Der Start des Starships scheiterte, doch die nächste Ära der Raumfahrt steht bevor

Kürzlich ereignete sich ein Ereignis, das in der gesamten Geschichte der bemannten Raumfahrt erstaunlich ist: Bei der ersten Testrakete mit einem Raumfahrzeug kam es zu einer Fehlfunktion. Mehrere Triebwerke zündeten nicht sofort nach dem Start, dennoch stieg das Flugzeug in die Luft. Nach einigen Flugminuten geriet das Flugzeug schließlich außer Kontrolle und stürzte ins Meer. Doch immer wenn die Zündung der Rakete misslang oder die Startposition instabil war, war der Jubel der Mitarbeiter vor Ort zu hören, und dieser Jubel hielt an, bis die Rakete außer Kontrolle geriet und ins Meer stürzte. Einige Leute begannen sogar zu applaudieren und öffneten zur Feier des Tages Champagner.

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt werden erfolgreiche Starts immer wieder gefeiert. Ich habe noch nie erlebt, dass ein Raketenstart fehlschlug. Stattdessen hoben die Mitarbeiter ihre Gläser, um freudig zu feiern. Sogar Elon Musk, der Chef von Space X, dem Unternehmen, das die Rakete gebaut hat, gratulierte nach dem gescheiterten Raketenstart. Ein solches Ergebnis ist schockierend und verwirrend. Aber wenn Sie wüssten, welche Bedeutung diese „Starship“ genannte Rakete für die gesamte Luft- und Raumfahrt hat, würden Sie dem Fehlschlag dieses Starts wahrscheinlich Beifall zollen. Dies ist der erste Start einer Kombination aus Rakete und Raumfahrzeug mit der größten Nutzlast in der Geschichte der menschlichen Raumfahrt. Wenn der Test letztlich erfolgreich ist, könnten die Kosten für bemannte Raumfahrt auf 1/1.000 bis 1/200 des aktuellen Niveaus gesenkt werden, wodurch die Menschheit endgültig in die Phase kostengünstiger Raumfahrt eintreten würde.

Raumschiff auf der Startrampe

Die Rakete mit der bislang größten Nutzlast und den geringen Transportkosten hat bei diesem Starttest große Aufmerksamkeit erregt. Daher haben sich die Forscher einige „kleine Ziele“ gesetzt, beispielsweise: Solange die Rakete erfolgreich zündet und die Startrampe nicht in die Luft sprengt, ist sie ein Erfolg; wenn es reibungslos abheben und weiterfliegen kann, wird es ein großer Erfolg sein; Wenn sich die Rakete der ersten Stufe reibungslos ablöst und das Raumschiff erfolgreich zündet, wird es ein großer Erfolg sein. Wenn das Raumschiff erfolgreich in die Umlaufbahn eintritt, wäre dies ein beispielloser Erfolg.

Es ist nicht schwer zu verstehen, warum die Mitarbeiter trotz des gescheiterten Starts zur Feier des Tages trotzdem Champagner öffneten.

Der Traum vom Fliegen ist nicht mehr teuer

Für die Menschheit von heute ist der Flug ins All weder ein großer noch ein kleiner Traum. Es ist nicht klein, denn wenn man 100 Kilometer in den Himmel fliegt und die Karman-Linie überquert, befindet man sich im Weltraum, und 100 Kilometer sind keine große Entfernung. Ein Auto kann das Ziel auf der Autobahn in mehr als einer Stunde erreichen. es ist nicht klein, denn es ist sehr einfach, 100 Kilometer auf dem Landweg zu fahren, es verbraucht keine 10 Liter Benzin und dauert weniger als 2 Stunden, aber es ist sehr schwierig, die Schwerkraft loszuwerden und 100 Kilometer vertikal aufzusteigen.

