Drei Sterne in einem Start, Suzaku-2 erreicht wieder die Umlaufbahn! Was sind die Vorteile von Flüssigsauerstoff- und Methanraketen?

Am 9. Dezember 2023 um 07:39 Uhr Pekinger Zeit wurde die Trägerrakete Zhuque-2 Yao-3 vom Satellitenstartzentrum Jiuquan in meinem Land gestartet und brachte die Satelliten Honghu, Tianyi 33 und Honghu-2 erfolgreich in die vorgegebene Umlaufbahn. Die Startmission war ein voller Erfolg. Diese Mission ist der dritte Flug der Trägerrakete Suzaku-2.

(Bildquelle: Our Space)

Der erfolgreiche Abschluss dieser kommerziellen Startmission mit dem Motto „drei Satelliten in einer Rakete“ zeigt, dass die technische Reife und Stabilität von Zhuque-2 als weltweit erste Trägerrakete mit Flüssigsauerstoff-Methan-Antrieb, die erfolgreich kontinuierlich gestartet wurde, weiter bestätigt wurden und dass ihre Zuverlässigkeit die Anforderungen für einen kommerziellen Start erfüllt. Landspace ist zudem das erste Unternehmen in der heimischen zivilen und kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie, dem es gelungen ist, kontinuierlich mittelgroße und große Flüssigkeitsträgerraketen zu starten, und hat die Führung bei der Eröffnung einer neuen Phase groß angelegter kommerzieller Starts von herkömmlichen Flüssigkeitsraketen in China übernommen.

(Fotoquelle: Landspace)

Was für eine Rakete ist Suzaku-2?

Zhuque-2 ist die erste mittelgroße Flüssigkeitsrakete meines Landes, die flüssigen Sauerstoff und Methan als Treibstoff verwendet. Das Unternehmen verfügt über unabhängige Rechte am geistigen Eigentum und hat sich verpflichtet, seinen Kunden kostengünstige und äußerst zuverlässige Startdienste bereitzustellen, um den Bedarf kommerzieller Starts in zahlreichen Szenarien zu decken. Die Gesamtlänge der Rakete beträgt 49,5 m, der Durchmesser des Raketenkörpers beträgt 3,35 m, die Startmasse beträgt 220 Tonnen (ohne Nutzlast) und der Startschub beträgt 268 Tonnen. Die erste Stufe der Rakete verwendet vier parallel geschaltete 80-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerke von Tianque, und die zweite Stufe verwendet eine Kombination aus einem 80-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerk von Tianque und einem schwimmenden 10-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerk von Tianque. Die Tragfähigkeit beträgt 1,5 Tonnen in einer sonnensynchronen Umlaufbahn von 500 km. Nachfolgende verbesserte Versionen können eine Tragfähigkeit von 4 Tonnen in einer sonnensynchronen Umlaufbahn von 500 km erreichen, was den Anforderungen für den Einsatz von Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen und den Start von Raumfahrzeugen gerecht wird.

Zuvor wurde am 12. Juli 2023 die Rakete Zhuque-2 Yao-2 gestartet, die als weltweit erste Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete erfolgreich in die Umlaufbahn eintrat und damit eine Lücke in der Flüssigsauerstoff-Methan-Raketentechnologie meines Landes schloss.

(Fotoquelle: Landspace)

Dieses Mal brachte die Rakete Zhuque-2 Yao-3 die Satelliten Honghu und Tianyi 33, die vom Tianyi Research Institute entwickelt wurden, sowie den Satelliten Honghu-2, der von Hongqing Technology entwickelt wurde, erfolgreich in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 460 km Höhe. Dies ist das erste Mal, dass mit diesem Raketentyp eine kommerzielle Startmission mehrerer Satelliten erfolgreich mit einer einzigen Rakete durchgeführt wurde. Dies zeigt die stetigen Fortschritte von Blue Arrow Aerospace beim Aufbau seiner Kapazitäten für den kommerziellen Betrieb.

Flüssiger Treibstoff ist das A und O für Trägerraketen

Mit einer Höhe von 49,5 Metern und einer Startmasse von 219 Tonnen mag die Zhuque-2 als Trägerrakete mittlerer Größe auf den ersten Blick nicht besonders beeindruckend erscheinen. Tatsächlich ist der Zhuque-2 jedoch definitiv ein bahnbrechendes Produkt in der nationalen und internationalen kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie.

