Der nächste große Sprung der Luftfahrt

Trotz ihrer Aura als Zukunftsbranche stagniert die Luft- und Raumfahrt seit Jahrzehnten. Dieselben Düsenflugzeugtypen, die in den 1960er Jahren in Dienst gestellt wurden, herrschen immer noch im kommerziellen und militärischen Flug vor. In den Vereinigten Staaten gab es seit der Entwicklung des Space-Shuttle-Haupttriebwerks vor 20 Jahren kein nennenswertes neues Raketentriebwerk-Programm. Nichts an der Boeing 777 würde Flugzeugdesigner aus der Eisenhower-Ära verblüffen.

Heute jedoch könnte die Verfügbarkeit zuverlässiger, wiederverwendbarer Raketentriebwerke den nächsten großen Schritt im Luft- und Raumfahrttransport ermöglichen: das Raketenflugzeug. Raketenflugzeuge kombinieren Raketenantrieb mit Luftfahrt und ermöglichen es Flugzeugen, die von herkömmlichen Flughäfen starten und landen, in die Atmosphäre zu fliegen. Raketenflugzeuge werden die Kosten für den Satellitenstart senken, die Zustellung von Paketen beschleunigen und letztendlich den Menschen die Möglichkeit bieten, in etwa einer Stunde von einem Ende der Welt zum anderen zu fliegen. So weit hergeholt diese Vision auch erscheinen mag, die Technologie ist vorhanden.

Die Idee eines Raketenflugzeugs ist nicht neu. Das erste Flugzeug dieser Art – die deutsche Heinkel He-176 – flog 1939. In der raketengetriebenen X-1 durchbrach Chuck Yeager vor 50 Jahren im vergangenen Oktober zum ersten Mal die Schallmauer. In den 1980er und frühen 1990er Jahren arbeiteten die NASA und das US-Verteidigungsministerium beim National Aerospace Plane Project zusammen – ein inzwischen eingestellter Versuch, Technologien zu entwickeln, die ein Fahrzeug ermöglichen, das wie ein gewöhnliches Flugzeug abhebt und in eine Umlaufbahn beschleunigt Erde und kehren dann für eine Landebahnlandung durch die Atmosphäre zurück.



Aber die jüngsten technologischen Fortschritte – von effizienteren Raketen bis hin zu zuverlässigeren und robusteren Hitzeschilden – haben das Raketenflugzeug näher an die praktische Realität gebracht. Gleichzeitig wächst der Markt für die Dienstleistungen, die ein solches Fahrzeug bieten könnte. Die Notwendigkeit, Satelliten wirtschaftlich zu starten, könnte den ersten Anreiz für die Entwicklung eines Raketenflugzeugs geben. In Zukunft könnte der Haupteinsatz dieser Hyperschall-Fahrzeuge jedoch darin bestehen, Passagiere und wertvolle Pakete rund um die Welt zu transportieren.
Es ist kein Geheimnis, warum Flugzeugkonstrukteure so lange gebraucht haben, um sich mit der Raketenantriebstechnologie zu befassen. Erstens sind Raketen ineffizient und verbrauchen bei voller Leistung siebenmal so schnell Treibstoff wie Turbojets. Und während ein Düsentriebwerk Luft aus der Atmosphäre einatmet, um seinen Treibstoff zu verbrennen, sollen Raketen im Vakuum des Weltraums arbeiten und müssen daher nicht nur Treibstoff, sondern auch Oxidationsmittel – meist in Form von flüssigem Sauerstoff – transportieren. Diese Anforderung erlegt einer Rakete eine größere Gewichtsbelastung auf als einem Jet.

Zweitens haben sich Raketen im Allgemeinen nicht als so zuverlässig erwiesen wie Gasturbinentriebwerke. Diese Unzuverlässigkeit rührt teilweise von der Tatsache her, dass diese Motoren bei extrem hohen Temperaturen arbeiten. Darüber hinaus haben Flugzeugkonstrukteure und -ingenieure relativ wenig Erfahrung mit Raketen, verglichen mit ihren Milliarden von Stunden Erfahrung mit Düsentriebwerken.

