DE10147144C1 - Verfahren zum Bergen einer Stufe eines mehrstufigen Raumtransportsystems - Google Patents

Abstract

Eine wiederverwendbare aufwerfbare Stufe (11) eines Raumtransportsystems wird zum Zwecke des Bergens in einen Gleitflug versetzt und von einem Schlepper-Flugzeug (16) im Flug eingefangen, um anschließend im Schleppflug an den vorgesehenen Landeplatz verbracht zu werden. Die wiederverwendbare Stufe (11) benötigt keinen zusätzlichen Treibstoff für den Rückflug und sie kann von dem Flugzeug über beliebige Entfernungen transportiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bergen einer Stufe eines mehrstufigen Raumtransportsystems.

Raumtransportsysteme haben in der Regel mindestens eine Träger­ stufe mit einer Trägerrakete, die die nächstfolgende Stufe auf eine größere Geschwindigkeit und Höhe bringt. Ein Problem be­ steht darin, eine benutzte Stufe wiederzugewinnen bzw. an einen Zielpunkt auf der Erde zu verbringen. Bei orbit-nahen ei­ nstufigen Systemen wird die Stufe auf eine ballistische Bahn gebracht, von wo sie anschließend im aerodynamischen Gleitflug nach einmaliger Umrundung der Erde (once-around-earth) zum Startort zurückkehrt. Es ist auch möglich, eine Ladung außer­ halb des Startorts durchzuführen. Eine andere Methode sieht vor, dass die Stufe mit einem eigenen Antrieb ausgestattet wird und im angetriebenen Flug an einer vorgesehenen Stelle landen kann.

Die bekannten Verfahren zum Bergen einer wiederverwendbaren Stufe eines Raumtransportsystems haben verschiedene Nachteile. Sofern eine Umrundung der Erde erforderlich ist, werden extrem hohe technische Anforderungen an diese Stufe gestellt. Bei einer Landung außerhalb des Startplatzes ist zu berücksich­ tigen, dass die Startplätze für Raumtransportsysteme aus Sicherheitsgründen so gelegen sind, dass sich in Startrichtung über große Entfernungen nahezu unbewohnte Bereiche der Erde (meist Ozeane) befinden. Daher ist die Auswahl an geeigneten Landeplätzen in der Nähe des Startplatzes extrem gering. Liegt der vorgesehene Landeplatz auf einer Insel, so erfordert sein Anflug in der Regel Beeinflussungen der Flugbahn, was zur Folge hat, dass die Nutzlast verringert werden muss, um eine sichere Landung der wiederverwendbaren Stufe zu gewährleisten. Der not­ wendige Rücktransport der wiederverwendbaren Stufe zum Startort ist kosten- und zeitaufwendig.

Wird die abgeworfene Stufe in einem angetriebenen Flug zum Startplatz zurückgeführt, wird neben einem eigenen Antriebs­ system auch zusätzlicher Treibstoff benötigt, der beim Aufstieg beschleunigt werden muss und als Inertmasse die erzielbare Nutzlast negativ beeinflusst. Das zusätzliche Antriebssystem erhöht ebenfalls die Masse der Stufe und deren Komplexität und Kosten.

Bei niedriger Separationsgeschwindigkeit der Stufe besteht ge­ nerell die Möglichkeit, die Stufe im freien Gleitflug zum Startplatz zurückzuführen. Hier besteht jedoch der Nachteil, dass nur ein geringer Beitrag zum gesamten Geschwindigkeitsbe­ darf des Erde-Orbit-Transfers geleistet wird, so dass diese Methode für ein kostengünstiges wiederverwendbares Raumtrans­ portsystem nicht interessant ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bergen einer Stufe eines mehrstufigen Raumtransportsystems an­ zugeben, das wirtschaftlich und mit geringem technischen Auf­ wand ausführbar ist und es ermöglicht, die Stufe sicher an den Startort zurückzuführen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach hat das erfin­ dungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:

• - Abwerfen der Stufe nach deren Benutzung,
• - nach Eintritt der Stufe in dichtere Schichten der Atmosphäre: Übergehenlassen der Stufe in einen aero­ dynamischen freien Gleitflug,
• - Bereithalten eines Flugzeugs in demjenigen Höhenbe­ reich, in dem der Gleitflug erfolgen soll,
• - Verbinden des Flugzeugs mit der Stufe durch mindestens ein Schleppseil,
• - Schleppen der aerodynamisch gleitenden Stufe zu einem Landeplatz.

