„Starship“ wurde zum ersten Mal erfolgreich geborgen! Was ist so schwierig daran, „eine Rakete mit Stäbchen aufzuheben“?

Am 13. um etwa 8:30 Uhr Ostküstenzeit (ca. 20:30 Uhr Pekinger Zeit) führte die US-amerikanische Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX) ihren fünften Teststart ihrer Schwerlastträgerrakete der neuen Generation „Starship“ durch. Das Unternehmen sagte, die Roboterarme des Startturms (die beiden Metallarme werden als „Essstäbchen“ bezeichnet) hätten die Super-Heavy-Rakete erfolgreich wieder auf der Erde befestigt. „Essstäbchen, die eine Rakete halten“ gilt als Durchbruch in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Was ist „Chopstick Rocket“?

An diesem Tag wurde das „Starship“ ins All gestartet. Ungefähr zwei Minuten später trennte sich die erste Stufe der „superschweren“ Rakete vom Raumschiff und begann mit der Rückkehr. Mehr als sechs Minuten nach dem Start wurde die Trägerrakete erfolgreich zwischen zwei riesigen Metallarmen aufgehängt. Dieser neue Raketenrückgewinnungsmodus war das größte Highlight dieses Testfluges.

Berichten zufolge befinden sich auf dem riesigen „Starship“-Startturm namens „Mechazilla“ drei Roboterarme. Einer davon ist ein „Schnelltrennarm“, der zum Auftanken des Starship und zur Stabilisierung der Rakete vor dem Start verwendet wird. Die beiden anderen 36 Meter langen Roboterarme dienen zum Einfangen von Raketen und werden mit einem Paar „Essstäbchen“ verglichen. Sie sind auf superschweren Winden installiert, die von riesigen Motoren angetrieben werden und sich am Startturm auf und ab bewegen können.

Den Aufzeichnungen dieses Testfluges zufolge wurden in der Endphase der Landung, als sich die Trägerrakete des „Starship“ etwa 2.000 Meter über dem Boden befand, 13 Triebwerke gleichzeitig gestartet, um zu bremsen und abzubremsen. Diese Triebwerke verfügen über die Fähigkeit zum „Universalschub“, d. h. die Düsen können rotieren und ihre Richtung anpassen, um die Fluglage und Flugbahn des Boosters zu steuern.

Nach der Landung in einer bestimmten Höhe werden die äußeren Triebwerke abgeschaltet und die drei Triebwerke in der Mitte arbeiten weiter, um den Booster weiter abzubremsen und fast senkrecht zwischen den beiden „Stäbchen“ zu landen. In einer Höhe von etwa zehn Metern über dem Boden schwebt der Booster senkrecht vor dem Startturm. Innerhalb weniger Sekunden bewegten sich die „Stäbchen“ leicht und griffen fest in die Stifte unter den Gitterrippen des Boosters, woraufhin der Motor abgeschaltet wurde.

Anstatt den Vorgang „eine Rakete mit Stäbchen fangen“ zu nennen, sollte man ihn besser „eine Rakete auf Stäbchen stoppen“ nennen. Die technische Schwierigkeit liegt nicht in der Geschicklichkeit oder Kraft des Roboterarms, sondern darin, den riesigen Booster präzise zwischen den beiden „Stäbchen“ schweben zu lassen. Jede noch so kleine Abweichung führt dazu, dass es gegen die „Stäbchen“ stößt.

„Essstäbchenrakete“ für schnelle Wiederverwendung konzipiert

Zu Beginn der Entwicklung der Starship-Rakete schlug SpaceX das Konzept der „schnellen Wiederverwendung“ vor, das darin besteht, den Booster schnell zu bergen, aufzutanken und neu zu starten. Das Unternehmen hatte sich zum Ziel gesetzt, mit demselben Booster dreimal an einem Tag zu starten.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist es fast die einzige Möglichkeit, den Booster zur Wartung vor Ort, zum Auftanken und zum Neustart zurück zum Startturm zu bringen. Selbst wenn eine derart große Raketenstufe auf einer Landeplattform in der Nähe des Startturms landet, sind für das Anheben und den Transport noch größere Kräne, Transportfahrzeuge und andere Geräte erforderlich, bevor sie zum Startturm geschickt werden kann, wo sie auf den Start wartet. Dieser Vorgang kann Stunden dauern. Noch komplizierter sind die Bergung, Reinigung und der Transport von Gegenständen, die im Meer landen.

Ebenso kritisch ist, dass die vorhandene Technologie von SpaceX, nämlich die Landebeine der Falcon-9-Booster, „Wegwerftechnologie“ sind und nach jeder Landung überprüft und überholt werden müssen. Da die Falcon 9 flüssigen Sauerstoff und Kerosin als Treibstoff verwendet, muss der Motor zwischen den Starts gründlich gereinigt werden. Der Austausch eines Landebeins nimmt keine zusätzliche Zeit in Anspruch. „Starship“ verwendet flüssigen Sauerstoff und Methan als Treibstoff und kann nach einer einfachen Wartung wieder gestartet werden. Das Ersetzen der Halterung ist zeitaufwändig.

