Wenn es um eine griffige Formulierung für große Projekte oder Programme geht, sind die Amerikaner unschlagbar. Vier Zeichen reichen aus, und schon weiß die Nation, wohin die Reise geht: mit X-33 beispielsweise in den Weltraum. Das Kürzel steht für den Prototypen von wiederverwendba- ren Raumfähren, die im nächsten Jahrzehnt den Pendelverkehr ins All aufnehmen sollen. Noch in diesem Jahr sollen die dazugehörenden Triebwerke über der Wüste von New Mexico erstmals auf ihre Flugtauglichkeit getestet werden. Grund der Anstrengung: Der wissenschaftlich-technisch so erfolgreiche Space Shuttle ist ein Dorn im Auge scharf rechnender Administratoren. Die Wiederverwendbarkeit der Raumfähre ist teuer erkauft. Der Personal- und Wartungsaufwand verschlingt gut 40 Prozent des gesamten NASA-Budgets. Ein “lift off” kostet rund eine Milliarde Dollar.
Nicht ein Cent floß zurück in die NASA-Kasse, weil die US-Raumfahrtagentur auf kommerzielle Satellitenstarts mit den Space Shuttles nach der Challenger-Katastrophe 1986 aus Sicherheitsgründen verzichten mußte. Das Ziel, den Preis von rund 30000 Dollar für den Transport von einem Kilogramm Masse in eine niedrige Erdumlaufbahn auf unter 3000 Dollar zu drücken, wurde nie erreicht. Da die USA auf die Modernisierung ihrer Trägerraketen wegen der Shuttle-Finanzierung verzichteten, verloren sie ihre marktbeherrschende Position im lukrativen Geschäft des Satellitentransports an Arianespace und damit an die Europäer: Denn Ariane 4 transportiert ein Kilogramm Nutzlast für etwa 18000 Mark in eine erdnahe Umlaufbahn.
Andererseits werden die Europäer den USA mit bemannten Raumfähren vorerst nicht ins Gehege kommen: Die Pläne für den europäischen Raumgleiter Hermes mußten angesichts der Entwicklungskosten begraben werden. So ist in Europa nur noch eine Handvoll Ingenieure damit beschäftigt, am Computer Nutzmassen, aerodynamische Eigenschaften sowie die Kosten von verschiedenen Raumtransporter-Konzepten zu simulieren. Auch Rußland ist angesichts seiner prekären Wirtschaftslage nicht imstande, Pläne zur bemannten Raumfahrt in die Tat umzusetzen. Bleiben nur die USA. Dort sind die Ziele hochgesteckt: Volle Wiederverwendbarkeit des Gesamtsystems, Einsatz neuartiger Antriebskonzepte und Missionsvorbereitungszeiten von nur wenigen Tagen bis Wochen sollen Flüge ins All fast so alltäglich wie Flugzeugstarts machen. Ähnliche Wünsche hatten auch die Konstrukteure des Space Shuttle. Allerdings waren in den achtziger Jahren die technischen Möglichkeiten deutlich bescheidener als heute.
Aus diesem Grund ist der Shuttle auch nur teilweise wiederverwendbar: Der 47 Meter lange Treibstofftank kann nicht geborgen werden, und die Kosten für die Wiederverwendung der beiden Feststoffraketen übertreffen oft die Ausgaben für eine Neuanfertigung.
Im letzten Jahrzehnt waren es vor allem die Militärs, die Raumtransporter für die Verwirklichung ihres Star-Wars-Programms haben wollten. Sie entwarfen auch das Hyperschall-Flugzeug X-30 (X steht für “experimental”), dessen Bau 1986 vom Präsidenten Ronald Reagan verkündet wurde. 1992, nachdem schon drei Milliarden Dollar in die X-30 investiert waren, stoppte der amerikanische Kongreß die Realisierung. Gescheitert ist das Projekt letztlich deshalb, weil es nicht gelang, neuartige luftatmende Triebwerke für den Flug ins All – sogenannte Scramjets – zu bauen. Auf das in der Raumfahrt übliche Oxidationsmittel Sauerstoff hätte dadurch verzichtet und damit die Startmasse der Raketen um einige hundert Tonnen verringert werden können.
