Ein historischer Fall: Erstmalig gelingt China die Wiederverwendung der ersten Stufe einer Großrakete

Um 12:15 Uhr mittags nach Peking-Zeit ist unsere neue Generation großer Flüssigraketen, die Langer Marsch 10B, am Startplatz 2 des kommerziellen Weltraumbahnhofs in Hainan gezündet und aufgestiegen. Sie hat die Nutzlast erfolgreich in die vorgesehene Umlaufbahn gebracht – der Erstflug gelang hervorragend.

Neben der Startmission hat ein weiteres Experiment dieser Rakete große Aufmerksamkeit erregt: die Wiederverwendung der ersten Stufe des Kernraketenkörpers.

In dem Gebiet des Südchinesischen Meeres, 430 Kilometer in Flugrichtung vom Startbahnhof entfernt, kehrte die erste Stufe des Kernraketenkörpers nach Abschluss der Aufgabe zurück, stieg vertikal ab und landete sanft in dem riesigen Netz, das von der Offshore-Plattform „Pilot“ aufgespannt wurde.

Dieses Netz ist 36 Meter hoch, auf einem großen Schiff mit einer vollen Verdrängung von 25.000 Tonnen montiert und dient speziell dazu, die Rakete aufzufangen.

Netzfang der ersten Stufe des Kernraketenkörpers von Langer Marsch 10B | Weibo@Leidenschaft für Luft- und Raumfahrt

Dieser Fang stellte zwei Rekorde auf. China ist nach den USA das zweite Land weltweit, das die Flugverifikation der Wiederverwendung der ersten Stufe eines großen Flüssig-Trägerraketen abgeschlossen hat. Und das Auffangen einer Rakete mit einem Netz ist weltweit das erste Mal.

Personifizierte Darstellung des Netzfangs der ersten Stufe des Kernraketenkörpers von Langer Marsch 10B | stainless_squid

Warum soll eine Rakete wiederverwendet werden?

Der direkteste Grund ist Kosteneinsparung.

Nehmen wir ein Beispiel: Ein Flugzeug fliegt von Peking nach Shanghai, tankt nach der Landung und durchläuft eine Inspektion, bevor es den nächsten Flug antreten kann. Herkömmliche Raketen funktionieren nicht so – sie sind nach einmaliger Nutzung verbraucht. Die erste Stufe schiebt die Nutzlast in den Himmel, stürzt nach Abschluss der Aufgabe ab und wird unbrauchbar. Für den nächsten Start muss eine neue Rakete gebaut werden. Das ist so, als würde man nach jedem Flug ein Flugzeug wegwerfen – die Kosten sind leicht vorstellbar.

Gerade die erste Stufe ist einer der teuersten Teile der gesamten Rakete: Sie ist am größten, hat die meisten Triebwerke und die komplexeste Technologie. Wenn man sie zurückholen, nach der Wartung wiederverwenden und mehrere Dutzend Mal fliegen lassen kann, sinken die Kosten pro Start erheblich.

Neben der Kosteneinsparung gibt es einen weiteren Vorteil: Schnelligkeit. Der Bau einer großen Rakete dauert oft Monate oder sogar Jahre. Einweg-Nutzung bedeutet, dass man eine Rakete erst fertigstellen muss, bevor sie gestartet werden kann – der Startrhythmus wird stark von der Produktionsgeschwindigkeit eingeschränkt. Wenn die zurückgeholte Rakete wiederverwendet werden kann, lässt sich der Startrhythmus beschleunigen.

Dieser Weg wurde bereits erfolgreich beschritten: Die Falcon 9 von SpaceX in den USA erreicht mit der wiederholten Wiederverwendung ihrer ersten Stufe mehr als 100 Starts pro Jahr.

Daher ist die wiederverwendbare Rakete in den letzten Jahren zum Haupttrend der globalen Raketenentwicklung geworden. Die Ziele sind gleich, aber es gibt mehr als einen Weg, sie zu erreichen.

