Wie viele Schritte sind nötig, um eine Rakete zu bergen?

Ich sagte, unser Beidou-System sei gebaut worden, und Sie sagten, ihre Raketen könnten geborgen werden. Ich sagte, unsere Raumstation sei gebaut, und Sie sagten, ihre Raketen könnten geborgen werden. Ich sagte, wir hätten Erde vom Mond gegraben, und Sie sagten, ihre Raketen könnten geborgen werden. Ich sagte, wir würden bald Menschen zum Mond schicken, und Sie meinten trotzdem, ihre Raketen könnten geborgen werden. Nun, heute ist die letzte Folge der Serie „Arrow of the Sky“ und heute sprechen wir über die Bergung von Raketen.

Frühe Raketenbergung

Tatsächlich war die Bergung von Raketen schon in den Anfängen der menschlichen Weltraumforschung ein schöner Wunsch. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs führten die Vereinigten Staaten eine Reihe von Flugtests mit den V-2-Raketen durch, die sie aus Deutschland erhalten hatten. Allerdings war die Zahl der Raketen, die sie zurückbekamen, begrenzt und jeder Test führte dazu, dass immer weniger Raketen abgefeuert wurden. Sie dachten also, sie könnten einen Fallschirm daran anbringen, damit es langsam landet, anstatt auf den Boden zu stürzen. Aber die Ideale sind vielfältig und die Realität dürftig. Zu diesem Zeitpunkt fiel die V-2 zu schnell und wie erwartet wurde der Fallschirm gleich nach dem Auslösen in Stücke gerissen. Es war nicht ausgereift.

Später begannen die USA und die Sowjetunion einen Sternenkrieg im Weltraum. Zu dieser Zeit strebten beide Länder um jeden Preis nach dem Ersten: dem ersten künstlichen Satelliten, dem ersten bemannten Raumschiff, dem ersten Weltraumspaziergang, der ersten bemannten Mondlandung, der ersten Raumstation und so weiter. Und wie viel hat es gekostet? ist mir scheißegal! Später ermöglichte der Erfolg des Apollo-Programms den Amerikanern, im Wettlauf ins All eine objektive Führung zu erlangen. Während sie jubelten, warfen sie einen Blick auf die Rechnung und verspürten ... ein leichtes Unbehagen.

Also begannen sie, mit wiederverwendbaren Raketen zu experimentieren – dem Space Shuttle . Klingt das, was ich oben gesagt habe, ein bisschen seltsam? Ist es eine Rakete oder ein Flugzeug? Tatsächlich können wir es uns als eine flugzeugförmige Rakete vorstellen. Die Energie, die es beim Start nutzt, sind die drei Flüssigwasserstoff- und Flüssigsauerstoff-Raketentriebwerke in der Mitte und die beiden Feststoffraketentriebwerke an der Seite. Es handelt sich also natürlich um eine Rakete. Auf dem Rückweg gleitet es und landet wie ein Flugzeug, genauer gesagt ein Segelflugzeug, auf der Landebahn des Flughafens. Die Booster auf beiden Seiten werden mit Fallschirmen geborgen. Der große Tank in der Mitte ist der billigste Teil des Space-Shuttle-Systems. Im Grunde handelt es sich nur um einen Panzer, er kann also nicht geborgen werden.

Nach der Vorstellung der Amerikaner kann jedes Space Shuttle 100 bis 150 Mal wiederverwendet werden, was bedeutet, dass die Herstellungskosten nur 1/100 bis 150 der Kosten für jeden Start betragen. Sie denken daran, Geld zu sparen, egal, wie sie darüber denken, und das bringt Stier-Geborene in ihren Träumen zum Lachen. Aber nachdem sie es benutzt hatten, stellten sie fest, dass es ruiniert war. Dabei handelte es sich um ein bemanntes Raumfahrzeug, an das weitaus höhere Anforderungen als an gewöhnliche Raketen gestellt wurden und das über ein wesentlich komplizierteres System verfügte. Obwohl sie geborgen werden konnte, waren die Wartungskosten nach der Bergung lächerlich hoch und nicht niedriger als beim Wiederaufbau einer gewöhnlichen Rakete. Darüber hinaus beträgt das Leergewicht des Space Shuttles etwa 70 Tonnen. Diese 70 Tonnen müssen ohnehin ins All und werden bei gewöhnlichen Raketen zur Nutzlast gezählt. Mit anderen Worten: Egal, was ich sonst noch in die Umlaufbahn bringen möchte, ich muss zuerst darüber nachdenken, diese 70 Tonnen in die Umlaufbahn zu schicken. Es ist wie ein schwerer LKW. Wenn ich es verwende, um schwere Dinge, wie etwa Komponenten einer Raumstation, in den Weltraum zu ziehen, ist es kosteneffektiv. Wenn ich jedoch nur ein paar Leute in die Raumstation schicke, wäre das, als würde ich mit einem schweren Lastwagen Lebensmittel einkaufen, und das ist nicht kosteneffektiv. Letztendlich hat das Space Shuttle also kein Geld gespart . Keiner davon wurde 100 Mal verwendet. Die fünf Shuttles, die ins All fliegen konnten, wurden insgesamt nur 135 Mal eingesetzt. Zwei davon explodierten und töteten 14 Menschen. Es war eine kostspielige und lebensbedrohliche Sache.