Bei Windkanaltests der mit Atmosphärenluft betriebenen Scramjets zeigte sich jedoch, daß die Ein- und Auslaßöffnungen für die kombinierten Staustrahl-Turbotriebwerke einen enormen Luftwiderstand erzeugen, wenn die Hyperschallflugzeuge auf mehr als dreifache Schallgeschwindigkeit beschleunigen. Zum Abbruch des X-30-Programms trug überdies bei, daß die Militärs mit dem schleichenden Ende des Star-Wars-Programms den Raumtransporter in seiner Dringlichkeit zurückstuften.
Erst vor drei Jahren hat die NASA ihre Raumtransporter-Aktivitäten wiederbelebt. Nach einer Konzeptionsphase, die im Mai 1996 abgeschlossen wurde, erteilte sie dem Unternehmen Lockheed Martin den Auftrag, einen Demonstrator für eine einstufige und voll wiederverwendbare Raumfähre zu bauen – die X-33.
Anfang 1999 soll ein flugfähiges Modell mit einer Länge von 20,4 Metern und einer Breite von 20,7 Metern fertiggestellt sein. Der 124 Tonnen schwere Startkörper soll keilförmig sein und für seinen Senkrechtstart keine Zusatzraketen benötigen. Denn die erwiesen sich beim Space Shuttle als eines der größten Sicherheitsrisken.
Um das einstufige Projekt überhaupt zu verwirklichen, müssen Tanks, Raketenhülle und Hitzeschutz deutlich leichter werden. Bereits heute gleichen Raketen einem rohen Ei: Weniger als zehn Prozent ihrer Masse gehört zur Schale. Der Rest steckt als flüssiges Eiweiß oder Eigelb im Inneren.
Künftig sollen die üblichen Aluminiumtanks durch Leichtbehälter aus Kunststoff ersetzt werden. Die aus Epoxidharz und Kohlenfasern hergestellte Tankwand ist so dünn wie eine Scheckkarte.
Eine deutliche Reduktion an Masse ist auch beim Hitzeschutz der Raumfähren in die Atmosphäre nötig. Das Hitzeschutzsystem des Shuttle wiegt mehr als sieben Tonnen. “Masse-Einsparungen von 20 Prozent sind bereits mit verfügbaren Materialien und Verarbeitungs-Technologien möglich”, erklärt Holger Stockfleth. Er untersucht Hitzeschutzsysteme im Daimler-Benz-Geschäftsbereich Dasa.
Während das Hitzeschutzsystem des Space Shuttle aus rund 30000 Keramik-Kacheln besteht, dürften künftig nur noch einige Tausend notwendig sein. Mit doppeltem Effekt: Die neuen Kacheln sind deutlich leichter und billiger. Kostet ein Quadratmeter bisher rund 80000 Mark (bei Verwendung von 35 mal 35 Zentimeter großen Kacheln), können die neuen, 1 mal 1 Meter großen Kacheln für 50000 Mark hergestellt werden. Versuche zeigen, daß bei ihnen selbst nach 300 Flügen keine nennenswerten Schäden auftreten.
Die bei der Dasa entwickelten Kacheln scheinen sogar besser zu sein als alles, was die Amerikaner bisher haben. “Wir hoffen überdies, mit einer Kachel aus einem flexiblen Hitzeschutz und Kohlenstoff-Siliziumcarbid-Faserkeramik eine Masseeinsparung um fast die Hälfte gegenüber dem bisherigen Shuttle-Schutz erreichen zu können”, sagt Stockfleth.
Mitte dieses Jahres will die NASA die neuen Kacheln in ihrem kalifornischen Forschungszentrum Moffet Field testen. Ziel der Amerikaner ist ein sehr robustes Hitzeschutzsystem. Es soll den Besatzungen der künftigen Raumfähren mehr Spielraum für die Flugmanöver in der Atmosphäre lassen und sogar Flüge durch Regenwolken ermöglichen.
Die dritte große Herausforderung auf dem Weg zu vollständig wiederverwendbaren Raumtransportsystemen ist die Entwicklung besserer Raketenmotoren. Für die unmittelbaren Shuttle-Nachfolger setzt die NASA auf sogenannte Aerospike-Motoren. Statt der bislang in der Raumfahrt üblichen glockenförmigen Antriebsdüsen bestehen die Aerospike-Motoren aus kleineren, in mehreren Gruppen angeordneten Raketenmotoren. “Sie ermöglichen eine automatische Anpassung des Düsenschubs an den mit der Höhe sinkenden Luftdruck und damit eine bessere Anpassung des Raketenschubs in verschiedenen Flugphasen”, erklärt Prof. Wolfgang Koschel, der bei der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt im württembergischen Lampoldshausen die Strömungen in den Düsen untersucht.
