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Die Erfindung betrifft ein Transportflugzeug zum Transport wenigstens einer Rakete, wobei das Transportflugzeug als Nurflügler mit einer Tragfläche ausgelegt ist, wobei das Transportflugzeug wenigstens eine Halterungseinrichtung zur mechanischen Fixierung der zu transportierenden Rakete am Transportflugzeug aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Transport einer Rakete unter Nutzung eines derartigen Transportflugzeugs.
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Allgemein betrifft die Erfindung den Transport von Nutzlasten in den Weltraum bzw. in den Orbit mittels einer Rakete. Der Transport von Nutzlasten in den Lower Earth Orbit (LEO) findet größtenteils mit Hilfe von mehrstufigen Raketen statt, die vertikal von der Erdoberfläche starten. Bei den meisten Raketen sind alle Stufen nur einmal verwendbar. Der Start vom Erdboden hat den Nachteil, dass eine große Treibstoffmenge der Rakete erforderlich ist, mit dem Ergebnis, dass die Startmasse relativ hoch ist. Es ist zudem eine spezielle Infrastruktur für solche Raketenstarts erforderlich.
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Es gibt auch bereits Vorschläge, eine solche Rakete mittels eines Trägerflugzeugs in die Luft zu bringen und in der Luft zu starten, wie im Wikipedia-Eintrag „Air launch to Orbit“ erläutert. Aus der
US 5 255 873 A geht der Vorschlag hervor, die Rakete temporär mit einem Nurflügler zu verbinden, der keinen eigenen Antrieb aufweist. Hierdurch kann zwar der Aufwand gegenüber einem Start der Rakete vom Erdboden aus verringert werden, die bekannten Vorschläge sind aber in verschiedener Hinsicht optimierungsbedürftig. So ist beispielsweise bei Konzepten wie der
US 5 255 873 A an der Rakete ein Fahrwerk erforderlich. Zudem werden hohe Kräfte an verschiedenen Stellen der Rakete eingeleitet, z.B. am Boden Kräfte über das Fahrwerk an der Unterseite und in der Luft Kräfte über den Tragflügel an der Oberseite. Die Struktur der Rakete wird dadurch unnötigerweise schwerer und komplexer.
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Die
US 6 860 449 B1 betrifft ein Fluggerät, das einen Flügel und an den Flügelenden jeweils einen Gasbehälter aufweist, der mit einem Gas befüllt werden soll, das leichter als Luft ist, sodass das gesamte Fluggerät aufgrund des leichten Gases angehoben werden kann. Zusätzlich kann das Fluggerät an dem Flügel ein für einen Vortrieb sorgendes Antriebssystem und innerhalb des Flügels ein auftriebserzeugendes Antriebssystem haben. Das Fluggerät soll zum Transport schwerer Lasten dienen.
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Die
US 5 456 424 A offenbart ein Deltaflugzeug zum Transport einer Fracht in eine vorbestimmte Starthöhe, von der aus die Fracht von dem Flugzeug weiter in eine Erdumlaufbahn befördert wird. Hierzu wird das Deltaflugzeug zunächst am Boden mit einer ersten Treibstoffmenge zum Start und bei Erreichen der vorbestimmten Starthöhe mit einer zweiten Treibstoffmenge zum Befördern der Fracht in die Erdumlaufbahn versorgt.
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Die US 2013 / 0 087 659 A1 zeigt ein wiederverwendbares Flugmodul zum Transport einer Rakete in das Weltall. Das Modul hat einen zentralen Körper, ein Antriebssystem mit Steuer- und Kontrollsystemen zum Abschuss der Rakete, ein Antriebsmittel und Tragflächen für den Unterschallflug sowie ein Fahrwerk. Die Tragfläche hat zwei Flügel und einen Stabilisator. Das Flugmodul ist zur Rückkehr und Landung, beispielsweise am Startort, geeignet.
