Wiederverwendung von Flüssigraketen – worauf sollte man sich als nächstes konzentrieren?

Vor kurzem wurden mit einem von meinem Land unabhängig entwickelten Flüssigsauerstoff-Kerosin-Triebwerk mehrere Flugtests erfolgreich abgeschlossen. Dadurch gelang es dem Land erstmals, Flüssigkeitsraketenantriebssysteme wiederzuverwenden, was den Eintritt der Technologie zur Wiederverwendung von Flüssigkeitsraketentriebwerken in die technische Anwendungsphase markierte.

Wenn man sich weltweit umschaut, ist zu erkennen, dass die Technologie für wiederverwendbare Raketen immer ausgereifter wird und technische Schwierigkeiten nach und nach überwunden werden. In manchen Ländern ist eine neue Runde des Entwicklungsbooms in Gang gekommen. Welche Modelle wiederverwendbarer Flüssigkeitsraketen gibt es aktuell? Wie wird die zukünftige Entwicklungstendenz aussehen?

Recycling und Wiederverwendung sind mit vielen Schwierigkeiten verbunden

Als Hauptantriebseinheit von Trägerraketen zeichnen sich Flüssigkeitsraketentriebwerke durch hohe Leistung, starke Einsatzanpassungsfähigkeit, hohen technischen Schwierigkeitsgrad und lange Entwicklungszyklen aus. Sie sind eines der komplexesten Produkte auf Trägerraketen. Daher ist die Wiederverwendung von Flüssigkeitsraketenantriebssystemen eine der Schlüsseltechnologien, die durchbrochen werden müssen, um die Wiederverwendung von Trägerraketen zu erreichen.

Insbesondere wenn Flüssigkeitsraketentriebwerke wiederverwendet werden sollen, müssen Durchbrüche in Schlüsseltechnologien erzielt werden, wie etwa Mehrfachstarts, Starts mit niedrigem Eingangsdruck, Schubanpassung im weiten Bereich, Zustandsbewertung und -erkennung und Gesundheitsmanagement, schnelle und vereinfachte Verarbeitung, Bewertung und Verlängerung der Ermüdungslebensdauer von Hochtemperaturkomponentenstrukturen sowie Vorhersage und Kontrolle der komplexen thermischen Umgebung während der gesamten Mission. Die Entwicklung dieser Technologien ist weitaus schwieriger als die Entwicklung herkömmlicher Einweg-Flüssigkeitsraketentriebwerke.

Unter den weltweit größten Luft- und Raumfahrtmächten verfügen die Vereinigten Staaten über die stärksten wissenschaftlichen Forschungskapazitäten und die umfassendste Anwendungserfahrung im Bereich wiederverwendbarer Raketenantriebe. Bereits in den 1980er Jahren war es den USA gelungen, ein wiederverwendbares, schubstarkes Flüssigkeitsraketentriebwerk zu entwickeln und als Haupttriebwerk des Space Shuttles einzusetzen.

Die Haupttriebwerke des Space Shuttles verwenden flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff als Treibstoff. Die drei Triebwerke liefern einen Gesamtschub von über 600 Tonnen, der Schub lässt sich im Bereich von 65 % bis 109 % einstellen. Durch diese Konstruktion soll das Space Shuttle bei der Zündung und in der ersten Aufstiegsphase mehr Schub erhalten und so leichter fliegen und beschleunigen können. In der letzten Aufstiegsphase wird der Hauptmotor den Schub reduzieren, um eine präzise Steuerung der Umlaufgeschwindigkeit zu ermöglichen.

Die Haupttriebwerke des Space Shuttles nutzen flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff für den Antrieb

Nachdem das Space Shuttle im Jahr 2011 außer Dienst gestellt wurde, übernahmen neue kommerzielle Luft- und Raumfahrtstreitkräfte der USA die wichtige Aufgabe der „Wiederverwendung und des Hin- und Rücktransports zwischen Erde und Himmel“. Unter anderem revolutionierte die Falcon-9-Rakete von SpaceX die Bergung und Wiederverwendung der ersten Stufe von Trägerraketen der Orbitalklasse.

Im Dezember 2015 gelang es der Falcon-9-Rakete, ihre erste Stufe erfolgreich an Land zu bringen. Im März 2017 wurde die erste Stufe der Falcon 9-Rakete wiederverwendet und zum ersten Mal gestartet. Bis September 2022 wurde die erste Stufe der Rakete mehr als 130 Mal erfolgreich geborgen, und die erste Stufe einer einzelnen Rakete wurde bis zu 14 Mal wiederverwendet. Die hohe Startintensität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sind erstaunlich.

