Die LPOTP ist eine Axialpumpe mit einer sechsstufige Turbine, die durch flüssigen Sauerstoff angetrieben wird. Sie erhöht den Druck des Flüssigsauerstoffs von 690 kPa auf 2.910 kPa. Aus der LPOTP fließt der Sauerstoff zur Hochdruck-Sauerstoff-Turbopumpe (HPOTP - High-Pressure Oxydizer Turbopump). Die Druckerhöhung bewirkt, daß die HPOTP ohne Unterbrechung mit hoher Geschwindigkeit arbeitet. Die LPOTP arbeitet mit etwa 5.150 upm. Die LPOTP ist etwa 46 x 46 cm groß und wird durch die Orbiterstruktur in einer festen Position gehalten.
Die HPOTP besteht aus zwei einstufigen Zentrifugalpumpen (einer Hauptpumpe und einer Vorbrennerpumpe), die auf einem gemeinsamen Schaft montiert sind und wird durch eine zweistufige Heißgasturbine angetrieben. Die Hauptpumpe erhöht bei einer Drehzahl von 28.120 upm den Sauerstoffdruck von 2.910 kPa auf 29.648 kPa. Der HPOTP-Ausstrom wird in verschiedene Kanäle geleitet. Über einen Kanal wird flüssiger Sauerstoff mit einer Rate von 180 Pfund je Sekunde zur LPOTP zurückgeleitet und treibt die LPOTP-Turbine an. Dieser Sauerstoff wird mit dem Sauerstoff an der Ausstromseite vermischt und so der HPOTP erneut zugeführt. Ein weiterer Kanal führt den größten Teil des Sauerstoffs durch das Hauptsauerstoffventil in die Hauptbrennkammer. Ein kleinerer Ausflußkanal zweigt zum Sauerstoff-Wärmeaustauscher ab (1,2 Pfund pro Sekunde). Hier verhindert ein Drosselventil den Sauerstofffluß bevor der Wärmeaustauscher heiß genug ist, um den flüssigen in gasförmigen Sauerstoff umzuwandeln. Der Wärmeaustauscher nutzt die Wärme des HPOTP-Turbinenausstroms zu dieser Umwandlung des Sauerstoffaggregatzustandes. Das Gas wird dann über einen Abzweig in den großen Außentank geleitet, um dort den Sauerstofftank mit Druck zu versorgen. In einem weiteren Kanal gelangt der Sauerstoff zur Vorbrennerpumpe der zweiten HPOTP-Stufe, wo der Druck des flüssigen Sauerstoffs von 29.648 kPa auf 51.161 kPa erhöht wird. Dadurch entsteht genug Druck, um die Flußrate des flüssigen Sauerstoffs zu den Vorbrennern durch Schubdrosselventile regulieren zu können. Etwa 12 % des Flüssigsauerstoffs gelangt über das Sauerstoffvorbrenner-Sauerstoffventil in den Sauerstoffvorbrenner und durch das Wasserstoffvorbrenner-Sauerstoffventil in den Wasserstoffvorbrenner. Die HPOTP mißt etwa 61 x 91 cm und ist mit Flanschen am Heißgaseinlaßkrümmer angebracht.
Der Wasserstoff gelangt über das Flüssigwasserstoff-Einlaßventil unter einem Druck von 207 kPa (30 psia) in die Raumfähre und teilt sich dann in deren 43 cm-Wasserstoffversorgungsleitung in drei parallele Kanäle zu jedem der drei Triebwerke. Ein Vorventil erlaubt in geöffnetem Zustand den Wasserstoffluß zur Niederdruck-Wasserstoffpumpe (LPFTP - Low-Pressure Fuel Turbopump).
Die LPFTP ist eine Axialpumpe, die durch eine zweistufige Turbine angetrieben wird. Diese Turbine wiederum wird durch abgezweigten, gasförmigen Wasserstoff betrieben. Die LPFTP erhöht den Druck des Flüssigwasserstoffs von 207 kPa auf 1.903 kPa und versorgt die Hochdruck-Wasserstoff-Turbopumpe (HPFTP - High-Pressure Fuel Turbopump). Die Druckerhöhung bewirkt, daß die HPFTP während der gesamten Triebwerksbrenndauer ohne Unterbrechung mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann. Die LPFTP arbeitet mit etwa 16.185 upm und ist zirka 46 x 61 cm groß. Sie wird durch die Orbiterstruktur in einer festen Position in 180 Grad zur LPOTP gehalten.