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Der
US 5 626 310 A ist ein als Gleitflugzeug ausgebildetes Trägerraumfahrzeug zu entnehmen, das mit einem flexiblen Zugmittel durch ein konventionelles Flugzeug zur Abschusshöhe geschleppt wid.
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Die
US 3 437 285 A betrifft ein Raumfahrzeug und eine Startvorrichtung hierzu. Das Raumfahrzeug hat lösbar an einem Grundkörper befestigte Flügel und Mittel zum Lösen der Flügel. Eine mobile Startplattform transportiert das Raumfahrzeug am Boden vor dem Start. Zum Start wird das Raumfahrzeug von der Startplattform getrennt, indem in den Flügeln befindliche Raketen gezündet werden.
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Die
DE 925 508 B offenbart eine Einrichtung zum Befördern und Starten von Luftfahrzeugen mit einem Schleppfahrzeug, das eine Winde und ein Schleppseil aufweist.
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Die
DE 102011106348 A1 zeigt ein Tarnflugzeug mit einer ersten Seite, auf der die Turbinenöffnung und Nutzlast- oder Fahrwerkschächte angeordnet sind. Eine zweite Seite des Flugzeugs ist derart ausgeführt, dass sie eine geringere Radarsignatur als die erste Seite aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Transportflugzeug zum Transport wenigstens einer Rakete sowie ein verbessertes Verfahren zum Transport einer Rakete anzugeben.
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Dieser Aufgabe wird durch ein Transportflugzeug der eingangs genannten Art, das als Nurflügler ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass das Transportflugzeug ein Antriebssystem aufweist. Die Ausbildung eines Transportflugzeugs zum Transport einer Rakete in Form eines Nurflüglers hat bereits große Vorteile gegenüber komplexer aufgebauten Transportflugzeugen, wie z.B. aus dem Wikipedia-Eintrag bekannt. Ein Nurflügler kann relativ einfach realisiert werden, weil er im Wesentlichen nur aus der Tragfläche besteht. Ein Nurflügler hat zudem bessere Flugeigenschaften im Unterschallbereich als beispielsweise ein Delta-Flügler mit seiner sehr geringen Flügelstreckung. Zudem sind Delta-Flügler in der Regel für relativ hohe Fluggeschwindigkeiten ausgelegt, was den technischen Aufwand für das Transportflugzeug und dessen Antriebssystem unnötig kompliziert machen würde. Solche Nachteile können durch die erfindungsgemäße Anwendung eines Nurflügel-Konzepts des Transportflugzeugs vermieden werden.
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Dadurch, dass der erfindungsgemäße Nurflügler ein eigenes Antriebssystem aufweist, kann der Bodenstart und der Transport der Rakete in eine bestimmte Starthöhe ohne Aktivierung des Antriebssystems der Rakete durchgeführt werden. Dementsprechend wird Kraftstoff des Antriebssystems der Rakete eingespart, wodurch die Rakete dementsprechend kleiner dimensioniert werden kann als bei einem Start vom Erdboden aus mittels des Antriebssystems der Rakete.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind:
- - Das Antriebssystem der Rakete, insbesondere deren Erststufe muss nicht für einen derart großen Bereich von Umgebungsdrücken ausgelegt werden, wie dies bei unmittelbar vom Erdboden startenden Raketen erforderlich ist. Auf diese Weise kann die Effizienz des Antriebs der Rakete verbessert werden. Zudem wird der Verbrauch an Treibstoff der Rakete reduziert, sodass das Startgewicht der Rakete ebenfalls reduziert werden kann.
- - Das Antriebssystem der Rakete kann insgesamt mit geringerer erforderlicher Leistung ausgelegt werden.
- - Durch den Start der Rakete mittels eines Transportflugzeugs ist mehr Flexibilität hinsichtlich des Startorts gegeben, da jede normale Flugzeugstartbahn hierfür genutzt werden kann. Es ist keine spezielle Infrastruktur für Vertikalstarts von Raketen erforderlich.
