Wiederverwendbare Raumflugzeuge: Geschichte und Zukunft

Die Idee von Raumflugzeugen gibt es schon seit dem Beginn des Weltraumzeitalters. Aber erst in den letzten Jahren haben sie richtig Fahrt aufgenommen.

Wiederverwendbare Raumflugzeuge
Wiederverwendbare Raumflugzeuge: Geschichte und Zukunft

Wenn man es genau nimmt, ist die Erforschung des Weltraums verdammt teuer! Die Kosten für den Bau und die Wartung von Trägerraketen sind schon schlimm genug, aber wenn man die Kosten für den Treibstoff hinzurechnet, wird es geradezu unerschwinglich. Kein Wunder, dass bis vor kurzem nur die staatlichen Raumfahrtbehörden in der Lage waren, diese Aufgabe zu übernehmen.

Um die damit verbundenen Kosten zu senken und die Erforschung des Weltraums zugänglicher zu machen, setzen Raumfahrtbehörden auf der ganzen Welt auf wiederverwendbare Raumflugzeuge. Ähnlich wie wiederverwendbare Raketen, die von Raumfahrtunternehmen wie SpaceX und Blue Origin verfolgt werden, sollen Raumflugzeuge die Kosten für den Weg ins All exponentiell senken.

Zugegeben, dieses Konzept ist nicht ganz neu. Seit Anbeginn des Raumfahrtzeitalters gibt es Entwürfe für wiederverwendbare Raumflugzeuge. Aber erst seit dem Ende der Apollo-Ära werden diese und andere Konzepte verfolgt – meist aus der Not heraus.

Und mit dem Zeitalter der erneuten Weltraumforschung werden viele der alten Ideen aufgegriffen, entstaubt und für den modernen Gebrauch neu bewertet. Lassen Sie uns einen Blick auf die Geschichte der Idee werfen und wohin sie uns führen könnte.

Frühe Konzepte

Wie alles, was mit der Erforschung des Weltraums zu tun hat, begann auch die Geschichte der wiederverwendbaren Raumfahrzeuge kurz nach dem Zweiten Weltkrieg. Damals befanden sich die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion in einem Zustand des Wettbewerbs und der Überlegenheit, der fast fünf Jahrzehnte andauern sollte.

Beide hatten Deutschland in Besitz genommen, und beide waren dadurch im Besitz einer großen Menge an Technologie und Know-how. Dazu gehörten Fortschritte im Düsenantrieb und in der Raketentechnik, die beide Seiten zu nutzen versuchten, um sich einen Vorteil gegenüber der anderen Seite zu verschaffen.

Neben der Aufstellung neuer Geschwindigkeitsrekorde für Flugzeuge wollten sowohl die USA als auch die Sowjetunion künstliche Satelliten und bemannte Raumfahrzeuge in die Umlaufbahn schicken. Das ultimative Ziel war nicht nur, die Überlegenheit der jeweiligen Wirtschaft zu beweisen, sondern auch zu vermeiden, militärisch im Nachteil zu sein.

Auf Überschallkurs gehen:

Unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg begannen sowjetische und amerikanische Wissenschaftler, Experimente mit raketengetriebenen Flugzeugen durchzuführen. In vielerlei Hinsicht war dies eine Fortsetzung der von Deutschland während des Krieges durchgeführten Experimente.

Angesichts der überwältigenden Überlegenheit in der Luft wurden deutsche Wissenschaftler damit beauftragt, andere Antriebsmethoden zu erforschen, um Jagd- und Bomberflugzeuge zu entwickeln, die allem überlegen waren, was die Alliierten aufbieten konnten. Neben Düsentriebwerken wurden auch Raketen ausgiebig getestet.

Für letztere erschienen die militärischen Anwendungen begrenzt. Raketenflugzeuge waren schwer zu manövrieren, sobald sie in der Luft waren, und Start und Landung waren für die Piloten sehr schwierig durchzuführen. Aber wenn es um Geschwindigkeit ging, waren sie unübertroffen.

