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Die Rückkehrkapsel LaReCa

Wiederverwendbare Rückkehrkapseln als zukünftige Raumtransportvehikel sind in Europa, aber auch in den USA in letzter Zeit wieder in den Vordergrund gerückt. Mit LaReCa wären sowohl Logistikflüge zu einer Raumstation als auch autonome europäische Wissenschaftsmissionenm möglich.

Die Grundidee eine große Rückkehrkapsel mit der Ariane 5 in niedrige Erdumlaufbahnen zu befördern, ist nicht neu. Bereits 1989 wurde von ERNO Raumfahrttechnik ein solcher Vorschlag untersucht (FlugRevue 3/89).

Dabei sollte diese Kapsel mit einem entfaltbaren Rotorsystem für punktgenaue und weiche Landungen ausgerüstet werden.

In der Zwischenzeit haben sich die raumfahrtpolitischen Umfeldbedingungen durch die Einstellung des Großprojeks der europäischen Raumfähre Hermes wesentlich verändert, und in der ESA werden Kapselprojekte wieder ernsthaft diskutiert. Der damalige Vorschlag wurde inzwischen weiter ausgearbeitet und als LAReCa Projekt (Large Ariane 5 Return Capsule)sowohl der ESA als auch der deutschen Raumfahrtagentur DARA vorgestellt.

Die folgenden übergeordneten Anforderungen werden an eine große (europäische) Rückkehrkapsel gestellt:

  • Entwicklung einer bemannbaren, autonomen, vielseitig einsetzbaren Großkapsel.
  • Verwendung und volle Leistunssausnutzung der Ariane 5 (Single Launch).
  • Wiederverwendung.
  • Missionsvorbereitung und Wartung des Fluggeräts am Boden in Europa.
  • Breites Anwendungsspektrum; keine einseitige Auslegung für eine spezielle Mission.

Alle diese Anforderungen könnten mit der Großkapsel LAReCa erfüllt werden. 

LaReCa setzt sich aus einem Antriebsmodul, das nicht wiederverwendbar ist, und der Rückkehrkapsel zusammen. Der maximale Kapsel-Durchmesser von 7,3 m wurde dabei auf die Frachtraumabmessungen des künftigen Airbusteile-Transporters „Beluga“ von Airbus Industrie abgestimmt.  Das Cockpit im oberen Teil där Kapsel hat ein Volumen von rund 30 cbm und kann 3 bis 5 Astronauten für eine maximale Missionsdauer von zunächst 12 Tagen aufhehmen. Der abgeschottete Nutzlastraum unterhalb des Cockpits hat ein Volumen von rund 110 cbm und kann über eine Klappe von 4 qm Querschnitt zum Weltraum hin geöffnet werden, wenn die Mission dieses erfordert. Im Normalfall steht dieser Nutzlastraum aber, gleich wie das Cockpit, unter Atmosphärendruck und kann von der Crew ohne Druckanzug betreten werden. Ein Andocken an die Internationale Raumstation ISS ist möglich. Außerdem ist, ähnlich wie beim Space Shuttle, auch die Mitnahme eines externen Roboterarms möglich, so wie es auch für Hermes vorgesehen war.

Ablauf einer LaReCa – Mission  Quelle: Zelck

Das Antriebsmodul enthält das Antriebssystem mit den Treibstoffmassen (Bipropellant) für den Orbit-Kreisbahneinschuß, die Orbitmanöver und das spätere Abbremsmanöver für den Wiedereintritt.

Außerdem werden aus Gründen der Massenbilanz auch noch andere Untersysteme wie beispielsweise das elektrische Stromerzeugungssystem (Brennstoffzellen) und die Radiatoren, in diesem Element untergebracht. Nach dem Abbremsmanöver wird die Antriebsstufe von der Kapsel getrennt und mit entsprechenden Boostern von dieser entfernt.

Sie tritt dann mit einem steilen Winkel in die Atmosphäre ein und verglüht hierbei.

