Welche technischen Herausforderungen müssen bewältigt werden, wenn häufig mehrere Satelliten mit einer Rakete gestartet werden?

In letzter Zeit haben verschiedene Länder häufig mehrere Satelliten mit einer Rakete gestartet. Welche Vorteile bietet es also, mehrere Satelliten mit einer Rakete zu starten? Welche technischen Herausforderungen müssen bewältigt werden? Welche neuen Technologien werden in Zukunft eingesetzt, um den Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete zu verbessern und zu optimieren?

Kosten senken und Vernetzung beschleunigen

Beim sogenannten „Mehrere Satelliten mit einer Rakete“ werden mit einer Trägerrakete zwei oder mehr Satelliten in die vorgegebene Umlaufbahn gebracht. Dies ist eigentlich das Ergebnis der Transformation vom Militärischen zum Zivilen, die auf die Mehrfachsprengkopftechnologie ballistischer Raketen zurückzuführen ist. Es wurde erstmals Ende der 1950er Jahre von den Vereinigten Staaten vorgeschlagen, um das sowjetische Raketenabwehrsystem zu durchbrechen und die Durchschlagskraft ballistischer Raketen zu verbessern.

Im Jahr 1960 starteten die Vereinigten Staaten zum ersten Mal zwei Satelliten mit einer Rakete, und im folgenden Jahr gelang ihnen der Start von drei Satelliten mit einer Rakete. In der Folgezeit haben die größten Raumfahrtnationen und -organisationen der Welt auf diesem Gebiet Durchbrüche erzielt. Derzeit sind die Vereinigten Staaten, Russland, die ESA, China, Indien und Japan in der Lage, mehrere Satelliten mit einer einzigen Rakete zu starten.

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach dem Start einer großen Zahl kleiner und mittelgroßer Satelliten und dem Aufbau globaler Kommunikations- und Navigationsnetzwerksysteme kontinuierlich gestiegen. Auch der Umfang der Konstellationsvernetzung hat sich weiter ausgedehnt, so dass der Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete immer häufiger vorkommt und die Zahl der Starts einzelner Satelliten weiterhin neue Rekorde erreicht. Im Jahr 2021 gelang es dem US-Unternehmen SpaceX, mit der Falcon-9-Rakete „143 Satelliten in einer Rakete“ zu starten und damit einen neuen Weltrekord aufzustellen.

Schematische Darstellung der Trennung und Bereitstellung gestapelter Flachbildschirmsatelliten

Welche Vorteile bietet es also, mehrere Satelliten mit einer Rakete zu starten?

Einerseits kann dadurch die Tragfähigkeit der Rakete voll ausgeschöpft und die Kosten für den Satellitenstart gesenkt werden. Bei herkömmlichen Raketen wird das Startverfahren „Eine Rakete, ein Satellit“ verwendet. Da die Konstruktionsqualität des Satelliten nicht exakt mit der Tragfähigkeit der Rakete übereinstimmen kann, kommt es zwangsläufig zu einer Verschwendung von Tragfähigkeit der Rakete.

Das Modell „Mehrere Satelliten mit einer Rakete“ ermöglicht eine rationale Auswahl der Nutzlastobjekte auf Grundlage der Tragfähigkeit der Rakete, erhöht die Möglichkeiten für Satellitenstarts und senkt die durchschnittlichen Startkosten eines einzelnen Satelliten. Insbesondere bei Mikrosatelliten und Mikronanosatelliten ist es in der Regel nicht möglich, sie als Hauptnutzlast eines separaten Starts zu verwenden und sie können nur als Nutzlast anderer Startmissionen in die Umlaufbahn gebracht werden. Der Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete bietet offensichtlich vielen kleinen Satelliten die Möglichkeit, „Fahrgemeinschaften im Weltraum“ zu bilden.

