Wo liegt die Grenze der Wiederverwendung von Raketen? Die „Haltung“ der vertikalen Erholung muss stimmen!

Wiederverwendbarkeit ist ein unvermeidlicher Trend bei der Entwicklung von Raketen

Beim Thema „Wiederverwendung“ verbindet sich oft ein Gefühl, das vertraut und zugleich ungewohnt ist. Apropos „Vertrautheit“: Welches der Transportmittel, die die Menschen in ihrem Leben nutzen – Autos, Schiffe, Flugzeuge – ist nicht wiederverwendbar? Welches wird nach einmaligem Gebrauch weggeworfen? Apropos „seltsam“: Von der Wiederverwendung von Trägerraketen haben wir in der Vergangenheit kaum etwas gehört. Sie waren alle Einwegprodukte und niemand wusste, wo sie nach dem Start landeten. Warum sind Trägerraketen so? Wir müssen beim Ursprung der Trägerraketen beginnen, der berühmten Raketenformel.

Falcon-9-Rakete erreicht sanfte Landung der ersten Stufe

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckten die Menschen mit der Weiterentwicklung der Luftfahrttechnologie nach und nach, dass die Atmosphäre Grenzen hat, und schätzten sogar ihre Dicke. Herkömmliche Luftfahrzeuge, seien es Ballons, die auf Luftauftrieb beruhen, oder Flugzeuge, die auf aerodynamischem Auftrieb beruhen, können die Atmosphäre nicht verlassen.

Gibt es also ein Werkzeug, das es dem Menschen ermöglicht, über die Atmosphäre hinauszugehen? Da die Erde im Universum eine Kugel ist, können wir durch Ableitung grundlegender Kenntnisse der Mechanik erkennen, dass bei einer ausreichend hohen Geschwindigkeit eines Objekts die durch seine Bewegung um die Erde erzeugte Zentrifugalkraft durch die von der Erde auf das Objekt ausgeübte Schwerkraft ausgeglichen werden kann, sodass das Objekt der Atmosphäre entfliehen und in eine Umlaufbahn um die Erde eintreten kann. Dies ist die erste uns bekannte kosmische Geschwindigkeit von 7,8 km/s.

Der Schlüssel liegt hier darin, wie man das Objekt auf eine so hohe Geschwindigkeit bringt. Zu dieser Zeit trat der große Vater der Raketen, Ziolkowski, auf den Plan. Er leitete die Raketenformel ab und schlug einen praktikablen Weg vor, um mit einer Trägerrakete Objekte in die Erdumlaufbahn zu bringen.

Der Kern der Raketenformel besteht darin, Treibstoff in eine Geschwindigkeitssteigerung eines Objekts umzuwandeln. Aufgrund der Eigenschaften chemischer Treibmittel selbst muss jedoch die überwiegende Mehrheit der Startmasse einer Rakete aus Treibstoffmasse bestehen. Derzeit beträgt der Treibstoff einer Rakete üblicherweise 80 bis 90 Prozent ihres Eigengewichts. Der sichtbare Raketenkörper kann sogar als Treibstofftank bezeichnet werden. Als der Stand der Technik noch relativ niedrig war, konnte selbst eine Einweg-Trägerrakete mit einer so geringen Flugzeugmasse und so viel Treibstoffladung nicht abheben. Schließlich sind die mechanischen Bedingungen, denen eine Rakete während des Fluges ausgesetzt ist, viel rauer als die eines gewöhnlichen Flugzeugs.

Die Größe Ziolkowskis liegt darin, dass er das Konzept mehrstufiger Raketen ausschließlich durch mathematische Schlussfolgerungen entwickelte und damit den Grundstein dafür legte, dass Menschen mit einem relativ niedrigen Technologieniveau ins All fliegen konnten. Da eine mehrstufige Rakete verwendet wird, können einige der Raketenunterstufen, denen der Treibstoff ausgegangen ist, einzeln abgeworfen werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die endgültige Nutzlast eine ausreichende Geschwindigkeitssteigerung erreichen kann.

