Raketenstarts scheitern aus unterschiedlichen Gründen

Im Jahr 2022 wurden weltweit insgesamt 186 Orbitalstarts durchgeführt, von denen 178 vollständig erfolgreich waren, 1 teilweise erfolgreich war und 7 fehlschlugen, was einer vollständigen Erfolgsquote von 95,7 % entspricht. Insgesamt sind sechs Raketentypen gescheitert, nämlich die US-amerikanische Astra 3.3-Rakete (zweimal), die Vega-C der Europäischen Weltraumorganisation, die japanische Epsilon Enhanced, die SSLV Indiens sowie die Hyperbola-1 und Suzaku-2 des privaten kommerziellen Raumfahrtunternehmens meines Landes. Was also ist der Grund für diese Fehlstarts bei Raketen? Welche Lehren können Praktiker der Luft- und Raumfahrt daraus ziehen?

Das Herz ist komplex und anfällig für Unfälle

Der Motor sorgt für die Energieversorgung der Rakete und kann als das „Herz“ der Rakete bezeichnet werden. Wenn ein Fehler auftritt, kann dies leicht zu einem Fehlstart führen. Das Problem besteht darin, dass der Motor eine komplexe Struktur, viele Teile und eine raue Arbeitsumgebung aufweist und daher relativ störanfällig ist. Laut Statistik liegt der Anteil der durch Triebwerksausfälle verursachten Fehlstarts von Raketen bei fast 50 %. Von den sieben Startfehlschlägen im Jahr 2022 waren – mit Ausnahme des ersten Fehlschlags der Astra 3.3-Rakete und des Fehlschlags der indischen SSLV-Rakete – die restlichen fünf Fehlschläge direkt auf Triebwerksfehler zurückzuführen, was einem Anteil von 71 % entspricht.

Die US-Rakete Astra 3.3 wurde nach einer Reihe von Startfehlern außer Dienst gestellt

Genauer gesagt waren drei der fünf Triebwerksausfälle auf Probleme mit dem Haupttriebwerk zurückzuführen. Ein Ausfall des Haupttriebwerks entspricht dem menschlichen Vorhof oder Ventrikel. Sollte es hier zu Problemen kommen, führt dies zwangsläufig zu schwerwiegenden Konsequenzen.

Der Start der US-Rakete Astra 3.3 am 13. Juni scheiterte, weil der Flüssigtreibstoff der zweiten Stufe zu schnell verbraucht war und es dadurch zu einer vorzeitigen Abschaltung kam. Am 21. Dezember kam es aufgrund von Unterdruck im Feststofftriebwerk der zweiten Stufe zu einer Fehlfunktion der Vega-C der ESA.

Der erste kommerzielle Start der Vega-C-Rakete der ESA scheitert

Zusätzlich zum Haupttriebwerk verfügt die Rakete auch über ein Lageregelungstriebwerk, das Hilfsenergie für die Lageregelung bereitstellt. Sobald ein Problem auftritt, kann die Fluglage der Rakete leicht erheblich abweichen, was zum Scheitern der Mission führen kann.

Der Lageregelungsmotor der dritten Stufe der am 13. Mai von meinem Land gestarteten Hyperbola-1-Rakete erlitt ein Treibstoffleck und erschöpfte sich vorzeitig. In der späteren Flugphase verlor er seine Fähigkeit zur Lageregelung. Der verbesserte Lageregelungsmotor der dritten Stufe der Epsilon, die Japan am 12. Oktober startete, konnte aufgrund von niedrigem Druck in der Treibstoffversorgungsleitung nicht normal funktionieren, und die Mission scheiterte letztendlich. Der schwimmende Raketenmotor mit flüssigem Sauerstoff und Methan, der zur Lageregelung und Endgeschwindigkeitskorrektur der zweiten Stufe der am 14. Dezember gestarteten Zhuque-2 meines Landes verwendet wird, hatte eine Fehlfunktion, was zu einer Abweichung der Lage der Rakete führte.

Raketentriebwerke sind störanfällig und der grundlegende Grund hierfür liegt in den Eigenschaften der Rakete. Die Rakete muss sich auf den Motor verlassen, um in etwa 10 Minuten auf die erste kosmische Geschwindigkeit zu beschleunigen und dabei ihr eigenes Gewicht streng zu kontrollieren. Daher muss der Motor über einen hohen Schub, einen hohen spezifischen Impuls, ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis, niedrige Kosten und andere Indikatoren verfügen, die hoch und widersprüchlich sind. Dies bestimmt die Arbeitscharakteristik des Motors: Er arbeitet mit extremen Parametern, die die Leistungsgrenzen des Materials ausreizen und erreicht auf kleinem Bauraum eine hohe Intensität bei der Energiefreisetzung und -umwandlung. Das heißt, der Motor muss die chemische Energie des Kraftstoffs in sehr kurzer Zeit in kinetische Flugenergie umwandeln und seine Leistung und Leistungsdichte sind sehr groß.

