Warum wird für Tests wiederverwendbarer Raketen eine Flughöhe von 10 Kilometern gewählt?

(Bild aus dem Internet)

Warum wählen alle 10 Kilometer? Liegt es daran, dass diese Zahl schön klingt?

In den letzten Jahren ist die Entwicklung wiederverwendbarer Raketentechnologie zu einem heißen Thema in der globalen Luft- und Raumfahrt geworden. Insbesondere im kommerziellen Raumfahrtsektor konkurrieren Unternehmen aus verschiedenen Ländern um die Entwicklung wiederverwendbarer Raketen, die vertikal starten und landen können. Dabei scheint eine Flughöhe von 10 Kilometern zu einer wichtigen „Schwelle“ für die Überprüfung wiederholbarer Raketentechnologie geworden zu sein. Ob SpaceX in den USA, der Verifizierungspfeil der Achten Akademie oder VTVL-1 von Suzaku-3, die Flughöhe von 10 Kilometern taucht bei den Tests immer wieder auf. Warum also diese Höhe wählen? Was bedeutet dies für die Überprüfung wiederholbarer Raketentechnologie? Wird der Weg nach Überwindung dieser Hürde wirklich reibungslos verlaufen? Nehmen wir uns heute etwas Zeit, um konkret darüber zu sprechen.

Die erste Frage, die beantwortet werden muss, lautet: Was bedeutet eine Höhe von 10 Kilometern? Tatsächlich ist die Höhe von 10 Kilometern bei einem Raketenstart kein besonders bedeutender „Meilenstein“. Es hat die Atmosphäre noch nicht einmal durchbrochen und befindet sich noch immer in der Troposphäre der Erde. Für wiederverwendbare Raketen ist dies jedoch eine entscheidende Höhe. Erstens ist die Luftdichte unterhalb von 10 Kilometern relativ hoch und der Luftwiderstand stark. In einer solchen Umgebung ist die Rakete sowohl beim Aufstieg als auch beim Abstieg enormem Druck und Luftwiderstand ausgesetzt. Dies bedeutet, dass das Lageregelungssystem, das Stabilitätskontrollsystem und die Zusatzausrüstung wie beispielsweise die Gitterruder der Rakete strengen Tests unterzogen werden müssen. Darüber hinaus wird die Rakete in dieser Höhe einem „maximalen dynamischen Druck“ ausgesetzt sein, also dem maximalen Druck, der durch aerodynamische Kräfte auf die Rakete ausgeübt wird. Dies ist eine der komplexesten Phasen des Raketenflugs, da die Rakete während dieser Phase stabil bleiben muss, um strukturelle Schäden oder Ausfälle zu vermeiden. Zweitens sind 10 Kilometer die Höhe, in der die Rakete während des Fluges zwischen Überschall- und Unterschallzustand wechseln muss. Bei wiederverwendbaren Raketen ist dies auch eine Gelegenheit, die Fähigkeit zur transsonischen Steuerung zu überprüfen. Unter transsonischer Geschwindigkeit versteht man den Vorgang, bei dem eine Rakete von der Unterschallgeschwindigkeit (die geringer als die Schallgeschwindigkeit ist) zur Überschallgeschwindigkeit (die größer als die Schallgeschwindigkeit ist) übergeht. In diesem Stadium können Änderungen im Luftstrom zu erheblichen Störungen der Lage- und Steuerungssysteme der Rakete führen. Daher kann die Flughöhe von 10 Kilometern nicht nur die Ausdauer der Rakete testen, sondern auch ihre Stabilität und ihre präzisen Steuerungsmöglichkeiten bei transsonischen Geschwindigkeiten überprüfen. Diese Höhe wurde als wichtiger Testpunkt ausgewählt, da sie einen Test der Leistung der Rakete unter extremen Bedingungen darstellt.