Die Rückkehrkapsel ist in der Lage  während der ersten Phase nach dem Eintritt in die Atmosphäre im Hyperschall-Geschwindigkeitsbereich, ähnlich wie die Apollokapseln, auf ihrem Hitzeschild zu gleiten und damit eine seitliche Bahnabweichung von 100 bis 150 km zu korrigieren. Ein festeingebauter Schwerpunktversatz gibt der kapsel hierbei den erforderlichen Anstellwinkel, und ein spezielles Lageregelungssystem dreht die Kapsel in die jeweils erforderliche Flugrichtung. Nach dieser Gleitphase folgt die Fallschirmphase mit einer nominellen Sinkgeschwindigkeit von etwas über 16m/s.  Grundsätzlich kann die Kapsel mit dieser Sinkgeschwindigkeit un ihren 4 ausgefahrenen Landebeinen aufsetzen. Die großen Kapselabmessungen lassen nämlich die Unterbringung von Landebeinen zu, die im ausgefahrenen Zustand einen Verformungsweg (plastisch) von 2,4m haben. Daraus ergibt sich eine mittlere Verzögerung von 5,7 g. Höhere Spitzenwerte treten nur sehr kurzfristig auf und erreichen die im oberen Bereich liegenden Astronauten nur sehr abgedämpft.

Der Nutzlastraum der LaReCa Kapsel ist zweigeteilt und bietet in der bemannten Version Platz für 5 Astronauten. Quelle: Zelck

Allerdings wurden bei diesem einfachen Landeverfahren die maximalen Abweichungen von einem Zielpunkt – bedingt durch Toleranzen beim Eintritt und später im Unterschallbereich durch Windversatz – auf 7,5 km in allen Richtungen abgeschätzt. Eine punktgenaue und außerdem weiche Landung ist jedoch mit einer LaReCa-Variante möglich, die zusätzlich mit einem Rotarlandesystem ausgerüstet ist. Vier Rotarblätter sind in wannenförmigen Vertiefungen  der Außenstruktur untergebracht. Bereits in größeren Höhen wird das Rotorsystem entfaltet und, nach Abwurf der Fallschirme, zunächst im Autogirobetrieb gefahren, wobei ein kleiner Gleitwinkel erzielt werden kann. In niedriger Höhe werden dann Rückstoßantriebe an den Blattspitzen gezündet und die Rotorblätter auf positive Anstellwinkel gestellt. Mit Hilfe einer Taumelscheibensteuerung kann die Kapsel dann einen Restversatz korrigieren und horizontale Relativgeschwindigkeiten über Grund abbauen. Damit wird vor allem eine landung am Startort Korou möglich. Gesteuert wird die Landung entweder von einem Kontrollzentrum aus oder, im Notfall automatisch.

Für Notfälle in der Startphase, angefangen von der noch nicht abgehobenen Rakete am Startplatz bis hin zum Brennschluß der großen Feststoffbooster, kann die Rückkehrkapsel von der Antriebsstufe getrennt und wegbeschleunigt werden. Hierfür sind 3 Feststoff-Rettungsmotoren vorgesehen, die in gesonderten Einstülpungen des Druckkörpers untergebracht werden. Die Kapsel landet dann mit den Landesystemen entweder noch an Land in der Nähe des Startortes oder im Atlantik.  Im Nominalfall werden die Rettungsmotoren nach dem Abwerfen der ausgebrannten großen Feststoffbooster und noch während der Brennphase der großen Zentralstufe abgebrannt. Der Energieinhalt der Rettungsmotoren ist dann Bestandteil des erforderlichen Gesamtimpulses. 

Ein weiterer Vorteil von LaReCa gegenüber Raumfähren wie dem Space Shuttle oder Hermes ist die immer gleich bleibende, senkrechte Stellung der Kapsel, von der Missionsvorbereitung bis zum Start. Diese bietet ausgezeichnete Möglichkeiten, die Nutzlast bis kurz vor dem Start zu warten und ggf. auszutauschen. Vom Bremsmanöver zum Wiedereintritt in die Erdatmosphäre bis zur Landung bleibt die Lage der Kapsel ebenfalls unverändert. Sie fliegt die ganze Zeit mit dem Hitzeschild voraus. Das Antriebsmodul wird nach der Zündung zum Wiedereintritt zur Seite wegbeschleunigt.

