Dämmerung! Der weltweit erste erfolgreiche Start einer Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete

Am 12. Juli gegen 9:00 Uhr zündete die Suzaku-2 Yao-2-Rakete des chinesischen privaten Luft- und Raumfahrtunternehmens Blue Arrow Aerospace und startete vom Satellitenstartzentrum Jiuquan. Die Startmission war ein voller Erfolg. Es handelte sich um die weltweit erste Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete, die eine Nutzlast erfolgreich in eine vorbestimmte Umlaufbahn brachte. Dies zeigt, dass der in den letzten Jahren populäre „Flüssigsauerstoff-Methan-Trend“ einen soliden ersten Schritt in Richtung praktischer Anwendung gemacht hat.

Welche Vorteile bietet die Wahl von flüssigem Sauerstoff und Methan als Treibstoff für Raketen? Welche Anwendungsaussichten haben Flüssigsauerstoff- und Methanraketen?

Vom Herd zur Rakete

Obwohl die praktische Anwendung von Raketentriebwerken mit flüssigem Sauerstoff und Methan in den letzten Jahren allmählich an Aufmerksamkeit gewonnen hat, ist ihr „Keimungsdatum“ noch recht früh. Im März 1931 leitete der deutsche Raketenpionier Johannes Winkler den Start der weltweit ersten Flüssigsauerstoff-Methan-Rakete, der Hückel-Winkler-1. Die Rakete sah ganz anders aus als ihre heutigen Nachfolger. Der Treibstoff wurde in Röhren gelagert und der einzige Motor befand sich in der Mitte der Rakete. Leider erreichte die Rakete nur eine Höhe von etwa 60 Metern und hatte zu dieser Zeit keinen praktischen Wert, sodass sie keinen großen Eindruck machte.

Mitte des 20. Jahrhunderts, mit dem Beginn des Weltraumzeitalters, erlebten Flüssigkeitsraketen eine rasante Entwicklung. Allerdings verwendeten Flüssigraketentriebwerke damals Kerosin, flüssigen Wasserstoff usw. als Hauptbrennstoffe, und Methan war noch „nicht vorhanden“, was eng mit seinem industriellen Technologieniveau und Anwendungsbereich zusammenhing.

Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Obwohl Erdgas schon früh entdeckt wurde, wurde ihm auf dem Energiemarkt während des größten Teils des 20. Jahrhunderts wenig Beachtung geschenkt. Dies liegt vor allem daran, dass die Erdgasverflüssigungstechnologie noch nicht ausgereift ist, die industrielle Verarbeitungskapazität unzureichend ist und die Nutzungskosten hoch sind. Daher ist es natürlich schwierig, diese Technologie als kostengünstige Alternative für die Luft- und Raumfahrt einzusetzen.

Mit dem technologischen Fortschritt und der veränderten Nachfrage nimmt der Anteil von Erdgas am Energiehandel einen immer größeren Platz ein: Im Jahr 1970 betrug das weltweite Handelsvolumen für Erdgas aufgrund von Einschränkungen wie der Verflüssigungstechnologie lediglich 3 Milliarden Kubikmeter; bis 2021 lag diese Zahl bei über 1 Billion Kubikmeter. Japan, die Europäische Union und andere Länder nutzen Erdgas zunehmend als Hauptenergiequelle. Technologien wie die Raffination, Verarbeitung und Speicherung von Erdgas werden immer ausgereifter und tragen dazu bei, die Anwendungsszenarien für Methan zu diversifizieren.

Da Erdgas in Tausenden von Haushalten und Fabriken in die Küchenherde geliefert wird, treten seine Vorteile wie hohe Verbrennungseffizienz, Umweltschutz, niedrige Kosten und einfache Produktion immer stärker in den Vordergrund. Methan wird zunehmend zu einer Kraftstoffoption, die die Raketentriebwerksforscher nicht ignorieren können. Tatsächlich ist das von einigen hochwertigen Gasfeldern produzierte Erdgas von extrem hoher Qualität. Nach der Verflüssigung kann es ohne zusätzliche Reinigungsschritte direkt als Treibstoff für Raketentriebwerke verwendet werden.

In den 1960er Jahren begannen amerikanische Luft- und Raumfahrtunternehmen mit der Erforschung der praktischen Anwendung von Methan-Raketentreibstoffen und sammelten beträchtliche Erfahrungen bei der Herstellung und Anwendung von flüssigen Sauerstoff-Methan-Treibstoffen. In den 1980er Jahren führte mein Land auch Vorstudien zu Methan-Raketentreibstoffmotoren durch und führte Tests zur elektrischen Wärmeübertragung von Methan und Propan sowie Tests zur Zündung der Schubkammer durch und erzielte erste Ergebnisse. Zahlreiche Forschungseinheiten für Luft- und Raumfahrtantriebe haben zahlreiche Forschungsergebnisse und Erfahrungen gesammelt und damit eine solide Grundlage für den Flug von Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerken gelegt. Darüber hinaus forschen auch die ESA, Russland, Indien und andere Länder an Flüssigsauerstoff-Methan-Motoren, doch noch hat keines dieser Länder praxistaugliche Motormodelle produziert und die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium.