Aus diesem Grund experimentierten amerikanische und sowjetische Raumfahrtingenieure erfolgreich mit einer Reihe von wiederverwendbaren Flugzeugen, die in der Lage waren, Höhen und Geschwindigkeiten zu erreichen, die zuvor unbekannt waren. Diese halfen, den Weg zu orbitalen Raumfahrzeugen und Starts zu ebnen.

Beispiele sind die Bell X-1, ein Experimentalflugzeug, das gemeinsam vom National Advisory Committee for Aeronautics (NACA, dem Vorgänger der NASA), den U.S. Army Air Forces und der U.S. Air Force (USAF) entwickelt wurde.

Die Bell-X1
Die Bell-X1

Am 14. Oktober 1947 flog dieses Flugzeug seinen fünfzigsten Einsatz und wurde vom legendären Testpiloten Capt. Charles „Chuck“ Yeager geflogen. Bei diesem Flug wurde die X-1 zum ersten Flugzeug, das eine Geschwindigkeit von 1.100 km/h (700 mph) erreichte.

Mit anderen Worten: Yeager und die X-1 wurden der erste Pilot und das erste Flugzeug, das die Schallmauer (Mach 1) durchbrach. In den folgenden Jahren sollte die Schallmauer noch viele Male von der X-1 und anderen Varianten des Designs durchbrochen werden.

Der Kalte Krieg gipfelt

Die X-15
Die X-15

In den späten 1950er und in den 1960er Jahren erreichte die Entwicklung von experimentellen Flugzeugen und Raumfahrzeugen einen Höhepunkt. Dies spiegelte die Fortschritte wider, die mit den jeweiligen US-amerikanischen und sowjetischen Raumfahrtprogrammen gemacht wurden, die beide Raketen und Raumfahrzeuge anstrebten, die den Mond erreichen konnten.

In diesem historischen Kontext begann die nordamerikanische Konstruktion der X-15 mit Testflügen, die schließlich darin gipfelten, dass das Flugzeug Geschwindigkeiten von bis zu Mach 6,7 (8270 km/h; 5.140 mph) und Höhen von über 100 km (66 mi) erreichte.

Zwischen 1957 und 1963 beschäftigten sich die USAF und Boeing auch mit der Entwicklung eines militärischen Raumflugzeugs, das von Aufklärungs- und Rettungseinsätzen bis hin zu Satellitenwartung und Sabotage alles durchführen können sollte.

Das Ergebnis war der X-20 Dynamic Soarer (Dyna-Soar), ein Raumfahrzeug mit nur einem Piloten, das mit einer einstufigen Rakete in den Weltraum geschossen werden und dann aus eigener Kraft auf einer Landebahn landen sollte. Das Programm wurde zwar kurz nach Baubeginn wieder aufgegeben, aber das Design sollte spätere Konzepte wie den Dream Chaser (siehe unten) beeinflussen.

1965 begannen die Sowjets auch mit der Arbeit an einem wiederverwendbaren Raumflugzeug durch das Experimental Passenger Orbital Aircraft (EPOS) Programm, auch bekannt als „Spiral“. Dies führte schließlich zur Mikoyan-Gurevich MiG-105, einem bemannten horizontal startenden und landenden (HOTOL) Raumflugzeug.

Das Projekt wurde 1969 gestoppt, aber 1974 als Reaktion auf das US Space Shuttle Programm wieder aufgenommen. Der erste Testflug wurde 1976 durchgeführt und insgesamt acht Flüge wurden bis 1978 gemacht, als EPOS zugunsten des Buran-Programms (siehe unten) eingestellt wurde.

Die Space Shuttle-Ära

Anfang der 1970er Jahre zwangen ein sich veränderndes Budgetumfeld und das Ende des „Space Race“ sowohl die NASA als auch die Sowjetunion dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, die damit verbundenen Kosten für Weltraumstarts zu reduzieren. Von diesem Zeitpunkt an bis in das zweite Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts wurden schließlich erste Entwürfe für wiederverwendbare Raumflugzeuge entwickelt.

