Startabbruch: Der hilflose „Trick“, um die Rakete zu retten

Betrachtet man die Raketenstartmissionen verschiedener Länder, kommt es nicht selten vor, dass der Start abgebrochen wird. Dies ist sowohl ein hilfloser Schachzug als auch eine „Geheimwaffe“ zur Rettung der Rakete, um die mögliche Zerstörung sowohl der Rakete als auch des Satelliten durch fehlerhaftes Fliegen zu verhindern. So absolvierte beispielsweise am 17. Februar dieses Jahres die japanische Rakete der neuen Generation H-3 ihren Jungfernflug im Tanegashima Space Center. Nachdem der Wasserstoff-Sauerstoff-Motor der Kernstufe normal gezündet hatte, stellte die Selbstinspektion eine Anomalie in der Stromversorgung fest, bevor das Steuersystem ein Zündsignal an den Feststoffbooster sendete. Daher wurde der Motor der Kernstufe rechtzeitig abgeschaltet und der Raketenstart musste abgebrochen werden. Was ist also der Unterschied zwischen einem Startabbruch und einem Startfehler? Was sind die Merkmale eines Startabbruchs? Unter welchen Bedingungen funktioniert es in der Regel?

Die H-3-Rakete brach ihren Start nach der Zündung ab (Quelle: Japanische Medien)

Spezielle „Medizin des Bedauerns“ ist wirksam

Ein Startabbruch bedeutet, dass die Startmission aus technischen, meteorologischen, Landegebiets- oder anderen Gründen vorübergehend abgebrochen wird, nachdem die Rakete in den Start-Countdown eintritt. Dieser Zustand führt in der Regel nicht zu größeren Schäden an der Nutzlast und der Rakete, stellt aber eine wirksame Schutzmaßnahme dar. Insbesondere bei technischen Störungen sollte die Rakete den Start rechtzeitig abbrechen, den Treibstoff freigeben, die Nutzlast entfernen und anschließend eine umfassende Inspektion durchführen, wodurch eine höhere Erfolgsquote erwartet wird. Man kann sagen, dass diese Art von Raketen-„Medizin gegen Reue“ oft sehr wirksam ist.

Startabbrüche können je nach Zeitpunkt in zwei Kategorien unterteilt werden. Der erste Typ tritt vor der Zündung der Rakete auf, wenn das Personal oder das System feststellt, dass die Bedingungen für den Start der Rakete nicht mehr erfüllt sind.

So wurde beispielsweise der Start der bemannten US-Weltraummission Crew-6 am 27. Februar dieses Jahres abgebrochen, weil das System eine abnormale Reaktion im Zündsystem der Falcon-9-Rakete feststellte und das Startprogramm rechtzeitig beendete. Anschließend verließen die Astronauten im Raumschiff sicher die Startrampe und entgingen möglichen Gefahren.

Die zweite Art des Startabbruchs ist sogar noch gefährlicher: Die Rakete wurde gezündet, aber der Raketenkörper wird noch immer durch die Rückhaltevorrichtung zur Startrampe „gezogen“, oder weil das Schub-Gewichts-Verhältnis der gesamten Rakete kleiner als 1 ist, ist sie noch nicht von der Startrampe weggeflogen. Zu diesem Zeitpunkt besteht für die Rakete noch die Hoffnung, den Start rechtzeitig abzubrechen.

Dies war beim Erstflug der H-3-Rakete der Fall. Nachdem das LE-9-Triebwerk der Kernstufe gezündet war und 90 % seines maximalen Schubs erreicht hatte, erkannte das Kontrollsystem ein abnormales Signal. Anschließend beendete die Flugsteuerungssoftware sofort den Countdown, schaltete den LE-9-Motor ab und löschte das Zündsignal für den Feststoffbooster. Vorläufige Untersuchungen ergaben, dass das anormale Signal mit der elektrischen Bodenausrüstung des LE-9-Triebwerks zusammenhing, die endgültige Ursache wird jedoch noch untersucht.

Intelligente Selbstkontrolle ist sehr leistungsstark

Obwohl ein Startabbruch ein wirksames Mittel zum Schutz darstellt, sind bei Weltraumstartmissionen große und komplexe Systeme erforderlich. In der Vergangenheit war es schwierig, bei den Raketeninspektionen vor dem Start mögliche Fehler rechtzeitig zu erkennen, wodurch der „lebensrettende Trick“ des Startabbruchs verpasst wurde. Da Raketen immer intelligenter werden und ihre Selbstprüfungsfunktionen verbessert werden, steigt die Zahl der Fälle, in denen Probleme rechtzeitig erkannt und Starts nach der Raketenzündung abgebrochen werden, allmählich an. Solange die Rakete die Startrampe nicht verlassen hat, besteht in der Regel die Möglichkeit zur Bergung.

