Vom Misserfolg zum Durchbruch: Wie kam es zur Wiedergeburt der Rockets?

Am 29. August 2020, als die schwere Rakete Delta 4 der United Launch Alliance die Startmission NROL-44 durchführte, zündete die Rakete und inszenierte eine aufregende Szene, in der „Flammen auf der Bühne brannten, die Rakete jedoch bewegungslos blieb“. Bei Raketen handelt es sich im Wesentlichen um kontrollierte „Explosionen“ großer Mengen gefährlich energiereicher Treibstoffe. Gerät diese „Explosion“ außer Kontrolle, wird sie tatsächlich zu einer Explosion, die wir oft als Startfehler oder Anomalie bezeichnen. Da es sich bei modernen Trägerraketen jedoch um komplexe Transportmittel mit mehreren gekoppelten Systemen handelt, sind sie anfällig für häufige Probleme und Ausfälle. Wie unterscheiden sich verschiedene Raketen, wenn in verschiedenen Phasen Anomalien oder Fehler auftreten?

Nach der Zündung der Delta 4H-Rakete bleibt die Rakete bewegungslos

Was soll ich tun, wenn der Motor nach der Zündung plötzlich ausgeht?

Am 29. August 2020 kam es drei Sekunden vor dem Start plötzlich zu einer Fehlfunktion der drei RS-68-Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerke der ersten Stufe und des Boosters der Delta 4 Heavy-Rakete. Der normalerweise vom Triebwerk ausgestoßene Wasserstoff stieg auf und entzündete sich, doch weil die Rakete die Trägerrakete nicht verließ, umgab das Wasserstofffeuer die Rakete rasch. Das Raketensteuerungssystem führte automatisch eine Notabschaltung durch und der Start musste abgebrochen werden. Glücklicherweise war die Nutzlast innerhalb der Raketenverkleidung normal. Bei dieser Nutzlast handelte es sich um das neueste Modell des Aufklärungssatelliten mit dem Codenamen „Mentor“. Diese Satellitenserie ist ebenso berühmt wie das berühmte „Keyhole“ und ist für ihr Mysterium und ihre hohen Kosten bekannt. Es wird gesagt, dass die Kosten für die Satelliten höher sind als die gleiche Menge Gold. Aus diesem Grund ging das Startteam bei dieser Art von Nutzlast immer sehr vorsichtig vor, begab sich auf dünnes Eis und wagte nicht, den kleinsten Fehler zu machen.

Zufälligerweise war es dieselbe Rakete der United Launch Alliance, die im Januar 2019 vom Vandenberg Launch Center startete. Dasselbe Drama der „Notabschaltung“ spielte sich auch ab, als ein neuer Keyhole-Satellit für denselben Kunden gestartet wurde. Glücklicherweise war die Nutzlast zu diesem Zeitpunkt unversehrt. Einige Tage später stellte sich heraus, dass der Fehler durch den Sensor verursacht wurde. Nach der Fehlerbehebung konnte die Rakete normal gestartet werden.

Tatsächlich kommt es vor, dass es vor dem Start zu Notabschaltungen kommt. Ihre Ursache sind meist abnormale Signale, die während des Zündvorgangs des Motors erkannt und vom System automatisch ausgelöst werden. Als beispielsweise die Falcon-9-Rakete im Februar 2016 zum vierten Mal versuchte, den Satelliten SES-9 zu starten, erkannte das Zündsystem des Triebwerks einen ungewöhnlichen Schubabfall in einem Triebwerk, woraufhin die Rakete den Start sofort und automatisch abbrach. Dank der Rückhalte- und Auslösevorrichtung wurde die Rakete fest „gehalten“ und verließ die Startrampe nicht. Da es sich bei der Falcon 9 jedoch um eine mit flüssigem Sauerstoff und Kerosin betriebene Rakete handelt, fehlt ihr der „feurige Brenneffekt“ von Wasserstoff-Sauerstoff-Raketen. Es zündet lediglich das Zündmittel und gibt einen grünen Lichtblitz ab, bevor es abschaltet. Nachfolgende Untersuchungen ergaben, dass der Fehler durch das lange Stehen des unterkühlten Treibstoffs und die damit einhergehende Erhöhung seiner Temperatur verursacht wurde. Das unter Druck stehende Helium im Tank wurde mit dem Treibstoff vermischt und in die Turbopumpe gesaugt, was zu einem anormalen Schub führte.