Für die USA resultierte daraus das Space-Shuttle-Programm, das ab 1983 lief und mit der Ausmusterung der verbliebenen Space Shuttles im Jahr 2011 endete. Offiziell hieß das Programm Space Transportation System (STS) und basierte auf Plänen für wiederverwendbare Raumfahrzeuge aus dem Jahr 1969.

Das System bestand aus einem wiederverwendbaren Orbiter-Fahrzeug, das mit zwei Feststoffraketen und einem externen Treibstofftank ins All geschossen werden sollte. Die Space-Shuttle-Flotte bestand aus sechs Orbiter-Fahrzeugen mit den Namen Space Shuttle Atlantis, Columbia, Challenger, Discovery, Endeavour und Enterprise.

Die Space-Shuttle-Flotte begann 1982 (mit dem Space Shuttle Columbia) mit operativen Flügen und führte insgesamt 135 Flüge durch, den letzten mit dem Space Shuttle Atlantis im Jahr 2011.

Zu diesen Missionen gehörten unter anderem der Einsatz des Space Shuttles zum Aussetzen von Satelliten, des Hubble-Weltraumteleskops und die Mithilfe beim Bau der sowjetisch-russischen Raumstation Mir. Zwei Shuttles gingen während ihrer 15-jährigen Dienstzeit verloren – die Challenger im Jahr 1986 und die Columbia im Jahr 2003.

Zur gleichen Zeit entwickelten die Sowjets ihr eigenes wiederverwendbares Raumflugzeugsystem als Antwort auf das Space Shuttle-Programm. Dieses System, bekannt als Buran, bestand aus einer Orbitalrakete – die dem Space Shuttle sehr ähnlich war – und dem Energia-Startsystem – einem Einwegtank mit bis zu vier Feststoffraketen-Boostern

Das Programm lief offiziell von 1974 bis 1993 und bestand aus nur einem unbemannten Testflug. Das Programm wurde im Zuge des Zusammenbruchs der Sowjetunion aufgrund mangelnder finanzieller Mittel eingestellt und die Prototypen wurden ausgemustert, von denen die meisten Teil von Museumsausstellungen sind.

Moderne Raumflugzeuge

Mit der Einstellung des Space-Shuttle-Programms ging zwar eine Ära zu Ende, doch die Lehren, die aus diesem und anderen Entwürfen gezogen wurden, sind in die Entwicklung einer neuen Generation von Raumflugzeugen eingeflossen. Gleichzeitig hat der Aufstieg der kommerziellen Raumfahrtindustrie zu einer Vielzahl von Innovationen geführt.

Dream Chaser beim Pre-Drop-Test
Dream Chaser beim Pre-Drop-Test

Neben dem Einsatz von wiederverwendbaren Raketen (wie z.B. SpaceX’s Falcon 9, Falcon Heavy Startsysteme) sind Raumflugzeuge eine weitere Möglichkeit, mit der die NewSpace-Industrie versucht, die Erforschung des Weltraums kostengünstiger und zugänglicher zu machen.

Zum Beispiel wurden die Bemühungen am NASA Langley Research Center in den 1960er und 1970er Jahren mit Horizontal Landing (HL) Konzepten in Form des wiederverwendbaren Raumflugzeugs HL-42, auch bekannt als Dream Chaser, realisiert. Das Design ähnelt dem des Space Shuttle Orbiters, ist aber wesentlich kleiner und leichter.

Dieses Raumflugzeug soll in den kommenden Jahren Besatzung und Fracht in den Low Earth Orbit (LEO) und zur ISS bringen. Es wird mit der Vulcan-Centaur-Rakete der ULA gestartet und in der Lage sein, aus eigener Kraft auf einer Landebahn zu landen. Die Entwicklung des Raumfahrzeugs liegt im Zeitplan und der erste Flug wird voraussichtlich im Jahr 2021 stattfinden.

