Wie landen Raketen auf der Erde? Die erstaunliche Technologie beteiligt

Das Meer ist ein Raketenfriedhof. Trümmer von Tausenden verbrannter Raketen, Satelliten und Shuttles verstreuen den Meeresboden. Die Wiederverwendung von Raketen bedeutet weniger Abfall, weniger Kosten und die Möglichkeit, von einem Zielort viel einfacher zurückzukehren.

Zu sehen, wie Raumschiffe landen und leicht wieder abheben, ist etwas, das wir in Filmen tausendmal gesehen haben. Jetzt sehen wir es auch im wirklichen Leben. SpaceX hat seit Beginn des Versuchs im Jahr 2015 mehr als 50 Raketen erfolgreich gestartet und gelandet.

Wie können Raketen wieder auf der Erde landen? Dieser Artikel behandelt die unglaubliche Technologie, die hinter wiederverwendbaren Raketen steckt.

Die Herausforderungen bei der Landung von Raketen

Es gibt mehrere Herausforderungen bei der Landung von Raketen, selbst wenn sie nur teilweise wiederverwendbar sind.

• Treibstoff : Um der Erdatmosphäre zu entkommen, ist eine Rakete erforderlich, die unglaubliche 17.500 Meilen pro Stunde erreicht, auch bekannt als Fluchtgeschwindigkeit. Dies erfordert eine enorme Menge an Kraftstoff. Der Brennstoff ist normalerweise unglaublich teurer flüssiger Sauerstoff. Um eine Rakete erfolgreich zu landen, wird Treibstoff als Reserve benötigt.
• Wärmeschutz : Für eine echte Wiederverwendbarkeit muss die gesamte Rakete mit einem Wärmeschutz ausgestattet werden, der normalerweise nur für den Teil übrig bleibt, der auf die Erde zurückfällt. Dadurch wird verhindert, dass Teile der Rakete beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre beschädigt oder zerstört werden. Dies gilt auch für Raketen, die auf den Mars gerichtet sind .
• Fahrwerk : Die Rakete benötigt auch ein Fahrwerk. Dies muss so leicht wie möglich sein und gleichzeitig die Stärke beibehalten, die erforderlich ist, um die massive Rakete zu tragen (die Falcon 9, eine der Raketen von SpaceX, wiegt 550 Tonnen).
• Gewicht : Je schwerer ein Raumfahrzeug ist, desto mehr Treibstoff wird benötigt und desto schwieriger wird der Wiedereintritt. Leere Treibstofftanks erhöhen den Widerstand und das Gewicht der Rakete, weshalb Treibstofftanks normalerweise fallen gelassen werden und in der Atmosphäre verbrennen können. Darüber hinaus tragen sowohl der Wärmeschutz als auch das Fahrwerk zu einem erheblichen Gewicht bei.

Wie bereits erwähnt, hat SpaceX diese unglaubliche Leistung jetzt schon oft geschafft. Was ist also die erstaunliche Technologie hinter wiederverwendbaren Raketen?

3d Drucken

Der 3D-Druck revolutioniert Industrien auf der ganzen Welt, nicht zuletzt die Technologie hinter Raketen. Tatsächlich werden einige Raketen jetzt fast vollständig in 3D gedruckt.

Ein Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass Ingenieure insgesamt weniger Teile herstellen können. Gedruckte Teile können viel komplexer sein und erfordern keine teuren und einzigartigen Fertigungswerkzeuge für jedes Teil. Dies senkt die Kosten für den Bau von Raketen und erhöht die Effizienz des Herstellungsprozesses.

3D-Druck-Kraftstofftanks bedeutet, dass Sie keine Nähte im Metall benötigen – eine typische Schwachstelle, die bei Raketen zu Problemen führen kann. Ein weiterer großer Vorteil des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, optische Teile aus leichten Materialien herzustellen, wodurch das Gesamtgewicht der Raketen reduziert wird.

Rückantrieb und Führung

Damit eine Rakete landet, muss der retrograde Schub größer sein als das Gewicht der Rakete. Es muss auch vektorisiert werden, was bedeutet, dass der Schub gerichtet ist und verwendet werden kann, um den Abstieg der Rakete zu stabilisieren.

Damit der Retroantrieb die Rakete stabilisieren kann, benötigt er hochgenaue Informationen über Position, Höhe und Winkel der Rakete. Dies erfordert Hightech-Systeme, die genaue Echtzeitmessungen mit direkter Rückmeldung an die Triebwerke liefern. Diese werden Reaktionskontrollsysteme (RCS) genannt.