Vertikale Landetechnologie

Obwohl das Space Shuttle seinen beabsichtigten Zweck, geizig zu sein, nicht erreicht hat, wird sich an dem geizigen Ziel der Astronauten nichts ändern. Zeitgleich mit der Außerdienststellung des Space Shuttles begann das US-Unternehmen SpaceX mit Versuchen, die Rakete selbststeuernd senkrecht auf den Boden fallen zu lassen, ohne dass dafür eine Landebahn wie bei einem Flugzeug oder ein Fallschirm erforderlich wäre. Natürlich ist dies nicht die Technologie, die sie zuerst erfunden haben. Bereits 1993 baute McDonnell Douglas eine Rakete namens „ Clipper “, die senkrecht starten und dann senkrecht fallen konnte, und bewies damit, dass die Rakete sich selbst steuern kann, um auf dem Boden zu stehen. Weitere zu lösende Probleme bestehen darin, die geborgene Rakete vom oberen Teil zu trennen, selbstständig zum Landeplatz zu fliegen, ihre Geschwindigkeit auf ein ausreichend niedriges Niveau zu reduzieren und dann auf den Landepunkt zu zielen.

Wir alle wissen, dass SpaceX den oben genannten Prozess relativ ausgereift abgeschlossen hat. Sie verwenden die Falcon-9- Rakete, eine zweistufige Rakete, bei der nur die erste Stufe vertikal geborgen wird . Seine erste Stufe verfügt über neun Merlin-Raketentriebwerke mit flüssigem Sauerstoff und Kerosin. Beim Start arbeiten alle neun Triebwerke gleichzeitig, um ausreichend Startschub zu liefern. Nach etwa zweieinhalb Minuten werden die neun Triebwerke der ersten Stufe gleichzeitig abgeschaltet, dann werden die erste und die zweite Stufe getrennt, die zweite Stufe wird gezündet und die erste Stufe wird mit der Bergungsfahrt beginnen.

Bitte beachten Sie alle eines. Ab diesem Zeitpunkt hat die erfolgreiche Bergung der ersten Stufe nichts mehr damit zu tun, ob ihre Startnutzlast sicher in die Umlaufbahn gelangen kann. Ist der psychologische Druck bei der Bergung der ersten Raketenstufe viel geringer? Bei erfolgreicher Rückgewinnung handelt es sich um einen Gewinn. Wenn sie scheitert, ist das Schlimmste, was passieren kann, dass sie die gleiche Rakete ist wie andere auf dem Markt. Bei einem Space Shuttle muss das Fahrzeug vollständig und mitsamt den Menschen an Bord geborgen werden. Während des Wiederherstellungsprozesses dürfen keine Fehler gemacht werden und der Druck ist enorm. Dies ist einer der Hauptgründe, warum SpaceX sich immer wieder erholen, immer wieder scheitern und viel Erfahrung sammeln kann, um seine Produkte schnell weiterzuentwickeln.

