Wiederverwendbare Raketentechnik stärkt Europas Raumfahrtkapazitäten
Moderne Satelliten können für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, von der Weltraumfotografie über die Telekommunikation bis hin zum Internet der Dinge. Die Senkung der Herstellungs- und Inbetriebnahmekosten hat außerdem zu einem Anstieg der Geschäftstätigkeit geführt, wobei die Privatwirtschaft eine immer wichtigere Rolle spielt. „Anstelle einiger weniger großer, teurer Satelliten geht die Branche zu mehreren Hundert kleinen, miteinander verbundenen Satelliten in großen Konstellationen über, die eine Vielzahl von Zwecken erfüllen“, erklärt Xavier Llairó, Mitglied des Projekts RRTB und CCO bei Pangea Aerospace in Spanien.
Rückgewinnung und Zurück-zur-Basis-Technologie
Obwohl viele Fachleute davon ausgingen, dass jedes Jahr zahlreiche Kleinsatelliten gestartet werden, ist die Zahl der tatsächlichen Einsätze geringer als erwartet. Ein Hauptgrund dafür war der Mangel an kosteneffizienten Startoptionen. Um dieser Nachfrage besser gerecht zu werden, wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts RRTB versucht, den Start von Kleinsatelliten effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten. Im Mittelpunkt stand dabei das Konzept der Wiederverwendbarkeit, das vom Team als Schlüsselelement zur Steigerung der Startfrequenz und zur Senkung der Kosten erkannt wurde. „Unser Hauptaugenmerk lag auf der Entwicklung einer Technologie für die Rückführung zur Basis, die den kostengünstigen Start von Kleinlasten mit hoher Frequenz in bestimmte Umlaufbahnen ermöglichen würde“, erklärt Llairó. Das Projektteam untersuchte und simulierte den Wiedereintritt von Trägerraketen. Es erforschte auch die Möglichkeiten eines Aerospike-Triebwerks, das als aktiv gekühlter Hitzeschild fungieren könnte, ohne das Gewicht des Trägersystems zu erhöhen. Im Rahmen des Projekts wurden außerdem mögliche Entwürfe für wiederverwendbare Trägerraketen mit kryogenen Treibstofftanks geprüft.
Wiedereintritt mit Hyperschall ohne Verbrennung
Das letztlich vorgelegte Konzept für kleine Trägerraketen enthält mehrere dieser neuartigen und innovativen Ideen. Dazu gehört eine wiederverwendbare erste Stufe, die von einem Aerospike-Triebwerk angetrieben wird, das das Fluggerät 15 % effizienter als herkömmliche Triebwerke gestalten soll. Das Triebwerk dient zudem als aerodynamischer Verzögerer beim Wiedereintritt. „Wir haben festgestellt, dass diese ‚Aerospike‘-Düse aufgrund ihrer Geometrie und ihres Kühlsystems einen passiven Wiedereintritt in die Atmosphäre ohne Zündung des Triebwerks unterstützt“, ergänzt Llairó. „Dies wirkt wie ein aktiv gekühlter Hitzeschild.“ Der Wiedereintritt mit Hyperschall ohne Verbrennung könnte ein entscheidender Faktor zur Senkung der Startkosten sein, und das Team von RRTB ist der Ansicht, dass dies beträchtliche Auswirkungen auf die Branche der kleinen Trägerraketen haben könnte. „Space X beispielsweise zündet während der 18 Sekunden dauernden Eintrittsphase drei Triebwerke“, erklärt Llairó. „Jedes der drei Triebwerke verbraucht 305 kg Treibstoff pro Sekunde, was einer Gesamtmenge von 16,5 Tonnen für dieses Manöver allein entspricht. Nur durch dieses Eintrittsmanöver verringert sich die Nutzlast um 1,65 Tonnen.“ Ein passiver Wiedereintritt ohne Zündung der Triebwerke könnte daher zu erheblichen Kosteneinsparungen führen und zusätzliche Nutzlastkapazität bieten – wichtige Überlegungen beim Start von Kleinsatelliten. Im Rahmen des Projekts wurde ebenfalls der Einsatz von Fallschirmen als Bergungsmethode bewertet. So könnten Bodenteams das Fahrzeugbergen und mit minimalem Wartungsaufwand wiederverwenden.
Fortschritte bei der Entwicklung wiederverwendbarer Trägerraketen
Die im Projekt RRTB gewonnenen Erkenntnisse haben dazu beigetragen, die Entwicklung wiederverwendbarer Trägerraketen voranzutreiben, und sie haben gezeigt, welche kritischen Überlegungen dabei angestellt werden müssen. Zu den weiteren Schritten gehört der Ausbau mehrerer Schlüsseltechnologien, wie der Vorrichtung zur Verzögerung des Wiedereintritts, kryogene Isolierung, Wärmeschutzsysteme und kryogene Tanks. „Wir haben darüber hinaus eine wirtschaftliche Analyse durchgeführt, bei der die effiziente Wiederverwendbarkeit, die Wartung und der Rückflug berücksichtigt wurden“, sagt Llairó. „Durch diese Ergebnisse ist Europa einen Schritt näher an der Entwicklung nachhaltiger und vollständig wiederverwendbarer Trägerraketen, die dazu beitragen werden, den florierenden Satellitenmarkt zu bedienen.“
Schlüsselbegriffe
RRTB, Weltraum, Satelliten, Umlaufbahn, Hyperschall, Aerospike, Kryogenik, Treibstoff