Die technische Basis der Falcon-9-Rakete bilden neun parallel geschaltete Merlin-1D-Triebwerke. Dieser Motor ist speziell für wiederverwendbare Raketen konzipiert. Es verwendet flüssigen Sauerstoff-Kerosin-Treibstoff, verfügt über einen Einzeltriebwerksschub auf Meereshöhe von 87 Tonnen, einen spezifischen Impuls von 275 Sekunden und ist mit mehreren Zündmöglichkeiten ausgestattet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigkeitsraketentriebwerken besteht die größte Besonderheit des Merlin 1D-Triebwerks darin, dass es eine Schubanpassung im Bereich von 39 % bis 100 % erreichen kann. Wenn neun Triebwerke parallel geschaltet sind, kann der Gesamtschub im Bereich von 4,3 % bis 100 % eingestellt werden, wodurch eine solide Leistungsgrundlage für die Bergung und Wiederverwendung der Rakete geschaffen wird.

Darüber hinaus wird das Merlin 1D-Triebwerk auch in der Falcon Heavy-Rakete verwendet. 27 parallel geschaltete Triebwerke bilden die erste Stufe und machen diese Rakete zur stärksten im Einsatz befindlichen Rakete mit einer Transportkapazität von 63 Tonnen in erdnahen Umlaufbahnen. Seit 2018 wurde die Falcon Heavy-Rakete dreimal erfolgreich gestartet, die Bergungsarbeiten verliefen jedoch nicht reibungslos, was die Komplexität der Rückgewinnung und Wiederverwendung von Flüssigkeitsraketenantrieb verdeutlicht.

Viele Helden konkurrieren um die Herausforderung

Ein Blick auf die Länder zeigt, dass die Wiederverwendungstechnologie für Flüssigkeitsraketenantriebssysteme viele Akteure der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Mitmachen bewegt hat und diese bereit sind, sich größeren Herausforderungen zu stellen und höhere Ziele zu verfolgen.

Öffentlichen Informationen zufolge nahm in meinem Land im Jahr 2021 ein bestimmter Typ eines Flüssigsauerstoff-Kerosin-Motors als Hauptantriebseinheit eines bestimmten Flugzeugs an seinem Jungfernflugtest teil. Nach Tests und Wartungsarbeiten nahm es kürzlich erfolgreich an einer wiederholten Flugtestmission teil.

Darüber hinaus hat mein Land eine Reihe von Plänen zur Wiederherstellung von Flüssigkeitsraketenantriebssystemen und zur Wiederverwendung von Raumfahrzeugen vorgelegt, bei denen unterschiedliche Treibstoffe und Konfigurationen zum Einsatz kommen. Nachrichtenberichte über Fortschritte bei einigen Triebwerkstests bestätigten auch, dass die Technologie zur Wiederverwendung von Flüssigkeitsraketentriebwerken in meinem Land stetig voranschreitet.

Das US-Unternehmen SpaceX arbeitet mit Hochdruck an der Entwicklung des „Starship“, dessen Kapazität im erdnahen Orbit 160 Tonnen erreicht. Das gleichzeitig geförderte Projekt ist der Flüssigsauerstoff-Methan-Motor mit dem Codenamen „Raptor“. Sein neuestes Modell verfügt über einen Schub auf Meereshöhe von 300 Tonnen und einen spezifischen Impuls von 334 Sekunden und kann eine Schubanpassung im Bereich von 20 % bis 100 % erreichen.

Die erste Stufe des "Starship" verfügt über 33 Raptor-Triebwerke parallel

Der schwierigste und vielversprechendste Indikator des Raptors ist der ultrahohe Druck in der Brennkammer, der in dieser Hinsicht das bisher beste Flüssigkeitsraketentriebwerk – das russische RD-180 – übertroffen hat. Der ultrahohe Brennkammerdruck kann dem Raptor ein höheres Schub-Gewichts-Verhältnis verleihen. Die aktuelle Version hat 107:1 erreicht und es gibt noch viel Raum für weitere Verbesserungen.

Derzeit hat die zweite Stufe von „Starship“ bereits zahlreiche Testflüge in begrenzter Höhe absolviert, und die erste Stufe, die parallel mit 33 „Raptors“ verbunden ist, wird bald einem umfassenden Zündtest unterzogen, um „Starship“ dazu zu bewegen, so bald wie möglich seinen ersten Orbitalstart zu versuchen.

Auch dem amerikanischen Unternehmen Blue Origin ist es gelungen, eine wiederverwendbare Rakete zu entwickeln. Die New Shepard-Rakete absolvierte ihren Erstflug und wurde im November 2015 geborgen. Seit dem fehlgeschlagenen Start am 12. September dieses Jahres hatte sie 21 erfolgreiche Flüge absolviert und sechs bemannte Flugmissionen durchgeführt. Die New Shepard-Rakete kann derzeit nur suborbitale Flüge durchführen und verwendet die BE-3-Triebwerke für flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff. Blue Origin entwickelt den Flüssigsauerstoff- und Methanmotor BE-4, der einen größeren Schub als der Raptor hat und auf der New-Glenn-Rakete zum Einsatz kommen soll, um orbitale Startoperationen durchzuführen.