Als die Bergung begann, war der Treibstoff der ersten Raketenstufe der Falcon fast aufgebraucht, sodass sie relativ leicht war und für die Verzögerung und Landung keinen großen Schub benötigte. Tatsächlich verfügt die Rakete für die Landung nur noch über sechs bis zehn Prozent Treibstoff, so dass nach der Trennung von der ersten Stufe nur drei ihrer neun Triebwerke zum Abbremsen der Rakete benötigt werden. Die Flugbahnen der ersten Stufe für die Land- und Seebergung sind unterschiedlich, aber beide erfordern ein mehrmaliges Ein- und Ausschalten der drei Triebwerke zum Abbremsen. Bis zur endgültigen Landung wird die Rakete noch leichter sein und nur noch ein Triebwerk benötigen.

Schlüsseltechnologien für vertikales Recycling

Bei den oben genannten Prozessen handelt es sich um einige Schlüsseltechnologien, beispielsweise um die Art und Weise, wie die Rakete zum festgelegten Landegebiet fliegt . Neben der Steuerung des Raketentriebwerks und der Seitenstrahlsteuerung kommt bei der Falcon 9 auch das bereits erwähnte Gitterruder zum Einsatz. Dieses Ding ermöglicht es der Rakete, beim Fliegen in der Atmosphäre eine bessere Kontrolle zu erlangen und effektiv abzubremsen . Da die Rakete beim Bergen nach unten fällt und ihre Flugrichtung genau entgegengesetzt zur Startrichtung ist, ist das Gitterruder beim Start eingeklappt und wirkungslos und wird beim Bergen wieder ausgeklappt. Obwohl es China noch nicht gelungen ist, Raketen vertikal zurückzuholen, haben wir dieses Gitterruder bereits 2019 verwendet, um ein präzises Kontrollexperiment des Landebereichs der ersten Stufe der Rakete durchzuführen, also des Teils, der es der Rakete ermöglicht, zum vorgesehenen Landebereich zu fliegen.

Das nächste zu lösende Problem besteht darin, die Rakete durch den Motor abbremsen zu lassen. Aus der Beschreibung des Start- und Bergungsvorgangs der Falcon 9 geht hervor, dass bei der Mission dieser Art von Rakete das Triebwerk der ersten Stufe mehrere Male gestartet und abgeschaltet werden muss. Dies wird als Mehrfachzündungstechnik bezeichnet. Während des Fallvorgangs kann es vorkommen, dass der Kraftstoff im Kraftstofftank schwankt und nicht auf den Boden sinkt, was zu unzureichendem Druck oder sogar zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr führen kann. Auch bei Mehrfachzündungen ist eine stabile und zuverlässige Flamme erforderlich. Dies sind die zentralen und schwierigen Probleme der Mehrfachzündungstechnologie.

Wenn die Rakete nach ausreichender Verzögerung mit sehr geringer Geschwindigkeit auf dem Boden landen soll, muss der Schub des Raketentriebwerks über einen großen Bereich sehr genau eingestellt werden. So lässt sich beispielsweise der Schub des Merlin-Triebwerks der Falcon 9 zwischen 60 % und 100 % einstellen. In der Folge über Raketentriebwerke haben wir gesagt, dass es relativ einfach ist, den Schub von Flüssigkeitsraketentriebwerken anzupassen. Mehr Treibstoff bedeutet mehr Schub, und weniger Treibstoff bedeutet weniger Schub. Dies gilt jedoch nur im Vergleich zu Feststoffraketentriebwerken. Will man eine präzise Einstellung über einen großen Bereich erreichen, müssen Flüssigkeitsraketen viele Probleme lösen. Wenn beispielsweise der erforderliche Schub unterschiedlich ist, wird auch die in die Brennkammer geleitete Kraftstoffdurchflussrate unterschiedlich sein und auch der Druck in der Brennkammer wird unterschiedlich sein. Zu diesem Zeitpunkt muss die Düse, die den Kraftstoff in die Brennkammer sprüht, auf die Kraftstoffdurchflussrate und den Brennkammerdruck abgestimmt sein, da es sonst zu einer instabilen Verbrennung kommen kann. Darüber hinaus muss auch die Abstimmung von Mechanismen wie Turbopumpe und Schubregler präzise erfolgen und die Konstruktion von Schubkammer und Düse muss sich an die Verbrennungsbedingungen bei unterschiedlichen Schüben anpassen können. Dies sind die technischen Schwierigkeiten der Schubregulierung.

