300 Tonnen bodennahe Lieferung? Wie groß wird die Raketenkapazität im Zeitalter der Weltraumforschung in Zukunft sein?

Kürzlich erklärte Elon Musk, CEO des US-amerikanischen SpaceX-Unternehmens, lautstark, dass das „Starship“ in einen Nicht-Bergemodus wechseln werde und seine Kapazität in der erdnahen Umlaufbahn voraussichtlich 300 Tonnen erreichen werde. Ist dieser erstaunliche Indikator von „Starship“ also zuverlässig? Welche Faktoren begrenzen derzeit die Raketenkapazität? Wie groß wird die Tragfähigkeit zukünftiger Raketen sein?

300 Tonnen sind keine Fantasie

Der Werbung von SpaceX zufolge handelt es sich bei „Starship“ um eine Hochleistungs-Trägerrakete, die entwickelt wurde, um große Visionen wie die „Kolonisierung des Mars“ und die „Entwicklung einer multiplanetaren Spezies aus der Menschheit“ zu verwirklichen. Es hat einen Durchmesser von 9 Metern, eine Höhe von etwa 119 Metern und ein Gesamtstartgewicht von etwa 5.000 Tonnen. Der erste Flugtest wurde am 20. April dieses Jahres durchgeführt, war jedoch leider nicht erfolgreich.

Starship zündet und hebt ab

Derzeit verwenden die beiden Stufen von Starship insgesamt 39 Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerke mit einem Gesamtstartschub von etwa 7.600 Tonnen. Die Kapazität in der erdnahen Umlaufbahn dürfte im Nicht-Bergemodus 250 Tonnen und im zweistufigen Bergungs- und Wiederverwendungsmodus 150 Tonnen erreichen. Der Grund, warum Musk selbstbewusst erklärte, die Kapazität des „Starship“ in der erdnahen Umlaufbahn könne 300 Tonnen erreichen und damit die Zahl auf einen Schlag um 20 Prozent erhöhen, liegt in der Verbesserung und Aufrüstung des gesamten Raketensystems, einschließlich des Triebwerks.

Für SpaceX ist die Steigerung der Raketenkapazität um mehr als 20 % bereits ein Präzedenzfall, wie die Entwicklungsgeschichte der derzeit beliebten Falcon-9-Rakete zeigt. Die Falcon-9-Rakete in der Version V1.0 absolvierte 2010 erfolgreich ihren Jungfernflug mit einer Kapazität von 10,5 Tonnen für erdnahe Umlaufbahnen. Später wurden nacheinander die Version V1.1 mit einer Kapazität von 13,1 Tonnen für erdnahe Umlaufbahnen und die Version V1.2 mit einer Kapazität von 17,95 Tonnen für erdnahe Umlaufbahnen gestartet. Die Block-5-Version, die derzeit häufig gestartet wird, verfügt über eine Kapazität für erdnahe Umlaufbahnen von 22,8 Tonnen und wird weiterhin kontinuierlich verbessert und ihr Potenzial ausgeschöpft. Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die Kapazität jeder Version im Vergleich zur vorherigen Version um mehr als 20 % erhöht ist.

Man kann sagen, dass schnelle Iteration und kontinuierliche Verbesserung von Technologie und Produkten für SpaceX zur „Routine“ gehören. Dies ist bei den häufig gestarteten Falcon-9-Raketen der Fall, ganz zu schweigen von der noch in der Entwicklungsphase befindlichen „Starship“. Tatsächlich entstand das „Starship“ aus der 2016 vorgestellten Big Falcon-Rakete. Seit dem Internationalen Astronautischen Kongress hat es in sieben Jahren mehr als zehn Programmiterationen durchlaufen und seine Kernkomponenten wurden kontinuierlich verbessert und aktualisiert.

Nehmen Sie als Beispiel den Raptor-Motor. Seit dem Beginn der Entwicklung im Jahr 2012 wurde die dritte Generation erreicht und am 13. Mai dieses Jahres einem statischen Zündtest unterzogen. Sein Schub betrug bis zu 269 Tonnen. Das Raptor-Triebwerk der zweiten Generation, das beim Erstflug von Starship verwendet wurde, hat einen Schub von 230 Tonnen. Offensichtlich wird der Raptor-Motor der dritten Generation die Verbesserung der Transportkapazität von Starship stark unterstützen.

Musk gab bekannt, dass die zweite Stufe von „Starship“ auf Basis des Raptor-Triebwerks der dritten Generation um zehn Meter verlängert und die Zahl der Raptor-Triebwerke der Vakuumversion von drei auf sechs erhöht wird. Bis dahin wird die Gesamthöhe der verlängerten Version von „Starship“ von derzeit 119 auf 129 Meter ansteigen und das Gesamtstartgewicht wird voraussichtlich 6.000 Tonnen übersteigen.

