Quelle: DLR.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und fünf europäische Unternehmen haben sich im Projekt RETALT (RETro Propulsion Assisted Landing Technologies) zusammengeschlossen, um gemeinsam die Erforschung und Entwicklung von Schlüsseltechnologien für rückwärtslandende Raketen voranzutreiben. Über drei Jahre untersucht das Konsortium die Aerodynamik, die Aerothermodynamik, also die Oberflächentemperaturen während des Flugs, die gesamte Flugdynamik bei Flug und Rückflug, Navigation und Steuerung sowie Strukturteile, Materialien und Mechanismen.

„In den USA sind wiederverwendbare Raumtransportsysteme mit Retro-Schub schon in der Praxis in Betrieb. Die Bilder und Videos von SpaceX sind um die Welt gegangen. Da verwundert es vielleicht, dass die physikalischen Phänomene hinter den Technologien noch gar nicht vollständig verstanden sind. Aber es ist so: Stand heute fehlen hochwertige, experimentelle Daten aus Windkanalversuchen und Bodendemonstratoren“, sagt Prof. Ali Gülhan, RETALT-Projektkoordinator und Leiter der Abteilung Über- und Hyperschalltechnologien am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Köln. „Wenn wir diese Daten mit numerischen Simulationen kombinieren, können wir die komplexe Physik besser verstehen und einen großen Schritt in Richtung Wiederverwendbarkeit von Raketen in Europa machen. Nur eine enge und intensive Zusammenarbeit von Forschung und Industrie kann das Know-how für eine schnellstmögliche Umsetzung der notwenigen Technologien liefern“, so Gülhan weiter.

Während des Projekts werden zwei Konzepte für senkrecht startende und landende Raketen getestet: Die Konfiguration RETALT1 hat zwei Stufen – ähnlich den konventionellen Raketen Falcon 9 oder Ariane 5. Die erste Stufe dieser Trägerrakete soll wieder landen. Der zweite Launcher (Konzept RETALT2) hat nur eine einzige Stufe. Er ist für kleinere Nutzlasten ausgelegt und bremst bei der Rückführung nicht nur mit dem Retro-Schub, sondern zusätzlich mit Hilfe einer großen aerodynamischen Grundfläche an der Unterseite.

Das RETALT-Team untersucht sämtliche Aspekte mit Referenzkonfigurationen, und Modellen im kleineren Maßstab. So werden bei den Aerodynamiktests in den Windkanälen des DLR Modelle in Maßstäben zwischen 1:30 und 1:100 eingesetzt. Konfigurationen zur Untersuchung von Strukturkomponenten wie den Landebeinen entstehen in Maßstäben von bis zu 1:3. Während des Projekts werden die Technologien in repräsentativen Umgebungen getestet. Davon ausgehend können in Folgeprojekten Prototypen gebaut und tatsächlich im Wellstall getestet werden.

Über das Projekt RETALT
RETALT (RETro Propulsion Assisted Landing Technologies) ist ein europäisches Projekt, das von der Europäischen Kommission im Rahmen des EU-Förderprogramms Horizont 2020 mit drei Millionen Euro gefördert wurde. Partnerorganisationen sind das DLR, CFS Engineering (Schweiz), Elecnor Deimos (Spanien), MT Aerospace (Deutschland), Almatech (Schweiz) und Amorim Cork Composites (Portugal).

Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik ist verantwortlich für die Koordination des Projekts, das Design der Referenzkonfigurationen sowie die Bewertung von Aerodynamik und aerothermodynamischem Verhalten durch Windkanaltests und Computational-Fluid-Dynamics-Simulationen (CFD). Beteiligt sind die Abteilungen Über- und Hyperschalltechnologien am DLR-Standort Köln und die Abteilung Raumfahrzeuge am Standort Göttingen.