Der neue Power-Favorit hat viele Vorteile

Obwohl die Luft- und Raumfahrtindustrie verschiedener Länder schon früh mit der Forschung an Methan-Raketentreibstoff begann, gelang es Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerken aufgrund verschiedener Einschränkungen und Überlegungen im gesamten 20. Jahrhundert nicht, Raketen in die Umlaufbahn zu befördern. Stattdessen blieben sie als Technologieprüfer und -forscher im Verborgenen.

Erst in den 2020er Jahren, nach mehr als einem halben Jahrhundert technologischer Entwicklung, erreichte der Flüssigsauerstoff-Methan-Motor endlich die „Schwelle“ der praktischen Anwendung. Fast gleichzeitig entwickelte sich die Technologie für wiederverwendbare Raketen allmählich weiter, was dazu führte, dass flüssiger Sauerstoff und Methan als Treibstoffe ihre Stärken ausspielen und ihre Schwächen vermeiden konnten und so zum „neuen Favoriten“ der zukünftigen Raketenantriebe wurden.

In Bezug auf die Treibstoffleistung hat flüssiges Sauerstoffmethan im Vergleich zu herkömmlichem flüssigem Sauerstoffkerosin seine eigenen Vor- und Nachteile. In Bezug auf die Dichte ist die kombinierte Dichte von flüssigem Sauerstoff und Methan unter denselben Konstruktionsbedingungen etwa 20 % niedriger als die von flüssigem Sauerstoff und Kerosin, was bedeutet, dass die Energiedichte von flüssigem Methan nicht so gut ist wie die von flüssigem Sauerstoff und Kerosin; in Bezug auf den spezifischen Impuls ist der theoretische spezifische Impuls von Methan etwas höher als der von Kerosin, nämlich um 3 %, aber der spezifische Impuls wird leicht durch Faktoren wie den Motorzyklusmodus beeinflusst, sodass man sagen kann, dass der spezifische Impuls von Kerosin und Methan im Wesentlichen gleich ist; In puncto Kühlwirkung spielt Methan als Niedertemperaturbrennstoff seine Vorteile aus. Dank des spezifischen Wärmekapazitätsindex ist seine Gesamtkühlleistung mehr als dreimal so hoch wie die von Kerosin, und da es sich um einen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff handelt, verkokt und lagert er sich nicht so leicht ab, was für den tatsächlichen Einsatz des Motors „freundlicher“ ist.

Methan hat einen natürlichen Vorteil hinsichtlich der Wartungsfähigkeit des Motors. Heutzutage liegen wiederverwendbare Raketen im Trend. Bei Flüssigsauerstoff-Kerosin-Raketen müssen die Triebwerke nach der Bergung gründlich gereinigt werden, bevor sie wieder eingesetzt werden können. Flüssigmethan ist ein hochflüchtiger Brennstoff, daher reduzieren Flüssigsauerstoff-Methan-Motoren den Arbeitsaufwand für die Logistikwartung erheblich.

Die Verwendung von Methan als Treibstoff hat sich auch sehr positiv auf die Strukturgestaltung von Raketentanks und anderen Komponenten ausgewirkt. Flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel hat einen Siedepunkt von etwa minus 183 Grad Celsius, während Methan als Reduktionsmittel einen Siedepunkt von etwa minus 161 Grad Celsius hat. Die beiden liegen relativ nahe beieinander und sind weit entfernt von dem enormen Unterschied in der Siedetemperatur zwischen flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff. Wenn also ein sauberer Treibstoff verwendet wird, können Flüssigsauerstoff-Methan-Raketen bequem einen gemeinsamen Bodentank mit kryogenem Treibstoff verwenden. Dadurch wird das Gewicht des Tanks effektiv reduziert, die Länge verkürzt, das Gewicht des Raketenkörpers verringert, die Tragfähigkeit erhöht und der Nachteil der kombinierten Dichte ausgeglichen. Darüber hinaus ist Methan hochflüchtig, sodass der Tank eine selbstdruckerzeugende Konstruktion aufweisen kann, die zusätzlich zu einer effizienten Gewichtsreduzierung beiträgt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Flüssig-Sauerstoff-Methan-Motoren eine starke Leistung und niedrige Betriebskosten aufweisen. Ihre umfassenden Eigenschaften passen sehr gut zum Entwicklungstrend der wiederverwendbaren Raketentechnologie. Es ist keine Überraschung, dass sie zum „Liebling“ der Raketen der neuen Ära geworden sind.

