Warum wählen alle wiederholten Raketentests eine Höhe von 10 Kilometern?

In den letzten Jahren ist die Entwicklung wiederverwendbarer Raketentechnologie zu einem heißen Thema im globalen Luft- und Raumfahrtbereich geworden. Vor allem im Bereich der kommerziellen Luft- und Raumfahrt drängen Unternehmen aus verschiedenen Ländern auf die Entwicklung wiederverwendbarer Raketen, die vertikal starten und landen können. Dabei scheint die 10-Kilometer-Höhe zu einer wichtigen „Schwelle“ für die Überprüfung wiederholbarer Raketentechnologie geworden zu sein. Ob SpaceX der USA, die Verifikationsrakete des Eighth Institute oder die VTVL-1 von Suzaku-3, die Höhe von 10 Kilometern taucht bei Tests immer wieder auf.

Warum wurde diese Höhe gewählt? Was bedeutet das für die Validierung wiederholbarer Raketentechnologie? Wird der Weg nach der Überwindung dieser Hürde wirklich glatt sein? Heute werden wir etwas Zeit damit verbringen, darüber zu reden.

Die erste Frage, die beantwortet werden muss, ist: Was bedeutet eine Höhe von 10 Kilometern? Tatsächlich ist die Höhe von 10 Kilometern während des Raketenstartvorgangs kein besonders bedeutsamer „Meilenstein“. Es hat noch nicht einmal die Atmosphäre durchbrochen und befindet sich immer noch in der Troposphäre der Erde. Für wiederverwendbare Raketen ist dies jedoch eine entscheidende Höhe. Erstens ist die Atmosphäre unterhalb von 10 Kilometern dichter und der Luftwiderstand groß. In einer solchen Umgebung wird die Rakete sowohl beim Aufstieg als auch beim Abstieg einem enormen Druck und Luftwiderstand ausgesetzt sein. Das bedeutet, dass das Lagekontrollsystem, das Stabilitätskontrollsystem und die Zusatzausrüstung wie die Gitterruder der Rakete strengen Tests standhalten müssen. Darüber hinaus erfährt die Rakete in dieser Höhe auch den „maximalen dynamischen Druck“, also den maximalen Druck, der durch aerodynamische Kräfte auf die Rakete ausgeübt wird. Dies ist eine der komplexesten Phasen des Raketenflugs, und die Rakete muss in dieser Phase stabil bleiben, um strukturelle Schäden oder Ausfälle zu vermeiden. Zweitens ist 10 Kilometer die Höhe, in der die Rakete während des Fluges Änderungen der Überschall- und Unterschallgeschwindigkeit erfahren muss. Für wiederholbare Raketen ist dies auch eine Gelegenheit, die Fähigkeit zur „transsonischen“ Steuerung zu überprüfen. Transschallgeschwindigkeit bezieht sich auf den Prozess, bei dem eine Rakete von Unterschallgeschwindigkeit, die geringer als die Schallgeschwindigkeit ist, auf Überschallgeschwindigkeit übergeht, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. In diesem Stadium werden Änderungen im Luftstrom zu erheblichen Störungen der Fluglage und des Steuerungssystems der Rakete führen. Daher kann eine Flughöhe von 10 Kilometern nicht nur die Ausdauer der Rakete testen, sondern auch die Stabilität und präzise Steuerungsfähigkeit der Rakete bei transsonischen Geschwindigkeiten überprüfen. Diese Höhe wurde gerade deshalb als wichtiger Testpunkt gewählt, weil sie einen Test der Leistungsfähigkeit der Rakete unter extremen Bedingungen darstellt.

