Skylon und SABRE – Die Vision des Spaceplane wird realer

Skylon soll in näherer Zukunft die Arbeit einer Trägerrakete erledigen. Als vollständig wiederverwendbares Spaceplane oder Weltraumflugzeug würde es dann wie ein Großraumflugzeug von einer herkömmlichen Start- und Landebahn aus agieren. Durch sein neuartiges SABRE-Triebwerk, seine flexible Einsatzfähigkeit und wesentlich reduzierte Startkosten könnte damit Raumfahrt neu definiert werden.

Das Spaceplane wird von dem britischen Unternehmen Reaction Engines Ltd entwickelt.

Dank seiner beiden neuartigen Triebwerke kann es eine Erdumlaufbahn mit einer einzigen Antriebsstufe erreichen. Demgegenüber müssen heutige Trägerraketen oder das ausgemusterte Spaceshuttle mehrere Stufen verwenden. Die ausgebrannten Antriebsstufen oder leeren Treibstofftanks werfen sie ab, um ihr Gewicht zu verringern. Darauf kann Skylon verzichten, wenn seine Entwicklung wie geplant fortschreitet. Es soll bis zu 200-mal wiederverwendet werden können und nach jedem Einsatz schnell wieder einsatzbereit sein, um Satelliten, andere Nutzlast und Astronauten in eine Erdumlaufbahn zu bringen.

Einen wesentlichen Entwicklungsschritt, vielleicht den wichtigsten, kann Reaction Engines bereits für sich verbuchen, den erfolgreichen Test des SABRE-Vorkühlers (s.u.).

Überblick: Skylon als flexible Raumfähre

Skylon: wesentliche Baugruppen. Menschen zum Größenvergleich. Grafik: Reaction Engines Ltd

Skylon: wesentliche Baugruppen. Menschen zum Größenvergleich. Grafik: Reaction Engines Ltd

Für das schlanke Spaceplane ist eine Länge von etwa 83 m vorgesehen und eine Spannweite von 25 m. An den Enden der Tragflächen sitzen die beiden Haupttriebwerke vom Typ SABRE (s.u.). Ein kleineres SOMA-Doppeltriebwerk im Heck des Skylon wird für Manöver in der Umlaufbahn benötigt. Bei einem Startgewicht von 325 t kann es mit 250 t Treibstoff etwa 15 t Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn befördern. Die genaue Nutzlastmasse hängt vom Breitengrad des Startplatzes und der Neigung der Umlaufbahn ab. Die Nutzlastbucht sitzt zentral im Fluggerät zwischen den Tragflächen und lässt sich wie beim Spaceshuttle durch zwei oben angebrachte Türen öffnen.

Start und Landung wie ein Flugzeug

Skylon startet und landet wie ein Flugzeug. Künstlerische Darstellung. Grafik: Reaction Engines Ltd

Skylon startet und landet wie ein Flugzeug. Künstlerische Darstellung. Grafik: Reaction Engines Ltd

Skylon startet wie ein Flugzeug auf einer langen Startbahn mit den Triebwerken in der luftatmenden Betriebsart. Piloten sind nicht an Bord; das Spaceplane wird von der Bodenstation aus ferngelenkt. Es beschleunigt bis auf über 5-fache Schallgeschwindigkeit und hat dann eine Höhe von etwa 28 km erreicht. Dort werden die Triebwerke in den Raketen-Modus geschaltet und heben Skylon in eine niedrige Erdumlaufbahn.

Wasserstoff und (Luft-)Sauerstoff als Treibstoff

Als Treibstoff nutzt Skylon Wasserstoff. In den dichteren Atmosphärenschichten verbrennt es ihn mit dem Luftsauerstoff wie in einem Jet-Triebwerk. Ab etwa 28 km Höhe verbrennt es ihn mit dem mitgeführten Flüssigsauerstoff wie eine herkömmliche Rakete.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Rakete mit Wasserstoff-Sauerstoff-Treibstoff nutzt Skylon in der ersten Flugphase den Sauerstoff der umgebenden Luft. Es muss daher in dieser Phase keinen Sauerstoff mitführen und hat ein entsprechend geringeres Startgewicht. Daher kann Skylon einstufig eine Erdumlaufbahn erreichen, also ohne Antriebsstufen abzuwerfen wie herkömmliche Trägerraketen. Das vereinfacht die Flugvorbereitung des Spaceplane und seine Wiederverwendbarkeit drastisch.

