SSTO-Raumfahrzeuge (Single Stage To Orbit): Alles, was Sie wissen müssen, und Neuigkeiten

ssto single stage to orbit

Der Zugang zum Weltraum ist sehr teuer und einer der Hauptgründe, warum wir das Sonnensystem nicht weiter erforschen. Mit dem Eintreffen teilweise wiederverwendbarer Trägerraketen kann es sich in Bewegung setzen. Wir sind jedoch weit vom Traum eines Raumfahrzeugs entfernt, das so einfach zu bedienen ist wie ein Auto oder ein Flugzeug. Dies würde bedeuten, dass das Fahrzeug vollständig wiederverwendbar ist und insbesondere die Erdumlaufbahn erreichen kann, ohne die Stufen zu verlieren.

Mehrstufige Raketen haben sich seit Beginn des Weltraumzeitalters bewährt

Alle Raketen haben ein mehrstufiges Design, da die tote Masse der eidesstattliche Feind für den Zugang zur Umlaufbahn ist. Um eine Chance zu haben, umkreist zu werden, muss die überwiegende Mehrheit der Masse eines Trägers aus Treibmitteln bestehen. Indem wir die tote Masse beim Aufstieg fallen lassen, stellen wir sicher, dass dieses Verhältnis und damit die Leistung der Rakete erhalten bleiben. Dafür gibt es viele Möglichkeiten. Wir können Stufen mit jeweils eigenen Motoren übereinander oder sogar nebeneinander stapeln.

falcon heavy launch spacex

Mehrstufiger Launcher Falcon Heavy

Mit einer Architektur, die Booster verwendet, erhalten wir zwei- oder dreistufige Raketen, die zusätzlich mehrere lösbare Booster verwenden können. Es funktioniert ganz gut, auch wenn die Möglichkeiten der Wiederverwendung aller Elemente notwendigerweise begrenzt sind. Dieser Entwurf wurde schnell in den ersten Startern des Weltraumzeitalters auferlegt. Einige Ingenieure haben dennoch versucht, sich einstufige Trägerraketen (Single Stage Launchers, SSTO) vorzustellen, die als Schlüssel zur vollständigen Wiederverwendung und damit zu geringeren Kosten für den Zugang zum Weltraum angesehen werden.

Einstufige Trägerraketen-Konzepte (SSTO) stehen vor vielen technischen Herausforderungen

Wenn keine dieser Maschinen heute fliegt, liegt dies daran, dass diese Art von Architektur radikale Einschränkungen auferlegt. Wie kann man die Masse des Trägers so gering wie möglich halten, ohne während der Fahrt etwas zu werfen? Wie baut man in allen Flugphasen ein effizientes Triebwerk mit einer starken Startkraft und einem starken spezifischen Impuls aus der Atmosphäre? Und vor allem, wie man eine Nutzlast einfügt, wenn die Masse des Fahrzeugs schon viele Probleme aufwirft? Dies ist das Rätsel, das SSTO-Trägerraketen (Single Stage To Orbit) zu lösen versuchen, nämlich Raumfahrzeuge mit notwendigerweise geringeren Leistungen, die sich jedoch durch eine vollständige Wiederverwendung ergeben würden. Es gab viele Studienkonzepte zu diesem Thema und einige dieser Projekte befinden sich noch in der Entwicklung.

Philip Bono, Ingenieur bei Douglas, stellte sich bereits in den 1960er Jahren eine Reihe von Konzepten vor, die immer weiter fortgeschritten waren. Die ersten Konzepte schummeln ein wenig durch die Verwendung von entsorgbaren Kraftstofftanks, aber es kehrt sehr schnell mit Architekturen zurück, die wirklich SSTO sind und insbesondere wiederverwendbar sind. In seinen frühen Arbeiten beleuchtet er die Schlüsseltechnologien einer solchen Architektur. Für Philip Bono muss ein SSTO-Träger in der Lage sein, vertikal zu starten und zu landen (VTVL = Vertical Takeoff and Vertical Landing). Der Werfer muss die Form einer Rakete haben und kein Flugzeug, da die Flügel ein zu wichtiges Eigengewicht sind. Nur das Wasserstoff-Sauerstoff-Paar kann die Leistung und den spezifischen Impuls bieten, die für alle Flugphasen erforderlich sind.

Der Delta Clipper SSTO-Demonstrator wurde in den 1990er Jahren getestet

Die Ideen von Philip Bono fanden großen Anklang bei McDonnell Douglas, der Anfang der neunziger Jahre mit der Entwicklung des Delta Clipper-Demonstrators begann. Dieser Demonstrator bietet einen guten Überblick in kleinem Maßstab darüber, wie diese Art von Architektur aussehen würde: konische Form der Rakete, hydrologische Triebwerke, modularer Schub, leichte Materialien und das Erfordernis eines thermischen Schutzes für den Wiedereintritt in die Atmosphäre.

mcdonnell douglas delta clipper

Delta Clipper Demonstrator

Die Delta Clipper absolvierte 12 Flüge. Es waren noch nie mehr als 3 Kilometer, aber dieser Demonstrator hat das hohe Potenzial der Wiederverwendung dieser Architektur mit manchmal nur mehr als 24 Stunden zwischen zwei Flügen demonstriert. Das Delta Clipper-Programm hat nie zu einem Orbitalmodell geführt, aber einige der Ingenieure, die an dem Projekt gearbeitet haben, sind jetzt bei Blue Origin.