Die Erfindung sieht vor, dass eine wiederverwendbare gleitflug­ fähige Stufe eines Raumtransportsystems in der Luft durch ein Flugzeug und anschließenden Schleppflug bis zum Landeplatz ge­ zogen wird. Die Erfindung sieht das direkte Einfangen der Stufe und das sofortige Rückschleppen ohne eigenen Antrieb mit einem Schlepper-Flugzeug vor. Dabei wird die Stufe nach Art eines Segelflugzeugs im schleppenden Gleitflug transportiert, wobei große Entfernungen überbrückt werden können. Daher besteht be­ züglich der Wahl des Landeplatzes eine große Freiheit. Die Stufe benötigt keinen eigenen Antrieb und keinen Treibstoff, so dass das Raumtransportsystem eine hohe Nutzlast haben kann. Als Schleppflugzeug eignen sich übliche Transportflugzeuge oder Reiseflugzeuge, wie sie serienmäßig hergestellt werden. Spezielle Sonderkonstruktionen sind nicht erforderlich. Das Flugzeug muss lediglich mit einer Vorrichtung zur Herstellung einer Seilverbindung zwischen Flugzeug und Stufe ausgerüstet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Verbinden von Flugzeug und Stufe dadurch, dass von dem Flugzeug ein mit einem Pilotseil verbundenes Geschoss an einen Ver­ ankerungspunkt der Stufe geschossen wird und mit dem Pilotseil ein Schleppseil aus der Stufe herausgezogen wird, das an dem Flugzeug befestigt wird. Das Pilotseil hat eine geringe Masse, so dass es das Geschoss nicht wesentlich bremst und auch die Schussgenauigkeit nicht beeinträchtigt. Das Geschoss wird nach Art einer Harpune an die Stufe angeschossen. Der Verankerungs­ punkt der Stufe kann eine größere Flächenausdehnung haben und beispielsweise aus einer Seilschleife bestehen, deren inneres von dem Geschoss getroffen werden muss, um die Verbindung der Seilschleife, und damit des Schleppseils, mit dem Pilotseil herzustellen.

Vorzugsweise wird vor Erreichen des Landeplatzes das Schlepp­ seil von der Stufe oder dem Flugzeug abgelöst und die Stufe landet im freien Gleitflug. Dadurch können Kollisionen und Be­ hinderungen zwischen Flugzeug und Stufe beim Landen vermieden werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Raumtransportsystems beim Ab­ werfen der Stufe,

Fig. 2 das Anschießen der im freien Gleitflug gleitenden Stufe vom Flugzeug aus,

Fig. 3 das Einholen eines Schleppseils der Stufe zum Flugzeug,

Fig. 4 den Schleppflug,

Fig. 5 das Ausklinken der Stufe für den Landeanflug,

Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Raumtransport­ systems,

Fig. 7 das Ankoppeln eines in einem Flugzeug befindlichen Schleppseils an die Stufe mit Hilfe eines Lenkflugkör­ pers,

Fig. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel mit einem lenkbaren Suchkopf zum Andocken an die Stufe, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Suchkopfes mit den verschiedenen Seilen bzw. Kabeln.

Das in Fig. 1 dargestellte Raumtransportsystem 10 besteht aus einer Stufe 11 in Form einer wiederverwendbaren Trägerrakete, einer Orbital-Stufe 12 und einer Nutzlastkapsel 13, die bei­ spielsweise einen Satelliten enthält. Fig. 1 zeigt den Zustand des Abtrennens der Stufe 11 von der Orbital-Stufe 12 nach dem Brennschluss der Stufe 11. Die Stufe 11 ist am Heck mit Ra­ ketentriebwerken 14 und an der Seite mit Flügeln 15 versehen, die in dichterer Atmosphäre einen Gleitflug ermöglichen.