Wenn die Nutzlast im Orbit ausgesetzt ist oder Skylon andere Aufgaben erfüllt hat, wird der Rückflug durch Bremsschub eingeleitet. Es tritt wieder in die Erdatmosphäre ein und gleitet zu seiner Landebahn.

Rumpf

Der Rumpf des Skylon wird durch einen Rahmen aus Titan-Streben stabilisiert, die durch Siliciumcarbid-Fasern verstärkt sind. Darin sind die Treibstofftanks aus Aluminium aufgehängt. Der Rahmen ist mit Platten aus verstärkter Glaskeramik bedeckt, die als aerodynamische Hülle und Hitzeschutz dienen.

Steuerung

Skylon fliegt ohne Piloten und wird von der Bodenstation aus ferngelenkt. In den dichteren Atmosphärenschichten steuert das Weltraumflugzeug mithilfe von Vorflügeln, Querruder und Seitenruder. In den höheren Atmosphärenschichten kontrolliert die unterschiedliche Drosselung der Haupttriebwerke den Gierwinkel und der Fluglagenwinkel durch die Pendelbewegung der Haupttriebwerke. Nach Brennschluss richten bei Bedarf kleine Lageregelungstriebwerke das Spaceplane im Raum aus.

Druckkabine für Menschen und Fracht

Die Nutzlastbucht des Skylon kann mit unterschiedlichen Modulen, Koppelelementen und Nutzlastträgern ausgerüstet werden. Dazu gehört auch das Personnel / Logistics Module (SPLM). Damit können Menschen und Fracht zu Raumstationen transportiert werden. Das Modul ist optimiert für 24 Passagiere, kann aber variabel für Passagiere und Fracht eingerichtet werden. Die Druckkabine ist 8,5 m lang und hat einen Durchmesser von 4 m.

Die Sicherheit der Passagiere zu gewährleisten, ist das wichtigste Konstruktionsziel für das SPLM. Bei einem Unfall oder Störfall soll es die Passagiere unabhängig vom Skylon bis zur Rettung am Leben halten. Die Struktur des Skylon dient bei einem Absturz als Knautschzone. Außen ist es mit einem Hitzeschild ausgestattet, dass einem Brand des Treibstoffes standhält. Sollte die Kabine brechen, werden die Passagiere noch durch ihre Druckanzüge geschützt. Wenn das Spaceplane im Flug auseinanderbrechen sollte und das SPLM freisetzt, kann die Kabine an einem Fallschirm landen. Wenn das Skylon durch einen Störfall nicht aus der Umlaufbahn zurückkehren kann, hält die Kabine ihre Passagiere für zwei Tage am Leben. In dieser Zeit kann ein weiteres Skylon starten, am havarierten Weltraumflugzeug andocken und die Besatzung zur Erde zurückholen.

Manövertriebwerk SOMA

Für Manöver in der Erdumlaufbahn besitzt Skylon im Heck zwei Triebwerke vom Typ Orbital Manoeuvring Assembly oder kurz SOMA. Damit kann das Spaceplane seine Umlaufbahn verändern und durch Bremsschub den Abstieg einleiten. Jedes der Triebwerke besitzt eine einzelne Turbine, die die Sauerstoff- und Wasserstoffpumpen antreibt. Die Pumpen speisen je zwei Brennkammern für die zwei Schubdüsen des Triebwerks. Zwei SOMAs sind im Skylon zu einem Triebwerkblock mit vier Schubdüsen kombiniert. Jedes SOMA hat eine Masse von etwa 100 kg, ist 1,30 m lang und liefert bis zu 40 kN Schub.