Warum die Netz-Wiederverwendung?

Das derzeit weltweit gängigste Wiederverwendungskonzept, repräsentiert durch die Falcon 9 von SpaceX, besteht darin, dass die Rakete selbst zurückkehrt und „steht“. Die erste Stufe entfaltet während des Rückflugs vier große hydraulische Landeglieder und landet schließlich vertikal auf einer Land- oder Offshore-Wiederverwendungsplattform.

Die erste Stufe der Falcon 9 landet auf einer Offshore-Wiederverwendungsplattform | SpaceX

Dieses Konzept ist bereits sehr ausgereift, aber es gibt einen unvermeidlichen Nachteil: Die vier großen Landeglieder zusammen mit den komplexen dazugehörigen Dämpfungseinheiten erhöhen das Eigengewicht der Rakete erheblich.

Die Rakete muss sie vom Moment der Zündung an tragen, bis sie nur wenige Sekunden vor der Landung zum Einsatz kommen. Jede Sekunde, in der sie getragen werden, verschwendet Nutzlastkapazität. Je stabiler die Landeglieder gebaut sind, desto weniger Nutzlast kann die Rakete transportieren.

Landeglieder der Falcon 9 | Ken Kremer

Die Langer Marsch 10B geht einen anderen Weg.

In den ersten großen Abschnitten des Rückflugs gibt es keinen grundlegenden Unterschied zu anderen wiederverwendbaren Raketen. Nach der Trennung von der ersten und zweiten Stufe entfaltet die erste Stufe des Kernraketenkörpers Gitterruder (kleine gitterförmige Flügel am Raketenkörper, die speziell die Fluglage in der Atmosphäre steuern), die Triebwerke zünden erneut, um abzubremsen, und fliegen in Richtung der wartenden Plattform „Pilot“ im Südchinesischen Meer.

Die Plattform „Pilot“ bleibt nicht untätig: Sie hält sich mithilfe ihres dynamischen Positionierungssystems gegen Wellen und Wind stabil in der vorgesehenen Zone.

Der eigentliche Unterschied liegt im letzten Schritt. Während die Falcon 9 zu diesem Zeitpunkt ihre Landeglieder ausfährt, um zu landen, braucht die Langer Marsch 10B das nicht. Sie fliegt über die Plattform, reduziert ihre horizontale Geschwindigkeit auf Null und steigt dann vertikal ab. Auf der Plattform formt das Seilnetz ein „Gitter“ – sobald die an dem Raketenkörper angebrachten Fangstangen das Netz berühren, verteilen das Seilnetz und die Dämpfungseinheiten die Kraft schrittweise, reduzieren die Fallgeschwindigkeit der Rakete Stück für Stück und fangen sie schließlich sanft auf.

Schematische Darstellung des Raketen-Netz-Wiederverwendungssystems | Chinesische Akademie für Trägerraketentechnologie

Dieser Vorgang ähnelt stark der Landung eines Trägerflugzeugs auf einem Flugzeugträger. Ein Kampfflugzeug landet auf dem Flugzeugträger, indem es mit seinem Heckhaken die Fangseile auf dem Deck erfasst und abrupt zum Stillstand gebracht wird. Die Langer Marsch 10B wird ebenfalls „gefangen“ – der Unterschied besteht darin, dass das Trägerflugzeug horizontal anfliegt, während sie vertikal absteigt.

Auf diese Weise wird das Gewicht der Landeeinheit von der Rakete auf die Plattform verlagert. Die Rakete behält nur wenige leichte Fangstangen, und das eingesparte Gewicht kann vollständig der Nutzlast zugute kommen.

Warum gelang der Erfolg bereits beim Erstflug?

Eine Rakete, die zum ersten Mal in den Himmel fliegt, erreicht nicht nur problemlos ihre Umlaufbahn, sondern schließt auch die Netz-Wiederverwendung ab, die weltweit noch niemand zuvor realisiert hat.

Das ist kein reiner Glückstreffer.