Wie schwierig ist es, eine Rakete mit Stäbchen aufzuheben?

Der Turm, mit dem das „Raumschiff“ gegriffen wird, heißt Mechazilla, was wörtlich „Mechanischer Godzilla“ bedeutet. Beide Roboterarme sind 36 Meter lang und 18 Meter hoch und können eine Last von mehr als 700 Tonnen tragen.

Anders als bei der Falcon-9-Rakete, die über vier Klappbeine direkt landen kann, hat SpaceX für den Super Heavy Booster und das Raumschiff Starship keine Landebeine von Anfang an entworfen.

Laut Professor Wang Huiquan von der Fakultät für Luft- und Raumfahrt der Zhejiang-Universität bietet das „Essstäbchen-Recycling“ zwei Hauptvorteile:

Lassen Sie die Rakete beim Bergen zunächst am Roboterarm in der Luft hängen und stapeln Sie dann die erste und zweite Stufe der Rakete direkt zusammen. Es kann sofort aufgetankt und einfach überholt und dann direkt wieder gestartet werden, was die Wiederverwendung erheblich beschleunigt.

Die Falcon-9-Rakete bereitet weitaus größere Probleme. Nach der Landung muss es zurück in die Fabrik transportiert werden, um dort viele Teile zu überholen, auszutauschen und zu überprüfen. Zudem hinterlässt der Methanmotor des „Starship“ nach der Verbrennung nahezu keine Rückstände, während der Kerosinmotor der Falcon 9 große Mengen an Verkokungen und Kohlenstoffablagerungen aufweist, die gereinigt und an das Werk zurückgeschickt werden müssen.

Zweitens wird durch den Wegfall der Landebeine die Nutzlast der Rakete erheblich erhöht, sodass sie mehr Menschen, Fracht und Treibstoff transportieren kann.

„Es gibt jedoch noch drei große Hindernisse für die Eroberung und Wiederherstellung des Turms“, erinnerte Wang Huiquan.

Erstens: genau. Die Turmbergung erfordert äußerst hohe Präzision. Aus dem Video geht hervor, dass sogar die tragenden Punkte am Raketenkörper mit dem Roboterarm ausgerichtet sein müssen. Jeder Fehler kann zu einem Ausfall oder sogar zu einer Kollision und Explosion führen.

Zweitens: stark. Die tragenden Punkte des Pfeilkörpers müssen stark genug sein. Wenn die „Stäbchen“ die Rakete zerbrechen, kann sie nicht wiederverwendet werden.

Drittens: Stabilität. Die beiden „Essstäbchen“ müssen über starke Puffer- und Stoßdämpfungseigenschaften verfügen, um den Pfeil sanft aufzufangen und die Aufprallkraft so gering wie möglich zu halten.

Rückblick auf die ersten vier Testflüge

Die „Starship“-Rakete ist etwa 120 Meter lang und hat einen Durchmesser von 9 Metern. Es besteht aus zwei Teilen. Die erste Stufe ist ein etwa 70 Meter langer „Super Heavy“-Booster, die zweite Stufe ist das Raumschiff „Starship“. Beide Stufen sind wiederverwendbar. Die Rakete ist dafür ausgelegt, Menschen und Fracht in die Erdumlaufbahn, zum Mond und sogar zum Mars zu befördern.

Starship hat inzwischen vier orbitale Testflüge durchgeführt.

Bei ihrem ersten Testflug im April 2023 explodierte die Rakete vor der Trennung der ersten und zweiten Stufe.

Beim zweiten Testflug im November 2023 gelang zwar die Trennung der ersten und zweiten Stufe der Rakete, anschließend explodierten jedoch Booster und Raumfahrzeug nacheinander.

Beim dritten Testflug im März 2024 gelang die Trennung der ersten und zweiten Stufe der Rakete, doch der Booster zerbrach nach einem Lande- und Zündversuch unerwartet, und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verlor das Raumfahrzeug den Kontakt.

Beim vierten Testflug am 6. Juni 2024 schloss „Starship“ die Erprobung aller vorgegebenen Vorhaben im Wesentlichen ab: Der „Super Heavy“-Rakete gelang eine kontrollierte, sanfte Wasserung. Obwohl die wärmeabsorbierenden Klappen des Raumschiffs Starship bei seiner Rückkehr zur Erde beschädigt wurden, galt die Wasserung im Indischen Ozean als erfolgreich.

Quelle: Huanqiu.com, Science and Technology Daily, China Business News, China Economic Net