Mit gesammelter Erfahrung an die Spitze

Diese Mission ist der zweite Start der Suzaku-2-Rakete. Die Erstveröffentlichung erfolgte am 14. Dezember letzten Jahres. Unglücklicherweise riss während des Fluges der zweiten Raketenstufe das Triebwerksrohr, was zu einer Fehlfunktion des Flugzeugs führte und dazu, dass die Nutzlast nicht in die Umlaufbahn gelangen konnte. In der ersten Hälfte dieses Jahres haben zwei ausländische Flüssigsauerstoff-Methan-Raketen ihren ersten Flug in die Umlaufbahn gewagt, nämlich die Terran-1-Rakete von Relativity Space und das Starship von SpaceX, aber leider scheiterten beide. Das Suzaku-2-Raketenteam behob die Fehler rechtzeitig und erzielte nach Verbesserungen Erfolge, was nicht einfach war.

Öffentlichen Informationen zufolge entwickeln viele private Luft- und Raumfahrtunternehmen in meinem Land, darunter Blue Arrow Aerospace, Jiuzhou Cloud Arrow, Interstellar Glory und Space Propulsion, Raketen und Triebwerke für flüssigen Sauerstoff und Methan und haben relativ beeindruckende Ergebnisse erzielt. Unter ihnen hat Blue Arrow Aerospace die schnellsten Fortschritte gemacht.

Der von dem Unternehmen entwickelte „Tianque-12“ ist der erste Flüssigsauerstoff-Methan-Motor, der in China in Betrieb genommen wird. Es verwendet einen Gasgeneratorzyklus, hat einen Schub auf Meereshöhe von 67 Tonnen, einen spezifischen Impuls auf Meereshöhe von 286 Sekunden, einen Vakuumschub von 80 Tonnen, einen spezifischen Impuls auf Vakuumebene von 337 Sekunden und einen Kammerdruck von etwa 10 MPa.

Die erste Stufe der Zhuque-2-Rakete ist mit vier Tianque-12-Triebwerken ausgestattet, die einen Startschub von bis zu 268 Tonnen erreichen. Blue Origin arbeitet weiterhin an der Verbesserung dieses Triebwerks und das neue Modell „Tianque-12A“ wird voraussichtlich in Zukunft auf der ersten Stufe der Suzaku-2-Rakete zum Einsatz kommen.

Derzeit ist die zweite Stufe der Zhuque-2-Rakete mit einem einzelnen 10-Tonnen-Schwimmtriebwerk vom Typ „Tianque-12“ und „Tianque-11“ mit flüssigem Sauerstoff und Methan ausgestattet. Darunter hat die zweite Stufe „Tianque-12“ den gleichen Triebwerksstatus wie das Triebwerk der ersten Stufe und wurde keiner Vakuumoptimierung unterzogen. In Zukunft wird die Lokomotive durch die Suzaku-2-Rakete ersetzt und durch den 80-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Methan-Motor „Tianque-15A“ mit variabler Schubpumpe und vorwärts schwenkbarer Pumpe ersetzt, der als vakuumoptimierte und verbesserte Version des „Tianque-12A“ angesehen werden kann. Nach dem erfolgreichen Einsatz von „Tianque-12A“ und „Tianque-15A“ wird erwartet, dass die Zhuque-2-Rakete in Zukunft ihre Kapazität weiter steigern und gleichzeitig die Kosten senken wird, den Bedarf für mehr Startarten decken und sich an die zukünftigen Bedürfnisse des Marktes für kommerzielle Weltraumstarts anpassen wird.

Gleichzeitig arbeitet das „Nationalteam“ der Luft- und Raumfahrt meines Landes intensiv daran, die Forschung und Entwicklung von Raketentriebwerken auf höherer Ebene mit flüssigem Sauerstoff und Methan voranzutreiben. Mindestens 80-Tonnen- und 200-Tonnen-Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerke werden derzeit kontinuierlich getestet und werden die bevorzugte Antriebsart für die zukünftigen großen und mittelgroßen Raketen meines Landes sein.

Wenn man sich auf der Welt umschaut, sieht man, dass sich viele ausländische Raketen mit flüssigem Sauerstoff und Methan in der Entwicklung befinden, einige beschleunigen die Triebwerkstests und andere haben mit der intensiven Montage und Erprobung der gesamten Rakete begonnen. Einige Modelle verfügen über sehr hohe Leistungsindikatoren. Beispielsweise verfügt das BE-4-Triebwerk von Blue Origin über einen Schub auf Meereshöhe von 240 Tonnen und soll 100 Mal wiederverwendbar sein; SpaceX hat sogar die kühne Aussage gemacht, dass man „anstrebt, den Schub des Raptor-Triebwerks auf über 270 Tonnen und den Startschub von ‚Starship‘ auf über 9.000 Tonnen zu steigern.“ Angesichts des boomenden Trends zu wiederverwendbaren Raketen und Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerken bin ich davon überzeugt, dass die Luft- und Raumfahrtexperten meines Landes die Branchentrends rechtzeitig verfolgen, ihre eigenen Bedingungen und tatsächlichen Bedürfnisse berücksichtigen und das Niveau der Flüssigsauerstoff-Methan-Raketen und -Triebwerke auf ein neues Niveau heben werden. (Autor: Shi Xiaolong)