Woher stammt dieser „Gastank“ nach Abschluss des 9-Meter-Hochsprungtests?

Kürzlich führte die American Stock Company erfolgreich einen Sprungtest mit der wiederverwendbaren Raketenoberstufe durch. Während des 15-sekündigen Flugtests stieg der Prototyp der zweiten Stufe der Rakete, Hopper 2, auf eine Höhe von etwa 9 Metern und landete dann 4,5 Meter von der Startrampe entfernt. Also, was ist ein Sprungtest? Welche neuartigen Designs übernimmt diese Rakete? Wie werden die Zukunftsaussichten aussehen?

Sprungtest nicht unterschätzen

Der Sprungtest ist ein vertikaler Start- und Landetest, dessen Zweck darin besteht, die Fähigkeit nachzuweisen, die Rakete während des Aufstiegs und Abstiegs zu kontrollieren und eine weiche Landung durchzuführen. Dies stellt ein äußerst schwieriges Problem hinsichtlich Führung, Navigation und Steuerung dar, insbesondere für das neue verteilte Triebwerkssystem, das Stocker für den Prototyp der zweiten Stufe der Rakete entwickelt hat.

Der Moment, in dem der Prototyp der zweiten Stufe der Rakete abhebt

Die Aussagekraft des Sprungtests ist erheblich. Mit den vertikalen Erholungsflugtests über hundert Meter und Kilometer kann überprüft werden, ob sich der Zustand des Motors vom Zustand während des Bodentests unterscheidet, und die Stabilität des Motors in einer realen Flugumgebung beurteilt werden. Der Sprungtest ist authentischer und hat eine praktische Bewertungsbedeutung in der technischen Entwicklung.

Gleichzeitig kann durch den Sprungtest auch der Algorithmus zur seitlichen Führung verifiziert werden: Der Algorithmus zur seitlichen Führung wird während des Tests hinzugefügt, die Koordinaten des Zielpunkts werden vorab gebunden, über den Bordcomputer berechnet und geplant, Anweisungen zur seitlichen Führung werden ausgegeben, die Rakete wird seitlich zu den Zielkoordinaten geführt und die Technologie zur Rückholung der Rakete außerhalb des Standorts wird verifiziert. Dies kann eine vorläufige technische Überprüfung für die zukünftige Bergung und Wiederverwendung von Orbitalraketen an verschiedenen Standorten und sogar für interkontinentale Reisen liefern.

Durch den Sprungtest können außerdem die aerodynamischen Probleme des Raketenkörpers während der vertikalen Bergung der Rakete sowie wichtige Kerntechnologien wie die langfristige Anpassungsfähigkeit an thermische und Vibrationsumgebungen, die langfristige und weitreichende variable Schubarbeitsfähigkeit des Triebwerks, die wiederverwendbare Raketenkörperstruktur und Landedämpfungsvorrichtung sowie die Fähigkeiten zur Querführung und Lageregelung weiter verifiziert werden, wodurch eine solide Grundlage für die Durchführung nachfolgender Forschungen geschaffen wird.

Der Weg der vertikalen Start- und Landetechnologie ist mittlerweile zum absoluten Mainstream geworden. Weltweit befinden sich 28 Arten wiederverwendbarer Trägerraketen in der Forschungs-, Einsatz- und Konzeptionsphase. 19 davon sind vertikale Start- und Landesysteme, was 68 % der Gesamtzahl entspricht. Derzeit ist Stock das Unternehmen, das am schnellsten von der Mittelbeschaffung bis zur Demonstration der Sprungtesttechnologie vorgeht. Es ist das zweite Unternehmen weltweit, das einen vollständig wiederverwendbaren Prototyp einer Raketenoberstufe testet, und das dritte Unternehmen in den USA, das mit Raketentriebwerken für flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff Testflüge durchführt. Der Test stellt für Stockholm einen wichtigen Schritt hin zur Entwicklung einer vollständig wiederverwendbaren Trägerrakete dar.

Neuartiges Design ermöglicht vollständig wiederverwendbare Rakete

Wie wir alle wissen, hat SpaceX die Technologie für vertikalen Start und Landung der Falcon-9-Rakete genutzt, um den Start und die Bergung der ersten Raketenstufe zu demonstrieren, und Stock hat den innovativen Vorschlag gemacht, eine vollständig wiederverwendbare Rakete zu bauen. Für die zweite Stufe der Rakete schlug das Unternehmen hauptsächlich drei neuartige Designs vor.