Nach dem Ausbrennen der wiederverwendbaren Stufe 11 und deren Separation bewegt sich die Stufe 11 antriebslos zunächst auf einer ballistischen Bahn. Innerhalb kurzer Zeit sinkt die Stufe in die dichteren Schichten der Atmosphäre, wo sie durch den Luftwiderstand verzögert wird und infolge der Flügel 15 in einen sinkenden freien Gleitflug übergeht. Dieser Sinkflug ist in Fig. 2 dargestellt. In dem Höhenbereich von 11000 bis 5000 m, in dem der Gleitflug der Stufe 11 erfolgt, hält sich zu diesem Zeitpunkt ein Flugzeug 16 auf. Das Flugzeug 16 ist mit einer Abschussvorrichtung ausgestattet, die ein Geschoss 17, welches mit einem Pilotseil 18 verbunden ist, auf die Front­ seite der Stufe 11 schießt. Das Geschoss 17 bildet zusammen mit dem Pilotseil 18 eine Harpune. Das Geschoss 17 ist so ausge­ stattet, dass es sich beim Treffen der Stufe 11 mit einem darin befindlichen Schleppseil verbindet. Während des Kopplungs­ manövers befindet sich das Flugzeug ebenfalls in einem Sink­ flug, dessen Gleitwinkel demjenigen der Stufe entspricht. Beide fliegen mit annähernd gleichen Geschwindigkeiten.

Fig. 3 zeigt das Einziehen des Pilotseils 18 in das Flugzeug 16 und das Herausziehen des Schleppseiles 19 aus der Stufe 11. Da­ nach wird das Ende des Schleppseils 19 am Flugzeug 16 be­ festigt, so dass das Flugzeug 16 die Stufe 11 wie ein Segel­ flugzeug hinter sich herzieht. Die Stufe 11 befindet sich dabei im geschleppten Gleitflug. Das für das Ankoppeln der Stufe 11 an das Flugzeug 16 verfügbare Zeitfenster beträgt in der Regel etwa 2 bis 3 Minuten.

Fig. 5 zeigt das Ausklinken der Stufe 11 von dem Schleppseil 19 in geringer Höhe über dem Landeplatz 20. Die Stufe 11 landet anschließend im freien Gleitflug auf dem Landeplatz 20. An­ stelle eines einzigen Schleppseils kann eine Anordnung aus meh­ reren Bugsier-Seilen verwendet werden, die vorzugsweise elastisch sind.

Die Forderungen an das Schlepper-Flugzeug sind von den aero­ dynamischen Eigenschaften und der Masse der geflügelten wieder­ verwendbaren Stufe 11 abhängig. Es sei angenommen, dass die Stufe 11 im Subsonik-Bereich eine Gleitzahl G = 4 hat und dass die Rückkehrmasse der Stufe 11 m ≈ 40-60 t beträgt. Damit er­ gibt sich der für den Schleppflug notwendige zusätzliche Schub des Flugzeugs ΔF zu

ΔF = m.g/G = 100. . .150 kN,

wobei g die Erdbeschleunigung ist. Die als Schlepper einsetz­ baren Flugzeugtypen sind somit mittlere bis größere Transport­ flugzeuge oder zivile Reiseflugzeuge.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 ist die wiederverwend­ bare Stufe 11 eine Trägerrakete, an der seitlich Raumfahrzeuge 20 befestigt sind. Nach Brennschluss der Stufe 11 lösen sich die Raumfahrzeuge 20 von der Stufe 11 und die Stufe 11 kehrt im Sinkflug zur Erde zurück.

Fig. 7 zeigt ein Flugzeug 16, von dem mit einem Lenkflugkörper 22 ein Pilotseil 18 zu der Stufe 11 befördert wird. Der Lenk­ flugkörper 22 besteht aus einer kleinen Rakete mit einer Rolle 23, um die das Pilotseil 18 läuft. Im Flugzeug 16 ist das eine Ende des Pilotseils 18 an einem Schleppseil 19 befestigt und das andere Ende ist an einer Wickelrolle 24 befestigt. Das Schleppseil 19 wird auf eine Wickelrolle 25 aufgewickelt. Beide Wickelrollen 24, 25 im Flugzeug 16 sind reversibel angetrieben, so dass das jeweilige Seil auf ihnen kontrolliert aufgewickelt und abgewickelt werden kann.