Aber Raketen haben einen gewissen ausgleichenden Vorteil. Obwohl sie Treibstoff verschlingen, wiegen sie nur einen Bruchteil dessen, was Gasturbinen leisten. Die besten Strahltriebwerke, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, erzeugen etwa 9-mal so viel Schub wie das Gewicht des Triebwerks. Im Gegensatz dazu erzeugt selbst ein sehr schweres Raketentriebwerk ein Schub-Gewichts-Verhältnis von 50. Außerdem kann mit der gegenwärtigen Technologie nur eine Rakete die Geschwindigkeit von Mach 25 erreichen, die erforderlich ist, um die Schwerkraft zu überwinden und in die Erdumlaufbahn einzudringen. (Mach 1 ist die Schallgeschwindigkeit in Luft – ungefähr 740 Meilen pro Stunde oder 1.200 Kilometer pro Stunde.) Selbst das schnellste luftatmende Düsentriebwerk schleppt sich nur mit etwa Mach 4 dahin.

Aufstehen zum wilden Schwarzen da drüben

Kommerziell erfolgreiche Raketenflugzeuge werden von der Entwicklung zweier Schlüsseltechnologien abhängen: einem zuverlässigen, wiederverwendbaren Raketentriebwerk und einem robusten Wärmeschutzsystem, das Schäden beim Wiedereintritt verhindert. In beiden Fällen stehen fortschrittliche Lösungen zur Verfügung.

US-Forscher haben sich auf die Verbesserung von Komponententechnologien und fortschrittlichen Materialien konzentriert, nicht auf die Herstellung tatsächlicher Raketenantriebsprodukte. In der ehemaligen Sowjetunion haben Forscher jedoch die Entwicklung von Raketentriebwerksfamilien weiter vorangetrieben. Insbesondere das sowjetische Space-Shuttle-Programm führte zu einer neuen Generation fortschrittlicher wiederverwendbarer Raketentriebwerke, die mit Kerosin (dh konventionellem Düsentreibstoff), Wasserstoff oder einer Kombination aus beiden betrieben werden. So wurde beispielsweise das wiederverwendbare RD-120, ein als Oberstufentriebwerk für den Zenit-Booster entwickeltes Kerosin-Triebwerk, von seinem US-Importeur Pratt and Whitney für 10 Flüge zertifiziert – plus weitere 10 nach einer Generalüberholung.

Luft- und Raumfahrtingenieure erkennen auch, dass das Wärmeschutzsystem des Space Shuttles nicht für ein wirklich robustes Fahrzeug geeignet ist. Obwohl das Shuttle wiederverwendbar ist, kann sein Hitzeschild leicht beschädigt werden. Darüber hinaus beschädigen normale Wetterbedingungen wie Regen und windgetriebener Staub den Hitzeschild. Nach jeder Landung muss das Shuttle einer kostspieligen und zeitaufwendigen Aufarbeitung mit giftigen Chemikalien und speziellen Verfahren unterzogen werden, um die verlorenen und beschädigten Kacheln zu ersetzen, damit das Raumfahrzeug wieder sicher in die Umlaufbahn aufsteigen kann.

Die Bemühungen der NASA, diese Probleme zu beheben, haben zu beeindruckenden Ergebnissen geführt. Designer haben eine viel breitere Auswahl an Fliesen, Decken, Metalloberflächen und fortschrittlichen Verbundwerkstoffen und Keramiken, die alle Raketenflugzeuge der neuen Generation in die Lage versetzen, Wind und Wetter zu trotzen, die den Hitzeschild innerhalb von Minuten vom Shuttle entfernen würden. Eines der neuen Materialien - die vom Ames Research Center der NASA entwickelte Wärmeschutzplatte AETB-TUFI-C - hat einen Testflug mit einer F-15 unbeschadet überstanden. Dieses Ergebnis war umso bemerkenswerter, als der Jäger durch einen Regensturm flog, der die Farbe von seiner Oberfläche scheuerte.

Solche Fortschritte haben die Aussichten auf den Bau eines wiederverwendbaren Raketenflugzeugs gestärkt. Aber bevor ein solches Handwerk praktisch wird, bleiben andere Designfragen. Erstens muss ein Raketenflugzeug in der Lage sein, auf konventionelle, horizontale Weise zu starten und zu landen, um die Billionen Dollar der bestehenden Flughafeninfrastruktur zu nutzen.

