-4 herstellen zu können. Mit den Neuerungen will es New Glenn laut dem Magazin eines Tages mehr als 1.000-mal pro Jahr starten lassen. „Um günstiger ins All zu kommen, müssen wir uns jedes Teil der Rakete ansehen“, zitiert das Magazin den Firmenchef. Für welche Rakete Northstar zuerst fliegt und wann, hat Blue Origin selbst nicht mitgeteilt.
Mehr als 65 Prozent der Triebwerksmasse stammen laut der Übersicht aus additiver Fertigung, bei der Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut statt aus einem Block gefräst werden. Gedruckt wird nach Unternehmensangaben in eigenen Anlagen, wobei der Hersteller Komponenten ganz weglässt oder zu einem gemeinsamen Bauteil zusammenführt und so Teilezahl und Masse senkt. Welche Drucktechnik, welche Werkstoffe und welche Baugruppen im Einzelnen dahinterstehen, legt das Unternehmen nicht offen. Wie empfindlich gedruckte Raketenteile auf Fertigungsdetails reagieren, zeigt die NASA-Kupferlegierung GRCop-42, für die eine KI der Washington State University aus über 100 Millionen möglichen Druckeinstellungen mit nur 40 realen Versuchen sechs funktionierende Konfigurationen herausfilterte. Der FuW-Bericht über KI-gestützten 3D-Druck von Raketenmetall beschreibt, warum nicht nur die Werkstoffwahl, sondern auch die genaue Prozessführung über die Belastbarkeit eines Bauteils entscheidet.
Wie sein Vorbild verbrennt Northstar flüssigen Sauerstoff mit Flüssigerdgas, das überwiegend aus Methan besteht. Laut Pressemitteilung behält das Triebwerk zudem zwei Grundlagen der Antriebsentwicklung von Blue Origin bei, nämlich die sauerstoffreiche Stufenverbrennung und eine Turbopumpe, deren Turbine und Pumpen für beide Treibstoffe auf einer einzigen Welle sitzen. Das Air Force Research Laboratory der US-Luftwaffe nennt in seiner Übersicht zum Programm Hydrocarbon Boost den Vorbrenner das Herz eines solchen Triebwerks, weil sein heißes Gas die Turbine antreibt, bevor es in der Hauptbrennkammer mit zum Schub beiträgt. Weil am Ende alle Treibstoffe Schub erzeugen, arbeitet der Zyklus effizienter als Bauarten, die einen Teil nach dem Antrieb der Pumpen ungenutzt ausstoßen, etwa das F-1-Triebwerk der Mondrakete Saturn V.
Da der Vorbrenner mit einem Überschuss an Sauerstoff arbeitet, treffen die Bauteile auf heißen Sauerstoff unter hohem Druck, in dem laut AFRL die meisten Metalle verbrennen oder schmelzen. Je höher dieser Druck des Antriebsgases ist, desto effizienter arbeitet nach Angaben des Labors das gesamte Triebwerk, während gewöhnlichere Werkstoffe nur mit geringerem Druck und damit schlechterem Wirkungsgrad auskommen. Russland hat jahrzehntelang in diesen Zyklus investiert, sein RD-180 kam etwa in der US-Rakete Atlas V zum Einsatz. Das BE-4 bezeichnet Blue Origin als erstes in den USA gebautes Triebwerk mit sauerstoffreicher Stufenverbrennung. Die Forschungseinrichtung der Luftwaffe testete selbst einen solchen Vorbrenner mit dem Auftragnehmer Aerojet Rocketdyne am Stennis Space Center der NASA und erreichte dabei nach eigenen Angaben einen höheren Druck als jede andere Brennkammer eines US-Raketentriebwerks. Konstruktion und Messdaten dieses Vorbrenners stellt das Labor der gesamten US-Raketenindustrie zur Verfügung, der Test lief allerdings mit Kerosin statt Erdgas und liefert damit Daten zum Prinzip, nicht zu Northstar.
So lange dauerte es nach Angaben von Blue Origin von der Programmfreigabe bis zum Beginn der Entwicklungstests. Das Unternehmen wertet diesen Ablauf als Beleg dafür, dass es Antriebe schnell weiterentwickeln und liefern kann. Fortschritte in der Fertigung haben laut Mitteilung zudem die Produktionszeiten deutlich verkürzt und ermöglichen eine Montage in weniger als einem Tag. Ars Technica gibt die Firma dagegen so wieder, dass dieser Wert erst künftig erreicht werden soll.
Gefertigt werden die Triebwerke der Firma in Huntsville im US-Bundesstaat Alabama und in Kent im Bundesstaat Washington, getestet auf dem Gelände Launch Site One im Westen von Texas und am Teststand 4670 des Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville. Wo und wie lange Northstar bisher lief, gibt Blue Origin nicht an. Wie viel solche Läufe am Boden vor dem ersten Flug klären, zeigte 2021 die Kernstufe der NASA-Mondrakete SLS. Beim Probelauf der SLS-Raketentriebwerke sollten vier RS-25-Triebwerke einen gut achtminütigen Aufstieg nachstellen, sie schalteten aber nach 67 Sekunden ab, weil laut NASA ein Hydrauliksystem bewusst vorsichtig gesetzte Testgrenzen überschritten hatte. Diese Abschaltlogik galt nach Angaben der Raumfahrtbehörde nur auf dem Prüfstand, im Flug hätten die übrigen Hilfsaggregate die Schwenksteuerung der Triebwerke weiter mit Energie versorgt.
Diesen Wert, rund ein Drittel seiner Höchstleistung, nennt Blue Origin für das ältere Triebwerk. Für Northstar spricht die Übersicht nur allgemein von einer Drosselfähigkeit und nennt keine Untergrenze. Für wiederverwendbare Erststufen zählt diese Spanne, denn das AFRL beschreibt eine starke Drosselbarkeit als Voraussetzung dafür, Booster nach dem Start wieder zu landen. Wie das in der Praxis aussieht, zeigt Blue Origins kleineres Triebwerk BE-3PM, das bei der Rückkehr der Suborbitalrakete New Shepard auf 90 Kilonewton herunterdrosselt, damit sie sanft und senkrecht auf ihrem Landeplatz aufsetzt.
Blue Origin bezeichnet Northstar ausdrücklich als wiederverwendbares Booster-Triebwerk für die erste Stufe. Die Einsparungen bei Teilen und Masse sollen laut Triebwerksübersicht gelingen, ohne die Lebensdauer für eine schnelle Wiederverwendung zu opfern. Das AFRL schreibt sauerstoffreicher Verbrennung grundsätzlich einen saubereren Abbrand zu, der eine schnellere Wartung und raschere Wiederstarts ermöglichen soll. Wie viele Flüge ein einzelnes Northstar übersteht und wie lange es zwischen zwei Einsätzen in der Werkstatt bleibt, hat Blue Origin nicht beziffert.
Blue Origin, Introducing Northstar: A New Booster Engine with More Thrust and Less Mass
Blue Origin, Engines
Air Force Research Laboratory, Hydrocarbon Boost (HCB) Technology Development Program
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