- - Das Transportflugzeug kann wiederverwendet werden. Dadurch, dass das Transportflugzeug ein eigenes Antriebssystem aufweist, kann es besonders zuverlässig und sicher an einen gewünschten Landeort gebracht werden.
- - Zudem ist eine nahezu freie Wahl des Startorts der Rakete möglich. Außerdem wird der Einfluss von ungünstiger Witterung minimiert.
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Die Erfindung eignet sich auch zum Transport einer Rakete beispielsweise von einer Raketenbasis zu einer anderen Raketenbasis, d.h. das Transportflugzeug muss nicht ausschließlich zum Transport der Rakete in eine Starthöhe in der Luft genutzt werden.
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Die Rakete kann insbesondere eine für den Nutzlasttransport ausgelegte Rakete sein, beispielsweise eine Rakete der zivilen Raumfahrt. Die Rakete kann insbesondere dazu eingerichtet sein, zumindest den Bereich des Lower Earth Orbit oder weiter von der Erde entfernte Bereiche des Weltraums zu erreichen. Das Transportflugzeug kann insbesondere ein unbemanntes Transportflugzeug sein, das beispielsweise ferngesteuert wird.
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Das Transportflugzeug ist dazu eingerichtet, die Rakete auf der Oberseite der Tragfläche zu transportieren (Huckepack-Transport). Dies ist dadurch realisiert, dass die Halterungseinrichtung auf der Oberseite der Tragfläche angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein besonders effizientes Transportflugzeug für den Transport einer Rakete bereitgestellt. Es können die Kraftpfade im Vergleich zu bekannten Vorschlägen für Trägerflugzeuge wesentlich verbessert werden. Hierdurch ist eine deutliche Reduzierung des Strukturgewichts möglich. Das Prinzip der kurzen Kraftpfade mit möglichst direktem Kraftausgleich wirkt sowohl am Boden als auch in der Luft. Am Boden kann die Gewichtskraft der Rakete direkt über das darunterliegende Fahrwerk aufgenommen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tragfläche eine Streckung von wenigstens 3 aufweist. Auf diese Weise werden aerodynamisch günstige Voraussetzungen für den Transport einer vergleichsweise schweren Rakete mit einem Trägerflugzeug, das in moderaten Geschwindigkeitsbereichen operiert, geschaffen. Als Streckung einer Tragfläche wird dabei das Verhältnis des Quadrats der Flügelspannweite zur Flügelfläche verstanden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tragflächentiefe bei der halben Spannweite der Tragfläche wenigstens 75% der Tragflächentiefe an der Tragflächenwurzel beträgt. Auch dies ist vorteilhaft für den Betrieb des Transportflugzeugs in moderaten Geschwindigkeitsbereichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transportflugzeug ein Unterschall-Flugzeug ist. Dementsprechend ist das Transportflugzeug für eine Fluggeschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit ausgelegt. Auf diese Weise kann das Transportflugzeug relativ kostengünstig und mit nicht so hohem technischen Aufwand im Vergleich zu Überschallflugzeugen bereitgestellt werden. Das Transportflugzeug kann beispielsweise für eine Fluggeschwindigkeit bis ca. 900 km/h ausgelegt sein. Dies hat den Vorteil, dass für die Realisierung des Antriebssystems am Markt verfügbare Komponenten, wie z.B. Antriebskomponenten für Passagierflugzeuge, eingesetzt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Antriebssystem eine oder mehrere Antriebseinheiten aufweist. Der oder die Antriebseinheiten können z.B. als Turbinenantriebe ausgebildet sein, z.B. als Turbofan-Antrieb.