Bei Triebwerkstests herrschen Temperaturen jenseits von 1500 Grad Celsius, kombiniert mit extremen Vibrationen und Druckverhältnissen. Welche Sensorik unter diesen Bedingungen zuverlässig misst und worauf Ingenieure bei der Auswahl achten sollten, zeigt dieser Fachartikel.

Welche Temperatursensoren sich für Raketentests eignen

Ein Temperatursensor im Raketentest muss Bedingungen standhalten, die weit über industrielle Standardanwendungen hinausgehen. Brennkammertemperaturen von über 1500 Grad Celsius, transiente Temperatursprünge innerhalb weniger Millisekunden und mechanische Belastungen durch Verbrennungsschwingungen stellen höchste Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Thermoelemente haben sich in diesem Umfeld als bevorzugte Sensorlösung etabliert, weil sie die nötige Kombination aus Temperaturbereich, Reaktionsgeschwindigkeit und Robustheit mitbringen.

Therma fertigt seit über 30 Jahren Thermoelemente in Handarbeit am Standort Deutschland und beliefert Projekte von der industriellen Prozessmesstechnik bis zur Raumfahrt. Dieser Artikel erklärt, welche Anforderungen Raketentests an Temperatursensoren stellen, welche Thermoelementtypen sich für extreme Bedingungen eignen und wie Therma-Sensoren bei einem europäischen Raketenprojekt zum Einsatz kommen.

Warum präzise Temperaturmessung bei Raketentests entscheidend ist

Bei einem Raketentriebwerkstest entstehen in der Brennkammer Temperaturen zwischen 1500 und 3500 Grad Celsius. Die Düsenwände, Kühlkanäle und Injektorplatten müssen diesen thermischen Belastungen standhalten, ohne strukturell zu versagen. Temperatursensoren liefern dabei die Messdaten, auf deren Grundlage Ingenieure die thermische Integrität des gesamten Antriebssystems bewerten.

Ohne zuverlässige Temperaturmessung im Raketentest lassen sich weder Kühlkonzepte validieren noch Materialermüdung frühzeitig erkennen. Ein Sensor, der zu langsam reagiert oder bei hohen Temperaturen driftet, liefert verfälschte Daten. Im schlimmsten Fall führt das zur Fehlinterpretation der thermischen Belastung und damit zu einem Triebwerksversagen beim nächsten Testlauf.

Gerade bei regenerativ gekühlten Triebwerken, wie sie im studentischen und kommerziellen Raketenbau zunehmend eingesetzt werden, ist die Temperaturüberwachung an mehreren Messpunkten gleichzeitig erforderlich. Die Sensoren müssen sowohl die heiße Gasseite als auch die Kühlmitteltemperatur präzise erfassen, oft an Stellen mit wenig Platz und hoher mechanischer Beanspruchung.

Welche Anforderungen Raketentests an Temperatursensoren stellen

Temperaturbereiche von über 1500 Grad Celsius

Die thermischen Anforderungen im Raketentest übersteigen die meisten industriellen Anwendungen deutlich. Während ein Standard-Typ-K-Thermoelement bis etwa 1260 Grad Celsius zuverlässig misst, erfordern Messungen direkt an der Brennkammer oder am Düsenhals Sensoren mit Messbereichen bis 1700 oder 1800 Grad Celsius. Für solche Positionen kommen Thermoelemente aus Edelmetalllegierungen zum Einsatz, die dauerhaft bei diesen Temperaturen arbeiten.

Auch außerhalb der Brennkammer sind die Anforderungen hoch. Abgastemperaturen, Injektortemperaturen und die Temperatur von regenerativen Kühlkanälen liegen typischerweise zwischen 400 und 1200 Grad Celsius. Hier bewähren sich Mantel-Thermoelemente mit Edelstahl- oder Inconel-Mantel, die mechanischen Schutz und chemische Beständigkeit kombinieren.

Ansprechzeiten im Millisekundenbereich

Ein Raketentriebwerk erreicht seine Betriebstemperatur innerhalb von Sekundenbruchteilen nach der Zündung. Sensoren mit langen Ansprechzeiten verpassen diese transienten Temperaturspitzen und liefern geglättete Werte, die die tatsächliche thermische Belastung unterschätzen. Für die Analyse von Zünd- und Abschaltvorgängen sind daher Thermoelemente mit Ansprechzeiten im einstelligen Millisekundenbereich erforderlich.

Koaxiale Thermoelemente und Dünnfilm-Thermoelemente erreichen Ansprechzeiten bis in den Mikrosekundenbereich. In der Praxis wurden Temperaturänderungen von über 200 Grad in weniger als 10 Mikrosekunden gemessen. Je kleiner der Manteldurchmesser des Thermoelements, desto schneller die Reaktion auf Temperatursprünge.

Beständigkeit gegen Vibration und Korrosion

Verbrennungsschwingungen in Raketentriebwerken erzeugen mechanische Belastungen, die dünne Sensorleitungen brechen lassen können. Die Mantelbauweise schützt die innenliegenden Thermodrähte durch einen geschlossenen Metallmantel mit mineralisoliertem Pulver. Dadurch sind Mantel-Thermoelemente weitgehend unempfindlich gegen Vibrationen, Biegung und Stoß.