Vor dem heutigen Tag wurde fast jeder einzelne Schritt dieses Vorgangs bereits separat geübt.

Bereits in der Bodenphase wurden für die sieben Triebwerke der ersten Stufe zwei Festzündversuche durchgeführt: Die Rakete wurde am Startplatz fixiert, nur gezündet, ohne abzuheben – speziell um das Verhalten unter einem Schub von fast tausend Tonnen zu prüfen, wenn alle sieben Triebwerke gleichzeitig laufen. Sogar die Wiederzündung zum Abbremsen während des Rückflugs wurde am Boden vorab getestet.

Ein noch wichtigerer Übungsversuch fand am 11. Februar dieses Jahres statt. China führte am Weltraumbahnhof Wenchang die Niedrigflugdemonstration und -verifikation des Langer Marsch 10-Trägerraketensystems (Fluchtversuch des bemannten Raumschiffs Mengzhou bei maximalem dynamischen Druck) durch – dies war der erste Flug der Langer Marsch 10-Serie im Prototypzustand.

Der im Februar dieses Jahres durchgeführte Niedrigflugdemonstrationsversuch der Langer Marsch 10 und der Fluchtversuch des Raumschiffs Mengzhou bei maximalem dynamischen Druck | Xinhua Nachrichtenagentur

Bei diesem Versuch stieg die erste Stufe der Rakete auf etwa 105 Kilometer Höhe und kehrte dann zurück. Sie justierte ihre Fluglage, bremste ab und schwebte fast in nur 5 Metern Höhe über der Meeresoberfläche, bevor die Triebwerke abgeschaltet wurden. Der Raketenkörper tauchte vertikal in die vorgesehene Meereszone ein – der Einschlagpunkt lag in der Nähe der Plattform „Pilot“, die zur Übung mitgekommen war.

Das war das erste Mal, dass die erste Stufe eines chinesischen Raketenkörpers auf See eintauchte.

Mit anderen Worten: Abgesehen von dem letzten Schritt, in das Netz einzutauchen, war der gesamte Wiederverwendungsablauf bereits im Februar vollständig erfolgreich durchgeführt worden: Sind die Triebwerke zuverlässig, wenn sie während des Rückflugs mehrmals neu zünden? Hält der Raketenkörper der hohen Temperatur und den Stößen während des Rückflugs stand? Kann die Navigationssteuerung den Raketenkörper präzise zum Schiff bringen? Alle diese Fragen wurden bei diesem Versuch positiv beantwortet.

Der Prototyp der Rakete tauchte nach dem Flug in der Nähe des Wiederverwendungsschiffs ein | Xinhua Nachrichtenagentur

Daher lässt sich nicht sagen, dass die Langer Marsch 10B bereits beim Erstflug erfolgreich war – vielmehr hat sie eine Aufführung, die unzählige Male geübt wurde, auf die offizielle Bühne gebracht und nur den letzten Schritt ergänzt: das Landen im Netz.

Was bedeutet das für die Zukunft?

Der erste Nutznießer dieses Erfolgs ist Chinas bemanntes Mondlandungsprojekt.

China plant, die bemannte Mondlandung vor 2030 zu realisieren | CMS

Die Langer Marsch 10B ist keine eigenständige Rakete – hinter ihr steht die gesamte Langer Marsch 10-Serie, und diese Serie hat die Aufgabe, Chinesen vor 2030 auf den Mond zu bringen.

Als erstes Mitglied der Serie, das in den Himmel geflogen ist, werden die Schlüsseltechnologien, die die Langer Marsch 10B heute verifiziert hat – wie mehrfache Zündung der Triebwerke und Steuerung des Rückflugs – zum gemeinsamen Vermögen der gesamten Serie. Sie liefern wichtige technische und praktische Erfahrungen für die Entwicklung zukünftiger Modelle der Langer Marsch 10-Serie.

Ein weiterer Nutznießer ist das intensiv im Aufbau befindliche Satelliten-Internet.

Chinas Niedrig-Erdum