Reaktionskontrollsysteme

Ein RCS liefert kleine Schubmengen in mehrere Richtungen, um die Höhe und Rotation der Rakete zu kontrollieren. Bedenken Sie die Tatsache, dass die Rotation Rollen, Nicken und Gieren umfassen kann und dass das RCS all dies gleichzeitig verhindern und gleichzeitig den Abstieg der Rakete kontrollieren muss.

Das RCS verwendet mehrere Triebwerke, die in einer optimalen Konfiguration um die Rakete herum positioniert sind. Die größte Herausforderung bei Triebwerken besteht darin, sicherzustellen, dass Kraftstoff gespart wird.

Ein Beispiel ist das Raketensystem Merlin von SpaceX. Dies ist eine Suite von 10 separaten Motoren, die von einem dreifach redundanten Steuerungssystem gesteuert werden. Jede der 10 Engines verfügt über eine Verarbeitungseinheit, und jede Verarbeitungseinheit verwendet drei Computer, die sich ständig gegenseitig überwachen, um die Wahrscheinlichkeit von Fehlern drastisch zu reduzieren.

Der Merlin-Motor verwendet RP-1 (hochveredeltes Kerosin) und flüssigen Sauerstoff als Treibmittel. Die neueste Version des Triebwerks kann bis auf 39 % seines maximalen Schubs drosseln (und steuert, wie viel Leistung es verbraucht), was für die Kontrolle auf hohem Niveau beim Landen der Rakete unerlässlich ist.

Gitterflossen

Gitterflossen werden verwendet, um wiederverwendbare Raketen wie die Falcon 9 zu ihrer Landeposition zu führen. In den 50er Jahren erfunden, wurden Gitterflossen in mehreren Raketen verwendet.

Gitterrippen haben das Aussehen von Kartoffelstampfern, die im rechten Winkel aus der Rakete herausragen. Sie werden verwendet, weil sie ein hohes Maß an Kontrolle über den Raketenflug bei Hyperschall- und Überschallgeschwindigkeit ermöglichen. Im Gegensatz dazu verursachen herkömmliche Flügel Stoßwellen und erhöhen den Luftwiderstand bei diesen viel höheren Geschwindigkeiten.

Da Gitterrippen den Luftstrom durch die Flosse selbst ermöglichen, hat sie weit weniger Widerstand, während die Rakete durch Drehen oder Neigen der Flosse wie ein Flügel gedreht oder stabilisiert werden kann, jedoch effizienter.

Ein weiterer Grund für die Verwendung von Grid Fines ist, dass wiederverwendbare Raketen bei der Landung technisch rückwärts fliegen. Das bedeutet, dass das vordere und hintere Ende der Rakete ziemlich ähnlich sein müssen, damit sie in beide Richtungen gesteuert werden können.

Fahrwerk

Offensichtlich wird eine wiederverwendbare Rakete eine Art Fahrwerk benötigen. Diese müssen leicht genug sein, um den Treibstoffbedarf für Flug und Wiedereintritt nicht drastisch zu erhöhen, aber auch stark genug, um das Gewicht der Rakete zu halten.

Derzeit verwenden SpaceX-Raketen 4 Landebeine, die während des Flugs gegen den Körper der Rakete gefaltet werden. Diese klappen dann vor der Landung durch die Schwerkraft aus.

Elon Musk erklärte jedoch im Januar 2021, dass sie bei SpaceXs größter Rakete aller Zeiten, dem Super Heavy-Booster, darauf abzielen würden, die Rakete mit dem Startturmarm zu „fangen“. Dadurch wird das Gewicht der Rakete reduziert, da keine Landebeine mehr benötigt werden.

Die Landung im Startturm bedeutet auch, dass die Rakete nicht zur Wiederverwendung transportiert werden muss. Stattdessen muss es nur umgerüstet und dort betankt werden, wo es ist.

Das ist nicht alles

Raketen starten und fliegen seit Jahrzehnten in den Weltraum, aber um sie zur Wiederverwendung sicher zur Erde zurückzubringen, waren viele technologische Durchbrüche erforderlich.

Wir konnten nicht all die erstaunliche Technologie behandeln, die in Raketen verwendet wird, die auf der Erde landen können, aber wir hoffen, dass Sie in diesem Artikel etwas Neues gelernt haben! Die Raumfahrttechnologie expandiert schnell, und es ist spannend zu überlegen, was in wenigen Jahren möglich sein könnte.