Der Test der Zhuque-3-Testrakete war erfolgreich. Wie ist der Stand der wiederverwendbaren Raketen meines Landes?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Trantor Space (populärwissenschaftlicher Schöpfer)

Hersteller: China Science Expo

Vor kurzem hat die in China unabhängig entwickelte, wiederverwendbare Testrakete Zhuque-3 zur vertikalen Bergung im Satellitenstartzentrum Jiuquan einen Testflug mit vertikalem Start und Landung auf einer Höhe von 10 Kilometern absolviert. Dies ist ein weiterer Meilenstein, seit die Verifizierungsrakete Zhuque-3 VTVL-1 den Test im Januar 2024 erfolgreich abgeschlossen hat.

Die Suzaku-3 ist ein Produkt des privaten Trägerraketenunternehmens meines Landes, Landspace, und das neueste Modell der Suzaku-Raketenserie. Blue Arrow Aerospace begann 2018 mit den Tests von Zhuque-1 und hat daraus die aktuelle Verifikationsrakete Zhuque-3 VTVL-1 entwickelt. Dies stellt einen bedeutenden Durchbruch in der kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie meines Landes im Bereich der wiederverwendbaren Trägerraketentechnologie dar. Die zukünftige Entwicklungsrichtung liegt in der Entwicklung wiederverwendbarer Trägerraketen mit hoher Kapazität und niedrigen Kosten.

Livebilder der Blue Arrow VTVL-1-Rakete bei einem Höhenerholungstest aus 10 Kilometern Höhe

(Fotoquelle: Landspace)

Blue Arrow Aerospace Suzaku-3 große wiederverwendbare Rakete mit vertikaler Rückkehrtechnologie VTVL-1 Testrakete

(Fotoquelle: Landspace)

Warum wiederverwendbare Raketen entwickeln?

Unter einer wiederverwendbaren Rakete versteht man ein Trägersystem, dessen Raketenkomponenten teilweise oder vollständig geborgen und wiederverwendet werden können. Das Space Shuttle ist eigentlich ein wiederverwendbares Trägersystem, sein Problem besteht jedoch darin, dass es nicht kostengünstig eingesetzt werden kann.

Laut Daten einer Tagung des Ames Research Center der NASA aus dem Jahr 2018 kostet es etwa 1,5 Milliarden Dollar, eine 27,5 Tonnen schwere Nutzlast mit dem Space Shuttle in eine niedrige Erdumlaufbahn zu bringen, also etwa 54.500 Dollar pro Kilogramm. Die für kommerzielle Starts verwendete Trägerrakete Falcon 9 kostet hingegen 62 Millionen Dollar, um eine 22,8 Tonnen schwere Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn zu bringen, also etwa 2.720 Dollar pro Kilogramm. Obwohl das Space Shuttle ebenfalls ein wiederverwendbares Trägersystem ist, sind seine Startkosten offensichtlich zu hoch und es wird letztendlich abgeschafft werden.

Im Rahmen des Space-Shuttle-Programms kam es außerdem zu Problemen mit der Sicherheit der Wärmedämmvorrichtungen, weshalb die NASA bei jedem Start ein weiteres Space Shuttle an einem anderen Startplatz bereithalten musste, um jederzeit gerettet werden zu können, was die Startkosten weiter in die Höhe trieb.

Zwei Space Shuttles standen gleichzeitig an der Startstation, eines war zur Rettung bereit. Obwohl es sich beim Space Shuttle um ein wiederverwendbares Trägersystem handelt, sind die Startkosten daher extrem hoch.

(Bildnachweis: NASA)

Die aktuelle Definition wiederverwendbarer Raketen konzentriert sich eher auf ihre niedrigen Kosten. Mit anderen Worten: Wenn ein kostengünstiger Betrieb nicht erreicht werden kann, ist die Bedeutung der Wiederverwendbarkeit hinfällig. Aus Sicht der Trägerraketen ist die Kostenfrage der Engpass, der die groß angelegte Entwicklung erdnaher Umlaufbahnen derzeit behindert. Bei den Kosten handelt es sich hier nicht um die Gesamtkosten des Raketenstarts, sondern um die Kosten pro Kilogramm Nutzlast, die die Umlaufbahn erreicht, berechnet auf Grundlage des Startangebots und der Nutzlastmasse.

Daten des Center for Strategic and International Studies (CSIS) zeigen, dass die aktuellen Kosten pro Kilogramm Nutzlast für den Eintritt der Falcon Heavy-Rakete in eine niedrige Erdumlaufbahn 1.500 US-Dollar betragen. Das ist weniger als die 9.167 US-Dollar pro Kilogramm Nutzlast für die europäische Trägerrakete Ariane 5G und die 4.320 US-Dollar pro Kilogramm Nutzlast für die Proton-Rakete.