Die verschiedenen LaReca – Versionen und ihre Anwendungsmöglichkeiten Quelle: Zelck

Die basisausführung von LaReCa kann modular für verschiedene Missionsaufgaben aufgerüstet werden. Die einfachste Version ohne Rotorlandesystem ist für unbemannte Logistikflüge gedacht. Je nach Inklination können bis zu 4,7 t Nutzlast in den Orbit und 5,1 t zurückgebracht werden. Bei Flügen zur Internationalen Raumstation ISS, in einer Umlaufbahn von 28,5° läge der Landeplatz in den USA. In einer zweiten Ausbaustufe wären wissenschaftliche Flüge im Sile der Eureca-Missionen möglich.  Für Missionen von mehr als 14 Tagen müßten allerdings zusätzliche Solarzellenausleger angebracht werden. Im Gegensatz zu Eureca ist LaReCa in der Lage, ohne die Hilfe eines Shuttles zurückzukehren.  Am Ende der Entwicklungslinie steht die bemannte Version mit Rotarlandesystem. Sie erlaubt neben dem Crew-Transport zur Raumstation auch eigenständige Missionen.

Mit der großen Rückkehrkapsel LaReCa stünde Europa ein eigenes Raumfluggerät zur Verfügung, das alle Anforderungen im Zusammenhang mit der Beteiligung an einer Raumstation erfüllen würde. Gleichzeitig wären, je nach Bedarf, auch autonome Missionen möglich.

Gerd Zelck 

Der Autor ist Luft- und Raumfahrtingenieur und war u.a. an der Entwicklung der Europa-Rakete (Vorläufer der Ariane-Raketen), des Airbus und des europäischen Raumlabors SpaceLab beteiligt. Die  Rückkehrkapsel LaReCa, eine Eigententwicklung wäre ein ideales Nachfolgeprojekt für das SpaceShuttle und könnte mit seinem innovativen Landesystem die Weltraumfahrt revolutionieren. 

Kategorien:Raumfahrt

Japaner testen revolutionäres Antriebskonzept für den Weltraum

Am 21.Mai 2010 starteten die Japaner erfolgreich eine äußerst interessantes interplanetares Weltraumunternehmen. An Bord einer HII-A Trägerrakete befanden sich zwei völlig unterschiedlich konstruierte, unbemannte Raumschiffe, die beide nach der Trennung von der HII-A beide in Richtung Venus weiterfliegen, aber grundverschiedene Missionsziele verfolgen: 

1. Der Venus-Orbiter, „Akatsuki“ (Morgendämmerung) soll Wetter und Klima auf der Venus untersuchen und vielleicht auch  auch möglichen Hinweisen auf Leben in der Venusatmosphäre nachgehen.

Der „Wettersatellit“ Akatsuki in der Venusumlaufbahn. Quelle: JAXA

2. Der kleine experimentelle Sonnensegler „Ikaros“  (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) betritt absolutes Neuland in der Raumfahrttechnik, da er ein vollkommen neues, noch nie erprobtes Antriebskonzept umsetzt. „Ikaros“ wird nicht durch Raketentriebwerke, sondern über ein Sonnensegel nur durch das Sonnenlicht angetrieben, ähnlich wie ein Segelschiff durch den Wind.

Der Sonnensegler Ikaros auf dem Weg zur Venus. Quelle: JAXA

Das Raumschiff kann vor dem Sonnenlicht „segeln“ also in von der Sonne weg, aber auch gegen das Sonnenlicht kreuzen, wobei es abgebremst wird und wegen der veringerten Bahngeschwindigkeit in Richtung Sonne „fällt“.