Ähnliche Situationen sind in der Geschichte der Weltraumforschung keine Seltenheit, doch solange die Rakete die Startrampe noch nicht verlassen hat, besteht meist die Möglichkeit, Abhilfe zu schaffen.

Wie können Sie sich nach dem Abheben retten?

Was ist, wenn nach dem Start der Rakete Probleme auftreten? Da die Rakete von der Bodenunterstützung getrennt ist, kann sie sich grundsätzlich nur auf die „Selbstrettung“ verlassen. Es gibt zwei gängige Methoden zur Behebung.

Erstens: Wenn die Rakete selbst mit einer redundanten Energieversorgung ausgestattet ist, kann sie bei einer Fehlfunktion eines Triebwerks das defekte Triebwerk automatisch abschalten, und andere Triebwerke können parallel die Arbeit des defekten Triebwerks übernehmen. Durch die wiederholte Planung des Raketensteuerungs- und Navigationssystems kann die Arbeitszeit der verbleibenden Triebwerke entsprechend verlängert werden, um den Start zu retten. In der Vergangenheit wurde bei der Saturn V, dem Space Shuttle und der Falcon 9 auf redundante Stromversorgung zurückgegriffen, um Starts zu sichern. Dieses Design verbessert also indirekt die Zuverlässigkeit der Rakete.

Die zweite Lösung besteht eigentlich darin, die Betriebszeit des Motors zu verlängern, allerdings ist es die nächste Stufe des defekten Motors, die „hart arbeiten“ muss. So kam es beispielsweise im März 2016 beim Start der Mission Cygnus OA-6 dazu, dass das russische Triebwerk RD-180 der ersten Stufe der Atlas-V-Rakete fünf Sekunden vor dem Start plötzlich ausfiel. Anschließend verlängerte das RL-10-Triebwerk der zweiten Raketenstufe mit dem im Tank vorhandenen Treibstoffvorrat die Brenndauer um bis zu eine Minute und schickte das Raumfahrzeug schließlich in die Umlaufbahn.

Die sicher gestartete Raumsonde Cygnus nähert sich der Internationalen Raumstation

Diese vorzeitige Abschaltung mag trivial erscheinen, ist aber in Wirklichkeit äußerst gefährlich, denn wenn die RD-180 auch nur eine Sekunde früher abgeschaltet wird, schlägt der Start fehl und selbst wenn die zweite Stufe der Rakete den gesamten reservierten Treibstoff verbraucht hat, ist sie „nicht wiederherstellbar“. Bei Trägerraketen ohne redundante Stromversorgung ist ein Ausfall des Stromversorgungssystems während des Fluges fatal und kann leicht zu einem irreversiblen Startfehler führen.

Wenn also der Start einer Trägerrakete fehlschlägt, ist es ganz natürlich, aus den Fehlern zu lernen und von vorne zu beginnen. So brachte beispielsweise die Vega-Rakete, deren Start erst am 2. September wieder aufgenommen wurde, 53 Satelliten von 21 Kunden aus 13 Ländern gleichzeitig in die Umlaufbahn. Während es seine eigene „Wiedergeburtsreise“ erfolgreich abschloss, brach es auch den europäischen Rekord für den Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete.

Starts der Vega-Rakete werden fortgesetzt

Die Rakete hatte bereits im Juli 2019 bei einem Start einen Unfall und ist seitdem in Verruf geraten. Die Unfalluntersuchung ergab, dass die bei der Verbrennung der Feststoffladung der Rakete entstehenden Verbrennungsgase mit hohen Temperaturen die Struktur der zweiten Stufe beeinträchtigten und dazu führten, dass die Kohlefaserstruktur der zweiten Stufe durchbrannte, was schließlich zur Zerstörung der Rakete während des Fluges führte. Die Grundursache bestand darin, dass die Dicke der sekundären Wärmeschutzschicht bei der Herstellung der Rakete um etwa 1 mm abwich und die Qualitätskontrolle nicht bestand, was letztendlich zum Unfall führte.