Als im August 2020 die US-amerikanische Delta-4-Heavy-Rakete die geheime Militärstartmission NROL-44 durchführte, sorgte sie für einen spannenden „Katastrophen-Blockbuster“. Damals kam es drei Sekunden vor dem Start zu einer plötzlichen Fehlfunktion der drei RS-68-Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerke der ersten Kernstufe und des Boosters der Rakete. Der normalerweise vom Triebwerk ausgestoßene Wasserstoff stieg auf und entzündete sich, doch da es der Rakete nicht gelang, von der Startrampe wegzufliegen, war sie schnell von Flammen umgeben. Angesichts der Krise wurde das Kontrollsystem im Notfall automatisch abgeschaltet, der Raketenstart rechtzeitig beendet und die Nutzlast des National Reconnaissance Office in der Verkleidung sicher und unversehrt aufbewahrt.

Die Delta 4 Heavy-Rakete brach ihren Start nach der Zündung ab (Quelle: US-Medien)

Berichten zufolge trug die Nutzlast dieser Mission den Codenamen „Mentor“ und war damals der neueste Aufklärungssatellit der USA. Es war mysteriöser als die bekannte „Keyhole“-Reihe. Es gibt sogar Berichte, dass die Kosten für den Bau eines Satelliten dieses Typs das gleiche Gewicht an Gold übersteigen. Bei derartigen Nutzlasten wird der Träger zwar im Vorfeld eine sorgfältige Prüfung durchführen, dennoch kann er nicht garantieren, dass alle versteckten Gefahren ausgeschlossen sind. Mehr als ein Jahr vor diesem Start kam es bei derselben Rakete beim Start des Satelliten „Keyhole“ zu einer Notabschaltung, die den Start der Rakete und der Nutzlast umgehend verhinderte und dabei versteckte Gefahren birgt. Der Sensorfehler wurde schnell erkannt. Ohne das intelligente System zur Unterstützung bei der Fehlersuche und Entscheidungsfindung hätten diese beiden Startmissionen von Aufklärungssatelliten wahrscheinlich irreparable Verluste verursacht.

Notabschaltungsfehler vor einem Raketenstart sind keine Seltenheit. Ihre Ursache sind häufig Anomalien im Zündvorgang des Motors, die automatisch das intelligente System auslösen. Als beispielsweise die Falcon-9-Rakete im Februar 2016 den Satelliten SES-9 startete, erkannte das Zündsystem umgehend einen anormalen Schubabfall eines Triebwerks, woraufhin die Rakete den Start sofort und automatisch abbrach. Dank der Rückhalte- und Auslösevorrichtung wurde die Rakete fest auf die Startrampe „gedrückt“ und hob nicht ab, sondern gab aufgrund der Selbstentzündung des Zündmittels lediglich ein grünes Licht ab.

Nachfolgende Untersuchungen zeigten, dass die Temperatur des kryogenen Treibstoffs nach längerem Stillstand allmählich anstieg und das unter Druck stehende Helium im Raketentank mit dem Treibstoff vermischt und in die Turbopumpe gesaugt wurde, was zu einem anormalen Schub führte. Die Ursache für das Scheitern lag in gewissen „blinden Flecken im Denken“ der Inspektoren vor dem Start. Dank des sensiblen und effizienten intelligenten Systems konnte der Start rechtzeitig beendet werden.

Bemühen Sie sich, Probleme zu verhindern, bevor sie auftreten

Die rechtzeitige Umsetzung des Startabbruchs ist neben technischen Faktoren auch auf die Gesamtplanung zurückzuführen, beispielsweise die Festlegung der Zündreihenfolge verschiedener Motortypen im Voraus.