Darüber hinaus funktioniert ein Raketentriebwerk am besten im Vakuum des Weltraums; Je dichter die Luft, desto mehr Treibstoff muss die Rakete verbrennen, um den gleichen Schub zu entwickeln. Die dicke Luftsuppe der Atmosphäre verursacht auch eine Luftwiderstandsstrafe und zwingt die Rakete, riesige Mengen an Treibstoff zu verschwenden. So benötigt ein raketengetriebenes Flugzeug andere Antriebsmittel, um es vom Boden in den Oberlauf der Atmosphäre zu heben; Sobald sie den Rand der Atmosphäre erreicht hat, könnte sich die Rakete entzünden und das Raumschiff in den Weltraum treiben.

Luftfahrtingenieure haben drei Hauptschemata entwickelt, um dies zu erreichen. Bei einem ist das Raketenflugzeug am Bauch eines Düsenflugzeugs befestigt, das abhebt und in große Höhen fliegt. Dann fällt das Raketenflugzeug ab, um seinen Flug zu beenden. Chuck Yeager nutzte diese Technik 1947, um die erste menschliche Reise mit Überschallgeschwindigkeit zu erreichen.

In einer modernen Variante dieses Ansatzes schleppt ein Düsenflugzeug ein Raketenflugzeug mit einem Halteseil in große Höhe, ähnlich wie konventionelle Flugzeuge Segelflugzeuge starten. Dieses Schema wird bei Kelly Space and Technology in San Bernardino, Kalifornien, entwickelt. Kellys Eclipse-Flugzeug wird von einer Boeing 747 in eine Höhe von etwa 14 Kilometern geschleppt. Dort zündet die Eclipse ihren Raketentriebwerk, trennt sich von der Schleppleine und steigt auf etwa 150 Kilometer an. Die Eclipse gleitet dann zu einer antriebslosen Landung.

Ein Vorteil dieser beiden Techniken besteht darin, dass das Raketenflugzeug selbst nur ein Triebwerk benötigt – die Rakete. Auf der anderen Seite hat jedes Fahrzeug, das auf ein anderes Flugzeug angewiesen ist, um es zu starten, einen gravierenden Nachteil. Landet das Raketenflugzeug beispielsweise an der falschen Stelle, muss es die Ankunft eines Trag- oder Schleppflugzeugs abwarten, bevor es wieder in die Luft gehen kann. Darüber hinaus würde ein Start in einer solchen Tandemkonfiguration längere und breitere Start- und Landebahnen erfordern als die an bestehenden Flughäfen. Außerdem würde das Raketenflugzeug wahrscheinlich verloren gehen, wenn das Raketentriebwerk nach dem Abkoppeln vom Trägerflugzeug nicht zündet.

Unsere Firma – Pioneer Rocketplane – bevorzugt ein anderes Starthilfeschema. Beim Pioneer-Ansatz würde das Pathfinder-Flugzeug auf konventionelle Weise abheben und mit der Kraft konventioneller Turbofan-Triebwerke auf neun Kilometer steigen. Dort würde es sich mit einem großen Unterschallflugzeug wie einem KC-135-Transporter oder einer Boeing 747 treffen, das als fliegender Tanker dienen würde. Zur Vorbereitung der zweiten Flugphase würde das Raketenflugzeug an diesem Tanker andocken und daraus etwa 290.000 Kilogramm flüssigen Sauerstoffs saugen. Solche Transfers sind in der militärischen Luftfahrt gängige Praxis, obwohl das bewegte Treibmittel eher Düsentreibstoff als flüssiger Sauerstoff ist.

Nach dem Trennen vom Tanker würde das Flugzeug seinen Raketenmotor anzünden und auf 150 Kilometer steigen und eine Geschwindigkeit von Mach 12 erreichen. Das Raketenflugzeug würde dann über den äußersten Rand der Atmosphäre fliegen, während dieser Zeit ein Satellit an einem kleinen Raketenoberteil befestigt war Stufe könnte für den Transfer in den Orbit freigegeben werden. Das Flugzeug würde dann wieder in die Atmosphäre sinken. Nach der Verlangsamung auf Unterschallgeschwindigkeit würden die Turbofan-Triebwerke neu starten und das Flugzeug auf ein Landefeld treiben. Da es von jedem mittelgroßen Flugplatz abheben könnte, würde das Pioneer-Raketenflugzeug große Flexibilität bei der Wahl des Startplatzes und der Abbruchoptionen bieten.