Wenn Sie 100 zufällig ausgewählte Passanten auf der Straße fragen, ob sie gerne in den Weltraum reisen würden, wenn die Kosten keine Rolle spielen, werden wahrscheinlich mehr als 90 % von ihnen mit „Ja“ antworten. Wenn so viele Menschen ins All fliegen wollen, warum hat sich dann keine Weltraumtourismusbranche entwickelt? Erstens: Auch wenn die Erfolgsquote von Raketenstarts hoch ist, führt das Auftreten einer Gefahr zur Zerstörung der Rakete und zum Tod von Menschen. zweitens ist es teuer. Wenn Sie mit einer Rakete ins All fliegen möchten, kostet das Ticket 20 bis 40 Millionen US-Dollar, also 140 bis 280 Millionen RMB.

Wenn der Raumschifftest von Space X erfolgreich ist, wird es irgendwann in der Lage sein, Menschen oder Fracht in den Weltraum zu befördern. Dabei können die Transportkosten pro Kilogramm auf 100 US-Dollar gesenkt werden, während herkömmliche Raketen für den Transport von einem Kilogramm Fracht in den Weltraum 20.000 US-Dollar kosten. Nach dieser Berechnung kostet es bei einer Person mit einem Gewicht von 70 Kilogramm (ohne Raumanzug) nur 7.000 US-Dollar (ca. 50.000 RMB), sie ins All zu schicken. Mit einem zusätzlichen Lebenserhaltungssystem und systematischem Training könnte eine Reise ins All weniger als 500.000 RMB kosten. Wenn das Raumschiff in der Zukunft erfolgreich gestartet und kommerzialisiert ist, werden die Kosten für die Raumfahrt nur noch 1/1.000 bis 1/200 der heutigen Kosten betragen.

Dabei geht es immer noch um den Transport von Menschen ins All, wofür ein Lebenserhaltungssystem, Nahrung und Wasser benötigt werden und auch die Temperatur im Raumschiff streng kontrolliert werden muss. Wenn nur ein Teil der Ladung transportiert wird, können die Transportkosten reduziert werden.

Starship, der Pionier der nächsten Ära der Raumfahrt

Was den menschlichen Traum vom Fliegen betrifft, müssen wir ihn möglicherweise auf die primitiven Menschen zurückführen, die unsere Vorfahren in Afrika waren. Vor Millionen von Jahren, als die primitiven Menschen einen Tag des Sammelns und Jagens beendeten und schlafen gehen wollten, blickten sie zufällig auf und sahen den Sternenhimmel. Möglicherweise entwickelten sie ein starkes Interesse an diesem Ort. Daher ist die Sehnsucht nach dem Himmel oder dem Weltraum möglicherweise schon seit langer Zeit in unseren Genen verankert.

Die Menschheit sucht nach Möglichkeiten, ins All zu fliegen. Erst Ende des 19. Jahrhunderts stellte ein Russe namens Ziolkowski verschiedene Theorien zur Raumfahrt und zum Raketenantrieb auf. Obwohl der Wissenschaftler, der im Alter von neun Jahren aufgrund einer Krankheit sein Gehör verlor, seine Konstruktion letztlich nicht verwirklichen konnte, war seine Theorie richtig: Mehrstufige Raketen, die flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff als Treibstoff verwenden, könnten den Weltraum erreichen.

Ziolkowski

Seit der Raketenwissenschaftler Robert Goddard die erste Flüssigkeitsrakete gebaut hat, sind Flüssigkeitsraketen seit fast 100 Jahren das Hauptinstrument für Raketenstarts, und selbst ihre Struktur hat sich kaum wesentlich verändert. Darüber hinaus sind Raketen seit ihrer Erfindung mit einem großen Widerspruch konfrontiert: Raketen müssen große Mengen Treibstoff mitführen, und der durch die Verbrennung des Treibstoffs erzeugte Schub wird die Rakete schließlich in den Weltraum befördern. Je mehr Fracht transportiert wird, desto schwerer ist die Rakete und desto mehr Treibstoff benötigt sie. Aufgrund dieses Widerspruchs ist es unwahrscheinlich, dass eine Rakete zu viel Nutzlast transportieren kann. Doch wenn wir Raumstationen, Mondbasen und Marsbasen bauen, wird die Menge der zu transportierenden Maschinen und Ausrüstung enorm sein, und der Bedarf an Nahrungsmitteln und Wasser wird sogar noch größer sein. Die Hauptfragen bei Raketenstarts bestehen darin, Raketen für den Transport größerer und schwererer Frachten zu befähigen und die Frachtkosten zu senken.