Andererseits kann der Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete den Aufbau der Konstellation beschleunigen. Bei einer Konstellation aus mehreren Satelliten kann es bei der herkömmlichen Startmethode „eine Rakete für einen Satelliten“ lange dauern, bis die gesamte Vernetzung abgeschlossen ist. Dadurch kann die volle Effizienz nicht rechtzeitig ausgeschöpft werden. Insbesondere in den letzten Jahren haben viele Parteien Pläne zum Aufbau riesiger Konstellationen mit Tausenden von Satelliten vorgeschlagen und legen dabei größeren Wert auf die Zeit bis zum Netzwerkaufbau und umfassende Vorteile. Durch den Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete kann eine kleine Konstellation die gesamte Vernetzung durch einen oder mehrere Starts vervollständigen, was die Effizienz erheblich verbessert. Eine riesige Konstellation kann die Vernetzungszeit erheblich verkürzen und den Aufbau einer supergroßen Konstellation mit Zehntausenden von Satelliten ermöglichen.

Der Einsatz mehrerer Satelliten ist schwierig

Abhängig von der Einsatzmethode kann der Start mehrerer Satelliten mit einer Rakete in zwei Kategorien unterteilt werden: Eine besteht darin, alle Nutzlasten in dieselbe Umlaufbahn zu bringen; die andere besteht darin, verschiedene Satelliten in ihre jeweiligen Umlaufbahnen oder in verschiedene Phasen derselben Umlaufbahnebene zu bringen.

Offensichtlich erfordert der erste Missionstyp keine hohe Genauigkeit der Umlaufhöhe und der Umlaufphase. Die letzte Stufe der Rakete kann Satelliten einzeln oder einzeln in einer bestimmten Umlaufbahn freigeben. Entscheidend ist, dass es nach dem Abwerfen der einzelnen Ladungen nicht zu Kollisionen kommt. Dies erfordert die Entwicklung einer sinnvollen Trennungsstrategie, sodass Trennungszeit und Geschwindigkeit der einzelnen Satelliten unterschiedlich sind, sodass die Satelliten allmählich und sicher „wegdriften“ können. Ein Beispiel hierfür ereignete sich im Jahr 2017, als eine indische Rakete auf einmal 104 Satelliten startete.

Der zweite Missionstyp stellt höhere Anforderungen an die Umlaufhöhe oder Umlaufphase. Um in diesem Fall die Mission, mehrere Satelliten mit einer Rakete zu starten, durchführen zu können, muss die Trägerrakete mit einer fortschrittlichen Oberstufe ausgestattet sein. Durch mehrfaches Zünden und Starten der Oberstufe kann es in verschiedene Umlaufbahnhöhen oder verschiedene Phasen derselben Umlaufbahnebene manövrieren, um die Satellitentrennung und den Orbitaleinsatz abzuschließen und so die Höhen- oder Phasenanforderungen für den Eintritt verschiedener Satelliten in die Umlaufbahn zu erfüllen.

Im Allgemeinen kann durch die Verwendung einer Oberstufe für den Start mehrerer Satelliten und die orbitale Stationierung die starke Manövrierfähigkeit der Oberstufe voll ausgenutzt, die Zeit für die Stationierung mehrerer Satelliten verkürzt und die Anforderungen an die Manövrierfähigkeit des Satelliten selbst verringert werden. Im Vergleich zur Oberstufe einer herkömmlichen Rakete muss die Oberstufe jedoch mehrere Starts durchführen und lange im Orbit bleiben können, und das Entwicklungsteam muss bestimmte technische Fähigkeiten beherrschen.

Darüber hinaus ist der erfolgreiche Start und Einsatz mehrerer Satelliten mit einer Rakete untrennbar mit dem Satellitenverteiler verbunden, und auch sein Design ist ein Schlüsselfaktor. Der sogenannte „Satellitenverteiler“ dient hauptsächlich dazu, die Einbauposition des Satelliten in der Raketenverkleidung festzulegen. Bildlich gesprochen stellt es einen „Sitzplatz“ für den Satelliten dar.

Wenn mehrere Satelliten vergleichbarer Größe gestartet werden, etwa Navigationssatelliten, Kommunikationssatelliten usw., sind Masse und Größe jedes Satelliten grundsätzlich gleich. An den umlaufenden Seitenwänden eines großen Zylinders können mehrere Satelliten aufgehängt werden. Dies wird als Satellitenverteiler vom Typ eines zentralen tragenden Zylinders bezeichnet. Sie können auch auf einer großen Scheibe platziert werden, bei der es sich um einen Satellitenverteiler vom Scheibentyp handelt.

