Wie lässt sich durch den Wettbewerb um den Start mehrerer Satelliten ins All eine gemeinsame Nutzung von Raketen erreichen?

Das Jahr 2023 neigt sich im Handumdrehen dem Ende zu, doch Chinas Raumfahrtindustrie hält noch immer an einer hohen Startdichte fest, erzielt kontinuierlich Durchbrüche und liefert immer wieder beeindruckende Ergebnisse. Am 26. startete mein Land erfolgreich den 57. und 58. Beidou-Navigationssatelliten mit der Trägerrakete Langer Marsch 3B und der Oberstufe Yuanzheng-1 im Satellitenstartzentrum Xichang. Doch der Start von zwei Satelliten mit einer Rakete sei nur eine „kleine Szene“. Bereits im Juni dieses Jahres startete China mit der Trägerrakete Langer Marsch 2D vom Satellitenstartzentrum Taiyuan erfolgreich 41 Satelliten, darunter den Satelliten Jilin-1 Gaofen 06A. Damit brach das Land den Rekord für die größte Anzahl an auf einmal gestarteten Satelliten in China , was von außerordentlicher Bedeutung ist.

Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua (Foto von Zheng Bin)

Unter dem Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete versteht man die Technologie, mit einer Trägerrakete mehrere Satelliten gleichzeitig oder nacheinander in eine vorgegebene Umlaufbahn zu bringen . Wie sitzen Satelliten in einer Reihe auf der Rakete und wie können sie nach der Ankunft am Zielort geordnet „aussteigen“? Lassen Sie uns heute über die Geschichte hinter dem „Raketenbau“ sprechen.

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Hochwertige „ Zutaten “ werden oft mit einfachen und hochwertigen „ Kochmethoden “ zubereitet.

Im Vergleich zum herkömmlichen Start eines einzelnen Satelliten kann durch „mehrere Satelliten in einer Rakete“ die Tragfähigkeit der Rakete besser ausgenutzt und die Starteffizienz verbessert werden. Es scheint sich um eine „High-End-Operation“ großer Luft- und Raumfahrtunternehmen zu handeln, tatsächlich handelt es sich jedoch um eine konventionelle Option , um die Startkosten von Trägerraketen zu sparen und als Reaktion auf den zunehmend wettbewerbsintensiven Markt für kommerzielle Weltraumstarts die Startkosten zu senken .

Das erste Land, dem der Start mehrerer Satelliten mit einer einzigen Rakete gelang, waren die Vereinigten Staaten. Im Jahr 1960 starteten die Vereinigten Staaten erstmals zwei Satelliten mit einer Rakete und 1961 erreichten sie das Ziel, drei Satelliten mit einer Rakete zu starten. Anschließend startete die Sowjetunion mit einer einzigen Rakete mehrere Male acht Satelliten. Später beherrschte auch die Europäische Weltraumorganisation diese Starttechnologie. Im September 1981 gelang es China, mit einer Trägerrakete des Typs „Storm-1“ eine Gruppe von drei Satelliten des Typs „Practice-2“ in die Erdumlaufbahn zu bringen. Damit war China das vierte Land, das eigenständig die Technologie beherrschte, mehrere Satelliten mit einer einzigen Rakete zu starten. Indien und Japan gelang es 2008 bzw. 2009, mit jeweils einer Rakete mehrere Satelliten zu starten.

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Bei diesen frühen Startmissionen mehrerer Satelliten handelte es sich im Wesentlichen um spezielle Nutzlasten im Dienste der Regierung. Ihr grundlegendes Merkmal bestand darin, dass die Satellitennutzlasten zu Beginn der Entwicklung über eine detaillierte Kommunikation und Koordination mit der Trägerrakete verfügten. Für den vollständigen Erfolg der Mission führten beide Parteien entsprechende Anpassungskonstruktionen durch, darunter zusätzliche Halterungen, tragende Strukturen usw. Diese Strukturen sind jedoch in der Regel nicht universell einsetzbar und werden nach Abschluss der Mission keinen Nutzen mehr haben.

Mit der Zunahme von Kommunikationssatellitenkonstellationen besteht im Luft- und Raumfahrtbereich die Notwendigkeit, wiederholt denselben Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete wie Iridium und Globalstar durchzuführen. Um diese Großkunden optimal bedienen zu können, werden Trägerraketen aufgrund der großen Stückzahlen üblicherweise mit speziellen Satellitenhalterungen oder sogar Oberstufen für sie angefertigt. Um beispielsweise den Satelliten Iridium zu starten, wurde Chinas Trägerrakete Langer Marsch 2C entwickelt und mit einem parallelen intelligenten Doppelsternverteiler für die Oberstufe ausgestattet .