Antriebsprinzip eines Sonnenseglers. Quelle: JAXA

Das Sonnensegel ist beim Start natürlich gut verpackt. Erst nach der Trennung des Raumschiffs von der Trägerrakete HIIa wird das Sonnensegel in einem komplizierten mehrschrittigen Prozeß nach und nach entfaltet. Diese Phase ist die kritischte der gesamten Ikaros-Mission.

Die verschiedenen Phasen der Ikaros-Mission. Quelle: JAXA

Ikaros kann mit Hilfe von an den Außenrändern des Segels eingebauten Flüssigskristallen dort die Reflektionseigenschaften verändern und so eine Lagekontrolle ausüben.

Bauplan des Sonnenseglers Ikaros. Quelle: JAXA

Wenn an die Flüssigkristallelemente keine Spannung angelegt wird, reflektieren sie das Sonnenlicht diffus, und es entstehen keine wirksamen Kräfte. Stehen die Elemente dagegen unter Spannung, so reflektieren sie das Sonnenlicht in einer Richtung, so daß eine Kraft ausgeübt wird.

Ikaros Lagekontrolle mit Flüssigkristallen Quelle: Jaxa

Inzwischen hat „Ikaros“ erfolgreich sein Segel entfaltet und ist  in die Missionsphase 5 eingetreten, wie die folgende,  mit einer ausfahrbaren Kamera gemachte Aufnahme eindrucksvoll beweist:

Ikaros mit entfaltetem Segel Quelle: JAXA

Auch die Lagekontrolle mit den Flüssigkeitskristallen wurde schon erfolgreich getestet:

Test der Flüssigkeitskristall-Lagekontrolle von Ikaros. Quelle: JAXA

Das Antriebskonzept von „Ikaros“ ist wahrhaft revolutionär und wird hier erstmals im Weltraum ausprobiert. Klappt alles weiterhin so gut wie bisher, dann wird schon im Jahre 2013 eine weitere japanische Sonde mit einem wesentlich größeren Segel starten, diesmal in Richtung Jupiter.


Mission zu Jupiter und den Trojanern mit einem Sonnensegler. Quelle: JAXA

Die Mission soll neben dem Riesenplanet Jupiter aber auch die Trojanischen Asteroiden erforschen.  Die „Trojaner“ bewegen sich zusammen mit den  „Griechen“ auf derselben Bahn wie Jupiter, eilen dem Gasriesen jedoch voraus bzw. folgen ihm nach.

Die Trojanischen Asteroiden Quelle: Wikipedia

Die Vorteile der neuen Lichtsegel-Antriebstechnologie liegen auf der Hand. Sie spart Treibstoff und wird die Reisezeiten bei interplanetaren Unternehmungen erheblich verkürzen. In einer fortgeschritteneren Form wären mit dieser Technologie sogar interstellare Reisen zu den nächsten Fixsternen durchführbar und das bei Reisezeiten von nur wenigen Jahrzehnten! 

Mit herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken blieben interstellare Reisen, selbst zu den allernächsten Sternen, für alle Zeiten undurchführbar. Eine solche Reise würde, bei einem schon aus Treibstoffgründen überwiegend antriebslosem Flug,  mehrere Jahrzehntausende dauern. Auch mit den derzeit oder bald zur Verfügung stehenden Ionentriebwerken wären noch Jahrhunderte bis Jahrtausende zu veranschlagen.

Ein interstellarer Flug zum nächsten Fixstern Alpha-Centauri (Entfernung 4,5 Lichtjahre) mit einem Licht- bzw.  Mikrowellen-Segler. Quelle: Glenn Research Center, NASA

So etwas würde allerdings nicht mehr mit dem Sonnenlicht funktionieren. Der Druck auf das Lichtsegel würde mittels hochenergetischer, durch Fresnel-Linsen gebündelter Laserpulse oder Mikrowellen (Maser) erzeugt.

Jens Christian Heuer 

Quelle: JAXA (http://www.jaxa.jp/)

Kategorien:Raumfahrt