Goddard und seine Flüssigkeitsrakete

Die beiden wichtigen Vorteile von Starship basieren fast ausschließlich auf diesem Hauptanliegen. Einer davon ist der speziell entwickelte Motor, der andere ist das wiederholte Recycling von Raketen.

Fortschritte bei Raketentriebwerken

Das Raumschiff ist hauptsächlich in zwei Teile unterteilt: Der untere Raketenbooster-Teil wird „superschwer“ genannt, was ins Chinesische als „superschwer“ übersetzt wird; Der obere Teil, der Fracht und Raumfahrzeuge transportieren kann, wird „Raumschiff“ genannt, was auf Chinesisch „Raumschiff“ heißt. Um sich das Ganze leichter merken zu können, werden Super Heavy und Starship kombiniert und zusammen als „Starship“ bezeichnet.

Die zweiteilige Struktur eines Raumschiffs

Beim Zünden der Rakete ist der in der ersten Stufe der Rakete oder dem Booster eingebaute Motor dafür zuständig, den Treibstoff zu verbrennen, große Mengen Flammen und Gas zu versprühen und nach dem Prinzip von Aktion und Reaktion abzuheben. Daher ist die Zuverlässigkeit des Triebwerks der wichtigste Faktor für den Raketenstart. Dank der Fortschritte in der Materialwissenschaft und im Maschinenbau wurden die Triebwerke von Starship viele Male neu konstruiert und verbessert, und die aktuelle Triebwerksleistung übertrifft alle bisherigen Raketentriebwerke.

Starship verfügt über 33 Raptor II-Triebwerke im superschweren Bereich und 6 im Starship-Bereich, also insgesamt 39 Triebwerke. Die Schubkraft jedes Triebwerks beträgt etwa 230 Tonnen. Ohne die Triebwerke des Raumschiffteils beträgt der Schub des superschweren Teils allein 7.590 Tonnen. Ist dieser Schub stark genug? Vor dem Bau von Starship war beispielsweise die Saturn-V-Rakete, die im Apollo-Mondlandeprogramm eingesetzt wurde, die stärkste Rakete aller Zeiten mit einem Schub von 3.400 Tonnen. Eine einfache Berechnung zeigt, dass der Schub des Starship mehr als doppelt so groß ist wie der der Saturn V.

Starship hat 33 Motoren im superschweren Abschnitt installiert

Ein so großer Schub ermöglicht es, schwerere Fracht oder Raumfahrzeuge ins All zu schicken. Wenn die Rückreise nicht berücksichtigt wird, kann das Raumschiff etwa 300 Tonnen Raumfahrzeug oder Fracht auf einmal in den Weltraum schicken. Die Saturn V hat eine Tragfähigkeit von 140 Tonnen und die derzeit stärkste Rakete SLS BLOCK1B kann nur 95 Tonnen Fracht oder Raumfahrzeuge ins All befördern.

Was bedeutet es, ein Raumschiff oder eine Fracht mit einem Gewicht von 300 Tonnen zu haben? Ein männlicher afrikanischer Elefant wiegt etwa 6 Tonnen und das Raumschiff kann 50 Elefanten gleichzeitig ins All schicken. Ist solch ein furchterregender Stoß nicht erstaunlich?

Fortschritte bei Arrow-Materialien und -Kraftstoffen

Von der Statur her ist Xingyi etwas größer als seine Vorgänger. Aber gemessen an den Materialkosten für die Herstellung des Arrow-Körpers ist das Raumschiff recht günstig.

Wir alle sollten schon einmal Thermosbecher mit 304-Innenbeschichtung benutzt oder gesehen haben. Solche Becher sind robust, langlebig und preiswert. Wenn solche Materialien zur Herstellung von Raketenkörpern verwendet werden, sind die Kosten sehr gering. Edelstahl 304 kostet nur 3 Dollar pro Kilogramm, während die Kohlefaser-Verbundwerkstoffe, die zum Bau moderner Hauptraketen verwendet werden, nicht ganz so billig sind. Die Kosten für 1 Kilogramm Kohlefaserverbundwerkstoff betragen 100 US-Dollar und sind damit mehr als 30-mal so hoch wie die Kosten für Edelstahl 304. Außerdem ist Edelstahl 304 viel einfacher herzustellen.

