Wiedereintritts- und Landetechnologien

Wiederverwendbarer Raumtransport

Thema im Fokus: Wiederverwendbarer Raumtransport
Das DLR forscht seit vielen Jahren zum Thema wiederverwendbare Trägerraketen und Raumtransportanwendungen. Ziel ist ein umweltverträglicher und zugleich kostengünstiger Raumtransport für Europa.
Modell einer wiederverwendbaren Raketenstufe im Hyperschall-Windkanal – mit siebenfacher Schallgeschwindigkeit
Das Bild zeigt das Modell einer wiederverwendbaren Raketenstufe beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre mit siebenfacher Schallgeschwindigkeit. Die Triebwerke feuern entgegen der Flugrichtung, um die Geschwindigkeit und somit die hohen Lasten beim Wiedereintritt zu reduzieren. Die Aufnahme stammen aus dem Hyperschall-Windkanal in Köln (H2K). Hier wurde im Rahmen des ESA-Projekts RETPRO, das durch das Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) finanziert wurde, eine Studie zum Einfluss durch Zündung einer unterschiedlichen Anzahl von Triebwerken auf die Gesamt-Aerodynamik der Raketenstufe durchgeführt. Die Strömung wird mithilfe des sogenannten Schlierenverfahrens sichtbar gemacht, bei dem Dichteunterschiede zu einer Ablenkung des durch die Messstrecke geleiteten Lichts führen. Hierdurch werden gerade bei Überschallströmungen die Strömungsstrukturen deutlich sichtbar. In oberen Bild mit einem aktiven Triebwerk werden die Strömungen vergleichsweise scharf wiedergegeben, was auf wenig dynamisches Verhalten im Strömungsfeld schließen lässt. Im unteren Bild mit drei aktiven Triebwerken ist die gegenseitige Beeinflussung der Treibstrahlen und eine deutlich zunehmende Dynamik erkennbar. Solche Ergebnisse können in der Zukunft dabei helfen, die Einflüsse dynamischen Strömungsverhaltens auf die Strukturen und das Steuerungsverhalten von Raumfahrzeugen zu berücksichtigen.
Bild: 2/7, Credit:

DLR, ESA, Future Launchers Preparatory Programme (FLPP)

Horizontale Landung
Bei der horizontalen Landung setzt die Raketenstufe wie ein Flugzeug auf einer Landebahn auf. Außerdem dient der Flügel zur Verringerung der Lasten beim Wiedereintritt, ohne dass dafür ein Antrieb nötig ist. Für horizontal landende Systeme gibt es insbesondere zwei Rückholoptionen: „In-Air-Capturing“ (hier in blau) und „Fly-back“. „In-Air-Capturing“ ist eine vom DLR patentierte Technologie, die bis 2022 im Rahmen des EU-Horizon-2020-Projekts FALCon (Formation Flight for in-Air Launcher 1st stage Capturing demonstration) vorangetrieben wurde. Bei diesem Ansatz befindet sich ein Schleppflugzeug im geplanten Einfanggebiet, während die geflügelte Stufe einen atmosphärischen Wiedereintritt durchführt, der in einen Unterschall-Gleitflug übergeht. Das Schleppflugzeug ist mit einer an einem Seil befestigten Fangvorrichtung ausgestattet und positioniert sich so in einen Formationsflug, dass die Stufe an die Fangvorrichtung andocken kann. Nach erfolgreicher Kopplung wird die Stufe vom Flugzeug zu einer Landebahn in der Nähe ihres Raketenstartplatzes gezogen. Dort wird sie in der Luft abgekoppelt und landet selbstständig – ähnlich wie ein Segelflugzeug oder das Space Shuttle. Die „Fly-back“-Methode basiert auf der Idee, die zurückkehrende, wiederverwendbare Stufe mit eigenen Flugzeugtriebwerken auszustatten, die im Unterschall-Flug eingeschaltet werden.
Bild: 7/7, Credit:
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In der bisherigen Geschichte der Raumfahrt waren Raketen in der Regel reine Einwegprodukte. Der erste Ansatz, Raumfahrtsysteme wiederverwendbar zu gestalten, war das Space-Shuttle-Programm der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Das Shuttle hatte Flügel und brauchte seine Triebwerke beim Eintritt in die Atmosphäre und zur Landung nicht erneut zu zünden. Es kehrte im horizontalen Gleitflug zur Erde zurück. Das Programm beendete die NASA nach 135 Missionen im Jahr 2011. Gegenwärtig ist die Trägerrakete Falcon 9 von Space X eine wiederverwendbare Ausnahme zu Einwegstufen – bisher fliegt nur Space X regelmäßig in den Weltraum und lässt die erste Stufe wieder landen.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht seit vielen Jahren zum Thema wiederverwendbare Trägerraketen und Raumtransportanwendungen. Ziel ist ein umweltverträglicher und zugleich kostengünstiger Raumtransport der Zukunft. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedenen Instituten und Fachbereichen des DLR bringen ihr umfassendes Wissen in Projekte auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene ein.