Eines davon ist das brandneue Triebwerksdesign. Die zweite Stufe einer herkömmlichen Rakete besteht im Allgemeinen aus einem einzigen Triebwerk und das Triebwerk verfügt über eine große glockenförmige Düse. Der Zweck seiner Struktur besteht darin, den Fluss der Motorabgase im Vakuum zu optimieren. Der Nachteil dieser Konstruktion besteht jedoch darin, dass die verlängerte Düse oft recht zerbrechlich ist, was den Schutz der Triebwerksdüse beim Wiedereintritt der Rakete sehr schwierig macht. Als Antriebssystem verwendet Stocker einen Ring aus 30 kleineren Triebwerken. Im Vakuum verschmelzen die Abgase dieser Düsen zu einem Ganzen, um zu funktionieren. Durch die teilweise Zündung des Triebwerks beim Wiedereintritt der Rakete lässt sich die Düse leichter schützen und die strukturelle Konstruktion kann den Anforderungen einer vertikalen Landung besser gerecht werden.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, eine regenerative Kühlung des Hitzeschildes zu versuchen. Während des Wiedereintritts der zweiten Stufe der Rakete muss das gesamte Raumfahrzeug vor den Auswirkungen der überhitzten Atmosphäre geschützt werden. Als Reaktion auf dieses Problem sagte Stock, dass es „am sinnvollsten sei, es mit einem regenerativ gekühlten Hitzeschild zu versuchen.“ Beim Wiedereintritt der Rakete in die Erdatmosphäre wird die äußere, dehnbare Metallschicht des Trägers mit kleinen Hohlräumen ausgekleidet, die es dem Treibstoff ermöglichen, durch das Material zu strömen und es so kühl zu halten. Die zweite Stufe der Rakete fungiert beim Wiedereintritt mithilfe eines regenerativ gekühlten Hitzeschildes als Kapsel.

Das dritte ist ein brandneues Raketentriebwerk der ersten Stufe. Stock sagte, die Ingenieure hätten mit der Erforschung und Entwicklung von Vollstrom-Raketentriebwerken mit stufenweiser Verbrennung für die erste Stufe der Rakete begonnen. Sieben dieser Triebwerke würden die Booster antreiben. Derzeit laufen Komponententests für diese Motoren.

Anders als bei der Wiederverwendung und Bergung der ersten Stufe ist Stocks Entwicklung einer vollständig wiederverwendbaren Rakete jedoch noch ein weiter Weg. Derzeit gibt es bei den Entwicklungsarbeiten noch eine Reihe technischer Schwierigkeiten.

Die erste besteht darin, sicherzustellen, dass das Raketentriebwerk der zweiten Stufe sowohl in atmosphärischer als auch in Vakuumumgebung normal funktionieren kann. Die beiden Stufen dieser Rakete werden Triebwerke desselben Typs für flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff verwenden, die zweite Stufe der Rakete wird jedoch während der Startphase im Vakuum betrieben und während der Rückkehrphase in der Atmosphäre, um den Umkehrschub zu erzeugen. Wenn die Düse in diesen beiden unterschiedlichen Umgebungen betrieben wird, ist das Flächenverhältnis des Raketentriebwerks (das Verhältnis des Düsenauslasses zur Halsfläche) unterschiedlich. Daher muss sichergestellt werden, dass das Triebwerk in beiden Umgebungen normal verwendet werden kann.

Der zweite Grund ist, dass die Rakete bei der Rückkehr enorme kinetische Energie verbraucht. Nachdem die Rakete der zweiten Stufe die Nutzlast in die Umlaufbahn gebracht hat, wird sie mit der ersten kosmischen Geschwindigkeit zur Erde zurückkehren. Es ist eine technische Herausforderung, eine so große Menge kinetischer Energie zu verbrauchen und mehrere Tonnen schwere Präzisionsgeräte sicher abzubremsen und zu landen. Stock plant, zur Bergung der Rakete der zweiten Stufe einen ballistischen Wiedereintritt und eine angetriebene Landung zu verwenden. Allerdings erfordert diese Methode das Mitführen von ausreichend Treibstoff und erhöht die Größe und Masse der Rakete der zweiten Stufe, was sich auf die Tragfähigkeit der Rakete auswirkt. Die Durchführbarkeit muss also noch nachgewiesen werden.

