ATHEAt – Atmosphärischer Hochgeschwindigkeitsflug von wiederverwendbaren Raumtransportsystemen

ATHEAt (Advanced Technologies for High Energetic Atmospheric Flight of Launcher Stages, Deutsch: fortgeschrittene Technologien für den hochenergetischen Atmosphärenflug von Trägerraketen-Stufen) ist ein Projekt der Raumfahrtforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Im Fokus steht die Entwicklung von Wiedereintrittstechnologien für wiederverwendbare, wirtschaftliche und zuverlässige Raumtransport-Systeme.

Der Wiedereintritt in die Atmosphäre ist ein sehr komplexer und schwieriger Prozess. Raumfahrzeuge sind dabei extremen Bedingungen ausgesetzt: Dazu zählen sehr hohe Geschwindigkeiten von bis zu 28.000 Kilometer pro Stunde oder Mach 25 (25-fache Schallgeschwindigkeit). Der Bereich ab Mach 5 wird als Hyperschall bezeichnet und zeichnet sich durch besondere Hochtemperaturphänomene wie chemische Reaktionen und Plasmaeffekte aus. Der Wiedereintritt führt zu sehr hohen Oberflächentemperaturen von über 2.000 Grad Celsius. Der Grund dafür: Hohe Bewegungsenergie wird durch starke Verdichtungsstöße am Raumfahrzeug in thermische Energie (Wärme) umgewandelt. Außerdem wirken vielfältige aerodynamische Kräfte auf Material und Strukturen.

Weltweite Technologielücke schließen: Meilenstein für Forschung und Industrie

Im Projekt ATHEAt erforschen und erproben wir Technologien für wiederverwendbare Raumfahrzeuge. Der Fokus liegt auf der Wiedereintrittsphase bei hohen Machzahlen als besonders kritischem Punkt. Dazu entwickeln wir am DLR Auslegungswerkzeuge und bestätigen diese mit experimentellen Daten aus der Praxis. So leisten wir einen wichtigen Beitrag zum Entwurf und Bau zukünftiger, noch leistungsfähigerer und zuverlässigerer Raumfahrzeuge. Mit ATHEAt schließen wir gezielt eine weltweit bestehende Technologielücke bei Forschung und Industrie im Bereich der wiederverwendbaren, wirtschaftlichen und zuverlässigen Raumtransport-Systeme.

Ein wichtiger Bestandteil des ATHEAt-Projekts ist die Durchführung von zwei Flugexperimenten, die sich in ihren Zielen ergänzen. Das erste Flugexperiment, wurde am 6. Oktober 2025 erfolgreich mit einer speziellen Höhenforschungsrakete durchgeführt. Dabei flog ATHEAt über einen längeren Zeitraum mit hohen Machzahlen. In einem zweiten Flugexperiment erproben wir eine einstufige neuartige Hybridrakete mit steuerbarem Schub.

Zielsetzungen und Schlüsselaktivitäten von ATHEAt im Überblick:

• höhere Zuverlässigkeit von kritischen Hochtemperatur-Strukturen für wiederverwendbare Trägerraketen
• geringere Sicherheitsmargen bei der Auslegung solcher Strukturen für höhere Wirtschaftlichkeit
• Entwicklung von Technologien für hochenergetischen Atmosphärenflug zukünftiger Raumtransport-Systeme sowie deren Qualifizierung durch Bodentests
• erfolgreiche Durchführung eines Langzeit-Flugexperiments bei hohen Machzahlen mit einer Höhenforschungsrakete neuer Generation
• Weiterentwicklung des DLR-Hybridtriebwerks VISERION und Nachweis seiner Leistungsfähigkeit beim einstufigen Flugexperiment ALDUINA
• Entwicklung und Validierung von experimentellen und numerischen Methoden für die Anwendung auf Raumfahrtprojekte der Industrie
• Ausbau der Kompetenz des DLR im Bereich Systemanalyse und Datenmanagement von Trägerraketen und damit verbundenen Technologien

Zusammenspiel von Modellierung, Bodentests und Flugexperiment mit maßstabgetreuen Komponenten

Anlagen für Bodentest sind nur begrenzt in der Lage, die extremen Bedingungen eines Flugs bei hohen Machzahlen nachzustellen. Auch numerische Entwurfswerkzeuge sind noch nicht so ausgereift, dass solche Flüge umfassend am Computer modelliert werden könnten. Deshalb sind Flugexperimente wichtig und notwendig, um bestehende Technologielücken zu schließen. Gleichzeitig sind Flüge mit Komponenten in Originalgröße selten und teuer. Am DLR setzen wir auf selbst entwickelte und gebaute Flugexperimente mit anwendungsrelevanten Komponenten. Diese bringen wir mit Höhenforschungsraketen auf teils mehrere hundert Kilometer Höhe.

