Können Raketen geborgen werden? Schauen Sie sich diese umwerfenden Tricks an!

Das US-Unternehmen Rocket Lab gab vor kurzem bekannt, dass es aufgrund wiederholter Fehler beim Aufnehmen und Bergen von Raketen aus der Luft durch Hubschrauber erwägt, den Plan zur Bergung der abgestürzten Raketenstufen aus dem Meer zu ändern, um sie zu überholen und wiederzuverwenden. Dies bedeutet, dass das immer beliebter werdende Geschäft der Raketenbergung einen „Kurswechsel“ eingeleitet hat. Was sind also die Vor- und Nachteile der verschiedenen in der Luft- und Raumfahrtindustrie existierenden Methoden zur Raketenbergung? Welche kreativen Tricks zur Raketenbergung können die Menschen in Zukunft erwarten?

Hubschraubern ist es wiederholt nicht gelungen, Raketen in der Luft zu fangen und zu bergen (Quelle: Rocket Lab)

Das traditionelle Recyclingmodell birgt Herausforderungen

Obwohl immer mehr Raumfahrzeuge immer häufiger in den Weltraum fliegen, sind die Forscher mit einem Aspekt nie zufrieden: Wie können sie Raumfahrzeugen helfen, sich sicherer und wirtschaftlicher aus der Umarmung von Mutter Erde zu lösen? Um es professionell auszudrücken: Wie können die Gesamtkosten von Weltraummissionen gesenkt werden? Die Raketenbergung ist zweifellos eines der direktesten Mittel.

Nach dem aktuellen Stand der Raketenbergungsoperationen zu urteilen, verfügt die Falcon-Raketenserie des US-Unternehmens SpaceX über das technisch ausgereifteste Modell, das eine vertikale Selbstrückkehrlösung verwendet und bereits über 100 Mal erfolgreich geborgen wurde. Die erste Stufe mehrerer Falcon-9-Raketen hat bereits 15 Startmissionen absolviert.

Allerdings hat diese Methode der Raketenbergung auch ihren Preis, denn es ist notwendig, mindestens 1/3 der Treibstoffreserven in der ersten Stufe der Rakete vorzuhalten, damit die Nachzündung und Verzögerung rechtzeitig erfolgen kann. Mit anderen Worten: Um eine Wiederverwendung zu erreichen, muss die Rakete ihre Tragfähigkeit verlieren. Um sicherzustellen, dass die erste Stufe der Rakete sanft und aufrecht landet, sind außerdem Pufferbeine unerlässlich. Nur mittlere und große Raketen können diesen Gewichts- und Platzaufwand „verkraften“, was den Anwendungsbereich unsichtbar einschränkt.

Daher schlug Rocket Lab im Jahr 2021 einen Plan vor, bei dem Raketen mithilfe eines Hubschraubers in der Luft gegriffen und geborgen werden sollen. Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, die leichte Unterstufe der Electron-Rakete unter dem Fallschirm stetig herabsinken zu lassen, und der Hubschrauber nähert sich rechtzeitig, fährt die Sonde aus und hängt zur Bergung. Obwohl diese Bergungsmethode für Außenstehende sowohl spannend als auch effizient ist, werden an die Reaktionsfähigkeit, die Tragkraft und die Zuverlässigkeit des „empfangenden“ Hubschraubers hohe Anforderungen gestellt. Um die „Datumstaktung“ sicherzustellen, ist es außerdem ziemlich schwierig, eine genaue Steuerung der Datenübertragung zu erreichen.

Während einer Bergungsmission mit einer Electron-Rakete war es gelungen, die Seilvorrichtung des Hubschraubers aufzuhängen, doch die plötzliche enorme Belastung in der Luft hätte beinahe dazu geführt, dass der Hubschrauber die Kontrolle verlor und bedauerlicherweise „loslassen“ musste. Bei einer anderen Bergungsmission gingen die Telemetriedaten verloren, als die Raketenunterstufe in die Atmosphäre zurückkehrte und der bereitstehende Hubschrauber sie nicht rechtzeitig orten konnte und somit leider den „Termin“ verpasste.

