[kendiman]

Stratolaunch: Riesenflugzeug bekommt eigene Raketen

Das größte Flugzeug der Welt soll im Flug Raketen ins Weltall starten. Was fehlte, war die Rakete. Jetzt ist klar: Das Unternehmen wird sie selbst bauen. Golem.de schreibt, warum sich der Start vom Flugzeug lohnt.



Stratolaunch ist der Name des größten Flugzeugs der Welt. Das Flugzeug besteht aus einer massiven Kohlefaserkonstruktion und Bauteilen aus zwei Boeing 747. Es soll in der Lage sein, über 200 Tonnen Nutzlast anzuheben. Eine Rakete sollte das Flugzeug als günstige Startplattform für Satellitenstarts benutzen. Das gleiche Prinzip wird bereits seit 1990 von der 18,5 Tonnen leichten Pegasus-Rakete verwendet. Stratolaunch wurde für viel größere Raketen gebaut. Gestern Abend veröffentlichte die Firma nun offiziell die weiteren Pläne für das Riesenflugzeug, das bisher nur am Boden getestet wurde.

Ursprünglich sollte SpaceX eine angepasste Variante der Falcon 9 für das Flugzeug entwickeln. Aber die nötigen Änderungen für einen horizontalen Start der Rakete hätten neue Produktionsanlagen benötigt und für die Firma einen zu großen Aufwand dargestellt. Orbital ATK (heute: Northrop Grumman Innovation Systems), Entwickler der Pegasus-Rakete, schlug eine vergrößerte Variante der erprobten Rakete vor. Aber die ineffizienten Feststofftriebwerke hatten für einen wirtschaftlichen Betrieb nicht genug Leistung.

Dennoch blieb es bei einer Partnerschaft mit Orbital ATK. Ab dem Jahr 2020 soll Stratolaunch die kleine Pegasus-Rakete für die inzwischen aufgekaufte und umbenannte Firma starten, wohl hauptsächlich, um das alte Trägerflugzeug abzulösen. Derzeit wird die Pegasus mit Hilfe einer 44 Jahre alten, umgebauten Lockheed-Martin L-1011-100 Tristar namens Stargazer gestartet. Obwohl Stratolaunch für die Rakete überdimensioniert ist, dürfte schon die Einsparung des Unterhalts des veralteten, selten geflogenen Flugzeugs niedrigere Startkosten mit sich bringen. Zuletzt kostete ein Start der Pegasus 55 Millionen US-Dollar.

SpaceX-Triebwerksexperte hilft mit

Im Juni 2017 heuerte Stratolaunch schließlich Jeff Thornburg zur Antriebsentwicklung an. Es ist die gleiche Rolle, die er schon bei SpaceX in der Entwicklung des Raptor-Triebwerks spielte. Die Pressemeldung bestätigt nun, was sich damals schon abzeichnete: Stratolaunch entwickelt die großen Trägerraketen selbst.

Die Pläne sehen zunächst für 2022 die Entwicklung einer einfachen mittelgroßen Rakete vor. Laut einem Wired-Interview wird sie "Kraken" genannt und pro Start unter 30 Millionen US-Dollar kosten. Mit 3,4 Tonnen Nutzlast (in einem niedrigen Erdorbit) wird sie die neunfache Nutzlast der Pegasus-Rakete und in etwa die Leistung der neuen Vega-C-Rakete der Esa haben, deren Starts 32 Millionen Euro kosten sollen. Eine Falcon 9 kostet mit 62 Millionen US-Dollar zwar doppelt so viel, kann aber mehr als die sechsfache Nutzlast tragen.

Danach will Stratolauch eine Schwerlastversion der gleichen Rakete entwickeln, die ähnlich der Falcon Heavy drei parallele Raketenstufen verwendet und 6 Tonnen Nutzlast bietet. Das langfristige Ziel ist aber die Entwicklung eines wiederverwendbaren Raketenflugzeugs, das zunächst Satelliten und später auch Passagiere in den Orbit bringen soll. Bisher hat Stratolaunch zu keinem der Pläne detaillierte technische Informationen geliefert. Der Hintergrund von Jeff Thornburg sowie Form und Größe der Raketen auf den Bildern lassen aber Triebwerke mit flüssigen Treibstoffen wie Methan oder Wasserstoff vermuten.

