FALCon: Mit der DLR-Innovation In-Air-Capturing auf Raketenfang
FALCon: Mit der DLR-Innovation In-Air-Capturing auf Raketenfang
Grafische Darstellung: Wiederverwendbare, geflügelte Raketenstufe im Anflug zur Kopplung mit einem umgebauten Linienflugzeug
Das patentierte DLR-Verfahren In-Air-Capturing ist ein innovativer Ansatz für den Rücktransport von wiederverwendbaren Raumtransportern: Die geflügelten Stufen sollen in der Luft eingefangen und von Unterschallflugzeugen zurück zu ihrem Startplatz geschleppt werden. Dadurch benötigen die Raketenstufen kein eigenes Antriebssystem. Das Projekt FALCon untersuchte von 2019 bis 2022 in einem europaweiten Konsortium unter der Koordination des DLR die Schlüsseltechnologien dieser Methode. In-Air-Capturing verspricht, eine umweltfreundliche und kostengünstige Methode zur Rückführung mittlerer bis großer RLV-Stufen zu sein.
Bei der horizontalen Landung setzt die Raketenstufe wie ein Flugzeug auf einer Landebahn auf. Außerdem dient der Flügel zur Verringerung der Lasten beim Wiedereintritt, ohne dass dafür ein Antrieb nötig ist. Für horizontal landende Systeme gibt es insbesondere zwei Rückholoptionen: „In-Air-Capturing“ (hier in blau) und „Fly-back“. „In-Air-Capturing“ ist eine vom DLR patentierte Technologie, die bis 2022 im Rahmen des EU-Horizon-2020-Projekts FALCon (Formation Flight for in-Air Launcher 1st stage Capturing demonstration) vorangetrieben wurde. Bei diesem Ansatz befindet sich ein Schleppflugzeug im geplanten Einfanggebiet, während die geflügelte Stufe einen atmosphärischen Wiedereintritt durchführt, der in einen Unterschall-Gleitflug übergeht. Das Schleppflugzeug ist mit einer an einem Seil befestigten Fangvorrichtung ausgestattet und positioniert sich so in einen Formationsflug, dass die Stufe an die Fangvorrichtung andocken kann. Nach erfolgreicher Kopplung wird die Stufe vom Flugzeug zu einer Landebahn in der Nähe ihres Raketenstartplatzes gezogen. Dort wird sie in der Luft abgekoppelt und landet selbstständig – ähnlich wie ein Segelflugzeug oder das Space Shuttle. Die „Fly-back“-Methode basiert auf der Idee, die zurückkehrende, wiederverwendbare Stufe mit eigenen Flugzeugtriebwerken auszustatten, die im Unterschall-Flug eingeschaltet werden.
Links im Bild ist der automatisch und aerodynamisch gesteuerte Fangkorb vor dem unbemannten Kleinflugzeug Prometheus des DLR zu sehen, mit dem das System bereits vor dem Projekt FALCon getestet und weiterentwickelt wurde.
Für das horizontale Landen kommen zwei Grundprinzipien in Frage: mit und ohne eigenes Antriebssystem für eine „geflügelte“ Raketenstufe. Im Projekt FALCon (Formation flight for in-Air Launcher 1st stage Capturing demonstration) wurde an einer Lösung für den Rückflug ohne Antrieb gearbeitet. Ein innovativer Ansatz dabei ist das sogenannte In-Air-Capturing, das Einfangen in der Luft: Nachdem die Stufe durch die Atmosphäre abgebremst und mittels ihrer Flügel in den Horizontalflug gekommen ist, „fängt“ sie ein Unterschallflugzeug ein. Dafür zieht dieses Flugzeug eine an einem Seil befestigte Fangvorrichtung hinter sich her und positioniert sich so, dass die Stufe andocken kann.