Berechnungen zeigen, dass die Transporteffizienz bis zu 5 % betragen wird, wenn die erweiterte Version des „Starship“ eine Kapazität von 300 Tonnen in einer niedrigen Erdumlaufbahn bei einem Gesamtstartgewicht von 6.000 Tonnen erreichen kann. Im Vergleich dazu liegt die Tragfähigkeit vieler wichtiger Raketen der USA, Russlands, Europas und Japans bei etwa 3,5 %, und die Tragfähigkeit der Falcon-9-Rakete beträgt 4,15 %.

Es gibt zwei Hauptgründe, warum der Transporteffizienzindex von Starship so hoch ist. Erstens wird ein Hochleistungsmotor mit regenerativem Vollstromkreislauf für flüssigen Sauerstoff und Methan verwendet, der mehrere Aspekte wie spezifischen Impuls, Wiederverwendung, Betrieb und Wartung berücksichtigt. Der vakuumspezifische Impuls beträgt bis zu 380 Sekunden. Darüber hinaus wiegt das Raptor-Triebwerk der zweiten Generation nur 1,6 Tonnen und verfügt über ein Schub-Masse-Verhältnis von 150. Zweitens wurde bei „Starship“ eine Leichtbauweise erreicht, beispielsweise durch einen gemeinsamen Bodentank. Der Strukturkoeffizient der superschweren Boosterstufe beträgt etwa 7 %, während der Strukturkoeffizient der aktuellen Mainstream-Raketenunterstufe im Allgemeinen bei etwa 10 % liegt.

Überwindung der „zwei größten Hindernisse“

Als Großraketen bezeichnet die Raumfahrtindustrie Raketen mit einer Tragkraft von 20 Tonnen für den Transport in erdnahe Umlaufbahnen, als Schwerraketen Raketen mit einer Tragkraft von über 100 Tonnen. Um eine signifikante Kapazitätssteigerung zu erreichen, ist der Durchbruch in einer Vielzahl von Schlüsseltechnologien notwendig.

Öffentlichen Informationen zufolge wurden mit der Rakete „Langer Marsch 5“ meines Landes Durchbrüche in über 247 Schlüsseltechnologien erzielt. Darunter sind 12 wichtige Schlüsseltechnologien, wie etwa das insgesamt optimierte Design großer Flüssigkeitsraketen, die Raketenkörperstruktur mit großem Durchmesser und ein 120-Tonnen-Hochdruckmotor mit regenerativem Flüssigsauerstoff und Kerosin.

Trägerrakete Langer Marsch 5

Bei der Analyse der Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Raketentragfähigkeit sind die wichtigsten die Hochleistungstriebwerke mit hohem Schub und die Raketenkörperstruktur mit großem Durchmesser, die als die „zwei größten Hindernisse“ für die Verbesserung der Raketentragfähigkeit bezeichnet werden können.

Der Motor ist das „Herz“ der Trägerrakete und seine Bedeutung liegt auf der Hand. Generell gilt bei gleichem Konstruktionsniveau: Je größer die Tragfähigkeit der Rakete und je größer ihr Gesamtstartgewicht ist, desto größer ist der vom Triebwerk benötigte Startschub. Es gibt zwei Hauptmethoden, mit denen Raketenunterstufen einen hohen Schub erreichen können:

Erstens ist der Schub eines einzelnen Triebwerks groß, sodass die Anzahl der Triebwerke geringer sein kann, wie beispielsweise bei der Saturn-V-Rakete, der Energia-Rakete und der SLS-Rakete. Um eine große Tragfähigkeit zu erreichen, verfügt die erste Stufe der US-Mondrakete Saturn V unter anderem über fünf F1-Flüssigsauerstoff-Kerosin-Triebwerke mit einem Schub von 690 Tonnen. Bei den ersten Bodentests explodierte der F1-Motor häufig aufgrund instabiler Verbrennung. NASA und Rocketdyne haben große Anstrengungen unternommen, um das Problem der instabilen Verbrennung durch eine Verbesserung der Einspritzscheibenkonfiguration zu lösen.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Gesamtschub durch eine Erhöhung der Anzahl der Triebwerke zu steigern. Obwohl dadurch die Schwierigkeit der Entwicklung eines einzelnen Motors verringert werden kann, wird die zuverlässige parallele Nutzung mehrerer Motoren zu einer zentralen Schwierigkeit. Die vier Flugtests der Mondrakete N1 der Sowjetunion schlugen allesamt fehl. Dies zeigt, dass die Integration mehrerer Triebwerke und die daraus resultierenden Probleme bei Vibrationen, Treibstoffzufuhr, Steuerung und anderen Aspekten nicht ignoriert werden können. Glücklicherweise schreitet die Technologie ständig voran und entwickelt sich weiter, und bei der Falcon-Raketenserie ist es gelungen, die technische Anwendung mehrerer Triebwerke parallel zu realisieren.