Das von Ziolkowski gezeichnete Raketenprinzipdiagramm

Flüssigkeitsraketen benötigen im Allgemeinen nur zwei Stufen, um eine niedrige Erdumlaufbahn zu erreichen, während Feststoffraketen im Allgemeinen drei oder sogar vier Stufen benötigen. Dies liegt daran, dass der spezifische Impuls von Feststoffraketentreibstoffen geringer ist. Um einen Start in eine geosynchrone Transferbahn zu erreichen, verfügen die derzeit weltweit gängigen Raketen im Allgemeinen über eine dreistufige oder zweieinhalbstufige Konfiguration. Beispiele hierfür sind die US-amerikanischen Trägerraketen Delta und Atlas, die russischen Trägerraketen Angara und Proton, die europäische Weltraumorganisation Ariane und die chinesische Trägerraketenserie Langer Marsch 3A.

Die Anforderung der Wiederverwendung bedeutet häufig, dass mehr Strukturmasse investiert werden muss, beispielsweise durch die Notwendigkeit, Landebergungsgeräte zu installieren und die Struktur zu verdicken und zu verstärken, um wiederholten Flugbelastungen standzuhalten. Unter diesen Umständen müssen die ersten Trägerraketen mehrstufige, nichtflüchtige Trägerraketen sein.

Mit dem Fortschritt der Technologie kann jedoch die Strukturmasse der Rakete immer leichter werden, während die Festigkeit immer höher wird, sodass der Entwicklungstrend der Trägerrakete vorgegeben ist, nämlich von mehrstufig zu einstufig, von Einweg zu wiederverwendbar und von teilweise wiederverwendbar zu vollständig wiederverwendbar.

Die „Falcon 9“ gilt derzeit als die modernste Trägerrakete. Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen handelt es sich um eine der wenigen zweistufigen Tandemraketen auf dem Markt, die sich an gängige Nutzlasten im geosynchronen Transferorbit (GTO) anpassen lässt und keinen Wasserstoff- und Sauerstoffantrieb benötigt. Dies zeigt, dass die Falcon 9 in puncto Leichtbauweise und umfassender Triebwerksleistung ein sehr hohes Niveau erreicht hat. Andererseits liegt es daran, dass die Falcon 9 eine teilweise Wiederverwendung erreicht hat und die Wiederverwendungsrate 80 % erreicht hat.

Vertikales Recycling erhöht die Wiederverwendungsmöglichkeiten

Seit die Technologie für Einweg-Trägerraketen ausgereift ist, streben die Menschen nach der Wiederverwendbarkeit. Um dieses Ziel zu erreichen, hat der Mensch viele Versuche unternommen und verschiedene technische Wege vorgeschlagen.

Die Saturn-I-Rakete war der erste Versuch der USA, eine wiederverwendbare Trägerrakete zu entwickeln. In den 1960er Jahren versuchte die NASA, die erste Stufe der Saturn-1-Rakete mithilfe von Gleitschirmflügeln zu bergen, um eine autonome Landung zu ermöglichen. Da die Landetechnologie damals jedoch noch nicht ausgereift war, blieb es bei dem Plan im verkleinerten Teststadium. In den 1950er Jahren versuchte auch die Sowjetunion, kleine Wetterraketen per Fallschirm abzuwerfen und war damit erfolgreich. Nach einer einfachen Reparatur gelang der kleinen Rakete ein zweiter Flug.

Im Jahr 1977 absolvierte das US-Space Shuttle seinen ersten bemannten Testflug mit vertikalem Start und horizontaler Landung. Die beiden Feststoffraketen des Space Shuttle wurden durch Fallschirme abgebremst und anschließend auf dem Meer abgespritzt, wo sie geborgen und wiederverwendet werden konnten. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts gelang es sowohl den Raketen der Falcon-Serie von SpaceX als auch der New Shepard-Rakete von Blue Origin, durch vertikalen Start und vertikale Bergung eine Raketenbergung und -wiederverwendung zu erreichen.