Hauptantrieb SABRE

Dieses neuartige Kombi-Triebwerk arbeitet es nacheinander in zwei Betriebsarten: zuerst luftatmend ähnlich einem Jet-Triebwerk und danach wie ein Raketentriebwerk (s.u.).

Anwendungen: Satelliten, Fracht und Astronauten

Skylon soll die wesentlichen Aufgaben der Raumfahrt erfüllen können.

Skylon im Erdorbit nach dem Aussetzen eines Satelliten. Grafik: Reaction Engines Ltd

Skylon im Erdorbit nach dem Aussetzen eines Satelliten. Grafik: Reaction Engines Ltd

Satelliten. Skylon bringt Satelliten direkt in eine niedrige Erdumlaufbahn, einzelne größere Satelliten oder mehrere kleine. Eine spezielle Antriebsstufe transportiert sie bei Bedarf in eine höhere Umlaufbahn, insbesondere in eine geostationäre Umlaufbahn, wie sie Telekommunikations- und TV-Satelliten benötigen. Diese Oberstufe wird von Skylon wieder aufgenommen und kann bei einem anderen Einsatz wiederverwendet werden.

Astronauten, Personal und Fracht. In der Nutzlastbucht des Spaceplane kann ein spezieller Container installiert werden, mit dem sich Nutzlast und Passagiere transportieren lassen.

Versorgung von Raumstationen. Mit einer speziellen Schleuse wird Skylon an Raumstationen angedockt, um Passagiere und Fracht abzuliefern.

Aufbau orbitaler Infrastruktur. Als Transporter bringt Skylon Bauelemente und Module in die Erdumlaufbahn, etwa für Raumstationen, interplanetare Missionen oder Weltraumteleskope.

Typisches Missionsprofil: einstufig in den Weltraum

Flugvorbereitung. Nutzlast wird von oben per Kran in die Nutzlastbucht eingebracht und installiert. Danach wird das Spaceplane zur Betankungsrampe am Anfang der Startbahn geschleppt und mit Wasserstoff, Sauerstoff und Helium befüllt. Schließlich werden die technischen Systeme des Fluggeräts durchgecheckt.

Start. Nach den Vorflug-Checks werden die Haupttriebwerke des Skylon gestartet und getestet. Wenn die Missionskontrolle den Start freigibt, beschleunigt das Spaceplane auf der Startbahn. Mit der Geschwindigkeit von 155 m/s hebt es ab. Wenn Skylon eine Fehlfunktion hat und der Start nicht mehr gestoppt werden kann, wird der Treibstoff abgelassen und das Weltraumflugzeug im Gleitflug zur Landebahn gesteuert.

Aufstieg. Ansonsten beschleunigt Skylon mit seinen Haupttriebwerken im luftatmender Betriebsart bis auf über 5-fache Schallgeschwindigkeit und 28 km Höhe. Dann werden die Triebwerke in den Raketenmodus geschaltet und beschleunigen Skylon auf die Höhe der gewünschten Umlaufbahn. Mithilfe der SOMA-Triebwerke wird dort die Bahn des Spaceplane in eine kreisförmige Umlaufbahn verwandelt.

Aussetzen der Nutzlast. Satelliten oder andere Nutzlasten für eine niedrige Erdumlaufbahn werden nach Öffnen der Nutzlastluken direkt ins All entlassen. Satelliten für höhere Umlaufbahnen wie den geostationären Orbit werden von der wiederverwendbaren Oberstufe des Skylon dorthin befördert. Sie wird von einem einzelnen SOMA-Triebwerk angetrieben. Die Oberstufe bleibt nach dem Absetzen des Satelliten im Tranferorbit, bis sie zur Bahn des Skylon zurückkehrt. Per Bremsschub passt sie ihre Bahn der Bahn des Skylon an und wird vom Spaceplane aufgenommen.

Abstieg. Zum berechneten Zeitpunkt werden die SOMA als Bremstriebwerke gezündet, und Skylon beginnt den Abstieg zu seinem Spaceport. In etwa 120 km Höhe tritt das Weltraumflugzeug wieder in die Erdatmosphäre ein. Seine Lagetriebwerke halten die Fluglage stabil, bis die Vorflügel, das Querruder und das Seitenruder in den dichteren Atmosphärenschichten die Steuerung wieder übernehmen.