Was also bedeutet es, diesen 10 Kilometer langen Flug zu absolvieren? Man kann sagen, dass es einen großen Fortschritt in der Raketentechnologie darstellt. Erstens bedeutet die Rückkehr und erfolgreiche Landung der Rakete in dieser Höhe, dass sie grundsätzlich wiederverwendbar ist. Wie das Designteam der chinesischen ZQ-3 betonte, habe der erfolgreiche Flug gezeigt, dass die Kernkomponenten der Rakete wie Motor und Gitterruder präzise zusammenarbeiten und während des Rückkehrvorgangs stabil bleiben können. Das erfolgreiche Absolvieren des Tests in dieser Höhe bedeutet jedoch nicht, dass keine weiteren Hindernisse mehr auf Sie zukommen. Obwohl der 10-Kilometer-Flug die Anpassungsfähigkeit und Steuerbarkeit der Rakete in einigen komplexen Umgebungen bestätigte, ist sie noch weit von einem echten Flug in der Umlaufbahn entfernt. In größeren Höhen stehen Raketen vor größeren Herausforderungen, insbesondere den hohen Temperaturen und extrem hohen Geschwindigkeiten beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Für Chinas wiederholbare Raketentechnologie bedeutet der erfolgreiche 10-Kilometer-Flug, dass die Überprüfung der Technologie in eine kritische Phase eingetreten ist. Mit der Technologie für vertikalen Start und Landung der Rakete wurden erste Ergebnisse erzielt. Zu den weiteren Fragen, die noch geklärt werden müssen, gehört, wie eine vertikale Wiederherstellung in größeren Höhen erreicht werden kann und wie mit der enormen Hitze und kinetischen Energie umgegangen werden kann, die beim Wiedereintritt entsteht. Beispielsweise, wie man sich wirksam vor den hohen Temperaturen schützt, die beim Wiedereintritt in die Atmosphäre entstehen; wie die Landegenauigkeit und Geschwindigkeitskontrolle der Rakete weiter verbessert werden können; und wie die Struktur der Rakete leicht genug und dennoch stabil genug sein kann, um der Ermüdungsabnutzung durch wiederholten Gebrauch standzuhalten. Wir gehen davon aus, dass diese Probleme mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Zunahme der Flüge schrittweise gelöst werden.

Wenn es um die Entwicklung und den aktuellen Stand der wiederverwendbaren Raketentechnologie meines Landes geht, sind die Erfolge von SpaceX ein Punkt, der nicht zu übersehen ist. SpaceX engagiert sich seit Anfang der 2000er Jahre für die Entwicklung wiederverwendbarer Raketen und konnte 2015 erstmals eine Rakete vertikal bergen. Seitdem hat SpaceX die Bergung und Wiederverwendung von Raketen für die Umlaufbahn viele Male erfolgreich abgeschlossen und damit die Kostenstruktur der Luft- und Raumfahrtindustrie völlig verändert. Im Gegensatz dazu begann China mit der Entwicklung einer wiederverwendbaren Raketentechnologie spät. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt wurden, besteht immer noch eine gewisse Lücke zu SpaceX. Am Beispiel der Suzaku-3 VTVL-1 befinden sich Chinas aktuelle Tests noch in der Phase des vertikalen Starts und der Landung in einer Höhe von 10 Kilometern, während SpaceX bereits die Bergung und Wiederverwendung von Raketen auf Orbitalebene aus dem Meer erreicht hat. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Chinas Raumfahrtindustrie keine Chance hätte, aufzuholen. China hat in den letzten Jahren große Mittel in die Forschung und Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie investiert und bei vielen Experimenten große Durchbrüche erzielt. Zeitlich gesehen dürfte es etwa fünf bis zehn Jahre dauern, bis Chinas wiederverwendbare Raketen in der praktischen Anwendung das aktuelle Niveau von SpaceX erreichen. Allerdings werden Chinas enorme Marktnachfrage und die Investitionen privater Unternehmen in technologische Innovationen die Lücke weiter verringern.

Alles in allem ist der 10-Kilometer-Flugtest nicht nur ein wichtiger Schritt zur Technologieüberprüfung, sondern auch der Grundstein für die zukünftige Weltraumforschung. Obwohl mein Land in diesem Bereich spät eingestiegen ist, wird es trotz kontinuierlicher Investitionen und technologischer Anhäufungen voraussichtlich in naher Zukunft zu SpaceX aufschließen und unsere eigene Ära der wiederverwendbaren Raumfahrt einläuten.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Gan Shudong, Schöpfer populärwissenschaftlicher Videos

Gutachter: Zhou Binghong, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.