Wenn die Kosten für den Transport von Objekten in die Umlaufbahn gesenkt werden, wird die groß angelegte Entwicklung oder Kommerzialisierung erdnaher Umlaufbahnen möglich. Unser aktuelles Ziel als Weltraummacht ist die Entwicklung wiederverwendbarer Raketen. Beispielsweise erfordern die derzeit in der Umsetzung befindlichen Projekte Qianfan Constellation, Honghu Constellation und GW Constellation von China Star Network den Transport von Zehntausenden Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn. Im April 2020 hat mein Land erstmals Satelliteninternet in den Umfang der neuen Infrastruktur aufgenommen.

Die Senkung der Startkosten bedeutet auch, dass wir mehr Satelliten in die Umlaufbahn bringen können. Wenn wir eine wiederverwendbare Trägerrakete mit großer Schubkraft verwenden, werden die Kosten für den Bau einer Raumstation geringer sein, die Größe der Raumstation wird sich natürlich erhöhen und ihre Funktionen werden weiter erweitert.

Der Bau der Qianfan-Satellitenkonstellation hat begonnen

(Fotoquelle: CCTV)

Was ist das Prinzip wiederverwendbarer Raketen?

Bei den wiederverwendbaren Raketen, die mein Land derzeit entwickelt, liegt der Schwerpunkt auf der Bergung der ersten Stufe, um eine Wiederverwendbarkeit zu erreichen. Die Bergungsmethode besteht darin, den Booster seine Mission beenden zu lassen und dann vertikal zu landen. Um die erste Stufe der Rakete senkrecht landen zu lassen, ist es notwendig, die Richtung des Triebwerksstrahls und die Fluglage der Rakete zu kontrollieren. Während des Landevorgangs erzeugt das Triebwerk durch das Abwärtsstoßen von Luft eine nach oben gerichtete Reaktionskraft und steuert so schrittweise die Fallgeschwindigkeit der ersten Stufe. Wenn das Flugzeug eine bestimmte Höhe über dem Boden erreicht hat, werden die Landebeine ausgefahren, wodurch schließlich eine weiche, vertikale Landung an einem festen Punkt erreicht wird.

Zu den technischen Aspekten gehören die Anpassung des Triebwerkschubs, entsprechende Technologien zur Lageregelung bei der Rückkehr der ersten Stufe usw. Darüber hinaus ist es notwendig, wiederverwendbare Raketentriebwerke zu entwickeln. Die derzeit ideale Energiequelle für wiederverwendbare Motoren ist der Flüssigsauerstoff-Methan-Motor. Der im Suzaku-2 meines Landes verwendete Motor der Tianque-Serie ist der weltweit erste Flüssigsauerstoff-Methan-Motor, der erfolgreich in die Umlaufbahn eintrat. Der 200 Tonnen schwere Flüssigsauerstoff-Methan-Motor YF215 befindet sich ebenfalls in der Entwicklung. Dies ist das erste Raketentriebwerk meines Landes, das die Technologie des stufenweisen Vollstrom-Verbrennungszyklus nutzt, was der Ausweitung der Weltraumforschung meines Landes förderlich ist.

Die Trägerrakete Suzaku-2 Yao-2 wurde vom Jiuquan Satellite Launch Center in meinem Land gestartet

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Die Bergung des Boosters der ersten Stufe ist für die Wiederverwendbarkeit der Rakete von großer Bedeutung. Die Kosten für wiederverwendbare Triebwerke sind relativ hoch und machen etwa 60 bis 70 Prozent der Gesamtkosten eines Raketenstarts aus, hauptsächlich weil die Triebwerke relativ teuer sind. Die Falcon 9 verfügt über neun Triebwerke und jedes Triebwerk kostet etwa 2 Millionen US-Dollar. Allein die Kosten für die erste Booster-Stufe des Triebwerks belaufen sich auf etwa 18 Millionen US-Dollar, was einen großen Teil des Startangebots von 62 Millionen US-Dollar ausmacht.

Wenn mehr Booster vorhanden sind, beispielsweise drei, dann wird sich der Einfluss dieser Booster auf die Startkosten größer auswirken. Gleichzeitig hat die Ablösehöhe der ersten Booster-Stufe die Atmosphäre noch nicht verlassen und ist auch für die Bergung geeignet. Der technische Aufwand ist dabei weitaus geringer als bei der Bergung des Triebwerks der zweiten Stufe.