Die HPFTP ist eine dreistufige Zentrifugalpumpe und wird durch eine zweistufige Heißgasturbine angetrieben. Sie erhöht den Wasserstoffdruck von 1.903 kPa auf 44.921 kPa und arbeitet mit einer Drehzahl von etwa 35.360 upm. Der HPFTP-Ausstrom wird durch das Hauptwasserstoffventil geführt und dann in drei verschiedene Wege geleitet. Ein Weg führt durch die Ummantelung der Hauptbrennkammer, die aus einer Kupferlegierung besteht. Hier fließt der Wasserstoff zur Kühlung der Brennkammerwandung durch 390 gefräste Kanäle. Er wird dann im gasförmigen Zustand von der Hauptbrennkammer zur LPFTP geleitet, wo er zum Antrieb der LPFTP-Turbine genutzt wird. Ein kleiner Teil (0,7 Pfund pro Sekunde) wird dann von der LPFTP zu einer gemeinsamen Leitung von allen drei Triebwerken zum großen Außentank geleitet, und dient dort dem Druckaufbau im Wasserstofftank. Der verbleibende Teil des Wasserstoffs kühlt in einer zweilagigen Wand den Heißgaseinlaßkrümmer und Teile des Hauptinjektors und gelangt von dort in die Hauptbrennkammer. Der zweite Kanal führt den Wasserstoff vom Hauptwasserstoffventil durch Windungen in der Wandung der Triebwerksdüse, um diese zu kühlen. Er verbindet sich dann mit dem dritten Kanal aus dem Brennkammerkühlventil. Der vereinte Wasserstoffstrom wird dann zu den beiden Vorbrennern (Wasserstoff- und Sauerstoffvorbrenner) geleitet. Insgesamt 80 % des Wasserstoffs fließt zu den Vorbrennern, wovon die Hälfte zur Kühlung der Schubdüse verwendet wird. Die restlichen 20 % kühlen die Hauptbrennkammer. Die HPFTP ist etwa 56 x 112 cm groß und ebenfalls mit Flanschen am Heißgaseinlaßkrümmer angebracht.
Sauerstoff- und Wasserstoffvorbrenner sind am Heißgaseinlaßkrümmer angeschweißt. Wasserstoff und Sauerstoff gelangen in die Vorbrenner und werden so gemischt, daß eine effektive Verbrennung auftreten kann. Diese wird durch zwei redundanten Funkenzünder, die durch den Triebwerkscontroller aktiviert werden, während der Triebwerksstartsequenz initiiert. Der Funkenzünder befindet sich in einer kleinen Verbindungskammer im Zentrum des Injektors jedes Vorbrenners. Sie werden nach etwa drei Sekunden abgeschaltet, da sich dann der Verbrennungsprozeß selbst unterhält. Die Vorbrenner produzieren das treibstoffreiche heiße Gas, das durch die Turbinen fließt, um die Energie für die Hochdruckturbopumpen zu liefern. Der Ausstrom des Sauerstoffvorbrenners treibt die Turbine an, die mit der HPOTP und der Sauerstoffvorbrennerpumpe verbunden ist. Der Ausstrom des Wasserstoffvorbrenners treibt die Turbine an, die mit der HPFTP verbunden ist.
Die HPOTP-Turbine und die HPOTP-Pumpen sind auf einer gemeinsamen Welle montiert. Das Mischen des kraftstoffreichen Heißgases in der Turbinensektion und der flüssige Sauerstoff in der Hauptpumpe könnte eine Gefahr darstellen. Um dies zu verhindern, sind diese beiden Sektionen durch eine Höhlung getrennt, die während des Triebwerkslaufes kontinuierlich mit Helium gespült wird. Zwei Dichtungen minimieren die Leckage in diese Höhlung. Eine Dichtung befindet sich zwischen der Turbinensektion und der Höhlung, die andere zwischen der Pumpensektion und der Höhlung. Ein Verlust des Heliumdruckes in dieser Kammer führt automatisch zum Abschalten des Triebwerks.
Die Geschwindigkeit der HPOTP- und HPFTP-Turbinen hängt von der Stellung der dazugehörigen Sauerstoffvorbrenner- und Wasserstoffvorbrenner-Sauerstoffventile ab. Diese Ventile werden durch den Triebwerkscontroller geregelt, der dadurch den Fluß des flüssigen Sauerstoffs zu den Vorbrennern zu regulieret und damit den Triebwerksschub kontrolliert. Diese Ventile erhöhen oder verringern die Menge des hindurchfließenden Flüssigsauerstoffs, wodurch der Vorbrennerkammerdruck erhöht oder erniedrigt wird und durch die entsprechend erhöhte oder erniedrigte HPOTP- und HPFTP-Turbinengeschwindigkeit die Menge des Flüssigsauerstoffs und des gasförmigen Wasserstoffs, die in die Hauptbrennkammer gelangen, reguliert wird. Dies erhöht oder erniedrigt den Schub des Triebwerkes und kontrolliert dieses dadurch. Die Sauerstoff- und die Wasserstoffvorbrennerauerstoffventile arbeiten synchron, um das Triebwerk zu kontrollieren und ein konstantes Brennstoffmischverhältnis von 6 : 1 (O2 : H2) zu gewährleisten. Dabei wird eine Schubkontrolle durch closed-loop-Regulierung auf der Sauerstoffvorbrennerseite und die Kontrolle des Brennstoffmischverhältnisses durch closed-loop-Regulation auf der Wasserstoffvorbrennerseite erreicht.
