Parallel zum Windkanaltest wird am DLR eine umfangreiche CFD-Studie durchgeführt. Hier als Beispiel der Vergleich von flachen Leitwerken (links) und Gitterleitwerken (rechts)
Um die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Raumfahrtindustrie sicherzustellen, ist es wichtig, die Kosten für den Transport von Nutzlasten ins All zu senken. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wiederverwendbarkeit von Raketenstufen. Das deutsch-japanisch-französische Projekt CALLISTO (Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss back Operations) setzt hier an. Der Demonstrator, wie viele Raumfahrtprojekte benannt nach einer Figur aus der altgriechischen Mythologie, zielt im Kern darauf ab, die Kenntnisse über vertikal startende und vertikal landende Raketenstufen (VTVL) zu verbessern. Fähigkeiten und Technologien für eine wiederverwendbare Raketenstufe sollen durch CALLISTO entwickelt und demonstriert werden.
Der Demonstrator ist dreizehn Meter hoch und mit Steuerflächen sowie ausklappbaren Landebeinen ausgestattet. Angetrieben wird das Raumfahrzeug von einer einzigen Raketenstufe, die eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff (LOx) und Wasserstoff (LH2) als Brennstoff nutzt. Die Abläufe rund um den Start sind bei CALLISTO automatisiert – Zündung, Einschuss in die vordefinierte Flugbahn, Abschalten des Triebwerks, Ausfahren des aerodynamischen Flugsteuerungssystems (Finnen). Für die Flugphase entwickelt das DLR zusammen mit JAXA Algorithmen, die es erlauben, die Bahn während des Fluges zu optimieren.
Mit CALLISTO entwickeln DLR-Ingenieure in Zusammenarbeit mit der französischen Raumfahrtagentur CNES und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA einen Demonstrator, der senkrecht starten und in der gleichen Ausrichtung landen kann (Vertical Take-off, Vertical Landing (VTLT)). CALLISTO wird mit Hilfe aerodynamischer Steuerflächen in einer Phase ohne Triebwerk gesteuert, in der ein Übergang von Überschall- zu Unterschallströmungen stattfindet. Anschließend wird das Triebwerk wieder gezündet, um CALLISTO abzubremsen. Das Landesystem absorbiert die verbleibende kinetische Energie, so dass CALLISTO eine sichere und stabile Landung durchführen kann.
Video: CALLISTO (engl.)
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Video: CALLISTO (engl.)
Mit CALLISTO entwickeln DLR-Ingenieure in Zusammenarbeit mit der französischen Raumfahrtagentur CNES und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA einen Demonstrator, der senkrecht starten und in der gleichen Ausrichtung landen kann (Vertical Take-off, Vertical Landing (VTLT)). CALLISTO wird mit Hilfe aerodynamischer Steuerflächen in einer Phase ohne Triebwerk gesteuert, in der ein Übergang von Überschall- zu Unterschallströmungen stattfindet. Anschließend wird das Triebwerk wieder gezündet, um CALLISTO abzubremsen. Das Landesystem absorbiert die verbleibende kinetische Energie, so dass CALLISTO eine sichere und stabile Landung durchführen kann.
Warum benötigt man einen Demonstrator, wenn doch die Simulationsmethoden inzwischen sehr ausgefeilt sind? Mit Tests unter realen Bedingungen können die an CALLISTO beteiligten Fachleute sicherstellen, dass die am Computer errechneten Flugeigenschaften auch in Realität zutreffen. Darüber hinaus helfen die im Flugexperiment gewonnenen Daten bei der Weiterentwicklung von Simulationstools im Hinblick auf die Genauigkeit ihrer Prognosen. Das Zusammenspiel von numerischer Theorie und physikalischer Praxis ergibt letzten Endes das zuverlässige Gesamtbild. Die Projektbeteiligten erwarten darüber hinaus wichtige Erkenntnisse in punkto Wirtschaftlichkeit von wiederverwendbaren Stufen, weil auch die Prozesse am Boden – Herstellung, Transport, Wartung zwischen Flügen, Betrieb von Kontrollzentren – genau untersucht und mit der Planung verglichen werden. Insgesamt sollen bei CALLISTO durch Simulation und reale Erprobung eines Demonstrators Methoden und Modelle für wiederverwendbare Raketenstufen verifiziert, verbessert und optimiert werden.
Trilaterale Kooperation
CALLISTO ist ein gemeinschaftliches Projekt des DLR sowie der französischen Raumfahrtagentur CNES und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA.
Aufgabenaufteilung zwischen den drei Projektpartnern bei CALLISTO (engl.)
Das DLR ist für die Flugsoftware, die Abdeckung der Raketenspitze, das Navigationssystem, den Flüssigwasserstofftank, das Annäherungs- und Landesystem sowie die Aerodynamik-Kontrolle zuständig. Die französische Raumfahrtagentur CNES liefert die Software für Flug und Steuerung & Kontrolle, den Flugdatenrecorder, das Bodensegment, das Reaktionskontrollsystem und die Flugdaten. Die japanische Raumfahrtorganisation JAXA steuert folgende Subsysteme bei: die Heckladebucht, den Antrieb, Algorithmen für Steuerung & Kontrolle, den Flüssigsauerstofftank, die Stromversorgung und die Schubvektorkontrolle.
Das Besondere an CALLISTO ist, dass auch der Landevorgang automatisch ablaufen wird: Das Triebwerk zündet erneut, um die Fallgeschwindigkeit zu senken, die Landebeine klappen aus, das Landesystem absorbiert die verbleibende Bewegungsenergie, wodurch das Vehikel sicher und stabil aufrecht landen kann.
In der Animation oben sieht dies für Laien unspektakulär aus, doch bei hoher Fallgeschwindigkeit und einem Schub-Gewicht-Verhältnis von über 1,3 ist ein solcher „Touchdown“ alles andere als einfach zu realisieren. Es ist ungefähr so, als würde ein Autofahrer oder eine Autofahrerin versuchen, mit über 250 Kilometern pro Stunde (CALLISTO fällt mit über 800 Kilometer pro Stunde) auf eine Garage zuzufahren, um kurz vorher eine Vollbremsung hinzulegen, um in der Garage passend anzuhalten.
Mindestens fünf unterschiedliche Missionen sollen mit demselben Raumfahrzeug vom europäischen Startplatz Kourou in Französisch-Guayana durchgeführt werden. Dabei soll sich der Schwierigkeitsgrad bei jedem Test erhöhen. Während die ersten Flüge lediglich einige Meter vom Boden abheben, soll der finale Demonstrationsflug bis über zehn Kilometern Höhe erreichen und unter Bedingungen ablaufen, die es erlauben, Manöver durchzuführen, die für eine operationelle VTVL-Stufe relevant sind.
DLR-Beteiligung an CALLISTO
CALLISTO wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR gefödert. Von Seiten der Forschung bringen neun DLR-Institute und -Einrichtungen ihre Kompetenzen ein:
Steuerung und Kontrolle, Navigation, Wasserstoff-Tank und Treibstoffhandhabung, Landesystem, Landesimulation, Elektronik (inkl. On-Board Computer), Zusammenbau/Integration/ Verifikation (AIV), System, Qualitäts- und Projektmanagement