Zusätzlich greifen Verbrennungsprodukte wie Russpartikel, Salpetersäure oder Metalloxide die Sensoroberfläche an. Mantelwerkstoffe aus Inconel oder hochwarmfesten Edelstählen widerstehen diesen chemischen Einwirkungen über die Dauer einer Testkampagne zuverlässig.

Thermoelementtypen für extreme Bedingungen im Vergleich

Typ K und Typ N für den mittleren Hochtemperaturbereich

Typ K (NiCr-Ni) ist der weltweit am häufigsten eingesetzte Thermoelementtyp und deckt einen Messbereich von -200 bis +1260 Grad Celsius ab. Seine Stärke liegt in der universellen Einsetzbarkeit, der guten Verfügbarkeit und den vergleichsweise niedrigen Kosten. Bei Raketentests eignet sich Typ K besonders für die Überwachung von Kühlkreisläufen, Strukturtemperaturen und Abgasmessungen außerhalb der Brennkammer.

Typ N (NiCrSi-NiSi) bietet einen ähnlichen Messbereich, übertrifft Typ K jedoch bei der Langzeitstabilität und der Drift-Resistenz. Für Testserien, bei denen Sensoren über mehrere Zündzyklen hinweg konsistente Werte liefern müssen, ist Typ N die bessere Wahl. Im Thermoelemente-Sortiment von Therma sind beide Typen in verschiedenen Bauformen verfügbar.

Thermoelemente aus Edelmetall mit Typ R, S und B

Für Messstellen direkt an oder in der Brennkammer reichen Unedle-Metall-Thermoelemente nicht aus. Edelmetall-Thermoelemente aus Platin-Rhodium-Legierungen ermöglichen Dauermessungen bei deutlich höheren Temperaturen. Typ R und S erreichen bis 1600 Grad Celsius, Typ B sogar bis 1800 Grad Celsius im Dauerbetrieb.

Der Nachteil dieser Typen liegt in den höheren Anschaffungskosten und der geringeren mechanischen Robustheit. Für Raketentests, bei denen einzelne Sensoren nach einer Testkampagne ohnehin ausgetauscht werden, relativiert sich der Kostenfaktor jedoch deutlich.

Die folgende Tabelle fasst die relevanten Thermoelementtypen für Aerospace Anwendungen zusammen:

Typ	Materialpaarung	Messbereich	Stärke	Typische Anwendung
K	NiCr-Ni	-200 bis +1260 °C	Robust, universell	Abgastemperatur, Kühlung
N	NiCrSi-NiSi	-200 bis +1260 °C	Hohe Langzeitstabilität	Überwachung, Testserien
R	Pt-PtRh13	0 bis +1600 °C	Hohe Präzision	Brennkammer, Nahbereich
S	Pt-PtRh10	0 bis +1550 °C	Referenzklasse	Kalibriermessungen
B	PtRh30-PtRh6	+200 bis +1800 °C	Höchster Dauerbereich	Düsennahe Messstellen

Für die meisten Messpositionen bei einem Raketentest bieten Typ K und Typ N das beste Verhältnis aus Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Edelmetall-Typen kommen gezielt dort zum Einsatz, wo die Temperatur den Bereich von 1260 Grad Celsius dauerhaft übersteigt.

Thermoelement oder Widerstandsthermometer im Aerospace Umfeld

Vorteile von Thermoelementen bei Raketentests

Im direkten Vergleich mit Widerstandsthermometern bieten Thermoelemente für Raketentests drei entscheidende Vorteile. Erstens decken sie einen deutlich höheren Temperaturbereich ab, bis über 1800 Grad Celsius gegenüber maximal 850 Grad Celsius bei Pt100-Sensoren. Zweitens reagieren sie schneller auf Temperatursprünge, was bei transienten Vorgängen im Triebwerk unverzichtbar ist. Drittens lassen sie sich in kleineren Bauformen fertigen, was bei beengten Einbausituationen an Triebwerkskomponenten relevant wird.

Zusätzlich sind Thermoelemente unempfindlicher gegenüber mechanischen Erschütterungen. Die Mantelbauweise mit mineralisoliertem Innenleben bildet eine kompakte, biegsame Einheit, die Vibrationsbelastungen im Triebwerksprüfstand zuverlässig übersteht.

Wann Widerstandsthermometer die bessere Wahl sind

Bei kryogenen Treibstoffsystemen mit flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Wasserstoff arbeiten die Temperaturen im Bereich von -200 bis -50 Grad Celsius. Hier übertreffen Widerstandsthermometer (Pt100, Pt1000) die Thermoelemente in Sachen Präzision und Langzeitstabilität deutlich. Auch für die dauerhafte Strukturüberwachung im moderaten Temperaturbereich, etwa an Tankwänden oder Leitungssystemen, sind sie die bessere Wahl.

Einen ausführlichen Vergleich beider Sensortypen mit allen technischen Details finden Sie in unserem separaten Fachartikel.