Auch durch den Einsatz der Aerospike-Motoren hofft die NASA Startmasse einzusparen – insbesondere durch den Wegfall zusätzlicher Steuertriebwerke. Der erste Flugtest eines Aerospike- Motors steht freilich noch aus.
Dennoch gilt der Fahrplan für die Erprobung der X-33 unverändert: Von März bis Dezember 1999 soll sie in 15 ferngesteuerten Flügen getestet werden und dabei in Höhen bis zu 80 Kilometer vordringen sowie Entfernungen bis 1360 Kilometer zurücklegen. Bei mindestens zwei Einsätzen soll X-33 eine Geschwindigkeit von Mach 15 erreichen. (Unter den realen Bedingungen des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre sind es 25 Mach). 941 Millionen US-Dollar hat die NASA für dieses Testprogramm bereits zur Verfügung gestellt. Weitere 220 Millionen Dollar will die Industrie beisteuern.
Parallel dazu laufen bei der NASA und dem Unternehmen Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia, Flugtests mit dem 18 Meter langen Raumfahrmodell X-34. Es soll im Sommer nächsten Jahres auf der Unterseite einer Lockheed 1011 in zehn Kilometer Höhe geflogen werden. Dort wird es ausgeklinkt und das Triebwerk gezündet. Geplant sind Flüge bis zu 75 Kilometer Höhe. Das unbemannte Vehikel soll innerhalb nur eines Tages für einen neuen Start gerüstet werden können. Fest steht aber schon jetzt: X-34 wird keinen weltraumtauglichen Nachfolger haben. Die Industrie hat an einem kommerziellen Weltraumtransporter kleiner Nutzlasten kein Interesse mehr.
Ob es einen Nachfolger für die X-33 gibt, will die Nasa erst um die Jahrtausendwende entscheiden. Prinzipiell baugleich wie die X-33, könnte daraus der 39 Meter lange “Venture Star” entstehen und dann an die Stelle des Shuttle treten. Mit einem anvisierten Gesamtgewicht von knapp 1000 Tonnen wäre Venture Star deutlich leichter als der 2040 Tonnen schwere Space Shuttle. Die Landung soll mit einer Geschwindigkeit von 320 Kilometern pro Stunde auf normalen Flughafenpisten erfolgen können.
Was diesen Raumtransporter so effizient gegenüber dem Shuttle macht, sind neben technischen Verbesserungen auch der deutlich geringere Bedarf an Wartungspersonal. Statt der vielen tausend Beschäftigten für den Shuttle-Betrieb, hofft man mit einigen hundert Mitarbeitern für Routine-Missionen der Venture Star auszukommen. Ein anspruchsvolles Ziel, denn auch für die Wartung eines Passagierflugzeugs brauchen moderne Fluggesellschaften heute an die 50 Mitarbeiter.
Ob das Wagnis “Venture Star” gelingt, hängt allerdings nicht nur von den technischen und organisatorischen Verbesserungen des Raumtransporters ab. Die NASA will nur die Anschubfinanzierung übernehmen. Sollte sich das System als wirtschaftlich erweisen, muß die Industrie für die Baukosten in Höhe von vier bis sechs Milliarden Dollar selber aufkommen, fordert die amerikanische Raumfahrtagentur. Geht das Konzept nicht auf, sind die Amerikaner von einer kostengünstigen wiederverwendbaren Raumfähre wieder genausoweit entfernt wie heute.
FOKUS: RAUMGLEITER Die unselige Geschichte vom Pendelverkehr ins All
Bis heute ist der amerikanische Space Shuttle (mit den Raumfähren Atlantis, Columbia, Discovery, Endeavour) die einzige Weltraumfähre, die ihre Tauglichkeit unter Beweis gestellt hat. Dabei gab es bereits ein rundes Dutzend Ansätze: Nachdem die Amerikaner mit ihrem Raketenflugzeug X-15 schon in den sechziger Jahren in Höhen von 100 Kilometern vordrangen, schien der Einsatz wiederverwendbarer Raumfähren greifbar zu sein. Die US-Air Force begann noch vor der ersten bemannten Mondlandung mit der Entwicklung einer kleinen Raumfähre, die auf der Spitze einer Titan-Rakete starten sollte.