Es gibt auch die Boeing X-37B – auch bekannt als Orbital Test Vehicle (OTV) – die 1999 als NASA-Projekt begann, aber 2004 an das US-Verteidigungsministerium übergeben wurde. Dieses wiederverwendbare robotische Raumfahrzeug ist in der Lage, Langzeitflüge für geheime Zwecke durchzuführen, und dient gleichzeitig als Demonstrator für autonome und wiederverwendbare Raumfahrttechnologien.

Der erste Test (ein Abwurftest) fand 2006 statt und seitdem gab es fünf Orbitalmissionen von zunehmender Dauer. Ähnlich wie andere Raumflugzeuge wird das OTV mit einer Rakete ins All geschickt, tritt wieder in die Erdatmosphäre ein und landet aus eigener Kraft.

Im kommerziellen Bereich steht das SpaceShipOne als leuchtendes Beispiel für eine wiederverwendbare Raumflugzeugtechnologie. Das Luft- und Raumfahrtunternehmen Scaled Composites begann 1994 mit der Arbeit an dem Flugzeug und führte 2004 den ersten erfolgreichen Flug mit Besatzung durch – wofür es mit dem mit 10 Millionen US-Dollar dotierten Ansari X Prize ausgezeichnet wurde.

SpaceShipOne war ein Pionier des Konzepts von luftgestützten, raketengetriebenen Flugzeugen, die in der Lage sind, suborbitale Raumflüge durchzuführen. Dazu wird es von einem Trägerflugzeug (dem „White Knight“) auf die Einsatzhöhe gebracht, losgelassen, zündet seine eigenen Triebwerke und gleitet dann nach Hause.

Das SpaceShipOne Flugzeug für den kommerziellen Raumflug
Das SpaceShipOne Flugzeug für den kommerziellen Raumflug

Durch den Einsatz eines Hybrid-Raketenmotors konnte SpaceShipOne Geschwindigkeiten von bis zu 900 m/s (3240 km/h; 2013 mph) erreichen, während die Flügel und Heckausleger in der Lage sind, ihren Winkel zu verstellen, um eine kontrollierte Landung zu ermöglichen.

Das Design würde mit dem Bau von SpaceShipTwo erweitert werden. Dieses suborbitale Raumschiff wurde von The Spaceship Company gebaut, einer Tochtergesellschaft von Virgin Galactic (die 2012 Scaled Composites übernommen hat).

Zusammen mit dem White Knight Two ist dieses Raumfahrzeug ebenfalls luftgestartet und nutzt einen Hybrid-Raketenmotor und gefiederte Flügel, um suborbitale Flüge und kontrollierte Landungen zu erreichen. Ab 2018 hat SpaceShipTwo seinen ersten Raumflug erfolgreich durchgeführt und soll im kommenden Jahrzehnt als Fracht- und Raumtourismusfahrzeug eingesetzt werden.

Raumflugzeuge der Zukunft

Noch aufregender als die aktuelle Generation von Raumflugzeugen, die in Dienst gestellt werden, sind die, die geplant sind. Ähnlich wie die innovativen Ideen, die wir heute sehen, werden diese zukünftigen Raumflugzeuge sowohl von der Privatindustrie als auch von nationalen Raumfahrtbehörden entwickelt.

Dies spiegelt die wachsende Präsenz der NewSpace-Industrie in der Weltraumforschung sowie die wachsende Präsenz aufstrebender Weltraummächte – wie China, Indien und die Europäische Union – wider.

Space Reusable Integrated Demonstrator for Europe Return (Space RIDER), ein unbemanntes orbitales Raumflugzeug, das kostengünstige Missionen zum LEO ermöglichen würde. Das Projekt wurde 2016 genehmigt und soll bis 2022 eine zweimonatige Mission durchführen.

Darauf sollen mehrere Missionen folgen, die eine Reihe von Fähigkeiten und Umlaufbahnen demonstrieren sollen. Bis 2025 hofft die ESA, den Space RIDER zu privatisieren und die operative Kontrolle über das Raumfahrzeug an Arianespace zu übergeben.