Das Hauptsauerstoff- und das Hauptwasserstoffventil kontrollieren den Fluß des Flüssigsauerstoffs und des Flüssigwasserstoffs in das Triebwerk und werden durch den Triebwerkscontroller überwacht. Wenn das Triebwerk läuft, sind die Ventile voll geöffnet.
Ein Kühlmittelkontrollventil ist an der Kühlmittelbypaßröhre der Hauptbrennkammer jeden Triebwerks montiert. Der Triebwerkscontroller reguliert die Menge des gasförmigen Wasserstoff, die hier am Kühlkreislauf der Düse vorbeigeleitet wird, wodurch deren Temperatur geregelt wird. Das Kühlmittelkontrollventil ist vor dem Triebwerksstart vollständig geöffnet. Während des Triebwerksbetriebes bleibt es bei Triebwerksleistungen zwischen 100 und 109 Prozent vollständig geöffnet. Bei 65 bis 100 Prozent Triebwerksleistung wird das Ventil zwischen 66,4 und 100 Prozent Öffnung reguliert.
Bei jedem Haupttriebwerk gelangt treibstoffreiches Heißgas aus dem Kühlkreislauf des Heißgaseinlaßkrümmers in die Hauptbrennkammer. Der gasförmige Wasserstoff und flüssige Sauerstoff gelangen über den Injektor, der die Treibstoffe mischt, in die Brennkammer. Im Zentrum des Injektor befindet sich eine kleine Kammer mit dem Funkenzünder. Wie in den Vorbrennern dient dieser Funkenzünder während der Triebwerksstartsequenz zur Initiierung des Brennvorganges. Auch dieser Funkenzünder ist doppelt redundant und wird nach etwa 3 Sekunden abgeschaltet. Der Haupinjektor und die Deckelkonstruktion ist an den Heißgaseinlaßkrümmer angeschweißt. Die Hauptbrennkammer ist mit Bolzen am Heißgaseinlaßkrümmer befestigt.
Sowohl die innere Oberfläche jeder Brennkammer als auch jeder Düse wird durch gasförmigen Wasserstoff gekühlt, der durch die Kühlgänge dieser doppelwandigen Konstruktion fließt. Die Düsenkonstruktion ist eine glockenförmige Verlängerung, die mit Bolzen an der Hauptbrennkammer befestigt ist. Die Düse ist 2,87 m lang mit einem Außendurchmesser im Bereich der Öffnung von 2,39 m. Ein angeschweißter Ring am unteren Ende der Düse ist der Befestigungspunkt für das vom Orbiter heranreichende Hitzeschutzschild. Der Hitzeschutz ist notwendig, da diese Anteile der Düsen während Start, Aufstieg, Orbit- und Wiedereintrittsphasen eines Fluges entsprechenden Belastungen ausgesetzt sind.
Die fünf Treibstoffventile jedes Triebwerks (Sauerstoffvorbrenner-Sauerstoff-, Wasserstoffvorbrenner-Sauerstoff-, Hauptsauerstoff-, Hauptwasserstoff- und Brennkammerkühlventil) werden hydraulisch angetrieben und durch elektrische Signale des Triebwerkscontrollers geregelt. Sie können durch das Heliumsystem des Triebwerks als Backup-Antriebssystem vollständig geschlossen werden.
Die Niederdruck-Sauerstoff- und Niederdruck-Wasserstoff-Turbopumpen sind im hinteren Rumpfsegment des Orbiters 180 Grad versetzt montiert. Die Rohrleitungen von den Niederdruck- zu den Hochdruck-Turbopumpen enthalten flexible Faltenbalge, die die feste Montage der Niederdruck-Turbopumpen an der Orbiterstruktur ermöglichen, während der Rest des Triebwerks zur Schubvektorregelung geschwenkt werden kann. Die Flüssigwasserstoffleitung von der LPFTP zur HPFTP ist zur Vermeidung von Kondenswasserbildung isoliert.
Das Hauptsauerstoffventil und das Wasserstoffentsorgungsventil werden nach Brennschluß noch benutzt. Sie erlauben es, nach Erreichen der Umlaufbahn verbliebenen Sauerstoff über die Triebwerksdüse und verbliebenen Wasserstoff über das Füllventil des Anschlußstutzens über Bord zu entsorgen. Nach der Entsorgung werden diese Ventile geschlossen und bleiben während des weiteren Flugverlaufes geschlossen.
Das Schwenklager des Triebwerks ist mit Bolzen am Hauptinjektor und der Deckelkonstruktion befestigt und stellt das kraftübertragende Zwischenstück zwischen Triebwerk und Orbiter dar. Die Lagerkonstruktion ist etwa 29 x 36 cm groß.
Insgesamt wiegt ein Haupttriebwerk des Space Shuttle etwa 3.393 kg.
4. Die Triebwerksdüse
letztes Update: 11. Juli 2004, 15:45:59