Raumfähre Atlantis

Darüber hinaus wurden zahlreiche Erkundungen mit vollständig wiederverwendbaren einstufigen Orbitalfahrzeugen durchgeführt. Im Jahr 1986 schlugen die Vereinigten Staaten die Entwicklung eines National Space Plane (NASP) mit einem luftatmenden Triebwerk vor. Aufgrund der hohen Entwicklungskosten und der technischen Schwierigkeiten des Projekts musste es jedoch 1994 eingestellt werden. 1996 beschlossen die Vereinigten Staaten erneut, die X-33 zu entwickeln, ein verkleinertes Testfahrzeug des raketengetriebenen einstufigen Orbitalfahrzeugs Venturestar. Aufgrund der hohen technischen Schwierigkeiten und der Terminüberschreitung wurde der Plan jedoch im Jahr 2001 aufgegeben.

Wiederverwendbare Trägersysteme können je nach den unterschiedlichen Start- und Landemethoden in drei Typen unterteilt werden.

Die erste Methode ist der horizontale Start/die horizontale Wiederherstellung.

Die Antriebsform des Startsystems mit horizontalem Start und horizontaler Bergung ist im Allgemeinen eine luftatmende kombinierte Antriebsform. Die luftatmende kombinierte Leistung kann den optimalen Betriebsmodus unter verschiedenen Flughöhen und Machzahlen ermöglichen, um die besten Beschleunigungs- und Reisefluganforderungen zu erfüllen. Es kann den Sauerstoff in der Atmosphäre voll ausnutzen, um sein eigenes Startgewicht zu reduzieren und wird so zum vielversprechendsten Antriebssystem der Zukunft. Nachdem die Programme verschiedener Länder für einstufige, luftatmende Raumflugzeuge in den 1990er Jahren aufgrund zu großer technischer Schwierigkeiten abgebrochen wurden, verfolgten alle Länder einen pragmatischeren Ansatz und entwickelten zunächst den ausgereifteren Raketenantrieb und dann den technisch anspruchsvolleren kombinierten luftatmenden Antrieb.

Die zweite Methode ist der vertikale Start/die horizontale Wiederherstellung. Bei einer raketengetriebenen, zweistufigen, wiederverwendbaren Orbitalrakete wird eine vertikale Startmethode verwendet, und die Hauptlasten sind axiale Lasten während des Starts und des Flugs. Der konstruktive Aufbau ist einfach. Gleichzeitig ist beim Senkrechtstart ein schnelles Durchqueren der Atmosphäre mit geringen aerodynamischen Widerstandsverlusten möglich. Die aerodynamische Form der Flügel-Rumpf-Kombination ermöglicht eine horizontale Landung, wobei der Luftwiderstand zum Abbremsen vor der Landung genutzt wird. Allerdings sind der Luftwiderstand und die aerodynamische Erwärmung während des Fluges größer als bei einer senkrechten Landung, sodass an den Tragflächen und am Rumpf Hitzeschutzmaßnahmen getroffen werden müssen. Darüber hinaus erfordert eine horizontale Landung eine längere Landebahn zum Rollen und Abbremsen. Die technischen Schwierigkeiten hinsichtlich Aerodynamik, Steuerung, Wärmeschutz usw. sind relativ groß und die Bauzeit für Infrastruktur wie Landebahnen ist relativ lang. Das wiederverwendbare Fahrzeug mit horizontal zurückkehrenden Flügeln verfügt über ausgezeichnete Hyperschallflugfähigkeiten und eine schnelle Reaktionsfähigkeit.

Ein typisches Beispiel für einen vertikalen Start/eine horizontale Bergung ist das US-Space Shuttle. Es handelt sich um ein Raumfahrzeug, das Menschen und Nutzlasten zwischen der Erde und einer niedrigen Erdumlaufbahn transportiert. Es handelt sich um ein Weltraumsystem, das sowohl die Funktionen eines bemannten Raumfahrzeugs als auch eines Trägers besitzt und wie ein Flugzeug landet. Da das Space Shuttle zu kompliziert ist, sowohl Menschen als auch Fracht transportieren kann, eine geringe Betriebseffizienz aufweist und weniger als zehnmal im Jahr fliegt, ist sein Betrieb zu einem teuren Flugzeug geworden. Die Praxis hat gezeigt, dass es die erwarteten Ziele in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit nicht erfüllt. Im Juli 2011 wurde das US-Space Shuttle nach Abschluss seiner 135. Mission offiziell außer Dienst gestellt. Statistiken zufolge beliefen sich die Gesamtkosten des Space-Shuttle-Programms auf 196 Milliarden US-Dollar. Dabei kostete jedes Space Shuttle etwa 12 Milliarden US-Dollar und ein einzelner Start etwa 450 Millionen US-Dollar (fast das Zehnfache des Budgets).