Wie gelingt ein Comeback nach einem Fehlstart?

Nach einem fehlgeschlagenen Start führt das Forschungs- und Entwicklungspersonal im Allgemeinen eine systematische Überprüfung und Analyse der Subsysteme der gesamten Rakete durch. Während sie die Probleme lösen, gehen sie manchmal den Schwachstellen auf den Grund und verbessern die Rakete. Daher ist ein fehlgeschlagener Start normalerweise eine ausgezeichnete Gelegenheit, Trägerraketen zu aktualisieren, aufzurüsten und ihr Potenzial auszuschöpfen.

So konnte beispielsweise auch die Electron-Rakete, die neben der Vega-Rakete eine treibende Kraft im Bereich der Mikrosatellitenstarts darstellt, ihren Wiederherstellungsstart nach einem Fehlstart erfolgreich abschließen. Früher kam es bei einem Raketenstart zu einem Ausfall einer elektrischen Verbindung, wodurch die elektrische Pumpe an Leistung verlor und der Motor vorzeitig abgeschaltet wurde, was den Startfehler zur Folge hatte.

Start der Electron-Rakete wird fortgesetzt

Rocket Lab hat aus diesen Erfahrungen gelernt und außerdem ein gewichtsreduzierendes Batteriepaket für die elektrische Pumpe des Raketentriebwerks entwickelt, wodurch die Kapazität der neuen Rakete für niedrige Erdumlaufbahnen erhöht wird.

Zufällig nutzte auch SpaceX die Gelegenheit der „Rückkehr auf Null“, um seine Rakete zu verbessern. Im Juli 2015 zerbrach die Falcon-9-Rakete während der CRS-7-Frachtmission zur Internationalen Raumstation mitten in der Luft, da die COPV-Stützstangen am Tank der zweiten Stufe der Rakete nicht den Standards entsprachen. Dadurch wurden sowohl die Rakete als auch das Raumfahrzeug zerstört. Im Dezember desselben Jahres brachte SpaceX, sobald es die Starts wieder aufnahm, direkt eine neue Version der Falcon 9 mit vollem Schub auf den Markt.

Dieses Upgrade kann als „drastisch“ bezeichnet werden. Das Unternehmen verwendete nicht nur unterkühlten Treibstoff, sondern verlängerte auch den Tank der zweiten Stufe der Rakete, ersetzte ihn durch eine längere und stärkere Zwischenstufe aus Kohlefaser, fügte hydraulische Schubstangen zur Trennung der ersten und zweiten Stufe hinzu, verbesserte den Motorraum, rüstete die Landebeine auf und erhöhte schließlich den Schub des Merlin-1D-Triebwerks, wodurch sich die Fähigkeit der Rakete, in erdnahe Umlaufbahnen zu gelangen, letztlich um bis zu 33 % erhöhte.

Wenn es jedoch um ein typisches Beispiel für eine größere Modifikation nach einem Fehlschlag geht, könnte die Antares-Rakete das Richtige sein. Im Vergleich zur Aufrüstung und Modifikation der Falcon 9 wird bei diesem Raketentyp direkt der Motor ausgetauscht.

Im Oktober 2014 explodierte während der Cygnus-Startmission der Antares-Rakete plötzlich das AJ-26-Triebwerk der ersten Raketenstufe, nur 15 Sekunden nach dem Start. Die Unfallanalyse geht davon aus, dass Trümmer oder Herstellungsfehler zu Schäden am Pumpenlager des Motors geführt haben, die wiederum eine Kettenreaktion auslösten, die zur Explosion führte. Bei den beiden AJ-26-Triebwerken der ersten Stufe der Rakete handelt es sich eigentlich um NK-33-Triebwerke, die bereits zu Sowjetzeiten vor über 40 Jahren im Bestand waren. Sie wurden in den 1990er Jahren in den USA gekauft und generalüberholt, daher ist der Preis extrem niedrig. Infolgedessen musste das Unternehmen diesen Triebwerkstyp widerwillig aufgeben und auf das Triebwerk RD-181 umsteigen. Im Oktober 2016 nahm es die Starts schließlich wieder auf.

Explosionsszene der Antares-Rakete