(Bildquelle: Our Sky)

Zunächst einmal stellte der erfolgreiche Start der Rakete Zhuque-2 Yao-2 einen Weltrekord dar: Es handelt sich um die weltweit erste Trägerrakete mit flüssigem Sauerstoff und Methan, die erfolgreich in die Umlaufbahn gebracht wurde. Beachten Sie hier die Schlüsselwörter: „flüssiger Sauerstoff und Methan“. Dies beginnt mit den Raketentriebwerken der „Tianque“-Serie, die Zhuque-2 mit kraftvoller Energie versorgen.

Im Prinzip ist eine Rakete ein Antriebsgerät, das den mitgeführten Treibstoff nutzt, um zu reagieren und einen Hochgeschwindigkeitsstrahl heißer Luft zum Antrieb zu erzeugen. Für Trägerraketen, deren Hauptaufgabe der Transport ins All ist, stehen für die Triebwerke vier gängige Treibstoffoptionen zur Verfügung: Festbrennstoff, Stickstofftetroxid/unsymmetrisches Dimethylhydrazin, flüssiger Sauerstoff und Kerosin sowie flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff. Die erste ist die Festtreibstofflösung, die als der älteste Raketentreibstoff gelten dürfte. Die primitiven Raketen, die in der Antike Schwarzpulver als Treibstoff verwendeten, sind eine Art Feststoffrakete. Die Vorteile dieses Treibstoffes liegen in der guten Lagerfähigkeit und langen Haltbarkeit, der Notfalltauglichkeit sowie der einfachen Technik. Allerdings sind auch die Mängel sehr offensichtlich, wie beispielsweise der geringe spezifische Impuls und der nicht einstellbare Schub.

Dabei kommt es auf ein Schlüsselkonzept an: den spezifischen Impuls, also den Impuls, der durch eine Einheitsmenge Treibmittel erzeugt wird, gemessen in Sekunden (s). Darunter versteht man die Dauer, in der eine Masseneinheit Treibstoff eine Schubeinheit erzeugen kann. Dies ist ein wichtiger Parameter zur Messung der Leistung eines Raketentriebwerks. Generell gilt: Je höher der spezifische Impulswert, desto besser die Leistungsleistung der Rakete. Offensichtlich sind Feststoffraketen mit ihren im Allgemeinen kleinen spezifischen Impulswerten nicht in der Lage, die Aufgabe des Starts von Trägerraketen zu übernehmen und können nur als Hilfsantrieb dienen. Beispielsweise verwenden die beiden weißen Booster-Raketen, die bei Space-Shuttle-Starts zum Einsatz kommen, Festtreibstoffe.

Heutzutage verwenden die Haupttriebwerke der gängigen Trägerraketen im Wesentlichen alle Flüssigtreibstofflösungen. Im Gegensatz zu Festtreibstoffen werden die Treibstoffe in dieser Art von Lösung in zwei Kategorien unterteilt: flüssiger Brennstoff und flüssiges Oxidationsmittel. Sie sind im Allgemeinen in zwei getrennten Räumen am Triebwerk der Trägerrakete untergebracht und erzeugen nach heftigen Reaktionen nach dem Eintritt in die Brennkammer Schub. Unter allen Flüssigtreibstoffsystemen ist flüssiger Sauerstoff das älteste Oxidationsmittel. Im Jahr 1926 verwendete die erste Flüssigtreibstoffrakete der Menschheitsgeschichte ein Schema aus flüssigem Sauerstoff (Oxidationsmittel) + Benzin (Treibstoff). Es ist außerdem das effizienteste und günstigste Oxidationsmittel. Die Haupttriebwerke vieler herkömmlicher Trägerraketen verwenden flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel, der Unterschied liegt jedoch im dazugehörigen Verbrennungsmittel. Darunter sind flüssiger Sauerstoff + Kerosin und flüssiger Sauerstoff + flüssiger Wasserstoff die am häufigsten verwendeten Kombinationen.