Nehmen Sie als Beispiel die H-3-Rakete. Als typische Feststoff-Flüssigkeits-Hybridrakete verfügt die Kernstufe über einen hochspezifischen Impuls-Wasserstoff-Sauerstoff-Flüssigkeitsmotor. Gleichzeitig wird es, um den fehlenden Schub auszugleichen, durch einen schubstarken Feststoffbooster ergänzt. Das Korn des festen Boosters wird im Allgemeinen durch Segmentguss geformt und dann geschnitten und geformt. Es bietet die Vorteile großer Schubkraft, einfacher Struktur und zuverlässigem Betrieb. Der Nachteil besteht darin, dass der Verbrennungsprozess nach der Zündung spontan weiterläuft und es schwierig ist, ihn rechtzeitig durch Unterbrechen der Treibstoffzufuhr wie bei einem Flüssigkeitsmotor abzuschalten.

Wenn man die Eigenschaften der beiden Triebwerke abwägt, sind Feststoffbooster bei der Entwicklung der Zündsequenz für Feststoff-Flüssigkeits-Hybridraketen ausnahmslos die Schlusslichter. Wenn das Flüssigkeitstriebwerk der Raketenkernstufe zuerst gezündet wird, ausreichend Schub erreicht und stabil läuft, zündet das Steuersystem den „irreversiblen“ Feststoffbooster. Sobald ein Problem erkannt wird und das System feststellt, dass die Startbedingungen nicht erfüllt sind, kann der Start abgebrochen werden, indem das Zündsignal für die Feststoffbooster blockiert und die Triebwerke der Kernstufe abgeschaltet werden, bevor die Feststoffbooster gezündet werden. Dies ist mit der H-3-Rakete passiert.

Wenn es dem System nicht gelingt, die Zündung der Feststoffraketen rechtzeitig zu verhindern und die Rakete aufgrund der augenblicklich auftretenden hohen Schubkraft schnell abhebt, gibt es dann kein Zurück mehr und wird der Start als Fehlschlag gewertet? Es gibt außerdem zwei spezielle „Tricks“, die theoretisch die Verluste verringern könnten, aber selbst wenn die Mission erfolgreich ist, entstehen weitere Kosten.

Der erste „Trick“ besteht darin, eine redundante Notstromversorgung bereitzustellen. Wenn die Rakete selbst mit einem gewissen Grad an Leistungsredundanz konstruiert ist, kann sie bei einer Fehlfunktion eines einzelnen Triebwerks das defekte Triebwerk automatisch abschalten. Die anderen Triebwerke können dann parallel die Arbeit des fehlerhaften Triebwerks „übernehmen“ und über das Steuerungs- und Navigationssystem eine Neuplanung vornehmen, um den Schub der verbleibenden Triebwerke entsprechend zu erhöhen und ihre Betriebszeit zu verlängern. In der Vergangenheit wurde bei der schweren Saturn-V-Rakete, dem Space Shuttle und der Falcon-9-Rakete auf unterschiedliche Weise auf Energieredundanz zurückgegriffen, wodurch im Grunde ihre Ziele erreicht und die Missionszuverlässigkeit unter dem Deckmantel der Redundanz verbessert wurde.

Die zweite Lösung besteht im Wesentlichen darin, redundante Backups bereitzustellen, indem man reservierten Treibstoff verwendet, um die Betriebszeit des Motors zu verlängern. Derjenige, der „hart arbeitet“, ist jedoch die nächste Stufe des defekten Motors.

Im März 2016 wurde beim Start der Raumsonde Cygnus das Triebwerk der ersten Stufe der Atlas-V-Rakete fünf Sekunden vor dem Start plötzlich abgeschaltet. Anschließend verlängerte das Triebwerk der zweiten Stufe der Rakete mit dem im Tank gespeicherten Treibstoff die Brenndauer um eine Minute und beförderte das Raumfahrzeug schließlich in die Umlaufbahn. Später wurde geschätzt, dass die gesamte Startmission fehlgeschlagen wäre, wenn der Motor der ersten Stufe eine Sekunde früher abgeschaltet worden wäre. Schließlich war die Nothilfe durch den Reservetreibstoff nicht unbegrenzt.

Angesichts von Faktoren wie Kosteneffizienz und technischem Aufwand sollten wir jedoch keine allzu hohen Erwartungen an die Energie- und Treibstoffredundanz der Rakete haben. Ein Ausfall des Stromversorgungssystems während des Fluges kann leicht zu einem „irreversiblen“ Startfehler führen. Daher ist der Einsatz intelligenter Mittel zur rechtzeitigen Fehlerbeseitigung, ein entschlossener Startabbruch und die Beseitigung versteckter Gefahren vor dem Abheben der Rakete der wirkliche Weg, Probleme zu verhindern, bevor sie auftreten. (Autor: Wang Xin)