Eine Leichtbaustruktur für den wiederverwendbaren Trägerraketen-Demonstrator CALLISTO
DLR, UniBw München/Neubiberg
Das DLR entwickelt gemeinsam mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA und der französischen Raumfahrtagentur CNES im Projekt CALLISTO einen einstufigen Trägerraketen-Demonstrator. Dessen Besonderheit ist die Wiederverwendbarkeit. Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Erprobung der erforderlichen Schlüsseltechnologien und somit einen zukünftig kostengünstigen sowie unabhängigen Zugang zum Weltraum zu sichern. Abschluss der Entwicklung bildet eine Serie von Erprobungsflügen vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana. Dabei wird eine Flughöhe von über 15 km erreicht, bevor der Versuchsträger vollautomatisch wieder landet. Ein elementarer Beitrag zu dem Versuchsträger stammt dabei vom Braunschweiger DLR-Institut für Systemleichtbau – die Hauptstruktur der Vehicle Equipment Bay. Deren Flugeinheit wird im März 2026 fertiggestellt und ausgeliefert.
CALLISTO – Eine europäisch-japanische Lösung für wiederverwendbaren Raumtransport
Der einstufige wiederverwendbare Trägerraketen-Demonstrator CALLISTO (Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss back Operations) ist eine gemeinschaftliche Entwicklung des DLR, der japanischen Raumfahrtagentur JAXA und der französischen Raumfahrtagentur CNES. Ziel des Projekts ist die Erprobung von Schlüsseltechnologien für ein wiederverwendbares Trägersystem, das den kostengünstigen und unabhängigen Zugang zum Weltraum sichert. Das Grundkonzept von CALLISTO basiert auf dem VTVL-Betrieb (Vertical Take‑off, Vertical Landing) mit kryogenem Sauerstoff (LOX) und Wasserstoff (LH2) Antrieb. Es stellt einen Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung einer eigenen wiederverwendbaren Trägerrakete im industriellen Maßstab dar. Die Durchführung von zehn, im Komplexitätsgrad ansteigenden Testflügen erfolgt von einem extra für CALLISTO umgebauten Start- und Landekomplex des europäischen Weltraumbahnhofs in Französisch‑Guayana. Am Ende steht ein vollständiger Demonstrationsflug, bei dem CALLISTO erst aufsteigt und anschließend autonom zum Startplatz zurückkehrt. Spannend sind hierbei insbesondere der Rückflug und die Landung. Nach Erreichen der maximalen Flughöhe führt der CALLISTO-Demonstrator ein Umkehrmanöver aus. In der sich daran anschließenden antrieblosen Phase steuert CALLISTO die Rückflugbahn nur noch mittels der speziell entwickelten, aerodynamischen Steuerflächen. Kurz vor der Landung zünden die Haupttriebwerke wieder und das CALLISTO-Trägersystem landet sicher und weich auf seinen vier ausklappbaren Landebeine.
Ein elementares Strukturbauteil des CALLISTO-Versuchsträgers kommt dabei vom DLR Institut für Systemleichtbau – die Vehicle Equipment Bay. Sie befindet sich im vorderen Teil der Rakete, direkt im Anschluss an die Nutzlastverkleidung, der sog. Fairing. Die Vehicle Equipment Bay beinhaltet alle wesentlichen für die Flugsteuerung genutzten elektronischen Systeme sowie zur Aufzeichnung der im Flug gewonnenen wissenschaftlich-technischen Daten. Auch die für die Rückkehr und Landung erforderlichen Steuerdüsen und aerodynamischen Steuerflächen sind in die Vehicle Equipment Bay integriert. Diese Systemkomponenten liefern andere DLR-Institute sowie unsere Partner CNES und JAXA.
Das Strukturmodell - Auf Herz und Nieren geprüft
Die Vehicle Equipment Bay ist eine Zylinderstruktur in Spant-Stringer-Bauweise mit einem Durchmesser von ca. 1,1 m und einer Länge von ca. 1,3 m. Sie beinhaltet acht Nutzlastplattformen und zwei große Zwischenböden in Sandwich-Leichtbauweise. Die Struktur der Vehicle Equipment Bay ist vergleichbar mit der eines klassischen Flugzeugrumpfs, allerdings sind die auftretenden mechanischen und thermischen Lasten deutlich höher. Eine auf den ersten Blick sehr ungewöhnlich anmutende Belastung erfolgt sogar schon vor dem eigentlichen Start. Um die vollständig zusammengebaute Rakete aus ihrer horizontalen Montageposition in die vertikale Startposition zu bringen, wird ein Kran verwendet, der CALLISTO an der Vehicle Equipment Bay anhebt.
Bevor es aber soweit ist, untersucht das Strukturentwicklungsteam mit detaillierten Simulationen und einem maßgeschneidertes Testprogramm all diese sehr unterschiedlichen Belastungsfälle auf Herz und Nieren. Die Kombination von Tests auf System- und Komponentenebene gewährleisten letztlich sowohl den sicheren Flugbetrieb als auch die Sicherheit der beteiligten Bodencrew. Für das Testprogramm auf Systemebene steht eine komplette Versuchsstruktur der Vehicle Equipment Bay, das Strukturmodell, zur Verfügung. Ein damit durchgeführter statischer Test prüft, ob die Berechnungsmodelle korrekt sind. Er zeigt auch, dass sich die Rakete sicher über die Vehicle Equipment Bay aufrichten lässt und dass die von den Steuerflächen eingeleiteten Flugmanöverlasten keine unzulässigen Spannungen oder Stabilitätsprobleme in der Leichtbaustruktur hervorrufen. Um eine Vorstellung von diesem Test zu bekommen: Das versteifte Aluminiumblech der Vehicle Equipment Bay ist nur 1.2 mm dünn und trotz einer Belastung von 6 Tonnen (das entspricht in etwa vier Mittelklasse-PKW) verformt sich diese dabei nur um etwa 1 mm. Die während der Startphase vom Raketentriebwerk erzeugten Vibrations- und Beschleunigungslasten simuliert ein dynamischer Test. Ein Akustiktest simuliert die Druckwellen, die durch Strömungsinstabilitäten im Transschallbereich erzeugt werden.
Der Countdown läuft
Während und nach der erfolgreichen Testphase erfolgten zuletzt noch kleinere, aber flugrelevante Anpassungen an der Struktur sowie entsprechende Berechnungen. Die Herstellung der Einzelteile ist mittlerweile abgeschlossen und die Endmontage ist in vollem Gang, so dass die Flugstruktur der Vehicle Equipment Bay im März 2026 fertiggestellt ist. Vor der finalen Ausrüstung mit allen Steuergeräten und Komponenten, erhält diese in Bordeaux noch ein Thermalschutzsystem. Dieses ist unerlässlich., da die Oberfläche sehr heiß wird. Andernfalls würden die Abgase der Haupt- und Steuerdüsen im Flug und insbesondere beim finalen Landeboost die Raketenaußenseite auf über 150°C erhitzen, was die strukturelle Tragfähigkeit der Aluminiumleichtbaukonstruktion stark herabsetzen würde.
Die letzte große Reise ohne eigenen Antrieb findet zum Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana statt. Dort erfolgt die Verheiratung der voll ausgerüstetem Top Block (Vehicle Equipment Bay und Fairing) mit dem Propulsion Block (Tanks und Triebwerk) zu einer Einheit, dem Trägerraketen-Demonstrator CALLISTO. Auf den Start des finalen Demonstrationsflugs sind alle schon sehr gespannt.