Landung. Skylon gleitet wie das ehemalige Spaceshuttle seinem Spaceport entgegen und landet schließlich wie ein Flugzeug.

Wartung. Nach der Landung wird das gesamte Fluggerät inspiziert, gewartet und innerhalb weniger Tage auf den nächsten Flug vorbereitet.

Hauptantrieb: das neuartige Kombi-Triebwerk SABRE

SABRE- Kombitriebwerk. Grafik: Reaction Engines Ltd

SABRE- Kombitriebwerk. Grafik: Reaction Engines Ltd

Das Kürzel SABRE steht für Synergetic Air-Breathing Rocket Engine. Dieses neuartige Triebwerk wird von dem britischen Unternehmen Reaction Engines Ltd entwickelt. Es ist so konzipiert, dass es ein Raumfahrzeug samt Nutzlast einstufig in eine Erdumlaufbahn befördern kann. Hierfür arbeitet es nacheinander in zwei Betriebsarten: zuerst luftatmend ähnlich einem Jet-Triebwerk und danach wie ein Raketentriebwerk.

Luftatmender Modus. In den dichteren Atmosphärenschichten. Das Triebwerk nutzt die einströmende Luft als Sauerstoffquelle, um den mitgeführten flüssigen Wasserstoff in der Brennkammer zu verbrennen. Der Schub pro Triebwerk ist variabel und schafft pro Antriebsgondel einen Schub um 1500 kN.

Raketen-Modus. In den dünneren Atmosphärenschichten und im Weltraum. Das Triebwerk verbrennt den mitgeführten flüssigen Wasserstoff mit dem ebenfalls mitgeführten flüssigen Sauerstoff wie ein herkömmliches Raketentriebwerk. Der Schub beträgt maximal etwa 300 Tonnen.

In beiden Betriebsarten wird der Schub durch dieselben Brennkammern und Schubdüsen erzeugt. Dazu kombiniert das SABRE Elemente der Gasturbinen und Raketentriebwerke. Damit schafft es pro Antriebsgondel ebenfalls einen Schub um 1500 kN.

Da Skylon im ersten Betriebsmodus den Sauerstoff der Atmosphäre nutzt, verringert sich das Startgewicht des Spaceplane um über 250 Tonnen. Einerseits muss es für die erste Flugphase keinen Sauerstoff mitführen, andererseits braucht es keine schwere erste Stufe, die sonst nach Brennschluss abgeworfen würde.

Der luftatmende Modus arbeitet, bis das Spaceplane in 25 km Höhe etwa 5,5-fache Schallgeschwindigkeit erreicht hat. Das sind 20 Prozent der Geschwindigkeit und 20 Prozent der Höhe, die es für eine Erdumlaufbahn benötigt. Die fehlenden 80 Prozent werden im Raketen-Modus erreicht.

Konstruktives Problem

Für das SABRE haben die Ingenieure ein wesentliches Problem des luftatmenden Modus gelöst: Bevor die Luft in die Brennkammer geleitet wird, muss ihr Druck durch Kompression auf etwa 140 bar erhöht werden. Dabei wird sie so heiß, dass sie die Metalle des Triebwerks schmelzen würde. Das Problem wird durch einen speziellen Vorkühler gelöst. Dieser Hitzeaustauscher kühlt die Luft soweit ab, dass sie fast verflüssigt. Danach verdichtet ein weitgehend herkömmlicher Turbo-Kompressor ähnlich wie in einem Jet-Triebwerk die Luft auf den nötigen Druck.

Reaction Engines schaffte den technologischen Durchbruch mit extrem feinen Röhrensystemen im Triebwerk. Darin zirkuliert -170 °C kaltes Helium, wobei die Röhrchen eine Wandstärke von weniger als einer Haardicke besitzen. Obwohl das Röhrensystemen über 50 km lang ist, wiegt es weniger als 50 kg. Das Helium leitet die Hitze der mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit ins Triebwerk strömenden Luft augenblicklich ab, in weniger als einer 100-stel Sekunde von über 1000 °C auf etwa -140 °C. Die Ingenieure erreichten gleichzeitig, dass der in der Luft enthaltene Wasserdampf gefriert und den Vorkühler unbrauchbar macht.