Lockheed Martin entwickelte ein Raumflugkonzept, bevor es annulliert wurde

Obwohl Philip Bono es nicht glaubte, verführte die Idee eines Fahrzeugs in Form eines Flugzeugs andere Teams. Etwa zur gleichen Zeit, als McDonnell Douglas den Delta Clipper testete, begann Lockheed Martin an der X-33 zu arbeiten. Es war ein Demonstrator, um alle Technologien zu testen, die für die Entwicklung eines SSTO-Fahrzeugs erforderlich sind.

lockheed martin x-33

Lockheed-Martin X-33

Lockheed Martin und die NASA hatten eine Reihe von Technologien identifiziert, die ein solches Projekt ermöglichen könnten: eine Form zur Erleichterung des atmosphärischen Wiedereintritts, ein vertikaler Start und eine horizontale Landung, an alle Flugphasen angepasste Aerospyke-Düsen, die Verwendung des Wasserstoff-Flüssig-Sauerstoff-Paares. Der X-33 sollte größtenteils Verbundwerkstoffe verwenden, um das Kraftstoffgewicht zu minimieren. Für die NASA waren dies die Schlüssel zur Entwicklung eines Fahrzeugs, das in wenigen Tagen wieder fliegen und weniger Wartung erfordern kann.

Die US-Raumfahrtbehörde sah in diesem Programm die Chance, den Zugang zur Erdumlaufbahn zehnmal sicherer und zehnmal billiger zu machen. Das ging aber nicht so gut. Das Projekt wurde im Jahr 2001 aufgrund technischer Schwierigkeiten abgebrochen. Insbesondere die Herstellung von Kraftstofftanks aus Verbundwerkstoffen. Es ist eine Schande, wenn wir wissen, dass kryogene Kohlenstofffasertanks seitdem enorme Fortschritte gemacht haben.

Das SSTO-Modell interessiert nicht viele Menschen, da es andere bewährte Lösungen gibt

Heute können wir nicht sagen, dass SSTO-Fahrzeuge großes Interesse erregen. Eine teilweise Erholung scheint sich ausgezahlt zu haben, da SpaceX bewiesen hat, dass der Technologiesprung nicht so wichtig ist. In Großbritannien gibt es noch ein Team, das an die Entwicklung des Raumflugzeugs Skylon glauben will.

skylon space plane

Skylon-Raumflugzeug

Um SSTO-Architekturen wirklich interessant zu machen, müssen wir möglicherweise andere Lösungen als den chemischen Antrieb untersuchen. Mit Kernenergie können wir sowohl eine hohe Leistung als auch einen großen spezifischen Impuls haben. Bereits in den 1960er Jahren erreichten Kernmotoren fortgeschrittene Entwicklungsstadien. Ein thermischer Kernantrieb würde Schub liefern, indem Wasserstoff durch die Wärme eines Reaktors entspannt wird. Dies würde zu einem starken Schub führen, der jedoch nicht ausreicht, um eine erste Stufe oder ein SSTO-Fahrzeug anzutreiben.

In Kürze wird kein Raumfahrzeug-SSTO mehr gestartet

John Bucknell, ehemaliger Ingenieur der Raptor-Engine von SpaceX, hatte sich 2015 einen Weg ausgedacht, um die Leistung und Effizienz eines solchen Systems zu verbessern. In der Art der Skylon-Raumebene müsste Luft in die Atmosphäre gesaugt werden, um dem thermischen Kernantrieb einen Verbrennungszyklus hinzuzufügen. In einem solchen Motor wird der Wasserstoff zunächst durch Erhitzen durch einen Kernreaktor expandiert und dann in eine Brennkammer eingespritzt, wo er in Kontakt mit der Umgebungsluft verbrennt. Dies führt zu einer starken Erhöhung des Schubes und des spezifischen Impulses während der ersten Flugphase.

John Bucknell glaubt, dass ein solches System eine wirklich leistungsstarke SSTO-Rakete hervorbringen würde, die eine große Nutzlast in die Umlaufbahn und darüber hinaus befördern kann. Es sollte natürlich wiederverwendbar sein, um wirtschaftlich zu sein, da die angewandten Technologien sehr komplex sind. Ein solcher Motor wird wohl noch lange nicht entwickelt, noch ein SSTO-Orbitalfahrzeug. Die Einschränkungen scheinen im Vergleich zum erwarteten Gewinn immer noch viel zu wichtig zu sein.

Bisher ist eine andere Strecke vorgesehen, um die vollständige Wiederverwendung von Raumfahrzeugen zu ermöglichen. Das SpaceX Starship und sein Booster halten die Architektur in zwei Stufen, aber wir versuchen, sie separat wiederherzustellen. Keine Notwendigkeit für eine grundlegende technologische Pause. Wenn das Raumschiff eines Tages auf dem Mond oder auf dem Planeten Mars landen kann, muss es wie ein echtes SSTO-Fahrzeug wieder starten, um auf der Erde zu landen.

Images by A. Mann / Glenn Research Center [Public domain] / NASA/MSFC [Public domain]







Quellen

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