Die Dyna Soar X-20 sollte den Pendelverkehr zwischen der Erde und einer geplanten amerikanischen Raumstation übernehmen. Nach jahrelangen Entwicklungsarbeiten, deren Kosten nie bekannt wurden, stellte die Air Force ihre Arbeiten ein, noch bevor startfähiges Gerät auf der Rampe stand. Auch in der damaligen UdSSR scheiterten Projekte mit so klangvollen Namen wie Albatros und Kosmoljot.
Während die USA Menschen mit herkömmlichen Raketen zum Mond und zurück auf die Erde brachten, initiierte das Bonner Forschungsministerium die “Arbeitsgemeinschaft Rückkehrtechnologie”. In bescheidenem Rahmen wurde an einem Raumgleiter mit dem Codenamen Bumerang gearbeitet. Er sollte an der Spitze einer Europarakete vom australischen Startplatz Woomera in den Weltraum fliegen. Neben zahlreichen Windkanalversuchen an zwei Modellen fanden im Sommer 1973 mehrere Schleppversuche mit Flugzeugen auf Korsika statt. Ein Jahr später lief das Projekt sang- und klanglos aus.
Damals nahm die französische Weltraumbehörde CNES einen dreisitzigen Raumgleiter ins Visier. Hermes, benannt nach dem Götterboten der griechischen Mythologie, wurde 1986, also ein gutes Jahrzehnt später, in das europäische Programm zum Einstieg in die bemannte Raumfahrt integriert. Als bereits 20 Prozent der geplanten 15 Milliarden Mark Entwicklungskosten ausgegeben waren, erschlaffte der politische Wille, das Prestigeprojekt weiter zu fördern.
Auch das 1986 von Großbritannien als Konkurrenz zu Hermes ins Spiel gebrachte Hyperschallflugzeug Hotol (Horizontal Take-Off and Landing) und das zwei Jahre später im Rahmen des deutschen Hyperschallprogramms untersuchte Projekt Sänger-2 führten zu keinem raumfahrttauglichen System. Rund 400 Millionen Mark wurden vom Bundesforschungsministerium und der Industrie in die Untersuchung neuer Raumfahrttechnologien investiert. Zwar konnten luftatmende Hochgeschwindigkeitsantriebe für den Bereich oberhalb der fünffachen Schallgeschwindigkeit erfolgreich getestet werden, dennoch wurde auf die Entwicklung eines Demonstrators verzichtet. Dieses Ziel hatten auch die Russen, als sie mit ihrer Raumfähre Buran (Schneesturm) fast ein Duplikat des amerikanischen Space Shuttle entwickelten. Doch der erste Weltraumeinsatz des Buran im November 1988 war zugleich sein letzter. Nach den politischen Veränderungen im Land wollte niemand mehr die Weiterentwicklung des mit technischen Problemen behafteten Buran zu einer Raumfähre finanzieren.
In der Dimension bescheidener, dafür aber mit gesicherter Finanzierung, arbeitet Japan seit Anfang der achtziger Jahre an wiederverwendbaren Raumtransportern. Der unbemannte Gleiter unter der Projektbezeichnung Himes(Highly Maneuverable Experimental Space Vehicle) sollte mit einer japanischen H2-Rakete senkrecht starten und nach seinem Weltraumeinsatz horizontal landen. Anfang 1987 gab dann Japans Raumfahrtbehörde Nasda bekannt, daß sie bis spätestens Ende der neunziger Jahre einen eigenen bemannten Raumgleiter zum Einsatz bringen will. Zu den Aufgaben der 18 Meter langen und 20 Tonnen schweren Raumfähre Hope (H 2 Orbital Plane) sollte der Transport japanischer Astronauten zur internationalen Raumstation gehören. Wenngleich die Ambition inzwischen zurückgeschraubt wurde, arbeiten die Japaner weiter an einer unbemannten Raumfähre namens Hope-X.
X-33. EIN KEIL BLEIBT COOL.
Was die Raumfähre gegen Hitze isoliert
1. Kohlefasern für Temperaturen über 1600°C 2. Metallkeramische Verbindungen für Temperaturen unter 1600°C 3. Nickel-Kobalt-Verbindungen für Temperaturen unter 1000°C (Rumpf und Kanten von Tragflügeln und Leitwerk) 4. Titan-Verbindungen für Temperaturen bis 850°C 5. Schutz vor Hitzebeanspruchung unter 500°C
Die Brennstoffbehälter 1. Tank 1 mit flüssigem Sauerstoff 2. Tank 2 mit flüssigem Wasserstoff 3. Die Tanks sind aus Kohlefaser-verstärktem Epoxidharz
Uwe Seidenfaden