Das Wie des Rückkehrens

Horizontales vs. vertikales Landen – zwei Prinzipien im Vergleich

Seit vielen Jahren forscht das DLR an den unterschiedlichsten Konzepten, damit Raketen künftig nicht mehr reine Einwegprodukte bleiben. Zumindest Teile wie die erste Stufe sollen landen und somit mehrfach verwendet werden können. Denn der Raumtransport muss ressourcen- und umweltschonender sowie günstiger werden. Allen Ideen liegen zwei Grundprinzipien zugrunde. Da ist zum einen das horizontale Landen, das – vereinfacht gesagt – aerodynamische Flügelstrukturen nutzt, um die zur Erde „zurückfallende“ Raketenstufe abzubremsen, in den waagerechten Flug zu bringen und wie ein Flugzeug zu landen.

Aktuell sind noch viele Forschungsfragen unbeantwortet. So ist die hochkomplexe Flugphysik weiterhin nicht abschließend untersucht. Ideen und Entwürfe für im Horizontalflug rückkehrende Raketen werden genauso untersucht wie das vertikale, also rückwärts senkrechte Landen. Der Grund: Beide Prinzipien weisen Vor- wie auch Nachteile auf. Wo liegen diese? Wie funktionieren die Technologieansätze genau? Warum ist das erneute Zünden eines Raketentriebwerks nicht so selbstverständlich wie bei Flugzeugen? Wie kann die künstliche Intelligenz (KI) die Forschung und Entwicklung unterstützen? Was muss ein moderner Prüfstand für Prototypen leisten? Und wie lassen sich die Technologieansätze am besten erproben?

Dieses Thema im Fokus bietet einen Überblick zu dem umfangreichen und komplexen Forschungsbereich des wiederverwendbaren Raumtransports und stellt aktuelle Missionen und Projekte sowie wichtige DLR-Tätigkeiten auf diesem Gebiet vor.

Hintergrundartikel

SALTO: Technologien für Europas wiederverwendbare Raketen

Die aufrechte Landung einer Mehrweg-Trägerstufe – darum geht es im EU-Projekt SALTO. Die Abkürzung steht für „Technologien für und Betrieb von strategischen wiederverwendbaren Raumtransportsystemen“. SALTO soll technische Schlüssel-Bausteine für die nächste Generation von europäischen Raumtransportern liefern.

CALLISTO – Träger-Innovation für die aufrechte Landung

Um die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Raumfahrtindustrie sicherzustellen, ist es wichtig, die Kosten für den Transport von Nutzlasten ins All zu senken. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wiederverwendbarkeit von Raketenstufen.

ReFEx – Wiederverwendbarkeits-Flugexperiment

Das DLR entwickelt mit ReFEx einen Technologiedemonstrator für eine vertikal startende und horizontal landende Raketenstufe. Verschiedene Schlüsseltechnologien sollen mit diesem Träger demonstriert werden.

Retalt: Forschung am vertikalen Landen

Bei RETALT forschte das DLR gemeinsam mit der Industrie von 2019 bis 2022 an rückwärts senkrecht landenden Raketen, um die europäischen Konzepte für Wiedereintrittstechnologien voranzutreiben. Untersucht wurden unter anderem die Aerodynamik, Oberflächentemperaturen, Flugdynamik, Navigation und Steuerung sowie Strukturteile, Materialien und Mechanismen. Denn: Auch wenn SpaceX bereits vertikal landende Systeme betreibt, die komplexe Physik während des Flugs ist noch nicht im Detail erforscht.

LUMEN: KI-unterstützt zu wiederverwendbaren Raketenantrieben

Das DLR unternimmt mit LUMEN einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung von Raumtransportsystemen der Zukunft. Das Projekt konzentriert sich auf die Treibstoffkombination von Flüssigsauerstoff und Methan. Sie könnte die Kosten für Raketentriebwerke signifikant senken und die technische Grundlage für wiederverwendbare Raumfahrtantriebe schaffen.

FALCon: Mit der DLR-Innovation In-Air-Capturing auf Raketenfang

Für das horizontale Landen kommen zwei Grundprinzipien in Frage: mit und ohne eigenes Antriebssystem für eine „geflügelte“ Raketenstufe. Im Projekt FALCon wurde an einer Lösung für den Rückflug ohne Antrieb gearbeitet. Ein innovativer Ansatz dabei ist das sogenannte In-Air-Capturing, das Einfangen in der Luft durch ein Unterschallflugzeug.

Von der Erde ins All – und wieder zurück

Wie werden Raketen wiederverwendbar? Noch sind Raketen in der Regel Einwegprodukte. Aber das soll sich bald ändern: Dr. Martin Sippel vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme forscht seit Jahren an verschiedenen Ansätzen, wie Raketen nach ihrem Flug wieder auf der Erde landen können. Zu seiner Arbeit gab er dem DLRmagazin im November 2024 ein Interview (Ausgabe 176).

Nachrichten zum Thema

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Multimedia

Video: CALLISTO (engl.)