Später tauchten Mikrosatelliten auf. Diese Satelliten sind leicht, klein und erfordern nur geringe Investitionen. Die meisten davon werden für die technologische Forschung verwendet und man hofft, so kostengünstig in den Weltraum vordringen zu können. Daher lässt die Trägerrakete oft zusätzlichen Platz an der Satellitenhalterung der Hauptnutzlast oder der letzten Raketenstufe, um diese ins All zu „befördern“. Dieser Ansatz wird „Piggybacking“ genannt. Der mitgeführte Satellit ist hinsichtlich Entwicklungsfortschritt, Startbahn und Umweltanforderungen der Hauptnutzlast völlig untergeordnet und hat keinerlei Mitspracherecht. Man kann sagen, dass man, um den Weltraum zu betreten, zu einem „bescheidenen kleinen durchsichtigen Wesen“ werden muss.

In den letzten Jahren ist mit der dynamischen Entwicklung des Kleinsatellitenmarktes die Nachfrage nach Kleinsatellitenstarts rapide gestiegen, und die Zahl der Kleinsatellitenstarts macht den größten Teil der Gesamtzahl der Satellitenstarts pro Jahr aus. Einer Prognose eines europäischen Beratungsunternehmens aus dem Jahr 2021 zufolge werden von 2021 bis 2030 weltweit insgesamt 13.912 Mikrosatelliten gestartet, wobei die durchschnittliche Startmasse pro Satellit lediglich 180 Kilogramm beträgt. Unter diesen Umständen ist der Sammelkauf von Raketen populär geworden und der Umfang des Starts mehrerer Satelliten mit einer Rakete nimmt immer mehr zu. Im Jahr 2017 startete Indien 104 Satelliten mit einer Rakete, und das US-Unternehmen SpaceX stellte im Jahr 2021 einen Rekord von 143 Satelliten mit einer Rakete auf.

Die Schwierigkeit, den Start einer großen Zahl kleiner Satelliten aufgrund von Gruppenkäufen zu organisieren, hat zur Gründung einer Reihe von Zwischenunternehmen geführt, die sich auf „Gruppenkäufe“ spezialisiert haben . Sie müssen umfangreiche Kundenkoordinationsarbeiten durchführen, um die Auswirkungen von Verzögerungen und Änderungen einiger Kunden auf den Gesamtfortschritt zu beheben. Zu den namhaften Startvermittlungsunternehmen zählen unter anderem Exolaunch in Berlin, Deutschland, D-Orbit in Italien und Spaceflight in Seattle, USA.

Am 23. Dezember Ortszeit startete und bergte SpaceX erfolgreich 23 V2mini-Starlink-Satelliten (G-32). Dabei handelte es sich um das erste Mal, dass wiederverwendbare Raketen zum Einsatz kamen, womit der bisherige Rekord gebrochen wurde.

Bildquelle: Offizieller SpaceX-Account

Um den Markt für Kleinsatelliten zu erobern, greift SpaceX zudem auf den Trick der „Flightization“ zurück. Das heißt, wie bei einem Hochgeschwindigkeitszug fährt der Zug pünktlich ab, unabhängig davon, ob alle Kunden, die Tickets gekauft haben, anwesend sind, um die Sicherheit des Starts zu erhöhen. Zudem wurde die Abflugfrequenz erhöht, sodass verspätete Kunden nicht in Panik geraten müssen und gegen einen geringen Aufpreis den nächsten Flug erreichen können. Auf diese Weise ist SpaceX für die überwiegende Mehrheit der Kunden kleiner Satelliten zur ersten Wahl geworden und hat seine beherrschende Stellung gefestigt. Darüber hinaus ist der Flugbetrieb durch eine Vielzahl von Kunden ein echter Garant, was diese vorteilhafte Position wiederum weiter stärkt. Überlegen Sie einmal: Würden Sie einen pünktlichen Bus oder ein „schwarzes Auto“ wählen, das warten muss, bis es voll ist, bevor es abfährt?

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Satelliten müssen nicht nur Passagiere beherbergen , sondern auch bequem sitzen können

Um mehrere Satelliten mit einer Rakete zu erreichen, ist die Anzahl der Satelliten nicht entscheidend. Entscheidend ist, wie sichergestellt werden kann, dass alle Satellitenpassagiere bequeme Sitze haben, Stöße und Gedränge beim Start vermieden werden und sie sicher den Weltraum erreichen. Dadurch wird der technische Inhalt hervorgehoben.

Um so viele Satelliten gleichzeitig sicher und reibungslos in die Umlaufbahn zu bringen, muss zunächst die Anordnung der Satelliten in der Verkleidung gelöst werden. Dabei muss nicht nur sichergestellt werden, dass sie „sitzen“, sondern auch, dass sie „bequem sitzen“ können. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Sitzanordnung entsprechend der Satellitenstruktur und den Missionsanforderungen zu optimieren.

Um dem Satelliten einen festen Halt zu geben und den Raketenschub sicher auf den Satelliten zu übertragen, ist die Rakete in der Regel mit einer konischen Satellitenhalterung ausgestattet. Das Ende mit dem größeren Durchmesser unten ist mit der zylindrischen Außenhülle der Raketenendstufe verbunden, das Ende mit dem kleineren Durchmesser oben ist mit dem Raketen-Stern-Andockrahmen des Satelliten verbunden.

