Neue Wege ins All Eindrücke von einer Ausstellung im Hörsaalzentrum der TU Dresden (25.11.-5.12.03)

Die Ausstellung stellt Arbeitsergebnisse von drei DFG-geförderten Sonderforschungsbereichen vor: „Grundlagen des Entwurfs von Raumflugzeugen” (RWTH Aachen), „Transatmosphärische Flugsysteme” (TU München), „Hochtemperaturprobleme rückkehrfähiger Raumtransportsysteme” (Universität Stuttgart). Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist ebenfalls mit mehreren Projekten in diese Sonderforschungsbereiche integriert.

Ein gewaltiger Feuerstoß hüllt die Rakete auf der Startrampe in eine riesige Wolke ein, die Verbindungsleitungen zum Raketenkörper fallen ab, die Haltearme der Startrampe klappen zur Seite, der Feuerstrahl aus den Hecktriebwerken hebt die Rakete an, sie beschleunigt ihren Aufstieg &ndfash; das waren die Bilder, die wir bisher bei einem Raketenstart sahen. Das könnte sich in Zukunft jedoch radikal ändern. Denn dieser Aufstieg ist ökonomisch aufwendig: Die in Erdnähe noch dichte Luft setzt der Rakete einen erheblichen Widerstand entgegen, außerdem ist die Erdanziehung ist in dieser Flughöhe noch größer als in der Stratosphäre. Um möglichst schnell dem flugtechnisch ungünstigen Bereich zu entkommen, starteten die Raketen bisher senkrecht, was aber sehr starke Raketenmotoren erforderte. Während bei den ersten Weltraumflügen die Astronauten in Rückkehr-Kapseln wieder zur Erde gelangten, hat man später bereits wiederverwendbare Raumgleiter ("Space shuttle") eingesetzt, die auch gestatteten, bestimmte Arbeiten im Weltraum auszuführen. Als Transportmittel in den Orbit diente aber weiterhin eine Rakete. Da diese hauptsächlich nur die Treibstofftanks und die Raketenmotoren enthält, ist ihre Aufgabe nach Absetzen des Shuttle im Orbit erfüllt. Die leergebrannte Rakete wird aufgegeben und verglüht bei ihrem Absturz. Derzeit betragen die Kosten für den Transport von 1 kg Nutzlast in den Orbit 11.000 $. Damit ist die heutige Raumfahrt nicht nur ein technisches, sondern auch ein ökonomisches Problem.
Wie soll nun das neue Konzept aussehen?