Wenn beispielsweise die Rakete vom Typ Langer Marsch 5 abhebt, kann die gesamte Motorleistung 16 Millionen Kilowatt erreichen, was der Stromerzeugungskapazität von 0,7 Drei-Schluchten-Wasserkraftwerken entspricht. Beispielsweise kann die Energiedichte des Haupttriebwerks des Space Shuttles 1.400 Kilowatt pro Kilogramm erreichen, was mehr als dem 1.600-fachen der Energiedichte eines herkömmlichen Automotors entspricht.

Es sind genau diese strengen Anforderungen, die zu Herausforderungen bei der Entwicklung und Anwendung von Raketentriebwerken führen, wie etwa komplexe und raue Belastungsumgebungen, ausgeprägte Probleme hinsichtlich der strukturellen Festigkeit und Ermüdung sowie große Schwierigkeiten bei der Herstellung, Nutzung und Wartung. Dass es zu Ausfällen kommt, ist nicht verwunderlich.

Es gibt viele grundlegende Qualitätsprobleme

Eine spezifische Analyse dieser Startfehlerfälle im Jahr 2022 zeigt, dass einige von ihnen durch technische Qualitätsprobleme verursacht wurden, während andere grundlegende Qualitätsprobleme wie Leistungsmängel herkömmlicher Produkte und Bedienungsfehler aufdeckten.

Am 11. Februar scheiterte der erste Start der Rakete Astra 3.3 in diesem Jahr. Die unmittelbare Ursache war ein Fehler bei der Verkleidungsablösung und ein Softwarefehler. Die Verkleidung konnte nicht richtig getrennt werden, bevor der Motor der zweiten Stufe zündete. Die Unfalluntersuchung ergab, dass die Kabelführung des Trennsystems fehlerhaft war, was dazu führte, dass der Zeitpunkt der Trennung nicht den Erwartungen entsprach und die Trennung der Verkleidung fehlschlug. Darüber hinaus kam es in der Software der Rakete zu Datenpaketverlusten, die den Einsatz des Schubvektor-Kontrollsystems zur Lageregelung durch den Zweitstufenmotor verhinderten. Obwohl der Hersteller davon ausgeht, dass die beiden Probleme mit der Rakete „unabhängig“ und keine Kettenreaktion seien, zeigt sich auch, dass die eigentliche Ursache für den Fehlstart Mängel im Produktdesign, unzureichende Technologie und unzureichende Qualitätskontrolle sind.

Astra 3.3 Rakete

Am 13. Mai erlitt die Trägerrakete Hyperbola-1 Yao-4 meines Landes einen abnormalen Flug und der Start schlug nach dem Abheben fehl. Eine Untersuchung ergab, dass die Ursache des Fehlers das Vorhandensein von überschüssigem Material im 2000-Newton-Lageregelungstriebwerk der Rakete war. Dies führte dazu, dass das Hauptventil des Treibstoffkreislaufs des Triebwerks nicht dicht schloss, wodurch der Treibstoff austrat und vorzeitig austrat, wodurch die Rakete ihre Fähigkeit zur Lageregelung verlor. Nachdem die Fluglage der dritten Stufe die Toleranzgrenze überschreitet, werden die aktiven Sicherheitskontrollbedingungen der Rakete ausgelöst und die Rakete führt den Selbstzerstörungsbefehl aus. Dabei handelt es sich um einen Produktionsfehler, der dazu führte, dass zu viel Material im Produkt verblieb und zudem ein typisches grundsätzliches Qualitätsproblem darstellt.

Am 7. August, nach dem Start der indischen SSLV-Rakete, flogen die ersten drei Stufen normal und schlossen die Trennung ab, doch die vierte Stufe (auch bekannt als Geschwindigkeitskorrekturmodul) sollte 20 Sekunden lang brennen, brannte jedoch nur 0,1 Sekunden, wodurch die Rakete die vorgegebene Flughöhe nicht erreichen konnte und in die falsche elliptische Umlaufbahn eintrat. Die Unfalluntersuchung ergab, dass während des Fluges der vierten Raketenstufe ein Beschleunigungssensor defekt war. Aufgrund der Fehlfunktion schaltete der Computer auf die falsche Umlaufbahn um, was zum Scheitern der gesamten Mission führte. Dies ist ein typisches Produktqualitätsproblem auf Geräteebene, bei dem ein kleiner Beschleunigungsmesserfehler einen schweren Unfall verursacht hat.

Durch die Analyse der oben genannten drei Fälle von Startfehlern wird deutlich, dass es sich bei einem Raketenstart um eine komplexe Systemtechnik handelt. Wenn es in irgendeiner Verbindung, beispielsweise bei Design und Produktion, ein kleines Problem gibt, kann dies zum Scheitern der Startmission führen.