Auch CFS Engineering führt CFD-Simulationen durch und ist darüber hinaus für die Verbreitung und Verwertung der Projektergebnisse verantwortlich. Elecnor Deimos untersucht die Flugdynamik und entwickelt das Leit-, Navigations- und Steuerungskonzept für die Referenzkonfigurationen. MT Aerospace entwickelt Strukturkomponenten wie die Landebeine sowie aerodynamischen Steuerflächen und wird skalierte Demonstratoren der Strukturen herstellen. Almatech entwickelt Mechanismen für die Strukturbauteile und ist verantwortlich für die Konzeption einer Schubvektorsteuerung (TVC). Amorim Cork Composites entwickelt das Thermalschutzsystem (TPS) für kritische Bauteile, insbesondere die Grundfläche der Trägerraketen, die mit heißem Abgasstrahl im Windkanal getestet werden.

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Quelle: NASA.

Die Teile des Apollo-TPS haben an der Apollo-Kapsel mit der Seriennummer 011 einen suborbitalen Flug und den anschließenden, durch drei zusätzliche Zündungen des Haupttriebwerkes des Servicemoduls mit sehr hoher Geschwindigkeit (8,9 km/s) erfolgten Wiedereintritt überstanden, und sind deshalb von besonderem Interesse.

Die Apollo-Kapsel, die am 25. August 1966 auf einer Saturn-IB gestartet wurde, erreichte eine maximale Fughöhe von 1.128 Kilometern über der Erde und landete nach einer Flugzeit von einer Stunde, dreiunddreißig Minuten und zwei Sekunden im Pazifik in der Nähe von Wake Island, wo sie vom Flugzeugträger USS Hornet / CV12 (CV = Carrier Vessel) aufgefischt wurde.

Eines der Ziele der AS-202 und inoffiziell Apollo 3 genannten Mission war es damals, die Konstruktion des TPS bei hohen Wiedereintritts-geschwindigkeiten zu überprüfen und zu bestätigen. Das TPS, bestehend aus den Hauptkomponenten am Kapselboden, an den Kapselseitenwänden und dem Ring um den Durchstiegstunnel, verwendete ein von der AVCO Corporation entwickeltes Material, das bei hohen Temperaturen langsam abschmilzt und dadurch darunterliegende Schichten vor hohem Temperatureintrag schützt. Wabenförmige Zellen aus besonders leichtem Fiberglasmaterial wurden in Handarbeit mit phenoplastischem Epoxidharz gefüllt. In einzelne Blöcke zerschnitten erfolgte anschließend eine Verklebung mit der primären metallenen Tragstruktur der TPS-Komponenten.

Nach dem kurzen Flug ins All erlebte die Apollo-Kapsel mit der Seriennummer 011 sogenannte land-impact-tests, bei welchen die Auswirkungen des Aufpralls der Kapsel auf harten Untergrund statt auf Wasser untersucht werden sollten. Reichlich beschädigt wurde die Kapsel später dem Smithsonian National Air and Space Museum übergeben. Die eigentliche Kapsel erreichte schließlich das USS Hornet Museum in Alameda und ist jetzt auf dem Flugzeugträger, der die Kapsel nach ihrem Flug 1966 barg, ausgestellt.

Bestandteile des TPS der Kapsel wurden in der Paul E. Garber Preservation, Restoration and Storage Facility in Suitland eingelagert. Ende Juni 2008 begannen Wissenschaftler und Ingenieure der NASA, TPS-Komponenten aus der Apollo-Ära beim Smithsonian National Air and Space Museum zu sichten. Für die Orion-Entwickler war es wie Weihnachten im Juli, als sie die Möglichkeit bekamen, die vor zweiundvierzig Jahren bei AS-202 eingesetzten Hitzeschutzteile zu untersuchen. Deren Analyse wird bei der Entwicklung und Konstruktion des TPS für die Orion-Kapsel helfen, ist man überzeugt.

In den kommenden Monaten sollen zerstörerische und nicht zerstörerische Tests an dem aufgefundenen TPS-Material durchgeführt werden. Auch die metallene Tragstruktur des Apollo-TPS wird weiter begutachtet und untersucht. Insbesondere weil die Orion-Kapsel im Gegensatz zu Apollo wiederverwendbar sein soll, wird noch einiges an Arbeit zu leisten sein.

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