China, das sich seit der Jahrtausendwende zu einer eigenständigen Weltraummacht entwickelt hat, verfolgt auch bei den Raumflugzeugen einige Innovationen der nächsten Generation. Im Rahmen von Chinas Projekt 921 für bemannte Raumfahrt begann man 1992, Entwürfe für wiederverwendbare Raumfahrzeuge in Betracht zu ziehen.

Das Konzept ähnelt dem der X-37B, bei dem das Raumflugzeug durch einen Raketenbooster (oder möglicherweise einen Magnetschwebebahninduktor) in den Weltraum gebracht werden würde. Im Jahr 2007 tauchten erste Bilder des Shenlong-Raumflugzeugs („Göttlicher Drache“ auf Chinesisch) auf, das sich in der Testphase befand, und es wird angenommen, dass der erste suborbitale Flug im Jahr 2011 stattfand.

Im privaten Sektor werden einige sehr beeindruckende Konzepte verfolgt. Da wäre zum Beispiel SpaceX’s Starship, ein superschweres, wiederverwendbares Raumschiff, das Teil der Vision von Elon Musk ist, kommerzielle Missionen zum LEO, zum Mond und sogar zum Mars (mit dem langfristigen Ziel, dort eine Kolonie zu gründen) durchzuführen.

Die Idee wurde erstmals im Jahr 2013 angekündigt und von Musk als „Mars Colonial Transporter (MCT)“ bezeichnet. Im Laufe der nächsten Jahre wurde das Konzept weiterentwickelt und detaillierter, und es gab mehrere Namensänderungen.

Im Jahr 2016 wurde ein wesentlich detaillierterer Plan für das Raumfahrzeug veröffentlicht, das nun als Interplanetares Transportsystem (ITS) bekannt war. Im Jahr 2018 änderte das Projekt erneut seinen Namen und wurde zum BFR, und das Design wurde erheblich aktualisiert.

Basierend auf der aktuellen Iteration wird das Startsystem aus einem Raumschiff der zweiten Stufe (dem Starship) und einer Rakete der ersten Stufe (der Super Heavy) bestehen. Nach dem Start in den Weltraum und der Betankung in der Umlaufbahn wird das Raumschiff zu Zielen im tiefen Weltraum fliegen.

Am Ziel angekommen, setzt das Raumschiff mit Hilfe von Manövrierflossen und eigenen Triebwerken zur kontrollierten Landung an. Die Triebwerke sorgen auch für den nötigen Schub für den Rückflug, wo es nach dem gleichen Verfahren wieder landet. Das System wird vollständig wiederverwendbar sein und das schwerste Startsystem sein, das jemals entwickelt wurde.

Nach der Durchführung mehrerer „Hop-Tests“ mit einem maßstabsgetreuen Prototyp (Starship Hopper) wurde die Konstruktion des maßstabsgetreuen orbitalen Testfahrzeugs abgeschlossen. Dieser Prototyp, bekannt als Starship Mk.1, wurde am 28. September während einer Pressekonferenz in der SpaceX-Anlage in der Nähe von Boca Chica, Texas, enthüllt.

Es wird erwartet, dass SpaceX den ersten Orbitalflug des Mk.1 irgendwann im nächsten Jahr durchführen wird. Ein Flug um den Mond, bei dem das gesamte Betriebssystem zum Einsatz kommt, ist derzeit für 2023 geplant. Musk hat auch angedeutet, dass er hofft, die ersten bemannten Missionen zum Mond und zum Mars Mitte bis Ende der 2020er Jahre durchzuführen.

Dieses wiederverwendbare Raumflugzeug hat den Vorteil, dass es ein HOTOL-Konzept ist, das keinen verbrauchbaren Booster benötigt, um ins All geschickt zu werden.

Der Schlüssel zum Skylon-Raumflugzeug ist das SABRE-Triebwerk, ein luftatmendes Raketenantriebssystem, das mit Wasserstoff/Sauerstoff-Treibstoff betrieben wird. Grundsätzlich wechselt das Triebwerk zwischen der Verwendung von Düsenturbinen zur Aufnahme von Sauerstoff aus der Atmosphäre und der Verwendung von flüssigem Sauerstoff (LOX), sobald es die Umlaufbahn erreicht hat.