Die wiederverwendbaren Raketen der Vereinigten Staaten haben den Marktanteil der traditionellen Raketen Russlands und der Europäischen Weltraumorganisation stark verringert und zwingen Russland und Europa dazu, sich ebenfalls mit der Forschung und Entwicklung wiederverwendbarer Raketen und ihrer Flüssigkeitstriebwerke zu befassen.

Bei der Amur-Rakete handelt es sich um eine wiederverwendbare zweistufige Rakete mittlerer Tragkraft, die von Russland entwickelt wurde und deren Erstflug für 2026 vom Kosmodrom Wostotschny erwartet wird. Die erste Stufe der Rakete kann laut Konstruktion zehnmal wiederverwendet werden und ist mit fünf parallel geschalteten Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerken des Typs RD-0169 ausgestattet. Bei Wiederverwendung der ersten Stufe wird die Amur-Rakete voraussichtlich in der Lage sein, 9,5 Tonnen Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn zu befördern. Bei einmaliger Verwendung beträgt die Transportkapazität in der niedrigen Erdumlaufbahn etwa 12 Tonnen.

Die ESA plant eine wiederverwendbare Rakete auf Basis der Ariane-6-Rakete. In der ersten Stufe werden sieben oder neun Prometheus-Triebwerke für flüssigen Sauerstoff und Methan zum Einsatz kommen. Die diskutierten Raketenkonfigurationen haben Durchmesser von 5,4 Metern bzw. 4,6 Metern und können mit Flüssigkeitsboostern gebündelt werden, um ihre Tragfähigkeit weiter zu erhöhen.

Neuer Trend des dreibeinigen Stativs

Das Aufkommen wiederverwendbarer Trägerraketen hat das Muster und die Entwicklungsrichtung im weltweiten Raumtransportbereich grundlegend verändert. Flüssigraketenantriebssysteme zielen auf Wiederverwendbarkeit ab und vereinen dabei niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit. Dies ist bei der Entwicklung einer neuen Generation von Flüssigraketentriebwerken zwischen den Ländern mittlerweile Konsens.

Welcher Treibstoff wird also für zukünftige Flüssigkeitsraketenantriebssysteme gewählt? Dem Entwicklungstrend nach zu urteilen, scheinen flüssiger Sauerstoff und Methan die gängige Wahl für die neue Generation wiederverwendbarer Raketenantriebe zu sein. Da flüssiger Sauerstoff-Methan-Treibstoff die Vorteile eines hohen spezifischen Impulses, niedriger Kosten, Sauberkeit und Umweltfreundlichkeit sowie einfacher Wartung und Verwendung bietet, eignet er sich für die Produktion von Motoren im großen Maßstab und für wiederholte Starts. Darüber hinaus lässt es sich problemlos über längere Zeit im Weltraum lagern und kann die Größe und Masse des Motors wirksam reduzieren. Insbesondere für die Hin- und Rückflüge zwischen der Erde und dem Mars, die in den letzten Jahren immer beliebter geworden sind, könnten Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerke von Experimenten zur Ressourcennutzung vor Ort auf dem Mars profitieren.

Die Vorteile von Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff als Antrieb, wie etwa der hohe spezifische Impuls und die hohe Zuverlässigkeit von Flüssigsauerstoff und Kerosin, sind jedoch nicht zu verachten und für bestimmte Missionen unverzichtbar. Daher dürfte der technische Weg zu wiederverwendbaren Flüssigkeitsraketen ein dreigliedriges Muster aufweisen.

Da sich wiederverwendbare Raketen in Zukunft allmählich durchsetzen, stehen auch Forschung und Entwicklung, Herstellung und Wartung bestehender Flüssigkeitsraketenantriebssysteme vor Veränderungen. Aus Effizienzgründen werden für den Motor wahrscheinlich mehr neue Materialien mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht verwendet und kostengünstige Schnellherstellungsverfahren eingeführt. Auch die Fähigkeit, mehrere Male schnell zu starten, ist zu einer neuen Anforderung an den Motor geworden.

Kurz gesagt: Die Wiederverwendung von Flüssigkeitsraketenantriebssystemen bietet offensichtliche Vorteile und eine vielversprechende Zukunft. Dadurch können nicht nur die Kosten für Weltraumstarts gesenkt und Produktion und Leben verbessert werden, sondern es wird auch erwartet, dass dadurch neue Bereiche der Weltraumforschung erschlossen werden. (Autor: Ben Xun)