Die dritte Methode ist der vertikale Start/die vertikale Bergung.

Die Rakete hat eine spiralförmige aerodynamische Form und ein einfaches strukturelles Design. Im Allgemeinen wird eine vertikale Landemethode angewendet. Das zusätzliche Gewicht der zur Landung verwendeten Struktur ist relativ gering. Im Vergleich zur horizontalen Landemethode sind die Aerodynamik-, Steuerungs- und Wärmeschutztechnologien weniger anspruchsvoll. Allerdings muss das Triebwerk über einen großen Schubanpassungsbereich verfügen und die Verzögerung des Treibstoffs muss zurückgehalten werden, was zu einem teilweisen Verlust der Tragfähigkeit führt.

Typische Vertreter des vertikalen Starts/der vertikalen Bergung sind die Raketen der Falcon-Serie der Space Exploration Technologies Corporation und die New Shepard-Rakete von Blue Origin. Beide haben Raketen mehrfach geborgen und wiederverwendet, was die Reife der Technologie voll und ganz bestätigt. Gleichzeitig sind auch die Kosten für den Einsatz von Raketen deutlich gesunken. Laut Elon Musk können durch die Bergung und Wiederverwendung der Erststufenrakete die Kosten auf Basis der aktuellen Kosten um weitere 70 % gesenkt werden.

Blue Origin New Shepard

Deutsches Orbitalfahrzeug

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Technologie für horizontale Starts und horizontale Landungen relativ komplex ist und es schwierig ist, kurzfristig über die erforderlichen technischen Anwendungsmöglichkeiten zu verfügen. Obwohl der vertikale Start/die horizontale Landung die Voraussetzungen für die technische Praxis erfüllt, sind die Kosten für Nutzung und Wartung hoch und für die Betreiber in der Regel nicht tragbar. Für den vertikalen Start/die vertikale Landung ist keine Änderung der Raketenkonfiguration erforderlich und der technische Aufwand ist relativ gering, was die Kosten für Raketenstarts deutlich senkt und die Technologie zum beliebtesten Weg für wiederverwendbare Technologien gemacht hat.

Wie man die Lebensdauer eines wiederverwendbaren Flugzeugs misst

Bevor wir die Begrenzung der Wiederverwendungsanzahl wiederverwendbarer Trägerraketen, also die Begrenzung ihrer Lebensdauer, diskutieren, müssen wir zunächst die Faktoren verstehen, die die Lebensdauer wiederverwendbarer Trägerraketen beeinflussen. Abhängig von verschiedenen Einflussfaktoren kann die Lebensdauer einer wiederverwendbaren Trägerrakete in drei Typen unterteilt werden: Entwurfslebensdauer, wirtschaftliche Lebensdauer und technische Lebensdauer. Die wirtschaftliche Lebensdauer ist viel länger als die geplante Lebensdauer, während die technische Lebensdauer und die wirtschaftliche Lebensdauer von ihren jeweiligen Kosten abhängen und normalerweise die teurere der kostengünstigeren weicht.

Am 7. Februar 2018 brachte die Falcon Heavy-Rakete einen kirschroten Tesla-Sportwagen erfolgreich in die Umlaufbahn des Weltraums, und zwei Booster wurden erfolgreich gelandet und geborgen.

Unter der geplanten Lebensdauer versteht man die Zeitspanne von der Verwendung einer wiederverwendbaren Trägerrakete ab dem Zeitpunkt, an dem sie brandneu ist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem ihre Hauptausrüstung ausfällt und die Rakete nicht mehr gestartet werden kann. Beispielsweise führen Aufprallversagen der Landehalterung, Alterung und Rissbildung des Raketenkörpers, übermäßige Verkokung der Motorkühlrohre, Ermüdungsrisse der Turbopumpe usw. dazu, dass die Trägerrakete nicht mehr verwendbar ist.