Darüber hinaus haben die Länder auch Bergungsmethoden wie Mehrfachfallschirme und Umkehrraketen getestet, doch keine davon ist für die Bergung von Raketensegmenten geeignet und es sind noch weitere technische Untersuchungen erforderlich. Was die Bergung von Raketenunterstufen betrifft, die auf See wassern, gelten zweifellos strengere Anforderungen an Material, Zeitplanung usw.

Eine Vielzahl von Routen zum "Passieren"

Da es nicht einfach ist, eine Rakete erfolgreich zu bergen, können Astronauten, sobald sie einen ausgereiften Plan beherrschen, mit einer reichen Belohnung rechnen. Aus diesem Grund wurden von Weltraumenthusiasten bis hin zu führenden Wissenschaftlern eine Reihe umwerfender neuer Pläne zur Raketenbergung vorgeschlagen und parallel mehrere Wege verfolgt, um „Cheats“ mit höheren Levels und größeren Vorteilen zu finden.

In den letzten Jahren haben Astronauten aus vielen Ländern die Idee vorgeschlagen, Seile und Netze zum Aufhängen und Bergen von Raketen zu verwenden, was beträchtliche Aufmerksamkeit erregt hat. Der gemeinsame Punkt der Vorschläge verschiedener Länder besteht darin, eine rechteckige Bergungsplattform zu bauen, deren vier Ecken durch hohe Türme stabilisiert werden, die zahlreiche Kabel miteinander verbinden und in mehreren Schichten angeordnet sind, wobei jede Schicht die Form eines „Brunnens“ hat, wodurch ein starkes und robustes Netzwerk mit komplexer Kraft entsteht. Es wird erwartet, dass sich, wenn die Raketenunterstufe in nahezu vertikaler Position in den Erfassungsbereich fällt, mehrere Gruppen paralleler Kabel in der ersten Kabelschicht mithilfe von Sensoren schnell bewegen, sich genau an der Fallrichtung der Raketenunterstufe ausrichten und Komponenten wie den Fanghaken einhaken, wodurch die Kraft auf alle Kabel in der ersten Schicht ausgeübt wird. Während die Raketenunterstufe weiter abgebremst wird und fällt, wird jede Kabelschicht auf die gleiche Weise aufgehängt, bis die Raketenunterstufe aufhört zu fallen und sicher geborgen wird.

Um die Zuverlässigkeit des Kabels zu gewährleisten, mit dem die Raketenunterstufe befestigt wird, werden bei manchen Plänen Klemmen aus Spezialmaterialien verwendet, die dafür sorgen, dass die Rakete nur relativ geringen seitlichen Kräften ausgesetzt ist und der Verzögerungseffekt dadurch größer ausfallen kann.

Offensichtlich erspart diese neuartige Bergungsmethode der Rakete die Reservehaltung großer Mengen Treibstoff und kann auch Komponenten wie Pufferbeine einsparen. Man geht davon aus, dass sich dadurch die Tragfähigkeit deutlich verbessern und die Schwierigkeit, die Rakete zur Beibehaltung ihrer Fluglage zu steuern, deutlich verringern wird. Um die Raketenunterstufe jedoch rechtzeitig „abzufangen“, werden das Kabelmaterial und die gesamte Systemstruktur strengen Tests hinsichtlich Festigkeit und Präzision unterzogen. Darüber hinaus können die präzise Steuerung des Auswurfs der Raketenunterstufe und die Wetterbedingungen den Erfolg oder Misserfolg der „Selbsteinklemmung“ beeinflussen.