Neben der Verbesserung des Materials des Raketenkörpers ist auch die Wahl des Raumschifftreibstoffs etwas Besonderes. Es werden flüssiger Sauerstoff und Methan verwendet.

Derzeit gibt es vier Haupttypen von Raketentreibstoffen, nämlich Festbrennstoff, Stickstofftetroxid/Hydrazin (Amin), flüssigen Sauerstoff und Kerosin sowie flüssigen Sauerstoff und flüssigen Stickstoff. Unter ihnen sind Feststoffmotoren am einfachsten herzustellen. Obwohl der Schub nicht groß ist, lässt sich Festbrennstoff relativ einfach lagern und wird daher häufig als Treibstoff für die „Brüder“ der Rakete, die Flugkörper, verwendet. Stickstofftetroxid/Hydrazin (Amin) ist leichter zu entzünden, entzündet sich bei Kontakt und kann bei Raumtemperatur gelagert werden. Da dieser Kraftstoff jedoch hochgiftig und extrem teuer ist, wird er immer seltener eingesetzt. Flüssigsauerstoffkerosin ist derzeit der kostengünstigste Kraftstoff. Allerdings müssen an Kerosin extrem hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden, da es bei seiner Verbrennung leicht zu Kohlenstoffablagerungen und Verkokungen kommt, was dem Recycling des Motors nicht förderlich ist. Flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff sind auch die Haupttreibstoffe für heutige Raketen. Durch die Verbrennung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff entsteht Wasser, das sehr umweltfreundlich ist. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die Entwicklung solcher Motoren zu aufwendig ist und auch die Lagerung des Kraftstoffs sehr schwierig ist, da flüssiger Wasserstoff viel Platz einnimmt, der Temperaturunterschied zu flüssigem Sauerstoff groß ist und zudem eine Isolierung erforderlich ist.

Als Treibstoff verwendet das Raumschiff flüssigen Sauerstoff und Methan. Einerseits bilden sich bei der Verbrennung von flüssigem Sauerstoff und Methan keine Kohlenstoffablagerungen wie bei flüssigem Sauerstoff und Kerosin, sodass der Motor leicht zu reinigen und zu warten ist und wiederholt recycelt werden kann. Andererseits liegen die Lagertemperaturen/Siedepunkte von flüssigem Sauerstoff und Methan sehr nahe beieinander und die Lagerungsschwierigkeiten sind viel geringer als bei flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff, wobei die Lagerung des letzteren in Raketen ein äußerst schwieriges Problem darstellt.

Gleichzeitig ist der Konstruktionsaufwand des Flüssigsauerstoff-Methan-Motors relativ gering und sein Aufbau ähnelt dem des Flüssigsauerstoff-Kerosin-Motors, und es kann nahezu der gleiche zugehörige Aufbau verwendet werden. Darüber hinaus ist LOX-Methan der billigste aller Raketentreibstoffe.

Raketenwiederherstellungsbildschirm

Wenn wir den Mars erforschen wollen, müssen wir nach unserer Ankunft zur Erde zurückkehren. Die Kosten für die Herstellung von flüssigem Wasserstoff auf dem Mars sind sehr hoch, die Verwendung von Methan als Kraftstoff ist jedoch relativ einfach. Das Kohlendioxid auf dem Mars kann sich mit Wasser zu Methan verbinden. Darüber hinaus ist es auf den großen Planeten des Sonnensystems, insbesondere auf Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, viel einfacher, Methan als flüssigen Wasserstoff zu finden.

Wiederverwendung kann Kosten erheblich senken

Einer der Träume der Menschheit besteht darin, eine große Anzahl von Arbeitskräften und Maschinen in den Weltraum zu schicken, um eine Raumstation zu bauen, sie zum Mars zu schicken, um dort eine Basis zu errichten, und schließlich zum Mars zu migrieren. Dies erfordert den Bau von Raketen mit größerer Nutzlast, was zu extrem hohen Kosten führen wird. Beispielsweise kostet der Bau und der einmalige Start der aktuellen 110 Meter hohen SLS-Rakete 2,2 Milliarden Dollar.