Unter technischer Lebensdauer versteht man die Zeit vom Beginn der Nutzung einer wiederverwendbaren Trägerrakete bis zu ihrer Außerdienststellung aufgrund technologischer Veralterung. Der technologische Fortschritt wird dazu führen, dass die Lebensdauer bestehender Raketenmodelle verkürzt wird und diese vorzeitig ausgemustert werden. Beispielsweise verfügen neue Raketen aufgrund der Einführung bestimmter technologischer Innovationen über eine höhere Einzelschuss-Tragfähigkeit und können höhere Marktrenditen erzielen, wodurch sich die Lebensdauer älterer Raketenmodelle naturgemäß verkürzt.

Nehmen Sie zum Beispiel die Trägerrakete Falcon 9. Es kann entsprechend der technologischen Iteration in drei Generationen mit den Codenamen v1.0, v1.1 und v1.2 unterteilt werden. v1.2 kann weiter in drei Versionen unterteilt werden, Block 3 bis 5. Beginnend mit v1.1 hat SpaceX einen vertikalen Bergungstest der ersten Stufe durchgeführt und die ersten erfolgreichen Bergungen von F21 und F23 von v1.2 Block 3 an Land und auf See erreicht. Der F55 ist der Erstflug der Block5-Konfiguration v1.2 und die erste Stufe startet mit der Nummer B1046. Obwohl die Versionen vor Block5 wiederverwendbar waren, wurden sie nie mehr als zweimal verwendet. Aufgrund ihrer technologischen Rückständigkeit wurden sie auf natürliche Weise eliminiert und ihre technische Lebensdauer ist damit beendet.

Unter wirtschaftlicher Lebensdauer versteht man die wirtschaftlichste Nutzungsdauer einer wiederverwendbaren Trägerrakete, d. h. ihre Nutzungsdauer wird anhand der Bewertungskriterien der niedrigsten Betriebskosten oder des höchsten wirtschaftlichen Nutzens bestimmt. Mit der zunehmenden Zahl der Einsätze wiederverwendbarer Trägerraketen nimmt die Leistung ihrer Hauptkomponenten allmählich ab. Am Ende der Lebensdauer steigen die Wartungskosten aufgrund der häufigen Fehler erheblich an. Nach der Inbetriebnahme einer wiederverwendbaren Trägerrakete sinken die jährlichen Baukosten, je länger sie im Einsatz ist, die Wartungs- und Betriebskosten steigen jedoch jedes Mal. Die durchschnittlichen Kosten für jeden Raketenstart sind im Rahmen der sinnvollsten Anzahl von Einsätzen am niedrigsten, und das ist ihre wirtschaftliche Lebensdauer.

Wenn uns nur Durchbrüche bei der Mehrwegtechnologie gelingen, diese aber wirtschaftlich nicht tragfähig ist, wird es schwierig, eine langfristige Anwendung zu erreichen. Obwohl das Space Shuttle beispielsweise technologisch hochentwickelt ist, übersteigen die Kosten für Wartung und Start nach jeder Bergung die Erwartungen bei weitem. Die ursprüngliche Schätzung lag lediglich bei über 30 Millionen US-Dollar, die tatsächlichen Kosten beliefen sich jedoch auf 400 bis 500 Millionen US-Dollar, was ein wichtiger Grund dafür war, dass die Wartung des Space Shuttles schwierig war.

Die derzeitige Begrenzung der Wiederverwendungshäufigkeit der Trägerrakete Falcon 9 wird hauptsächlich durch ihre wirtschaftliche Lebensdauer bestimmt.

Wiederverwendbare Raketen: Die Grenzen der Lebensdauer ausloten

Um die wirtschaftliche Lebensdauer eines Transportmittels genau und zuverlässig zu ermitteln, ist es notwendig, Statistiken anhand einer großen Stichprobengröße durchzuführen und ein genaues Vorhersagemodell zu entwickeln. Auf diese Weise können die Hersteller bestimmen, wie oft das Auto gewartet werden muss, wie oft größere Reparaturen erforderlich sind und wie oft es verschrottet werden sollte, genau wie bei den Autos, die wir kennen. Tatsächlich gilt das Gleiche für Flugzeuge. So muss beispielsweise ein Airbus 320 nach 600 Flugstunden einen A-Check und nach 18 Monaten Flugzeit einen aufwändigen C-Check durchlaufen. Grundsätzlich muss das gesamte Flugzeug zur Inspektion zerlegt werden und die Reparaturzeit kann zwischen 20 und 60 Tage betragen.