Wenn mehrere Satelliten mit großen Unterschieden in Masse und Größe gestartet werden, handelt es sich bei einem Satelliten häufig um den Hauptmissionssatelliten und bei den anderen um kleine Trägersatelliten. Der Hauptmissionssatellit befindet sich normalerweise oben im Satellitenverteiler, und der kleine Satellit befindet sich an der Seitenwand oder

Rundherum unten.

Das Entwicklungsteam muss einen sinnvollen Trennungsplan auf Grundlage der Anordnung mehrerer Satelliten entwerfen und diese rechtzeitig gemäß der vorgegebenen Trennungssequenz freigeben, sodass die Satelliten durch die Trennfedern nacheinander von der letzten Stufe oder der Oberstufe der Rakete weggeschoben werden können und ein sicherer „Absprung“ gewährleistet ist.

Darüber hinaus gibt es noch andere Möglichkeiten, mit einer Rakete mehrere Satelliten zu starten. So können beispielsweise winzige Satelliten mithilfe von Raumfahrzeugen zur Raumstation transportiert und mehrere Satelliten dort freigesetzt und eingesetzt werden. Die Internationale Raumstation ist mit einer speziellen kleinen Satellitenfreigabevorrichtung ausgestattet, die Satelliten in die entgegengesetzte Richtung der Freigabebewegung der Internationalen Raumstation „herausschießen“ kann. Astronauten können bei Weltraumspaziergängen Mikro-Nano-Satelliten auch mit bloßen Händen freigeben.

Gestapelte Startrichtung für die Zukunft

Um die aus Zehntausenden Satelliten bestehende Starlink-Konstellation in Betrieb zu nehmen, hat das US-Unternehmen SpaceX in den letzten Jahren einen neuen, innovativen Startmodus für mehrere Satelliten mit einer Rakete entwickelt – den gestapelten Satellitenstart.

Da Starlink-Satelliten eine einheitliche standardisierte Flachplattenstruktur verwenden, können sie mithilfe tragender Stützschnittstellen gestapelt installiert und verbunden werden, und viele Satelliten können wie Kartoffelchips dicht aneinander gestapelt werden.

Darüber hinaus verwenden die Starlink-Satelliten eine ungewöhnliche Trennungsmethode: Durch langsames Rotieren der letzten Raketenstufe wird ein ganzer Haufen „verpackter“ Starlink-Satelliten mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit nach und nach von der letzten Raketenstufe getrennt und in die Weltraumumlaufbahn geschleudert. Da diese Satelliten ursprünglich übereinander gestapelt waren, hatten sie vor der Freigabe die gleiche Winkelgeschwindigkeit, jedoch unterschiedliche Rotationsradien, was zu einem leichten Geschwindigkeitsunterschied zwischen den einzelnen Satelliten führte, als sie getrennt und freigegeben wurden. Der obere Satellit hatte eine höhere Anfangsgeschwindigkeit, während der untere Satellit eine niedrigere Anfangsgeschwindigkeit hatte. Mit der Zeit werden sich die Satelliten voneinander entfernen, wie ein Kartenspiel, das auf einem Tisch ausgebreitet wird.

Diese Methode des gestapelten Satellitenstarts stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Entwicklung der Technologie dar, mehrere Satelliten mit einer Rakete zu starten. Es ist kein Satellitenverteiler für jeden Satelliten erforderlich, wodurch Nutzlastmasse gespart wird. Darüber hinaus kann der Innenraum der Trägerraketenverkleidung effektiver genutzt und so die Starteffizienz verbessert werden. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Kommunikations- und Fernerkundungskonstellationsmissionen in niedrigen Umlaufbahnen geht man davon aus, dass gestapelte Satellitenstarts in Zukunft eine wichtige Entwicklungsrichtung für die Technologie zur Übertragung mehrerer Satelliten in einem Start darstellen werden. (Autor: Zhang Liu, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)