Simulation des 2023 in Cochstedt geplanten Experiments im Labormaßstab
Animation: Capturing-Simulation
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Animation: Capturing-Simulation
Simulation des 2023 in Cochstedt geplanten Experiments im Labormaßstab
Nach der Kopplung schleppt das Flugzeug die Stufe zu einem Landeplatz. Dort angekommen, wird sie bereits in der Luft abgekoppelt, um anschießend wie ein Segelflugzeug selbstständig zu landen – ähnlich wie früher das US-amerikanische Space Shuttle der NASA. Der Ansatz des In-Air-Capturing mittels aerodynamischen Fangkorbs ist eine vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) patentierte Technologie.
Für eine kosteneffizientere und umweltverträgliche Rückkehr von Raumtransportern
Die Forschung an der Rückkehrvariante In-Air-Capturing konnte im Rahmen des EU-finanzierten Projekts FALCon ab 2019 vorangetrieben werden. Die Arbeiten endeten im November 2022 und die Wissenschaftlerinnen und Ingenieure konnten bedeutende Fortschritte für Europas Weg zum nachhaltigeren Raumtransport erzielen.
So gingen unter anderem erheblich verfeinerte Simulationsmodelle aus FALCon hervor. Auch stellte das Team einen Entwicklungsfahrplan für die nächsten Schritte bis zum wiederverwendbaren europäischen Raumtransportsystem etwa 2035 vor. Vom autonomen Einfangen bis zum Schleppen – das technische Konzept des „Raketenfängers“ erprobte das Projektteam anhand von Flugversuchen mit kleinen Demonstratoren am DLR-Standort in Cochstedt. Referenzmodell für die Simulationen der Rückkehr einer Raketenstufe im Originalmaßstab war eine geflügelte Hochleistungsstufe mit 80 Tonnen Rückkehrmasse. Als Schleppflugzeug dafür wäre zum Beispiel ein umgebautes Linienflugzeug wie zum Beispiel der Airbus A340-600 geeignet, ergaben die Simulationen.
Vorteil des „Raketenfängers“ ist, dass die zurückkehrende Stufe keinen zusätzlichen Treibstoff benötigt. Das spart Startmasse ein, sodass weniger Treibstoff für den Raketenstart verbraucht und mehr Nutzlast ins All transportiert wird.
Die von Flugzeug-Strahltriebwerken produzierten Abgasmengen sind grundsätzlich sehr viel geringer als die von Raketentriebwerken. Außerdem erfolgt deren Einsatz in relativ geringer Flughöhe und kann durch die Vermeidung von Kondensstreifen klimaschonend gehalten werden. Der Einsatz von Wasserstoff bei den Flugzeugtriebwerken ist ebenfalls eine Option, an der geforscht wird.
Ergebnisoffene Forschung an Wiedereintritts- und Landetechnologien für europäische „Recyclingraketen“ von morgen
Im Gegensatz zum horizontalen Rückflug ohne eigenen Antrieb, basiert die sogenannte Fly-Back-Methode auf der Idee, die geflügelte Raketenstufe mit eigenen Triebwerken auszustatten. Diese benötigen zusätzlichen Treibstoff und zünden, sobald die Stufe die Unterschall-Geschwindigkeit erreicht hat. Hierbei wird also kein Schleppflugzeug benötigt, um die Landestelle zu erreichen. Dafür erhöht sich aber das Startgewicht der Rakete und entsprechend reduziert sich die maximale Nutzlast.
An horizontalen Landekonzepten mit und ohne eigenen Antrieb – die wie auch die vertikalen Systeme Vor- und Nachteile aufweisen – wird am DLR und in der europäischen Raumfahrtindustrie künftig weiter geforscht.
Das Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Kommission unter der Fördervereinbarung Nr. 821953 finanziert. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war unter anderem für die Projektkoordination verantwortlich. Ferner waren an FALCon beteiligt: Drone Rescue Systems aus Österreich, Embention Sistemas Inteligentes S.A. aus Spanien, Soft2tec aus Deutschland (heute Nexonar), das Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) aus Belgien, das Institut für Mechanik der bulgarischen Akademie der Wissenschaften sowie Astos Solutions Rumänien.