Dünne Höhenluft macht Raketen effizient

Der Start einer Rakete von einem Flugzeug ist aus technischer Sicht durchaus lohnenswert. Dabei spielt die reine Flughöhe und -geschwindigkeit des Flugzeugs kaum eine Rolle. Es fliegt nur rund 12 Kilometer hoch und 0,25 Kilometer pro Sekunde schnell, die Rakete muss aber 400 Kilometer hoch und 7,8 Kilometer pro Sekunde schnell fliegen. Dennoch ist Stratolaunch nicht die einzige Firma, die Raketen von Flugzeugen aus starten will. Virgin Orbital will Raketen mit der umgebauten Boeing 747 namens Cosmic Girl starten.

Ein spanisches Startup namens Zero 2 Infinity will sogar Raketen von einem Ballon aus noch größerer Höhe starten, ohne jede nennenswerte Startgeschwindigkeit. Sie alle versuchen, den gleichen Effekt auszunutzen. Denn die Höhe über dem Erdboden spielt beim Start dennoch eine wichtige Rolle, obwohl sie noch weit vom Weltraum entfernt ist. Denn der Luftdruck am Boden entspricht auf Höhe des Meeresspiegels der Kraft von etwa 10 Tonnen Gewicht pro Quadratmeter. Die Raketentriebwerke müssen gegen diesen Luftdruck arbeiten, was den Schub im Vergleich zum Betrieb im Vakuum nennenswert reduziert.

Schlimmer noch: Raketentriebwerke müssen beim Betrieb am Boden kleinere Düsen verwenden, obwohl größere Düsen beim Betrieb im Vakuum viel effizienter sind. Bei einer zu großen Düse würde der Luftdruck den Druck der Gase aus dem Triebwerk übersteigen. Das führt zu Turbulenzen innerhalb der Düse, die sie beim Betrieb am Boden zerstören würden. Der Unterschied zwischen großer und kleiner Düse bringt im Vakuum über 10 Prozent mehr Schub, beim gleichen Treibstoffverbrauch. Beim Betrieb eines Triebwerks am Boden, mit kleiner Düse, gehen je nach Bauart nochmal rund 10 bis 20 Prozent Schub verloren.

Ein Spaceshuttle ohne Booster ist möglich

Auf 10 Kilometern Höhe, der typischen Flughöhe eines Verkehrsflugzeugs, herrscht dagegen nur noch rund ein Viertel des Luftdrucks auf Meereshöhe, wo die meisten Raketen gestartet werden. Auf Flughöhe des Ballons wäre es nochmal ein Viertel dessen. Die erste Stufe einer Rakete wie der Falcon 9 benötigt wegen der langsamen Beschleunigung am Anfang über eine Minute, um auf 10 Kilometer Höhe zu fliegen, fast die Hälfte des Flugs, und betreibt die Triebwerke deshalb lange Zeit ineffizient innerhalb der Atmosphäre.

Der Start in großer Höhe erlaubt viel bessere Kompromisse bei der Triebwerkskonstruktion, größere Düsen und höhere Effizienz beim Start und beim Flug im Vakuum. Durch diesen Effekt kann der Start vom Flugzeug einen Teil der Leistung einer ersten Stufe ersetzen. Bei einer Rakete ohne zweite Raketenstufe kann der Unterschied beim gleichen Treibstoffverbrauch mehr als einen Kilometer pro Sekunde in der Endgeschwindigkeit ausmachen. Die erste Stufe der Falcon 9 erreicht dagegen etwa 1,8 Kilometer pro Sekunde, wenn sie zum Startplatz zurückkehrt, und 2,4 Kilometer pro Sekunde bei der Landung auf dem Schiff im Atlantik.

Durch den Effekt des niedrigeren Luftdrucks auf die Triebwerkskonstruktion gelangen die Pläne von Stratolaunch zumindest in den Bereich des Möglichen. Eine Art Spaceshuttle, das vom Flugzeug aus startet, in den Orbit fliegt und ohne Abtrennung von Raketenstufen zur Erde zurückfliegt, ist machbar. Ob es sicher ist und ob es auch noch eine ausreichende Nutzlast in den Orbit transportieren kann, hängt vom Geschick der Ingenieure von Stratolaunch ab.

Quelle: [ Link nur für registrierte Mitglieder sichtbar. Bitte einloggen oder neu registrieren ]