Allerdings hat die Trägerrakete Falcon 9 dieses Musterniveau noch nicht erreicht. SpaceX lotet immer noch die Grenzen seiner wirtschaftlichen Lebensdauer aus. Obwohl Musk einmal behauptete, dass die Falcon 9-Rakete innerhalb von 10 Mal geborgen und ohne Wartung mit Treibstoff nachgefüllt werden könne, genau wie ihr erster erfolgreich geborgener Booster. Betrachtet man jedoch die tatsächlichen Zeitintervalle für die Wiederverwendung desselben Boosters, beträgt das kürzeste Intervall 38 Tage, das längste 619 Tage und der Durchschnitt 167 Tage. Innerhalb eines Monats kam es nicht einmal zu einer Wiederverwendung, was zeigt, dass SpaceX diese Zeit nutzt, um eingehende Inspektionen und Tests an den geborgenen Boostern durchzuführen. Nur wenn wir die Leistungsverschlechterung jeder Komponente so detailliert wie möglich verstehen, können wir schneller genaue Lebensdauermodelle und Betriebsspezifikationen erstellen. Eine kostengünstige Mehrwegrakete muss nicht bei jedem Rückflug in Einzelteile zerlegt, jedes Teil sorgfältig geprüft und beim kleinsten Fehler nicht wiederverwendet werden.

Die Bergung der Falcon 9-Rakete schlug fehl, die erste Stufe stürzte ins Meer

Anfang Februar 2020 gab ein Ingenieur von SpaceX bekannt, dass das Unternehmen ein Team zur Überholung von Raketenkörpern eingerichtet habe, das der Wartung ziviler Verkehrsflugzeuge ähnelt. Während des Überholungsprozesses müssen die Verbindungen und Schweißnähte überprüft und sichergestellt werden, dass die gesamte Avionikausrüstung ordnungsgemäß funktioniert. Die aktuellen Wartungsarbeiten erfordern äußerste Sorgfalt und dauern einen Monat, wobei das Team noch in der Praxis damit beschäftigt ist. Dies zeigt, dass eine wirklich schnelle Erkennung und Wiederverwendung noch immer Gegenstand von Forschung und Tests ist.

B1051.7-Booster wird in der Werkstatt einer Überholung unterzogen

Am 18. März 2020 wurde die sechste Charge von Starlink-Satelliten gestartet, wobei erstmals eine fünfarmige Erststufenrakete zum Einsatz kam. Am Ende des Fluges der ersten Stufe fiel jedoch eines der Außentriebwerke aus und es gab Probleme bei der Bergung der ersten Stufe, sodass die Landung nicht erfolgreich war. Am Vorabend des Starts erklärte Präsident und Chief Operating Officer Shotwell, das Unternehmen werde keine weiteren Konstruktionsverbesserungen an der ersten Stufe der Falcon-9-Rakete vornehmen und plane nicht, die erste Stufe mehr als zehnmal wiederzuverwenden.

Es scheint, dass, wenn SpaceX die Technologie der ersten Stufe der Falcon 9-Rakete nicht verbessert, die Wiederverwendungsgrenze auf 10 Mal begrenzt sein könnte.

Wir wissen, dass der Durchbruch bei der Wiederverwendung der Falcon-9-Rakete vor allem deshalb erzielt werden konnte, weil SpaceX dieses Killer-Feature nutzen muss, um die Startkosten deutlich zu senken und sich dadurch einen absoluten Vorteil auf dem Markt für kommerzielle Satellitenstarts zu verschaffen. Es ist zu erwarten, dass bei dem Auftauchen neuer Konkurrenten und angesichts der starken Konkurrenz die Technologie wiederverwendbarer Raketen weiterhin gefördert und ihre Lebensdauer weiter verbessert wird.