Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat mit einer Höhenforschungsrakete Bedingungen wie beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre simuliert. Am vergangenen Montag (6. Oktober) ist das Flugexperiment „Atheat“ vom norwegischen Startplatz Andøya aus gestartet. Über dem Meer erreichte die Rakete Mach 9 – die neunfache Schallgeschwindigkeit oder rund 11.000 km/h – und hielt diese Geschwindigkeit für 2 min.
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Welche Bedingungen herrschen bei so hohen Geschwindigkeiten?
Jenseits von Mach 5 spricht man vom Hyperschallbereich. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten heizen sich Flugkörper aufgrund des großen atmosphärischen Widerstands stark auf: Die aerothermalen Lasten sind maximal hoch. Die Atheat-Rakete heizte sich auf über 2000 °C auf. So lässt sich ein Wiedereintritt in die Erdatmosphäre simulieren, der sich ebenfalls bei hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen vollzieht.
Hat die Atheat-Rakete die Erdatmosphäre verlassen?
Nein, Tests unter Realbedingungen sind teuer und aufwendig, weil die Hardware zuvor im Maßstab 1:1 gebaut und in den Weltraum gebracht werden muss. Einfacher sind Tests wie der in Andøya, die Bedingungen wie beim Wiedereintritt herstellen, ohne dass die Hardware die Erdatmosphäre verlassen muss. „Das Ziel war, die integrale Wärmezufuhr wie beim Wiedereintritt zu haben, ohne einen echten Wiedereintritt leisten zu müssen“, sagt der Atheat-Projektleiter und DLR-Forscher Ali Gülhan.
„Wenn der Flugkörper die dichten Atmosphärenschichten nie verlässt, heizt er sich stärker auf.“ Atheat erreichte eine maximale Flughöhe von 30 km – die Grenze zum Weltraum liegt bei 100 km (Kármán-Linie) – und schwenkte für die Mach-9-Phase in eine flache Parabel ein. Insgesamt dauerte der Flug knapp 4 min. „Mit dem Flugexperiment Atheat ist es uns gelungen, wesentlich länger bei hohen Mach-Zahlen zu fliegen, als das bei unseren vorangegangenen Projekten der Fall war“, sagt Gülhan.
Wie lässt sich eine Geschwindigkeit von Mach 9 erreichen?
„Wir nutzen Feststoffmotoren. Es gibt nicht den einen Motor, der so stark beschleunigen kann, deshalb fliegen wir zweistufig“, erläutert Gülhan. In der Vergangenheit hätte ein vergleichbares Experiment drei Stufen erfordert. Eine deutsche Neuentwicklung habe eine Stufe verzichtbar gemacht – und die Komplexität verringert. Die Erststufe kam auf eine Brennzeit von 13 s. Während der folgenden ballistischen Phase – alle Antriebe ausgeschaltet – wurden onboard die Beschleunigungen und Drehraten analysiert, laut Gülhan eine „sensible Phase“. Erst dann wurde die Zweitstufe gezündet.
Welche Messtechnik kam zum Einsatz?
Das DLR hat für den Flugtest mehr als 300 Sensoren verbaut, darunter Infrarotkameras, Laserscanner und Strahlungsthermometer. Insbesondere wurden berührungslose Sensoren genutzt. „Der Vorteil ist: Es gibt keine Wechselwirkung zwischen Sensor und Struktur“, erläutert Gülhan. Hinzu kämen zwei weitere Vorteile: die schnellere Ansprechzeit und – bei der Infrarotkamera – die Möglichkeit, flächig zu messen.
Welche Materialien hat das DLR getestet?
Die Atheat-Rakete trug im vorderen Teil die sogenannte Nutzlast, bestehend aus den wissenschaftlichen Experimenten, der Energieversorgung und der Datenübertragungstechnik. Die thermisch besonders stark belastete Raketenspitze war aus einer faserverstärkten Keramik gefertigt. Mit zwei Experimenten hat das DLR untersucht, wie sich der 1,5 m lange Vorkörper der Rakete im Flug aktiv kühlen lässt.
- Erstens wurde eine sogenannte Transpirationskühlung erprobt: Durch die permeable Keramik wurde Stickstoff gedrückt, der außen einen Kühlfilm ausgebildet hat.
- Zweitens hat das DLR eine Prallkühlung getestet: Kühlgas wird gegen die innere Seite der Außenwand geschossen.
Ergebnisse liegen noch nicht vor; die Auswertung nehme einige Wochen und Monate in Anspruch, teilt das DLR mit. Auch SpaceX hat sich – unbestätigten Berichten zufolge – bei Wiedereintrittstests an aktiver Kühlung versucht. Zur Steuerung des Flugkörpers hat das DLR vier Klappen genutzt (eng. Flaps), deren Winkel sich gezielt anstellen ließen. Auch diese Daten sind noch nicht abschließend ausgewertet. Aber: „Erste Daten zeigen, dass die Klappen aufgegangen sind“, sagt Gülhan. Die Klappen sind ebenfalls aus der faserverstärkten Keramik gefertigt worden.
Warum ist die Hyperschallforschung wichtig?
Immer mehr Weltraumagenturen und -unternehmen designen Flughardware, die mehrfach verwendet werden soll. Diese muss also mehrere Wiedereintritte in die Erdatmosphäre überstehen, ohne die teure Technik zu gefährden – und erst recht nicht die Crew.
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