Im Mittelpunkt steht ein wiederverwendbares Raumtransportsystem, das wie ein Verkehrsflugzeug auf einem normalen Flughafen starten und landen soll. Eine Trägerstufe, die mit einem Überschall-Flugkörper Ä,hnlichkeit besitzt und auch so wie dieser startet, befördert die Oberstufe in eine Höhe von 30.000 m. Dort treten die noch gekoppelten Flugkörper in eine Parabelflugbahn ein. Während dieses Parabelfluges werden die Verankerungen der beiden Flugkörper gelöst. Die Orbitalstufe entwickelt sodann einen aerodynamischen Auftrieb, der es ihr ermöglicht, sich leichter und schneller von der Trägerstufe zu entfernen. In sicherem Abstand erfolgt dann die Zündung des Haupttriebwerks der Oberstufe. Sie beginnt den geneigten Steigflug in den Orbit.
Die Trägerstufe kehrt nach Absetzen der Oberstufe wieder auf die Erde zurück. Der Anflug auf ihren Zielflughafen ist mit dem eines Verkehrsflugzeugs vergleichbar, er lässt sich auch in den normalen Betrieb eines Flughafens integrieren. Da die Trägerstufe über einen autonomen Antrieb verfügt, ist sogar ein erneutes Durchstarten möglich.
Ein geflügelter Raumtransporter benötigt einen geringeren Schub als eine (ungeflügelte) Rakete. Das Antriebsaggregat kann dadurch wesentlich leichter gehalten werden. Zunächst arbeitet der Antrieb wie ein Turbo-Strahltriebwerk. Nach Erreichen von Mach 3 bis 3,5 wird auf Staustrahl-Betrieb umgeschaltet. Staustrahltriebwerke gewinnen die benötigte Antriebsenergie durch Verbrennen von Wasserstoff mit Luft. Im Überschallbereich ist dies aber ein besonders schwieriges Unterfangen. Die extrem hohe Geschwindigkeit lässt die Verweildauer des Wasserstoffs in der Brennkammer auf Bruchteile von Sekunden schrumpfen. Dabei ist das zentrale Problem, eine sichere Zündung zu gewährleisten und die Flamme stabil zu halten. Hierzu sind noch viele Untersuchungen erforderlich.
Nach Beendigung ihrer Mission landet auch die Oberstufe wieder auf der Erde. Allerdings ist ihre Landung komplizierter, da sie nunmehr ohne Antrieb landet. Sie beginnt mit einem steilen Anflug, der in einen großräumigen Abfangbogen übergeht. Die Landung erfolgt dann am unteren Scheitel des Abfangbogens. Die Geschwindigkeit beträgt dabei etwa 400 km/h. Das ist für eine solches Fluggerät sehr langsam und damit problematisch.
Grundsätzlich bestehen für die Anbringung der Oberstufe an der Trägerstufe drei Möglichkeiten:
- Anbringung an der Oberseite (Huckepack-Lösung)
- Anbringung an der Unterseite
- Anbringung an der Spitze
Die Huckepack-Lösung, bei der die Oberstufe nach oben wegsteigt, bietet die günstigsten Voraussetzung für den Orbital-Aufstieg und wird deshalb bevorzugt.
Der Trennvorgang von Träger- und Oberstufe ist sicherheitstechnisch von großer Bedeutung. In dieser Flugphase ist die Kollisionsgefahr beider Flugkörper sehr hoch, da ihr Abstand voneinander nur gering ist.
Er muss daher sorgfältig konzipiert und mit hoher Präzision ausgeführt werden. Gefährlich sind horizontale oder vertikale "Verkantungen", die durch Wirbel oder Turbulenzen verursacht werden können.
Beim Wiedereintritt der Orbitalstation in die Erdatmosphäre bildet sich ein sogenannter Verdichtungsstoß. Die Luft erhitzt sich auf 20.000 °C. Die Wärmebelastung der Außenhaut beträgt mehr als 1 MW/m². Kein Metall ist im Stande, dieser Wärmebelastung standzuhalten. Als besonders geeignet erwiesen sich dagegen keramische Verbundwerkstoffe, die aus einer Matrix von Siliziumcarbid oder Kohlenstoff bestehen, in die Kohlenstofffasern eingebettet sind. Sie zeichnen sich nicht nur durch überaus hohe Temperaturbeständigkeit, sondern auch durch niedriges Gewicht aus. Die Nasenkappe des Experimentalflugzeuges X-38 der NASA ist bereits aus einem derartigen Werkstoff gefertigt.
Die bei der Konzipierung und Erprobung dieser Raumflugtechnologie gewonnenen Erkenntnisse können auch auf der Erde Anwendung finden. So werden bereits Bremsscheiben für Straßenfahrzeuge, aber auch für den ICE und für Flugzeug-Fahrwerke aus dem hochtemperaturbeständigen Keramikwerkstoff SiC/C gefertigt, Sauerstoffsensoren können in dfr Medizintechnik verwendet werden.
Ein auf die Erde zurückgeholter Konzeptvorschlag zur dauerhaften Besiedlung des Mars, das "Space House", könnte auch die Städteplaner auf der Erde interessieren. Es zeichnet sich aus durch weitgehende Autonomie in der Wasser- und Energieversorgung (effiziente und billige Sonnenkollektoren), ist gegen Erdbeben und Unwetter durch leichte, ultrastabile und windschlüpfige Konstruktion geschützt und ermöglicht flexible Bebauungspläne.
G.S.

Nachtrag
Wie die „Sächsische Zeitung“ vom 10. Mai 2004 berichtete, ist der vollautomatisch gesteuerte Jungfernflug des deutschen Raumtransporter-Modells „Phönix“ am 8. Mai über einem Testgelände in Nordschweden erfolgreich absolviert worden. „Damit haben wir bewiesen, dass wir die automatische Landung eines unbemannten, wieder verwendbaren Raumtransporters technisch beherrschen“, so Projektleiter Peter Kyrr vom Raumfahrtkonzern EADS Space Transportation.