Erstflug und Siegesserie sind nicht einfach

Unter den sechs Raketentypen, deren Start im Jahr 2022 fehlschlug, waren zwei neue Raketen, die bei ihrem Jungfernflug unglücklicherweise scheiterten, darunter die „Suzaku-2“ meines Landes und die SSLV Indiens. Tatsächlich bringt der Entwicklungsprozess neuer Raketen viele Herausforderungen mit sich, wie etwa neue Technologien, neue Materialien, neue Bedingungen, neue Umgebungen, neue Positionen, neues Personal und neue Ausrüstung, und birgt natürlich auch größere Risiken.

Beispielsweise war „Zhuque-2“ meines Landes das erste Flugzeug der Welt, das für einen Orbitalstart einen Flüssigsauerstoff-Methan-Motor verwendete. Obwohl der 80 Tonnen schwere Flüssigsauerstoff-Methan-Motor „Tianque“ eine Reihe von Bodentests absolviert hat, darunter die weltweit erste Verifizierung der Technologie eines Pumpenschwingmotors mit hohem Schub, können die Simulationen und Bodentests, egal wie gründlich sie sind, die reale Flugumgebung nie vollständig simulieren.

Gerade weil die Systemlösung und die Produktzuverlässigkeit der neuen Rakete noch nicht vollständig durch Flugtests bewertet wurden, ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls beim Erstflug relativ hoch. Dass Zhuque-2 nicht in die Umlaufbahn eintreten konnte, war bedauerlich, doch sein Jungfernflug über die Karman-Linie war von großer Bedeutung. Darüber hinaus wurden das brandneue Startplatzsystem, der Treibstoff, das Hauptantriebssystem, die Raketenkörperstruktur sowie das Test- und Startsystem alle im tatsächlichen Kampfeinsatz getestet.

Indiens kleine Feststoff-Trägerrakete SSLV wurde entwickelt, um den Bedarf des boomenden Marktes für Kleinsatelliten zu decken. Es ist 34 Meter lang, hat ein Startgewicht von 120 Tonnen und eine Transportkapazität für erdnahe Umlaufbahnen von 500 Kilogramm. Die Startkosten betragen nur ein Zehntel der Kosten der ausgereiften indischen PSLV-Rakete und die gesamte Montagezeit beträgt nur 72 Stunden. Obwohl die erste Markteinführung von SSLV fehlschlug, ist es aufgrund seiner schnellen Markteinführung und des niedrigen Preises sehr attraktiv auf dem Markt, was bedeutet, dass es in Zukunft weitere Markteinführungsmöglichkeiten geben wird.

Indiens SSLV scheitert beim ersten Start

Tatsächlich ist jede Raketenstartmission nicht einfach eine Wiederholung vorheriger Missionen. Jeder Fehler in einer Verbindung, jede Auslassung bei einer Arbeit oder jeder Ausfall einer Komponente kann zum Scheitern der gesamten Startmission führen. Daher kommt es selten vor, dass ein bestimmter Raketentyp mehrere Schlachten in Folge gewinnt.

Nimmt man mehrere Raketen als Beispiel, deren Start im Jahr 2022 fehlschlug, handelt es sich bei der japanischen „Epsilon“-Serie um eine relativ ausgereifte Feststoffrakete. Der Jungfernflug war im Jahr 2013 erfolgreich und bis 2022 wurden fünf weitere Startmissionen erfolgreich abgeschlossen. Beim sechsten Start traten jedoch neue Probleme auf und der Satellit schlug fehl. Die Vega-C der ESA absolvierte am 13. Juli erfolgreich ihren Jungfernflug und wurde zum leistungsstärksten Modell ihrer Art. Die zweite Markteinführung, die zugleich die erste kommerzielle Markteinführung im selben Jahr war, scheiterte jedoch und die Zukunfts- und Marktaussichten des Modells sind unklar.

Kurz gesagt: Die komplexe Struktur der Rakete und die hohen technischen Anforderungen machen einen Weltraumstart zu einem hochriskanten Systemtechnikprojekt. Eine einfache Analyse der Startfehler im Jahr 2022 zeigt, dass die meisten davon auf einige „Kleinigkeiten“ in Bezug auf die Qualität zurückzuführen sind. Man kann sagen, dass „der Misserfolg nur knapp dem Erfolg voraus ist.“

Wie dem auch sei, die Gewährleistung eines erfolgreichen Starts ist das ewige Thema von Raketen und das ewige Streben von Raketenentwicklern. Angesichts eines möglichen Scheiterns lassen sich Raketenentwickler auf der ganzen Welt nicht entmutigen. Ich bin davon überzeugt, dass die Weltraumstarts im Jahr 2023 ein höheres Niveau erreichen und größeren Ruhm bringen werden, wenn wir aus unseren Fehlern lernen, versteckte Gefahren eliminieren, Schwachstellen ausgleichen und uns kontinuierlich verbessern und weiterentwickeln. (Autor: Xu Zhenliang)