▲SpaceXs Flüssigsauerstofftank im Kennedy Space Launch Center (Bildnachweis: SpaceX)

Wir wissen, dass die Verbrennungsenergie von Wasserstoff erstaunlich ist. Jedes Gramm Wasserstoff kann nach vollständiger Verbrennung etwa 141 Kilojoule Energie freisetzen und steht damit an erster Stelle der der Menschheit bekannten Brennstoffenergien. Aus der Perspektive der Maximierung der Raketenleistung sind flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff die beste Wahl. Sie können dem Motor ermöglichen, einen theoretischen vakuumspezifischen Impuls von bis zu 463,1 Sekunden zu erzeugen. Die Triebwerke der ersten und zweiten Stufe der superschweren Rakete Saturn V, die das Apollo-Mondraumschiff trug, sowie das Haupttriebwerk der Energia-Rakete der ehemaligen Sowjetunion, die über die größte jemals gebaute Schubkraft verfügt, verwendeten allesamt flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff als Treibstoff. Natürlich hat dieses Treibstoffschema auch offensichtliche Nachteile: Flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff selbst müssen bei niedriger Temperatur gelagert werden, und die Temperatur von flüssigem Sauerstoff ist höher als die von flüssigem Wasserstoff. Darüber hinaus nimmt flüssiger Wasserstoff selbst viel Raum ein, was dazu führt, dass die Konstruktion von Raketentreibstofftanks und Oxidationstanks sehr kompliziert ist. Die dadurch entstehenden hohen Kosten schließen die kommerzielle Luft- und Raumfahrt, die großen Wert auf Wirtschaftlichkeit legt, grundsätzlich aus.

Außer flüssigem Sauerstoff hat man auch versucht, Stickstofftetroxid als Oxidationsmittel und unsymmetrisches Dimethylhydrazin als Treibstoff zu verwenden, wie etwa bei der Rakete Langer Marsch-2F, die zum Transport der bemannten Raumfahrzeuge der Shenzhou-Serie verwendet wurde, oder bei der russischen Rakete Proton M. Diese Art von Treibmittel kann bei Raumtemperatur gelagert werden, allerdings ist Stickstofftetroxid hochgiftig und die Herstellungskosten sind hoch. Der maximale theoretische vakuumspezifische Impuls, der in Kombination mit unsymmetrischem Dimethylhydrazin erzeugt wird, beträgt etwa 347 Sekunden, was keine offensichtlichen Vorteile gegenüber anderen Flüssigtreibstoffoptionen bietet und keine ideale Wahl für die kommerzielle Raumfahrt ist.

Um kostengünstige Starts zu ermöglichen, müssen kommerzielle Trägerraketen auf flüssigen Sauerstoff zurückgreifen.

Dank der Entwicklung der Raketentanktechnologie sind die Lagerkosten für flüssigen Sauerstoff erheblich gesunken. Dieses leicht herzustellende und leicht zu lagernde Oxidationsmittel ist für die kommerzielle Raumfahrt zur einzigen Wahl geworden. Die Frage ist, welcher Kraftstoff als Partner verwendet werden sollte. Der oben erwähnte flüssige Wasserstoff kommt aufgrund seiner hohen Speicherkosten definitiv nicht in Frage. Derzeit verwenden viele kommerzielle Luft- und Raumfahrtunternehmen die Lösung aus flüssigem Sauerstoff und Kerosin. Obwohl der spezifische Impuls, der durch diese Kombination erzeugt wird, etwas niedriger ist als der von flüssigem Sauerstoff + flüssigem Wasserstoff, lässt sich Kerosin bequem lagern und leicht beschaffen, und die Kosten sind leicht zu kontrollieren. Die Lösung aus flüssigem Sauerstoff und Kerosin kann einen maximalen theoretischen vakuumspezifischen Impuls von 367 Sekunden erzeugen. Das Haupttriebwerk der ersten Stufe der Saturn-V-Rakete und das von SpaceX häufig verwendete Merlin-Triebwerk verwenden diese Treibstofflösung. Allerdings entstehen beim Verbrennen von Kerosin Kohlenstoffablagerungen, die die Motorwartung erheblich erschweren.

Flüssiger Sauerstoff + Methan, eine neue Raketentreibstofflösung

Gibt es neben flüssigem Sauerstoff und Kerosin andere Treibstoffe, die für kommerzielle Weltraumstarts besser geeignet sind?