Konzeptzeichnungen der Raumschiff-Marsbasis

Tatsächlich beträgt die Höhe des Raumschiffs 120 Meter. Logischerweise sollten die Kosten nicht zu niedrig sein, aber die Hülle und der Motor können 50 Mal wiederverwendet werden, was die Kosten auf die einzelnen Starts verteilt deutlich günstiger macht. Einer der wichtigsten Gründe für die niedrigen Kosten des Starship ist seine Wiederverwendungsfähigkeit, was bei den meisten Raketen in verschiedenen Ländern nicht möglich ist.

Raumschiffe können jetzt in Massenproduktion hergestellt werden und Fabriken können sogar jeden Tag einen Raptor-Motor produzieren. Dank der Fortschritte in der Konstruktion kostet ein Raptor-Triebwerk nur 2 Millionen US-Dollar und die Erzeugung von 1 Kilonewton Schub kostet nur 1.000 US-Dollar, während das im Space Shuttle und in der SLS-Rakete verwendete RS-25-Triebwerk für die Erzeugung von 1 Kilonewton Schub 25.000 US-Dollar kostet und damit 25-mal teurer ist. Heute verfügt der modernere Raptor II-Motor über ein stromlinienförmigeres Design, eine um 400 kg reduzierte Masse und einen Preis von nur 1 Million US-Dollar. Der Schub beträgt mittlerweile 230 Tonnen und kann 50 Mal wiederverwendet werden, wobei die Kosten pro Kilonewton Schub nur 8 Dollar betragen.

Zusammenfassend sind die Hauptvorteile von Raumschiffen hoher Schub, einfache Produktion und, was am wichtigsten ist, niedrige Kosten. Selbst wenn die Startrampe nicht in die Luft gesprengt würde oder sogar schon nach wenigen Flugminuten explodieren würde, wäre die Aufregung bei den Menschen groß, denn dies ist der erste Schritt in der nationalen Raumfahrt. Obwohl es nur ein kleiner Schritt ist, könnte es ein großer Schritt für die bemannte Raumfahrt sein.

Starships zukünftiger Karriereplan

Mit billigen Raketen können Wissenschaftler wissenschaftliche Entwürfe verwirklichen, die zuvor nur vorstellbar, aber nie möglich waren, wie beispielsweise weltraumgestützte Solarenergie.

Weltraumgestützte Solarenergie

Am Boden wird die Stromerzeugung durch Solarenergie stark durch bewölkte Tage und Regen beeinträchtigt, bei der weltraumgestützten Solarenergie ist das jedoch anders. In der Satellitenumlaufbahn wird es vom Wetter überhaupt nicht beeinflusst. Darüber hinaus kann durch die Entwicklung der Luft-Luft-Energieübertragungstechnologie eine große Menge Elektrizität zurück zur Erdoberfläche übertragen werden, was diese Technologie umweltfreundlicher macht als jede andere Energieerzeugungsanlage auf der Erde. Was Wissenschaftler bisher beunruhigte, war die Tatsache, dass für den Start so vieler Solarmodule und Telemetrieanlagen eine große Zahl von Raketen erforderlich wäre und die Kosten weit höher wären als die Leistung. Doch mit Raumschiffen ist dieser Traum nicht mehr weit entfernt.

Gleichzeitig ist die Idee, eine Mondbasis oder eine Marsbasis zu bauen oder sogar eine große Anzahl von Geräten zu starten, um den Mars umzugestalten, nicht länger unmöglich.

Daher hat Starship nicht nur hart an seinen Triebwerken und seiner Recyclingtechnologie gearbeitet, sondern auch die chinesische Luft- und Raumfahrtindustrie holt auf und hat einige Erfolge bei der Recyclingraketentechnologie erzielt. Ich bin davon überzeugt, dass China in naher Zukunft eigene, kostengünstige Raketen starten wird, die uns in die nächste Ära der Raumfahrt führen werden.