Drittens geht es darum, die Abdichtung der Verkleidung unter wiederholten Einsatzbedingungen sicherzustellen. Wenn die Rakete der zweiten Stufe und die Verkleidung wieder in die Atmosphäre eintreten, kommt es zu einer starken aerodynamischen Erwärmung. Wenn es ein Problem mit der Abdichtung der zweiten Raketenstufe gibt, wirken sich die hohen Temperaturen beim Wiedereintritt äußerst zerstörerisch auf die Rakete aus. Daher ist zum Schutz der Rakete eine gute Wärmeschutzschicht erforderlich. Wie die Abdichtung der Nähte an der Verkleidung sichergestellt und eine wiederholte Verwendung erreicht werden kann, ist ein Problem, das Stoke noch lösen muss.

Beobachten Sie den Start des Prototyps der zweiten Stufe der Rakete aus einem anderen Blickwinkel

Ein starker Konkurrent in der kommerziellen Raumfahrt

Stocks Ziel ist es, eine zu 100 % wiederverwendbare Rakete mit einer Umlaufzeit von 24 Stunden zu entwerfen und zu bauen, die bis zu sieben Tonnen Fracht in eine niedrige Erdumlaufbahn befördern kann. Der erste Testflug der Rakete ist für 2025 geplant.

Die von Stocker entwickelte Rakete ist in zwei Stufen unterteilt. Die Bergung der Erststufenrakete erfolgt ähnlich wie bei der Falcon-9-Rakete. Die Rakete der zweiten Stufe ist mit der Verkleidung verbunden. Nach dem Eintritt in die Umlaufbahn entfaltet sich die Verkleidung wie ein Blütenblatt, um die Last freizugeben. Nach dem Schließen landet sie mit der Rakete der zweiten Stufe durch Raketenumkehr, wodurch die gesamte Rakete wiederverwendbar wird.

Ein wiederverwendbares System ist zwangsläufig komplexer und muss im Vergleich zu einem einmaligen Start mehr Treibstoff mitführen, um die Verzögerung beim Wiedereintritt zu decken, was sich auf die Transportkapazität auswirkt. Wenn diese Technologie jedoch ausgereift ist, wird Stockwell in der Lage sein, die erste und zweite Stufe der Rakete sowie die Verkleidung vollständig wiederzuverwenden und die Starthäufigkeit auf einmal täglich zu erhöhen. Damit können wiederverwendbare Raketenstartdienste in erdnahen oder noch weiter entfernten Umlaufbahnen bereitgestellt werden, wodurch die Startkosten gesenkt und die Startzyklen verkürzt werden.

Zukünftige kommerzielle Raketen müssen ihre Starthäufigkeit erhöhen und die Startkosten senken. Es ist absehbar, dass weltweit eine enorme Nachfrage nach kommerziellen wiederverwendbaren Raketen bestehen wird. Die Falcon-9-Rakete von SpaceX ist derzeit die einzige erfolgreiche, ausgereifte und wiederverwendbare Rakete, die durch groß angelegte tatsächliche Konstruktionsarbeiten verifiziert wurde. Insgesamt wurde es mehr als 200 Mal erfolgreich wiederhergestellt. Den Startdaten zufolge können wiederverwendbare Raketen enorme wirtschaftliche Vorteile bringen.

SpaceX ist nun in der Lage, den Booster der ersten Stufe und die Verkleidung der Rakete zu recyceln und wiederzuverwenden. Laut Musk selbst hat die Wiederverwendungsrate der Falcon 9-Rakete 80 % erreicht. Dies bedeutet, dass beim Start nur die Kosten für die Wartung der ersten Raketenstufe, die Herstellung der zweiten Raketenstufe und den Treibstoff aufgewendet werden müssen, was die Kosten direkt um 70 % senkt.

Für die vollständig wiederverwendbare Rakete, die Stock bauen möchte, werden in den Kosten nur die regelmäßige Wartung und der Treibstoffverbrauch enthalten sein. Diese Rakete kann die Kosten für den Transport von Nutzlasten in die Umlaufbahn weiter senken und wird zu einem starken Förderer und Konkurrenten in der Raumfahrtbranche. (Autor: Zhang Tianliang, Wang Zhaolei, Bildquelle: Stoke, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)