Vielleicht weil sie es für zu schwierig und mühsam halten, den genauen Landepunkt der Raketenunterstufe während des Falls zu finden, haben Weltraumenthusiasten in den letzten Jahren eine einfachere und brutalere Lösung vorgeschlagen: die Tiankeng-Bergung. Einfach ausgedrückt geht es darum, natürliche geologische Strukturen zu nutzen oder eine große Grube mit einer Tiefe von mehreren zehn Metern und einem Durchmesser von mehr als 10 Kilometern auszuheben und diese mit einer großen Menge Puffermaterial zu füllen, bei dem es sich um recycelte Kunststoffabfälle oder modifizierte verschiedene Pflanzenfasern handeln kann.

Auch der Bergungsprozess der Rakete ist sehr einfach. Solange der Landepunkt innerhalb der Reichweite des Tiankeng liegt, können mehrere zehn Meter dicke Puffermaterialien die Sicherheit der Mission weitgehend gewährleisten. Anschließend flog ein in der Nähe bereitstehender Hubschrauber schnell über den Tiankeng, ließ einen Haken herunter, hob die Raketenunterstufe an und transportierte sie zurück in die Werkstatt, um sie für die nächste Startmission vorzubereiten.

Das Tiankeng-Recyclingmodell mag ein wenig lächerlich klingen, aber es kann die Materialkosten und den technischen Aufwand für den Rücktransport der Raketenunterstufen reduzieren, und es gibt nicht viele technische Hindernisse für die Einrichtung alternativer Recyclingstandorte. Das Problem besteht darin, dass der Bau eines riesigen Tiankeng enorme Investitionen erfordert haben muss und der Recyclinghof im Freien Wind, Regen und sengender Sonne ausgesetzt ist. Wie ist also der Zustand des Puffermaterials? Wie kann eine rechtzeitige Wartung und ein rechtzeitiger Schutz gewährleistet werden? Ich fürchte, der Antragsteller ist sich auch nicht sicher.

Tatsächlich gibt es unter den vielen fantastischen Ideen zur Raketenbergung einen Plan, der sich zwar noch im Konzeptstadium befindet, in der Theorie jedoch ziemlich perfekt ist: die selbstgleitende Rückkehr. Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, die Raketenunterstufe mit faltbaren Flügeln und Servos auszustatten, damit sie sich rechtzeitig „umwandeln“ und so die Sicherheit gewährleisten kann.

Wie wir alle wissen, liegt der Ausstoßpunkt einer Raketenunterstufe oft in einer Höhe von Zehntausenden Metern und verfügt über ein enormes Energiepotenzial. Während sich die Raketenunterstufe im freien Fall bewegt, wird die potenzielle Energie in enorme kinetische Energie umgewandelt, wodurch der Fall weiter beschleunigt wird. Die herkömmliche Methode zum Schutz von Raketenunterstufen besteht darin, diese extrem zerstörerische kinetische Energie in vertikaler Richtung möglichst weitgehend auszugleichen und durch sanfte und harte Maßnahmen abzubremsen. Der Plan zur selbstgleitenden Rückkehr besteht darin, „die Gefahr in eine Chance zu verwandeln“ und der Raketenunterstufe zu ermöglichen, mithilfe kinetischer Energie zu fliegen.

Wenn während des beschleunigten Falls der Raketenunterstufe die Flügel und Servos rechtzeitig ausgefahren werden, kann die Raketenunterstufe mit Unterstützung der unbemannten Antriebstechnologie voraussichtlich schnell vom freien Fall in den Horizontalflug übergehen, ähnlich einem Segelflugzeug, das aus großer Höhe herabstürzt. Allerdings fliegt sie dabei stabiler, verbraucht kontinuierlich enorme kinetische Energie und landet schließlich sicher.

Wenn wir in die Zukunft blicken und das äußere Design der Rakete weiter optimiert ist und die Materialien, Prozesse und die Technologie für unbemanntes intelligentes Fahren ein höheres Niveau erreichen, wird es keine Wunschvorstellung mehr sein, dass die Raketenunterstufe selbstständig die Startbasis sucht, lokalisiert, dorthin zurückfliegt und sanft auf der Landebahn landet. Damit ist die „großartige Verwandlung“ von einem Raumfahrzeug in ein Flugzeug abgeschlossen. (Autor: Sun Fei)