Der Vorkühler ist so extrem leichtgewichtig konstruiert, dass er etwa 100-mal leichter ist als herkömmliche Technologien und somit leicht genug für die Raumfahrt.

Praxis-Test

Vorkühler des SABRE-Triebwerks auf dem Teststand. Foto: Reaction Engines Ltd

Vorkühler des SABRE-Triebwerks auf dem Teststand. Foto: Reaction Engines Ltd

Die britische Regierung beauftragte den Praxistest des SABRE-Vorkühlers durch die Europäische Raumfahrtagentur ESA, die 2012 die erfolgreiche Demonstration des Vorkühlers unter Laborbedingungen bestätigte.

Gegenüber der BBC sagte Alan Bond, Geschäftsführer der Reaction Engines Ltd. und treibende Kraft der Skylon-Entwicklung: „Es ist wichtig zu betonen, dass die Geometrie des Vorkühlers kein Modell ist. Das ist ein Stück reales SABRE-Triebwerk“
„Wir müssen nach diesen Tests nicht anfangen, das reale Ding zu entwickeln; dies ist das reale Ding.“

Timeline und Finanzierung

  • Frühe 1980er: luftatmendes Triebwerks-Konzept von Alan Bond und Ingenieuren des britischen Flugzeugmotorenhersteller Rolls-Royce, Finanzierung eingestellt.
  • 1989: Reaction Engines Ltd wird gegründet von Alan Bond und den Rolls-Royce-Ingenieuren John Scott-Scott und Richard Varvill.
  • Frühe 1990er: Entwicklung robuster technischer Entwürfe für SABRE und Skylon beginnt, parallel Laborarbeit zu Aerothermodynamik, Antriebs-, Struktur- und Regeltechnik.
  • 2000er: Private Finanzierung und staatliche Unterstützung nimmt zu; Intensives Programm zur Demonstration der leichtgewichtigen Vorkühler-Technologie und Entwicklung geeigneter Produktionstechnologie; Zusammenarbeit mit der Universität Bristol beim Design der Schubdüse.
  • 2010: EADS-Astrium testet zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erfolgreich die Kühlungs-Technologie der SABRE-Brennkammer.
  • 2011: Das DLR modelliert und testet die Aerothermodynamik des Skylon am Computer.
  • 2012: Prototyp des SABRE-Vorkühlers wird erfolgreich getestet.

Zu über 90% wird das Skylon-Projekt durch private Investoren finanziert. Weitere finanzielle Unterstützung liefern die European Space Agency (ESA) und das British National Space Centre (heute UK Space Agency).

Die nächsten Schritte

Im nächsten Schritt des SABRE-Programms wird ein Demonstrator des gesamten Antriebs für Bodentests konstruiert. Im verkleinerten Maßstab soll er insbesondere den Übergang vom luftatmenden in die Raketen-Betriebsart zeigen. Verkleinerte flugfähige Modelle des Skylon sollen folgen.

Am 8. Dezember 2011 bemerkte Alan Bond auf der 7th Appleton Space Conference: „Der Antrieb ist das Element mit langem Vorlauf, aber das Systemdesign des Raumfahrzeugs muss bald beginnen, wenn es 2021-2022 seinen Betrieb aufnehmen soll.“



Links

Reaction Engines Ltd.
http://www.reactionengines.co.uk

Skylon spacecraft: ‘Revolutionary’ engine design tested
http://www.bbc.com/news/science-environment-17874276

Skylon spaceplane engine concept achieves key milestone
http://www.bbc.com/news/science-environment-20510112

Skylon Assessment Report der ESA, 2011
http://webarchive.nationalarchives.gov.uk/20121212135622/http://www.bis.gov.uk/assets/bispartners/ukspaceagency/docs/skylon-assessment-report-pub.pdf

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