Raketenflieger zum Spaß und zum Profit fahren

Das erste, was vielen Menschen in den Sinn kommt, wenn sie an Raketenflugzeuge denken, ist das Potenzial für schnelles persönliches Reisen. Während diese Möglichkeit besteht, versprechen andere Anwendungen eine stabilere Einnahmequelle und werden sich wahrscheinlich zuerst entwickeln.

Satellitenstart: Trotz eines guten Geschäfts mit dem Start staatlicher und kommerzieller Satelliten hat die internationale Raumfahrtindustrie in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten eine Zeit fast vollständiger technologischer Stagnation erlitten. Die meisten der heute im Einsatz befindlichen Trägersysteme – darunter Delta, Atlas, Titan, Sojus, Molniya und Proton – flogen bereits Mitte der 1960er Jahre mehr oder weniger in ihrer jetzigen Form. Während in den vergangenen Jahrzehnten einige zusätzliche Systeme wie die europäische Ariane eingeführt wurden, waren die technologischen Verbesserungen so gering, dass ältere Systeme noch konkurrenzfähig sind. Infolgedessen bleiben die Frachtraten von der Erdoberfläche in die Umlaufbahn bei etwa 10.000 bis 20.000 US-Dollar pro Kilogramm – genauso wie in den 1960er Jahren. Diese anhaltend hohen Kosten hemmen die kommerzielle Erschließung des Weltraums stark.

Schaffung einer neuen Raumfahrtindustrie

Da es sich bei Raketenflugzeugen um eine kurzfristige Technologie mit weit verbreiteter kommerzieller Anwendung handelt, sollte ihre Entwicklung vor allem mit privaten Investitionen finanziert werden können. Nichtsdestotrotz birgt die Entwicklung neuartiger Flugsysteme immer ein erhebliches Geschäftsrisiko, das durch eine Beteiligung der Regierung gemildert werden könnte.

Die Bezugnahme auf unsere aktuelle Ära als das Weltraumzeitalter ist eine irreführende Bezeichnung, die die 1910er Jahre als das Luftzeitalter bezeichnet. Mit Ausnahme des Militärs spürte die Welt die Auswirkungen des Flugverkehrs nicht wirklich, bis die Technologie zur Routine und alltäglich wurde und für mehr als nur wenige Eliten erschwinglich wurde. Wenn ein echtes Weltraumzeitalter anbrechen wird, muss es einen Markt für Raketenfahrzeugtechnologie geben, der die Herstellung von Raumfahrzeugkomponenten nicht in vielen Einzel- oder Zweiergruppen, sondern in Hunderten oder Tausenden unterstützt.

Die Hersteller dieser Flugzeuge werden beginnen müssen, die in der kommerziellen Luftfahrt üblichen Produktionsmethoden anstelle der kostspieligen Kleinserienfertigungstechniken zu verwenden, die heute die Raumfahrtindustrie dominieren. Darüber hinaus brauchen wir eine weltweite Startinfrastruktur, die nicht Hunderte von Flügen pro Jahr, sondern Hunderte von Flügen pro Tag unterstützt. Die einzigen Märkte, die groß genug sind, um Investitionen in solche Produktionskapazitäten und die Einführung einer Infrastruktur anzuregen, sind die Paketzustellung über große Entfernungen und der Personenverkehr.

Aus dem gleichen Grund, aus dem Militär- und dann Postflugzeuge Passagierflugzeugen vorausgingen, werden Satellitenstart-, Militär- und schnelle Paketzustellungs-Raketenflugzeuge zweifellos Passagierraketenflugzeugen vorausgehen. Nichtsdestotrotz wird der Tag kommen, an dem täglich Tausende von Raketenflugzeugen den Globus überqueren und Geschäfts- und Urlaubsreisende von New York bis Tokio – vielleicht sogar in die Umlaufbahn – bringen.

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