Der Testflug der Verifizierungsrakete Suzaku-3 VTVL-1 bestätigte diesmal die Technologie der vertikalen Rückkehr. Nach der Zündung und dem Abheben der ersten Stufe erreichte sie eine Höhe von 10 Kilometern. Diese Höhe wurde gewählt, da 10 Kilometer hoch genug sind, um verschiedene Störungen nachzuweisen. Während des Abstiegs kann die erste Stufe ihre Fluglage mithilfe von Gitterrudern, vertikalem Umkehrschub und Neustart des Raketentriebwerks gemeinsam steuern. Dies alles wird mit der Verifikationsrakete Suzaku-3 VTVL-1 getestet.

Mit zunehmender Masse der Rakete ist das Landekissensystem der Schlüssel zur sanften Landung der Rakete. Die Dämpfungsvorrichtung absorbiert die kinetische und potenzielle Energie des Raketenkörpers, um eine sichere Landung der Rakete unter komplexen Bedingungen zu gewährleisten.

Welche Eigenschaften hat die Rakete Suzaku-3 VTVL-1?

Die Suzaku-3 VTVL-1 ist als Verifizierungsrakete konzipiert und ist ein technischer Prototyp, der mit einem vollwertigen Triebwerk gebaut wurde. Blue Arrow Aerospace plant, eine Reihe von Schlüsseltechnologien für wiederverwendbare Raketen durch Tests zum vertikalen Starten und Landen zu verifizieren.

Bei der Testrakete handelt es sich um eine einstufige Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete mit einem Körperdurchmesser von 3,35 Metern, einer Länge von 18,3 Metern und einer Startmasse von etwa 68 Tonnen. Sie ist mit einem 80 Tonnen schweren, verbesserten Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerk vom Typ Tianque-12 mit variabler Schubeinstellung und Mehrfachzündung ausgestattet. Der Raketenkörper besteht aus einer hochfesten Edelstahlstruktur, verfügt über ein 4-teiliges Gitterrudersystem und hat 3 Sätze Landepuffermechanismen für eine sanfte Landung. Anhand des Aussehens lässt sich bestätigen, dass es sich bei der Suzaku-3 VTVL-1 nicht um das endgültige Modell handelt und sie weiterhin hauptsächlich zu Testzwecken verwendet wird. Der voll ausgestattete Suzaku-3 wird im Jahr 2025 seinen Jungfernflug absolvieren.

Demonstration der vertikalen Landetechnologie meines Landes

(Fotoquelle: Xinhuanet)

Vollständiges Statusbild von Suzaku-3

(Fotoquelle: Landspace)

Die Verifikationsrakete lässt sich optisch von der Rakete unterscheiden, die Startmissionen durchführen kann. Die Verifizierungsrakete verfügt über keine Verkleidung und ist einfach aufgebaut und muss lediglich die für den Test erforderlichen Hardwarebedingungen erfüllen.

Die voll funktionsfähige Zhuque-3 wird mit neun verbesserten Tianque-12-Triebwerken ausgestattet sein, die eine Nutzlast von 12 bis 21 Tonnen in eine niedrige Erdumlaufbahn befördern können, was China zu einem international führenden Land machen wird. Schließlich sind China und die USA derzeit die einzigen Länder, die wiederverwendbare Raketen entwickeln können. Unsere privaten Luft- und Raumfahrtunternehmen entwickeln jedoch viele Arten wiederverwendbarer Raketen. Neben Zhuque-3 gibt es auch die Trägerrakete Hyperbola-3, die Trägerrakete Tianlong-3 usw., wodurch eine Wettbewerbssituation entsteht, in der hundert Blumen blühen, und eine solide Grundlage für die groß angelegte Entwicklung des erdnahen Weltraums in meinem Land gelegt wird.

Da wiederverwendbare Raketen nicht hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit verglichen werden, wird die Leistungsfähigkeit einer wiederverwendbaren Rakete nicht danach beurteilt, ob sie umso besser ist, je größer die Tragfähigkeit ist. Vielmehr handelt es sich um die Kosten pro Kilogramm Nutzlast, um unter bestimmten Bedingungen in die Umlaufbahn zu gelangen. Natürlich gilt: Je niedriger diese Kosten sind, ohne die Tragfähigkeit zu beeinträchtigen, desto besser ist die Rakete. Aus dieser Perspektive verfügen sowohl Suzaku-3 als auch Tianlong-3 über ein extrem hohes Niedrigkostenpotenzial.

Quellen:

1. Die Kosten für Weltraumstarts sind in den letzten Jahren deutlich gesunken

2. Weltraumstart in eine niedrige Erdumlaufbahn: Wie viel kostet er?

3. Interstellar Shuttle: Eine fantastische Reise mit wiederverwendbaren Raketen

4. Aufmerksamkeit ausländischer Medien: China hat einen wichtigen Schritt beim Aufbau der „Tausend Segel-Konstellation“ getan