Bei einer alleinigen Raketenstartmission kann der Satellit ausschließlich die Satellitenhalterung, den Gurt und andere Entriegelungs- und Trennvorrichtungen der Rakete nutzen. Für die Starts mehrerer Satelliten gibt es jedoch zu viele Leute und zu wenig Nahrung, und ein Andockrahmen reicht bei weitem nicht aus. Diese Satelliten unterscheiden sich in Größe, Gewicht und Form und der Raum innerhalb der Raketenverkleidung muss effektiv begrenzt, zugewiesen und genutzt werden, damit die Satelliten erfolgreich geladen und getrennt werden können.

Dies erfordert die Verwendung eines Konvertierungsgeräts, um mehrere verschiedene Satellitenschnittstellen für alle anzudocken und zu installierenden Satelliten zu konvertieren. Dieses Gerät wird allgemein als „Mehrsternverteiler“ bezeichnet. Es gibt viele Arten von Distributoren. Beim Start ähnlicher Satellitentypen kann ein zentraler, lasttragender Zylinderverteiler oder ein Scheibenverteiler verwendet werden. Alternativ kann ein Kegelverteiler eingesetzt werden, um die Freigabe des Satelliten nach außen zu erleichtern .

Auf dem Multi-Satelliten-Verteiler werden die Satelliten entsprechend ihrer jeweiligen Eigenschaften angeordnet. Einige stehen aufrecht auf der Oberseite, andere hängen seitlich an der Wand und wieder andere sind in Auslösevorrichtungen verpackt, um sicherzustellen, dass sich alle an ihrem richtigen Platz befinden, den Flugbedingungen während des Raketenstarts standhalten und sicher ins All gelangen können.

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Der Moment der Trennung : „ Schnallen Sie sich ab und steigen Sie sicher aus dem Auto aus ! “

Nachdem die Rakete den Satelliten sicher in den Weltraum geschickt hat, muss sie noch den letzten entscheidenden Schritt abschließen, nämlich dem Satelliten beim Herunterfallen „helfen“ und ihn in sein gelobtes Land schicken. Dies erfordert die Beherrschung einer stabilen und zuverlässigen Technologie zur „Satelliten-Raketen-Trennung“. Die Satelliten müssen vom Mehrsatellitenverteiler getrennt sein und dürfen nicht miteinander kollidieren. Darüber hinaus ist es notwendig, die beste Flugroute auszuwählen und den besten Abstandszeitpunkt festzulegen, damit möglichst viele Satelliten in ihren jeweiligen Umlaufbahnen operieren können . Darüber hinaus müssen wir auch die Auswirkungen von Änderungen in der Struktur und im Schwerpunkt der Rakete berücksichtigen, wenn sie sich allmählich vom Satelliten löst, um zu verhindern, dass die Rakete außer Kontrolle gerät und mit dem Satelliten kollidiert.

Je mehr Satelliten vorhanden sind, desto größer ist das Risiko einer Kollision im Orbit, nachdem sich die Satelliten von der Rakete getrennt haben. Um Massenkollisionen zu vermeiden, werden die Satelliten auf dem Mehrsatellitenverteiler im Allgemeinen nach Schichten gruppiert und die Satelliten einzeln in Gruppen aufgeteilt. Nachdem sich jede Satellitengruppe getrennt hat, aktiviert die Rakete den Umkehrschub, um den Abstand zwischen sich und den gerade freigegebenen Satelliten zu vergrößern, und beginnt dann mit der Trennung der nächsten Satellitengruppe bis zum Ende . Auf diese Weise ist die Sicherheit der Trennung untereinander gewährleistet.

Nachdem die Trägerrakete Langer Marsch 2D etwa 840 Sekunden geflogen war, begannen sich nacheinander 41 Satelliten von der Rakete zu lösen.

Bildquelle: CCTV News Screenshot

Die Wahl der Methode zur Trennung mehrerer Satelliten mit einer Rakete hat große Auswirkungen auf die Genauigkeit und Sicherheit der Satellitentrennung. Dabei müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, wie etwa Reihenfolge, Zeitpunkt, Winkel und Geschwindigkeit der Trennung der verschiedenen Satelliten. Da der Trennungsprozess durch mehrere Faktoren wie Lagestabilität, Erdanziehungskraft und Luftwiderstand gestört wird, sind zur Realisierung des Trennungsprozesses zahlreiche Simulationsberechnungen erforderlich. Zudem müssen im tatsächlichen Prozess verschiedene Aktionen genau kontrolliert werden, um die Genauigkeit und Sicherheit der räumlichen Position und der Orbitalparameter des Satelliten nach der Trennung zu gewährleisten.

Mit der Weiterentwicklung der Satellitentechnologie in Ländern rund um die Welt erwacht eine neue kommerzielle Dynamik im „Satellitenexpress“. Zudem zeichnet sich ab, dass in Zukunft mehr Menschen in den Weltraum vordringen werden.

Autor: Yu Yuanhang, leitender Ingenieur, Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering

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