Bei Tests der Komponenten des Flugexperiments am Boden und im Flug haben unsere Forschenden umfassende und zuverlässige Daten gesammelt. Bereits vorhandene numerische Entwurfswerkzeuge kommen ebenfalls zum Einsatz und können mit den Daten aus den Tests verbessert werden. Numerische Entwurfswerkzeuge sind Software-Tools. Mit ihnen modellieren und simulieren wir physikalische oder technische Probleme. Die Kombination aus Flugexperiment, Simulation und Modellierung ist Kernelement unserer DLR-Raumfahrtforschung und in unserer Raumtransport-Strategie verankert.

Flugexperiment ATHEAt erfolgreich durchgeführt

Unser Hyperschall-Flugexperiment ATHEAt flog erfolgreich im Oktober 2025 an Bord einer Höhenforschungsrakete vom Startplatz Andøya Space im Norden von Norwegen. An der Spitze einer Höhenforschungsrakete flog das Experiment für insgesamt rund vier Minuten, davon zwei Minuten mit Geschwindigkeiten bis über Mach 9. Während des Fluges erreichte die Forschungsrakete eine maximale Höhe von mehr als 30 Kilometern. Die wissenschaftliche Nutzlast hatte zusammen mit den Versorgungsmodulen eine Masse von rund 244 Kilogramm. Im Vergleich zu unseren anderen erfolgreich geflogenen Hyperschall-Flugexperimenten SHEFEX-I, SHEFEX-II, ROTEX-T, ATEK und STORT konnre ATHEAt wesentlich länger bei hohen Machzahlen fliegen.

Der vordere Teil der Nutzlast bestand aus einem speziell von uns am DLR entwickelten und gefertigten keramischen Faserverbundwerkstoff. Auf die Raketenspitze folgten Segmente mit spitzbogiger und danach achteckiger Form inklusive vier Klappen. An Bord befanden sich wir auch zwei aktive Kühlexperimente.

An den Vorderkörper schlossen sich mehrere Module an. In ihnen befanden sich Experimente, um die strukturelle Integrität des Flugexperiments zu überwachen. Dazu kamen mehr als 300 Sensoren – darunter eigens entwickelte miniaturisierte nicht-invasive Sensoren, zwei Infrarot-Kameras, Strahlungsthermometer und Laserscanner. Direkt während des Flugs wurden die gesammelten Daten per Funk an die Empfangsstation übertragen. Trotz der extremen Bedingungen konnten umfassende Messdaten erfolgreich an die Bodenstationen übertragen werden.

Flugexperiment ALDUINA: Entwicklung und Test des DLR-Hybrid-Triebwerks VISERION

Bei hybriden Antriebssystemen ist das Oxidationsmittel in flüssiger und der Treibstoff in fester Form gespeichert. Das ermöglicht einen kontrollierten Betrieb und das mehrfache Zünden des Antriebs – vereint also die Vorteile von Feststoff- und Flüssigkeitsantrieben. Bei einer Rakete mit Flüssigkeitsantrieb werden flüssige chemische Komponenten – das Oxidationsmittel und der eigentliche Treibstoff – in getrennten Tanks gelagert und zur Zündung in die Brennkammer des Triebwerks eingespritzt. Dort kommt es zu einer chemischen Reaktion: Der Brennstoff reagiert mit dem Oxidator und erhöht durch die Verbrennung den Druck und die Temperatur in der Brennkammer. Die dabei entstehende Gasmasse mit Reaktionsprodukten strömt aus einer Düse und erzeugt dadurch Schub in die entgegengesetzte Richtung. Da das Oxidationsmittel in der Rakete mitgeführt wird, kann die Verbrennung des Treibstoffs auch ohne Sauerstoff aus der Atmosphäre erfolgen, zum Beispiel im Weltall. Solche Antriebe zeichnen sich durch ihre hohe Schubeffizienz aus, aber die Treibstoffe sind kaum lagerfähig. Bei Feststoffantrieben sind Oxidationsmittel und Treibstoff bereits in festem Zustand vorgemischt und müssen nur noch gezündet werden. Daher ist ihr Design einfacher und sie haben einen hohen Schub. Allerdings kann dieser Schub während des Fluges nicht kontrolliert werden.