Praxisbeispiel Propulse NTNU und das Project Heimdall

Über Propulse NTNU und das studentische Raketenprogramm

Propulse NTNU ist Norwegens erstes studentisches Raketenteam, gegründet 2018 an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität in Trondheim. Die Organisation besteht aus über 70 aktiven Mitgliedern aus verschiedenen Ingenieursdisziplinen, darunter Antriebstechnik, Avionik, mechanische Konstruktion und Softwareentwicklung. Im Rahmen von Project Heimdall entwickelte das Team eine 5,8 Meter große Hybridrakete mit einem Startgewicht von 150 Kilogramm.

Der Start erfolgte 2025 von Tarva in Norwegen und erreichte ein offizielles Apogäum von 3.318 Metern. Die Mission war gleichzeitig die erste vollständig selbst organisierte Startkampagne von Propulse, bei der das Team Logistik, Flugsicherheit und Bergung eigenständig verantwortete. Insgesamt flossen über 85.000 Arbeitsstunden in das Projekt.

Therma Sensoren im Triebwerkstest von Project Heimdall

Für die Triebwerkstestkampagne von Project Heimdall lieferte Therma Thermoelemente, die bei Engine Testing, thermischer Validierung und Flugdatenanalyse zum Einsatz kamen. Die Sensoren mussten zuverlässige Messdaten unter den anspruchsvollen thermischen Bedingungen eines Hybridraketentriebwerks liefern, bei dem Temperaturgradienten innerhalb von Millisekunden auftreten.

Propulse NTNU betonte in einer öffentlichen Stellungnahme: “Accurate temperature measurements are critical in rocket development.” Die Partnerschaft zwischen Therma und dem Studierendenteam zeigt, dass hochwertige Temperatursensoren aus deutscher Handarbeit auch im Aerospace Engineering ihren Platz haben. Für Therma ist die Zusammenarbeit mit Propulse NTNU ein Beleg dafür, dass die eigenen Thermoelemente nicht nur in der Industrie und im Motorsport, sondern auch unter den extremen Bedingungen eines Raketentests zuverlässig arbeiten.

Worauf Sie bei der Sensorauswahl für Extremanwendungen achten sollten

Temperaturbereich und Sensortyp abstimmen

Die wichtigste Entscheidung bei der Sensorauswahl ist die Abstimmung zwischen dem erwarteten Temperaturbereich und dem passenden Thermoelementtyp. Liegt die maximale Messtemperatur unter 1260 Grad Celsius, genügen Typ K oder Typ N. Für Messstellen über 1260 Grad Celsius führt kein Weg an Edelmetall-Thermoelementen vorbei. Bei kryogenen Anwendungen unter -200 Grad Celsius sind Widerstandsthermometer oder spezielle Kryo-Sensoren die richtige Wahl.

Neben dem Temperaturbereich spielt die Frage nach Standard- oder Sonderfertigung eine Rolle. Viele Raketenprojekte erfordern individuelle Sensorlängen, Manteldurchmesser oder Anschlusskonfigurationen. Therma bietet neben dem Standardsortiment auch individuelle Sonderfertigung nach Zeichnung oder STEP-Datei an, mit Fertigungszeiten von 1 bis 2 Wochen.

Installation und Schutz unter extremen Bedingungen

Die Einbausituation bestimmt die Bauform. Für Messstellen an Rohrleitungen und Behältern eignen sich Einschraub-Thermoelemente mit Gewinde. Für die Oberflächenmessung an Strukturbauteilen kommen Oberflächen-Thermoelemente mit Klebe- oder Magnethalter in Frage. An Prüfständen, wo Sensoren häufig gewechselt werden, bieten Klemmverschraubungen aus Edelstahl eine sichere und wiederverwendbare Montagelösung.

Die Wahl der Anschlussleitung verdient besondere Aufmerksamkeit. Thermoleitungen mit Glasfaser- oder Teflon-Isolierung widerstehen höheren Umgebungstemperaturen als Standardkabel. Für eine individuelle Beratung zur optimalen Sensorkonfiguration steht das Therma-Team mit über 30 Jahren Erfahrung in der Temperaturmesstechnik zur Verfügung. Kontaktieren Sie uns für eine unverbindliche Fachberatung.

Fazit

Temperatursensoren im Raketentest müssen drei zentrale Anforderungen erfüllen: Hochtemperaturtauglichkeit bis über 1500 Grad Celsius, Ansprechzeiten im Millisekundenbereich und Beständigkeit gegen Vibration sowie Korrosion. Thermoelemente sind für diese Kombination die erste Wahl. Das Praxisbeispiel Propulse NTNU belegt, dass Therma-Sensoren aus 100% Handarbeit Made in Germany auch im Aerospace Engineering zuverlässig arbeiten. Alle Thermoelemente werden nach ISO 9001 gefertigt, viele sind ab Lager verfügbar mit einer Regellieferzeit von nur einer Woche. Für Sonderkonfigurationen im Aerospace Bereich beraten wir Sie gerne persönlich.