Mit CALLISTO entwickelt das DLR mit der französischen CNES und der japanischen JAXA einen Demonstrator, der senkrecht starten und in der gleichen Ausrichtung landen kann. CALLISTO wird mit Hilfe aerodynamischer Steuerflächen in einer Phase ohne Triebwerk gesteuert, in der ein Übergang von Überschall- zu Unterschallströmungen stattfindet. Anschließend wird das Triebwerk wieder gezündet, um CALLISTO abzubremsen. Das Landesystem absorbiert die verbleibende kinetische Energie, so dass CALLISTO eine sichere und stabile Landung durchführen kann.

Video: Erster erfolgreicher Test des LUMEN-Demonstrators

Im Rahmen des Projekts LUMEN entwickelt das DLR ein pumpengefördertes Flüssigsauerstoff und Methantriebwerk. Im Mittelpunkt steht dabei die Untersuchung des Verhaltens eines gesamten flüssigkeitsbetriebenen Raketenzyklus und seiner Einzelkomponenten in einer repräsentativen Testumgebung. Die Tests finden auf dem Europäischen Forschungs- und Technologieprüfstand P8.3 am DLR-Standort Lampoldshausen statt.

Simulation: Rakete im Rückwärtsflug

Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik entwickelt am Standort Göttingen Simulationsverfahren, um die komplexen physikalischen Vorgänge in Raketenbrennkammern genau vorhersagen zu können und die Aerodynamik wiederverwendbarer Trägerraketen zu erforschen. Die Simulation zeigt die Wärmebelastung auf der Raketenoberfläche beim Bremsmanöver im Rückwärtsflug, wenn drei der insgesamt neun Triebwerke eingeschaltet sind. Normalerweise würde sich die Rakete beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre stark aufheizen. Der Abgasstrahl der drei mittleren Triebwerke schirmt die Unterseite der Rakete von der heißen Luftströmung ab und verhindert dies.

Video: Technologiedemonstrator ReFEx

Das Reusability Flight Experiment (ReFEx) ist ein Technologiedemonstrator für zukünftige geflügelte, wiederverwendbare Stufen. Diese Animation zeigt ReFEx in seiner Wiedereintrittskonfiguration, nachdem es von seiner Trägerrakete gestartet wurde. Anstelle einer vertikalen Landung konzentriert sich der Test auf die horizontale Landung einer Stufe, mit autonomer Navigation und kontrolliertem Flug während jeder Phase der Mission des Fahrzeugs. Das Fahrzeug wird durch ein aktives aerodynamisches Kontrollsystem stabilisiert, das die Eingaben des Navigationssystems und der Steuerung in Steuerbefehle für die einzelnen Aktuatoren umsetzt. Ein Demonstrationsflug ist für 2025 in Australien geplant.

Downloads zum Thema

Whitepaper (engl.)

Sustainable space technologies – Strategies toward a predictive aerothermal design of re-useable space transportation systems

Diese wissenschaftliche Veröffentlichung aus 2024 stellt aktuelle aerothermische Design- und Analysemethoden für Raumfahrzeuge vor. Dazu gehören wichtigsten Systemarchitekturen (darunter Raketen, Gleiter und kapselbasierte Konfigurationen) und die spezifischen aerothermischen und thermo-chemischen Effekte, die während der verschiedenen Flugphasen und -bahnen auftreten. Es werden numerische und experimentelle Entwurfswerkzeuge unterschiedlicher Genauigkeit geprüft und diskutiert.

Whitepaper (engl.)

System Aspects of European Reusable Staged-Combustion Rocket Engine SLME

Das Paper aus 2024 liefert einen Überblick über die in Europa untersuchten wiederverwendbaren Triebwerke mit kryogenem gestuftem Verbrennungszyklus und die damit verbundenen Anwendungen für Trägerraketen. Ursprünglich als Basisantriebssystem für das wiederverwendbare raketengestützte interkontinentale Hochgeschwindigkeits-Passagiertransportkonzept SpaceLiner definiert, wird das SLME nun auch als Referenz für LOx-LH2-Triebwerke mit geschlossenem Kreislauf in mehreren Studien für zukünftige europäische Raumfahrzeuge verwendet.

Whitepaper (engl.)

A Viable and Sustainable European Path into Space – for Cargo and Astronauts

Die Veröffentlichung aus 2021 fasst Ergebnisse technischer Vorstudien aus Deutschland zusammen – sowohl für eine Entwicklung der Ariane 6 als auch für die nächste Generation von (teilweise) wiederverwendbaren Konzepten. Für die Rückkehr werden Optionen für die vertikale Landung sowie Technologien mit Flügeln zum horizontalen Landen betrachtet. Betrachtet und verglichen werden die Gesamtform und aerodynamische Konfiguration, das Antriebssystem, die Architektur sowie Anordnung der Stufen und verschiedene Lösungen von Rückkehr-Konzepten.

Kontakt

Philipp Burtscheidt

Presseredaktion
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
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