Dies bringt uns zu der vom Typ Tianque 12 gewählten Lösung: flüssiger Sauerstoff + Methan. Als Brennstoff hat Methan einen großen Vorteil: Seine Flüssigkeitstemperatur liegt sehr nahe an der von flüssigem Sauerstoff, wodurch die Kosten für die Isolierung des Brennstofftanks und des Oxidationsmitteltanks wie bei der Lösung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff gespart werden. Darüber hinaus ist die Dichte von Methan viel höher als die von flüssigem Wasserstoff, wodurch die Rakete bei gleichem Volumen mit mehr Treibstoff beladen werden kann. Am wichtigsten ist, dass die Produktionskosten von Methan selbst niedriger sind als die von flüssigem Wasserstoff, Kerosin und UDMH. Obwohl die von der Lösung aus flüssigem Sauerstoff und Methan erzeugte Leistung immer noch viel geringer ist als die von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff (der maximale theoretische spezifische Impuls, der von flüssigem Sauerstoff und Methan erzeugt wird, beträgt etwa 379 Sekunden), ist sie mit dem Treibstoff aus flüssigem Sauerstoff und Kerosin vergleichbar. Darüber hinaus entspricht die Lösung aus flüssigem Sauerstoff und Methan aufgrund ihrer grünen und umweltfreundlichen Eigenschaften der Entwicklungsrichtung der zukünftigen neuen Generation von Trägerraketentechnologie. Für die kommerzielle Luft- und Raumfahrtindustrie, die sich der Kostensenkung und Effizienzsteigerung verschrieben hat, werden flüssiger Sauerstoff und Methan zu den neuen Favoriten.

Derzeit konzentriert sich SpaceX, der weltweite Gigant der kommerziellen Luft- und Raumfahrt, voll und ganz auf die Entwicklung der Hochschub-Triebwerke der „Raptor“-Serie mit Flüssigsauerstoff-Methan-Antrieb. Dies ist das weltweit erste Raketentriebwerk mit flüssigem Sauerstoff und Methan. Die Forschung und Entwicklung begann bereits 2012, und die umfassenden Triebwerkstests begannen 2016. Das Raptor-Triebwerk, das mittlerweile in der dritten Generation entwickelt wurde, kann im Vakuum einen Schub von bis zu 2.530 Kilonewton erzeugen, und sein vakuumspezifischer Impuls hat 363 Sekunden erreicht. Es sei darauf hingewiesen, dass die damals leistungsstarke Saturn-V-Rakete, deren Haupttriebwerk J-2 mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff der zweiten Stufe, in diesen beiden Punkten lediglich Werte von 1202 Kilonewton und 421 Sekunden aufwies.

▲ Zwei von SpaceX entwickelte Flüssigkeitsraketentriebwerke, das rechte ist der „Raptor“ mit Vollstrom-Stufenverbrennungszyklus und das linke ist der „Merlin“ mit offenem Zyklus (Bildquelle: Twitter)

Neben SpaceX ist auch Blue Origin, ein weiteres weltweit führendes kommerzielles Luft- und Raumfahrtunternehmen, sehr an der Forschung und Entwicklung von Flüssigsauerstoff- und Methanmotoren interessiert. Das Unternehmen startete 2011 das Forschungs- und Entwicklungsprojekt für den Flüssigsauerstoff-Methan-Motor BE-4 und führte 2017 den ersten Motortest durch. Den Konstruktionsanforderungen zufolge wird der Vakuumschub des BE-4 2400 Kilonewton erreichen. Obwohl es keine offiziellen Daten zum vakuumspezifischen Impuls gibt, wird allgemein davon ausgegangen, dass er bei etwa 340 Sekunden liegt. Man erkennt, dass es sich hier um einen starken Mann handelt, der dem „Raptor“ in nichts nachsteht.

Im Vergleich zu diesen beiden Schwergewichten kann das Tianque 12-Triebwerk von Blue Arrow Aerospace nur als Nachzügler angesehen werden. Zunächst einmal begann die Entwicklung von Tianque 12 erst 2017 und der erste Testlauf wurde 2019 abgeschlossen. Es ist das dritte Flüssigsauerstoff-Methan-Raketentriebwerk der Welt. Darüber hinaus sind sowohl der Raptor als auch der BE-4 so konzipiert, dass sie wiederverwendbar sind. Obwohl sie alle flüssigen Sauerstoff und Methan als Treibstoff verwenden, gibt es deutliche Unterschiede in ihren Konstruktionskonzepten. Um Schub zu erzeugen, müssen der Treibstoff und das Oxidationsmittel im Triebwerk gemischt und in der Brennkammer verbrannt werden. Die Art und Weise, wie diese beiden aufeinandertreffen, bestimmt die Aufteilung der Verbrennungszyklusmodi.