So kann er mit einem Düsenantrieb starten und landen und mit einem Raketenantrieb die Hyperschallgeschwindigkeiten erreichen, die notwendig sind, um den LEO zu erreichen.

Im Jahr 2016 begann die indische Weltraumforschungsorganisation (ISRO) mit der Entwicklung und Erprobung eines Startsystems, das als Reusable Launch Vehicle (RLV) bekannt ist – ein zweistufiges System, das aus einer Trägerrakete und einem wiederverwendbaren Raumflugzeug besteht.

Ähnlich dem Konzept des SABRE-Antriebs wird erwartet, dass das Raumflugzeug sowohl auf luftatmende Scramjet-Triebwerke als auch auf Raketentriebwerke setzt. Diese könnten es dem Raumflugzeug ermöglichen, sich selbst in die Umlaufbahn zu bringen, anstatt sich auf einen verbrauchbaren Booster zu verlassen.

Und ab 2018 begann die japanische Raumfahrtbehörde JAXA mit der Arbeit an ihrer Winged Reusable Sounding (WIRES) Rakete. Derzeit ist unklar, ob es sich bei diesem Fahrzeug um eine wiederverwendbare erste Stufe oder um ein bemanntes Raumflugzeug handeln wird. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass das WIRES-Profil mit fortschreitender Entwicklung immer detaillierter wird.

Zu guter Letzt gibt es noch das XS-1 (alias „Phantom Express“), ein Projekt, das derzeit von Boeing und der DARPA auf die Beine gestellt wird – als Teil des Experimental Spacecraft (XS)-Programms von letzterer.

Das Raumflugzeug wird von einem Aerojet Rocketdyne (AR-22) Triebwerk angetrieben und erreicht eine Umlaufbahn. Die Nutzlasten werden entweder über einen Frachtraum oder (im Falle von Satelliten oder Raumfahrzeugen) über eine außen angebrachte Rakete zugeführt. In dieser Hinsicht wird es die Kosten durch die Kombination von Wiederverwendbarkeit und SSTO-Fähigkeit (Single-Stage-to-Orbit) reduzieren.

Betrachtet man all diese aktuellen und zukünftigen Konzepte (und die Geschichte ihrer Entwicklung), wird ein bestimmtes Muster deutlich. Seit Beginn des Raumfahrtzeitalters haben Missionsplaner und Ingenieure mit der Idee von wiederverwendbaren Raumflugzeugen gespielt.

Damals wurden diese Ideen zugunsten von Einweg-Raumkapseln und schweren Boostern beiseite gelegt, die schneller hergestellt werden konnten und nicht den gleichen Wartungsaufwand erforderten. Da es im frühen Raumfahrtzeitalter vor allem darum ging, „als Erster am Ziel zu sein“, wurden natürlich Raumfahrzeuge bevorzugt, die schneller hergestellt und in Betrieb genommen werden konnten.

Doch als die Mondlandung stattfand und sich das Weltraumrennen abzukühlen begann, wurden Raumflugzeuge zum Favoriten der Missionsplaner, die Kosten sparen und eine nachhaltige menschliche Präsenz im Weltraum schaffen wollten.

Heute, fast sieben Jahrzehnte später, erkennen wir endlich ihr Potenzial. Sie bieten nicht nur günstigere Startkosten durch die Verwendung wiederverwendbarer Komponenten, sondern auch eine Flexibilität, die Verbrauchsraketen nicht haben.

Wie das Space Shuttle gezeigt hat, können Raumflugzeuge Satelliten und Nutzlasten in den Orbit bringen, dort lebenswichtige Experimente und Forschungen durchführen und Besatzungen ins All transportieren und wieder nach Hause bringen. Noch kostet es eine Stange Geld, diese Raumflugzeuge in die Umlaufbahn zu bringen, aber das ändert sich schnell.