Was bedeutet es also, diesen 10 Kilometer langen Flug zu absolvieren? Man kann sagen, dass es einen großen Fortschritt in der Raketentechnologie darstellt. Erstens bedeutet die Rückkehr und erfolgreiche Landung der Rakete in einer solchen Höhe, dass sie über grundlegende Wiederverwendungsfähigkeiten verfügt. Wie das Designteam der chinesischen Zhuque-3 betonte, zeigt dieser Flugerfolg, dass die Kernkomponenten der Rakete wie das Triebwerk und das Gitterruder genau passen und während des Rückkehrvorgangs stabil bleiben. Der erfolgreiche Abschluss dieses anspruchsvollen Tests bedeutet jedoch nicht, dass keine Hindernisse vor uns liegen. Obwohl der 10 Kilometer lange Flug die Anpassungsfähigkeit und Kontrollfähigkeit der Rakete in einigen komplexen Umgebungen bestätigte, ist sie noch weit von einem echten Flug auf Orbitalebene entfernt. In größeren Höhen müssen sich Raketen größeren Herausforderungen stellen, insbesondere den hohen Temperaturen und extrem hohen Geschwindigkeiten beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Für Chinas wiederholbare Raketentechnologie bedeutet der Erfolg des 10-Kilometer-Fluges vielmehr, dass die Verifizierung der Technologie in eine kritische Phase eingetreten ist. Die vertikale Start- und Landetechnologie der Rakete hat bereits vorläufige Ergebnisse erzielt. Was in Zukunft jedoch gelöst werden muss, ist die Frage, wie eine vertikale Erholung in größerer Höhe erreicht und mit der enormen Hitze und kinetischen Energie umgegangen werden kann, die beim Wiedereintritt entstehen. Wie kann man sich beispielsweise wirksam vor der hohen Temperatur schützen, die beim Wiedereintritt in die Atmosphäre entsteht? zum Beispiel, wie man die Landegenauigkeit und Geschwindigkeitskontrolle der Rakete weiter verbessern kann; und zum Beispiel, wie man die Struktur der Rakete leicht genug, aber stark genug machen kann, um den Ermüdungsverlust bei mehreren Einsätzen usw. zu bewältigen. Wir gehen davon aus, dass diese Probleme mit zunehmender Reife der Technologie und zunehmender Anzahl von Flügen schrittweise gelöst werden.

Wenn es um die Entwicklung und den aktuellen Stand der wiederholbaren Raketentechnologie meines Landes geht, sind die Errungenschaften von SpaceX ein Punkt, der nicht außer Acht gelassen werden kann. SpaceX engagiert sich seit Anfang der 2000er Jahre für die Entwicklung wiederverwendbarer Raketen und erreichte 2015 erstmals erfolgreich die vertikale Bergung der Rakete. Seitdem hat SpaceX die Bergung und Wiederverwendung von Raketen der Orbitalklasse viele Male abgeschlossen und damit die Kostenstruktur der Luft- und Raumfahrtindustrie völlig verändert. Im Gegensatz dazu startete Chinas wiederholbare Raketentechnologie spät. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt wurden, besteht immer noch eine gewisse Lücke zu SpaceX. Am Beispiel von Zhuque-3 VTVL-1 befindet sich Chinas aktueller Test noch in der Phase des vertikalen Starts und der Landung in einer Höhe von 10 Kilometern, während SpaceX bereits die maritime Bergung und Wiederverwendung von Raketen der Orbitalklasse erreicht hat. Dies bedeutet jedoch nicht, dass China Aerospace keine Möglichkeit hat, aufzuholen. China hat in den letzten Jahren viele Ressourcen in die Forschung und Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnik investiert und bei vielen Tests große Durchbrüche erzielt. Aus zeitlicher Sicht könnte der praktische Prozess von Chinas wiederverwendbaren Raketen etwa 5 bis 10 Jahre dauern, um das aktuelle Niveau von SpaceX zu erreichen. Allerdings werden Chinas enorme Marktnachfrage und die Investitionen privater Unternehmen in technologische Innovationen diese Lücke weiter verringern.

Insgesamt ist der 10-Kilometer-Flugtest nicht nur ein wichtiger Schritt zur technischen Verifizierung, sondern auch der Grundstein für die zukünftige Erforschung der Luft- und Raumfahrt. Obwohl mein Land in diesem Bereich mit anhaltenden Investitionen und der Anhäufung von Technologie spät begonnen hat, wird erwartet, dass es in naher Zukunft zu SpaceX aufschließen und unsere eigene Ära der recycelbaren Luft- und Raumfahrt einläuten wird.