Darüber hinaus ist auch der Landemechanismus eine Schlüsseltechnologie. Der Landemechanismus der Falcon 9 besteht aus drei klappbaren Beinen. Bei der Landung mit solchen Beinen muss die Lagegenauigkeit relativ hoch sein und die Landung möglichst sanft erfolgen. Der Klappmechanismus darf durch Aerodynamik, hohe Temperaturen und Vibrationen während des Start- und Landevorgangs nicht beschädigt werden. Auch das ist eine Herausforderung. Deshalb beginnen Ingenieure nun, neben der Möglichkeit, mit den Beinen auf dem Boden zu stehen, auch andere Lösungen zu verwenden. Beispielsweise wird erwartet, dass das Starship-System von SpaceX zwei Bergungsarme verwendet, um das Gitterruder der Rakete zu stützen, ähnlich wie man eine Wurst mit Essstäbchen festhält. Im Plan unseres Landes für wiederverwendbare Raketen ist auch vorgesehen, die Rakete bei der Bergung mit vier Seilen zu stützen. Eine solche Lösung kann die Anzahl der beweglichen Teile an der Rakete reduzieren und die Zuverlässigkeit erhöhen. Außerdem verringert sich der Bedarf an Schubregelung während der Landung, da der Wiederherstellungs- und Auffangmechanismus die Rakete abfedert und verzögert.

Macht die Verwendung von Raketen bequemer

Derzeit scheint es, als hätte die Falcon-Rakete von SpaceX die Kosten der Raumfahrt tatsächlich erheblich gesenkt, doch ihr Ziel geht noch weit darüber hinaus. Sie möchten den Einsatz von Raketen so bequem machen wie den Einsatz von Flugzeugen : Landen, Auftanken und Weiterfliegen. Die aktuelle Falcon-Rakete muss nach der Bergung noch zur Renovierung und Reinigung in die Fabrik. Einer der Hauptgründe besteht darin, dass der verwendete Flüssigsauerstoff-Kerosin-Motor Verkokungen erzeugt , die den Kohlenstoffablagerungen ähneln, die wir beim Autofahren sehen. Daher muss er nach jedem Start gereinigt werden. Um die Reinigung zu erleichtern und die Motorstruktur einfacher zu gestalten, wird als Motorumlaufmethode ein relativ primitiver und ineffizienter offener Kreislauf verwendet.

Um zu verhindern, dass die Rakete zwischen den Starts im Werk zerlegt, gereinigt und repariert werden muss, konzentrierte man sich auf Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerke . Dieser Motortyp verkokt nicht und kann nach der Bergung nahezu sofort wieder eingesetzt werden. Daher wird dieser Raketentriebwerkstyp beim Starship und seinen Boostern von SpaceX verwendet und seine Effizienz durch einen geschlossenen Kreislauf verbessert. Darüber hinaus forschen Blue Arrow und andere Unternehmen meines Landes auch an Flüssigsauerstoff- und Methanmotoren. Blue Arrow ist zudem das erste Team weltweit, das dieses Triebwerk nutzt, um eine Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn zu schicken. Daraus lässt sich schließen, dass dieser Triebwerkstyp eine der Hauptrichtungen für zukünftige Astronauten sein könnte.

Wenn man auf die Geschichte der menschlichen Luftfahrt zurückblickt, waren es vom holprigen Start bis zu den Passagierflugzeugen, die ganz normale Menschen auf der ganzen Welt beförderten, nur wenige Jahrzehnte. In Zukunft wird die Luft- und Raumfahrttechnologie mit Sicherheit Einzug halten und das Leben von mehr Menschen verändern, da die Technologie ausgereifter wird und die Kosten sinken. Von Killerdämonen bis hin zu interstellaren Zügen: Die fortschrittliche Technologie der Menschheit beginnt oft mit dem Töten, hat aber nur dann eine wirkliche Bedeutung, wenn sie mehr Menschen zugutekommt.

Damit ist unsere Arrow of the Sky-Reihe zu Ende. Ich hoffe, dass Sie durch diese sechs Episoden die Grundprinzipien der Erkundung des Sternenmeeres erlernen. Ich bin Gou Sheng und ich werde Ihnen tiefgreifendes und interessantes Wissen über die Luft- und Raumfahrt vermitteln. Klicken Sie einfach auf „Gefällt mir“ und folgen Sie mir, und Sie können dem Unterrichtsverbot ein Ende setzen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor | Liang Yichen (Lehrer Gou Sheng) Dozent an der Xi'an Aviation University

Rezension | Zhou Binghong, Forscher am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.