Der Durchmesser des Raketenkörpers ist ein Schlüsselparameter der Rakete und bestimmt das Seitenverhältnis der Rakete. Um die Flugbelastung und die Schwierigkeit des Raketensteuerungssystems zu verringern, sollte das Seitenverhältnis der Rakete so klein wie möglich sein, d. h. ein Raketenkörper mit größerem Durchmesser bietet eine bessere Leistung. Darüber hinaus kann der Raketenkörper mit größerem Durchmesser mehr Treibstoff transportieren und bietet so mehr Platz für die Erweiterung der Tragfähigkeit der Rakete. Allerdings führt die Vergrößerung des Durchmessers des Raketenkörpers zu einem Größeneffekt (auch Volumeneffekt genannt, der den Einfluss der Metalleigenschaften auf die geometrische Größe bezeichnet), wodurch dieser druckempfindlicher wird.

Gleichzeitig wird der Bedarf an Leichtraketen immer dringlicher. Dies stellt extrem hohe Anforderungen an Design, Materialien und Verarbeitungstechnologie von Raketentanks, Schalensegmenten und anderen nur wenige Millimeter dicken Strukturteilen. Die Rakete vom Typ Langer Marsch 5 meines Landes ist allgemein als „Fat Five“ bekannt, da sie Durchbrüche bei der Konstruktion, Herstellung und Testtechnologie von Raketenkörpern mit einem Durchmesser von fünf Metern erzielt und damit eine sprunghafte Entwicklung beim Durchmesser der Raketenkörper meines Landes ermöglicht hat. Bei schweren Raketen beträgt der Durchmesser oft ab 10 Metern und ihre Herstellungsausrüstung und -prozesse sowie der strukturelle Transport und die Tests stellen allesamt größere Herausforderungen dar.

Das Zeitalter der Weltraumforschung ist „grenzenlos“

Das Weltraumzeitalter begann im Oktober 1957, als die Sowjetunion den ersten künstlichen Satelliten startete. Zwölf Jahre später startete die Saturn-5-Rakete erfolgreich das Raumschiff Apollo 11 und markierte damit das erste Mal, dass ein Mensch einen fremden Planeten betrat. Allerdings ist es den Menschen in den mehr als 50 Jahren seitdem nicht gelungen, ihre Spuren weiter auszudehnen. Aufgrund fehlender Missionsanforderungen wurde die schwere Saturn-V-Rakete nach nur 13 Starts in ein Museum gebracht. Auch die sowjetische schwere Rakete „Energia“ scheiterte aufgrund veränderter Lage und Missionen.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts rückten Schwerlastraketen mit der Vorlage einer Reihe ehrgeiziger Weltraumpläne und technischer Anforderungen erneut ins Blickfeld der Öffentlichkeit. Die NASA hat nacheinander die Entwicklung der Schwerlastrakete Ares V und der Schwerlastrakete SLS durchgeführt. Obwohl erstere leider „gestorben“ ist und letztere in ihrem technischen Niveau keinen nennenswerten Vorteil gegenüber der Saturn-V-Rakete bietet, haben die neuen Missionsanforderungen neue Möglichkeiten für die Entwicklung schwerer Raketen eröffnet.

Anschließend übernahm „Starship“ nicht nur den „Staffelstab“ der größten Rakete, die die Entwicklungsphase betrat, sondern lieferte auch weitere Präzedenzfälle für Forschung, Entwicklung und Design für spätere Generationen. In Zukunft dürften neue Materialien, neue Antriebskonzepte, innovative Strukturdesigns usw. den Menschen dabei helfen, größere und schwerere Nutzlasten in Zielumlaufbahnen zu bringen.

Die größte gute Nachricht ist, dass die Menschheit nun in das Zeitalter der großartigen Luft- und Raumfahrt eingetreten ist, das durch den Bau riesiger Konstellationen, groß angelegte Erkundungen des Weltraums und einstündige globale Transportmöglichkeiten repräsentiert wird. Der Umfang der Entwicklung und Nutzung von Weltraummissionen nimmt ständig zu und bietet viel Raum für den Einsatz schwerer Raketen. Ob es sich nun um den Plan handelt, Zehntausende von Satelliten ins All zu schicken, oder um die anspruchsvolleren und praktischeren Weltraummissionen zum Mond, Mars usw., oder um neue Logistikkonzepte wie etwa einstündige globale kommerzielle Transportmissionen – es wird erwartet, dass dies die Entwicklung schwerer Raketen beschleunigen wird.

Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass die Raketenstarts angesichts der vielfältigen Anforderungen der großen Ära der Raumfahrt immer umfangreicher werden und die Raketenkapazität auf ein Niveau gesteigert wird, das unsere Vorgänger für unglaublich hielten, und vielleicht wird es „grenzenlos“ sein. Zum jetzigen Zeitpunkt können wir nicht genau vorhersagen, welche Tragfähigkeit Raketen in Zukunft haben werden. Genauso wenig konnten sich unsere Vorfahren, die vor Hunderten von Jahren in kleinen Holzbooten über die Ozeane segelten, vorstellen, dass heute riesige Schiffe auf den weiten Ozeanen unterwegs sind. Schwerlastraketen werden jedoch in Zukunft mit Sicherheit zu einer umfassenderen Erschließung des erdnahen Weltraums beitragen und der Menschheit zu größeren Flugweiten verhelfen. (Autor: Wu Shengbao)