Sowohl der Raptor als auch der BE-4 verwenden den „gestuften Verbrennungszyklusmodus“, dessen Grundprinzip darin besteht, dass der Kraftstoff oder das Oxidationsmittel zunächst in der Vorbrennkammer einer fetten Verbrennung (eine große Menge Kraftstoff und eine kleine Menge Oxidationsmittel werden verbrannt) oder einer sauerstoffreichen Verbrennung (eine große Menge Oxidationsmittel und eine kleine Menge Kraftstoff werden verbrannt) unterzogen wird. Die durch die Verbrennung erzeugte Wärme treibt die Turbine an, die wiederum die Pumpenstruktur antreibt, um den Brennstoff oder das Oxidationsmittel zu transportieren. Das Abgas wird dann zur endgültigen Verbrennung zur Schuberzeugung in die Hauptbrennkammer geleitet. Dieser Modus verbessert die Treibstoffausnutzungsrate erheblich und erhöht dadurch den spezifischen Impuls des Motors.

Aber es gibt auch Unterschiede zwischen den beiden. Der „Raptor“ verwendet den kühnsten und radikalsten Modus des „Full-Flow-Stufenverbrennungszyklus“. Dies ist eine Art gestufter Verbrennungszyklusmodus. Das Wesentliche dabei ist, dass sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel vorab einer brennstoff- und sauerstoffreichen Verbrennung unterzogen werden müssen, weshalb dies als „Vollstrom“ bezeichnet wird. Dieser Modus maximiert die Ausnutzungsrate des Motortreibstoffs und verlängert die Lebensdauer des Motors. Dieser komplexe Zyklusmodus bringt jedoch auch komplexe Strukturen und hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess mit sich. Dies lässt sich am langen Forschungs- und Entwicklungszyklus des „Raptor“-Motors erkennen. Im Vergleich dazu ist das Design von BE-4 relativ konservativ und verwendet einen grundlegenden stufenweisen Verbrennungszyklusmodus, d. h., es wird nur eine Vorbrennkammer eingerichtet und nur eine sauerstoffreiche Verbrennung durchgeführt. Der Verbrennungswirkungsgrad des BE-4 ist niedriger als der des Raptor, aber seine Forschungs- und Entwicklungskosten und Risiken sind besser kontrollierbar. Aus verschiedenen Gründen befindet sich BE-4 jedoch noch immer nur in der Bodentestphase.

▲ Schematische Darstellung mehrerer Betriebsarten von Flüssigkeitsraketentriebwerken (Bildquelle: flownex.com)

Im Vergleich zum Design der „Raptor“- und BE-4-Motoren verwendet der Tianque 12 einen einfacheren „offenen Zyklusmodus“. Dieser Modus verfügt nicht über komplizierte Vorverbrennungsbedingungen. Es wird lediglich ein Gasgenerator installiert, der einen Teil des flüssigen Sauerstoffs und Methans verbrennen lässt, um Strom zum Antrieb der Turbine zu erzeugen. Anschließend treibt die Turbine die Kraftstoffpumpe und die Oxidationspumpe an, um den flüssigen Sauerstoff und das Methan zur Verbrennung direkt in die Hauptbrennstoffkammer zu befördern. Im Unterschied zum „gestuften Verbrennungszyklusmodus“ wird das vom Gasgenerator erzeugte Abgas nicht mehr nachverbrannt, sondern direkt als Abgas abgeleitet. Dies führt offensichtlich dazu, dass der Typ Tianque 12 gewisse Mängel bei der Treibstoffnutzung aufweist, aber die niedrigen Kosten und das geringe Risiko, die sich aus der einfachen Konstruktion ergeben, stehen auch im Einklang mit den Grundanforderungen der kommerziellen Luft- und Raumfahrt. Obwohl die Tianque-12 als letzte vorgestellt wurde, war ihre Entwicklung am schnellsten vorangekommen und verhalf der Zhuque-2 zum Titel der weltweit ersten Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete, die erfolgreich in die Umlaufbahn eintrat.

Quelle: Beijing Science and Technology Daily, geschrieben von Duan Ran, einige Inhalte zusammengestellt von Blue Arrow Aerospace, Our Space usw.