Der Lenkflugkörper 22 startet vom Flugzeug 16 aus und nimmt da­ bei die beiden Trume 18a, 18b des Pilotseils 18 mit. Der Lenk­ flugkörper 22 trifft die Stufe 11 an ihrer Vorderseite und wird dort von einer (nicht dargestellten) Fangvorrichtung gefangen und festgehalten. Der Lenkflugkörper 22 ist entweder ziel­ suchend oder er wird vom Flugzeug 16 aus gelenkt, so dass er die dafür vorgesehene Stelle der Stufe 11 genau trifft. Während des Fluges des Lenkflugkörpers 22 wird das Pilotseil 18 von den Wickeltrommeln 24, 25 abgespult. Nachdem der Lenkflugkörper 22 von der Stufe 11 gefangen wurde, wird die Trommel 24 in Auf­ wickelrichtung angetrieben und die Trommel 25 in Abwickel­ richtung. Dadurch wird das Pilotseil 18 auf die Trommel 24 auf­ gewickelt und das Schleppseil 19 wird zu der Stufe 11 bewegt, wo es von einer Fangvorrichtung gefangen und festgehalten wer­ den kann.

Ein anderes Ankoppelprinzip ist in den Fig. 8 und 9 darge­ stellt. Hier ist an dem Ende eines Schleppseils 19 ein aerodynamischer lenkbarer Suchkopf 28 befestigt, der ver­ schiedene Leitwerke 29 aufweist, die einzeln gesteuert werden können, um den Suchkopf 20, der von dem Schleppseil 19 ge­ schleppt wird, zu manövrieren, d. h. sowohl in der Höhe als auch seitlich zu bewegen. Die Steuerung der Leitwerke 29 erfolgt über ein Steuerkabel 30 vom Flugzeug 16 aus. Der Suchkopf 28 weist hier einen Haken 31 auf, der beispielsweise in eine Öse 32 oder eine andere Fangvorrichtung der Stufe 11 eingehakt wird. Auf diese Weise kann das Schleppseil 19 ohne ein Pilot­ seil direkt mit der Stufe 11 verbunden werden. Alternativ be­ steht die Möglichkeit einen Suchkopf 28 mit einem Schleppseil zu verbinden, ähnlich wie in Fig. 7.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bergen einer Stufe (11) eines Raumtransport­ systems (10) mit folgenden Schritten:

• - Abwerfen der Stufe (11) nach deren Benutzung,
• - nach Eintritt der Stufe (11) in dichtere Schichten der Atmosphäre: Übergehenlassen der Stufe (11) in einen aerodynamischen freien Gleitflug,
• - Bereithalten eines Flugzeugs (16) in demjenigen Höhen­ bereich, in dem der Gleitflug erfolgen soll,
• - Verbinden des Flugzeugs (16) mit der Stufe (11) durch mindestens ein Schleppseil (19),
• - Schleppen der aerodynamisch gleitenden Stufe (11) zu einem Landeplatz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden dadurch er­ folgt, dass von dem Flugzeug (16) ein mit einem Pilotseil (18) verbundenes Geschoss (17) an einen Verankerungspunkt der Stufe (11) geschossen wird und mit dem Pilotseil (18) ein Schleppseil (19) aus der Stufe herausgezogen wird, das an dem Flugzeug (16) befestigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Schleppseil mindestens ein elastisches Seil benutzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei vor Erreichen des Landeplatzes (20) das Schleppseil (19) von der Stufe (11) oder dem Flugzeug (16) abgelöst wird und die Stufe (11) im freien Gleitflug landet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden dadurch er­ folgt, dass von dem Flugzeug (16) ein mit einem Pilotseil (18) verbundener Lenkflugkörper (22) an einen Verankerungs­ punkt der Stufe (11) gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Lenkflugkörper (22) eine Umlenkvorrichtung (23) für das Pilotseil (18) aufweist und das eine Ende des Pilotseils (18) mit einem Schleppseil (19) verbunden ist, welches aus dem Flugzeug (16) herausge­ zogen werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Schleppseil (19) oder ein Pilotseil (18) mit einem aerodynamisch steuerbaren Suchkopf (28) verbunden ist, welcher durch Steuerung von Leitwerken (29) an die Stufe (11) heranmanövriert werden kann.