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der oder die Antriebseinheiten auf der Oberseite der Tragfläche oder innerhalb der Tragfläche angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass unterhalb des Transportflugzeugs bzw. unterhalb der Tragfläche keine großbauenden Komponenten erforderlich sind, sodass nur wenig Bodenfreiheit notwendig ist. Dies hat wiederum den Vorteil, dass ein Fahrwerk des Transportflugzeugs relativ kurzbauend ausgelegt werden kann, sodass mit wenig Materialaufwand und Gewicht ein vergleichsweise stabiles Fahrwerk bereitgestellt werden kann, mit dem große Lasten getragen werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Antriebssystem wenigstens einen Flüssigtreibstofftank aufweist, der über Verbindungskanäle mit der oder den Antriebseinheiten verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass das Transportflugzeug mit handelsüblichen Kraftstoffen betrieben werden kann, d.h. üblichen Flugzeug-Flüssigtreibstoffen wie z.B. Kerosin. Auch dies trägt zur kostengünstigen Realisierung und Nutzung des erfindungsgemäßen Transportflugzeugs bei.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transportflugzeug für eine Maximalflughöhe von höchstens 12000 Metern ausgelegt ist. Dementsprechend kann das Transportflugzeug mit vergleichbaren Komponenten realisiert werden, wie sei bei heutzutage üblichen Passagierflugzeugen eingesetzt werden. Auch dies trägt zur kostengünstigen Realisierung des Transportflugzeugs und einer günstigen Wartung bei. Die Maximalflughöhe bezieht sich hierbei auf die Flughöhe gegenüber dem Meeresspiegel.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transportflugzeug ein Fahrwerk aufweist, wobei das gesamte Fahrwerk oder ein Teil des Fahrwerks im Flug oder beim Start abwerfbar ist. So kann insbesondere der Teil des Fahrwerks, der direkt unterhalb der Nutzlast, d.h. der Rakete, angeordnet ist, abwerfbar sein. Auf diese Weise kann das wirksame Fluggewicht des Transportflugzeugs mit der daran angebrachten Rakete weiter verringert werden, sodass der Betrieb wiederum kostengünstiger gestaltet werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tragfläche Winglets, Wingtips oder Endscheiben aufweist. Solche Winglets, Wingtips oder Endscheiben können insbesondere am jeweiligen freien Ende der Tragfläche angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Aerodynamik des Transportflugzeugs mit kostengünstigen Mitteln weiter optimiert werden. Das Transportflugzeug kann zudem wenigstens ein Seitenleitwerk und/oder ein Seitenruder aufweisen. Beispielsweise kann ein Seitenruder in ein jeweiliges Seitenleitwerk oder in ein jeweiliges Winglet integriert sein.
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An der Halterungseinrichtung ist eine Rakete befestigt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rakete das Trägerflugzeug in Flugrichtung des Trägerflugzeugs und/oder entgegen der Flugrichtung des Trägerflugzeugs überragt. Dies hat den Vorteil, dass das Transportflugzeug relativ kompakt ausgelegt werden kann, d.h. mit relativ geringer Tragflächentiefe. Das Transportflugzeug kann dennoch eine vergleichsweise großbauende Rakete transportieren. Dies ist vorteilhaft für die universelle Einsetzbarkeit des Transportflugzeugs im Raketentransport.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Transport einer Rakete mit folgenden Merkmalen:
- a) Befestigen einer Rakete an der Halterungseinrichtung eines Transportflugzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- b) Starten des Transportflugzeugs auf einer Flugzeugstartbahn,
- c) Aufstieg des Transportflugzeugs in einer Zielhöhe,
- d) Abkoppeln der Rakete vom Transportflugzeug,
- e) Abstieg und Landung des Transportflugzeugs auf einer Flugzeuglandebahn.
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Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die Flugzeugstartbahn und/oder die Flugzeuglandebahn kann eine auf dem Erdboden befindliche Bahn oder eine Bahn auf einem Schiff sein, z.B. einem Flugzeugträger. Die Flugzeuglandebahn kann identisch mit der Flugzeugstartbahn sein.
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Auf diese Weise ist ein effizienter Transport der Rakete zunächst in die Luft, d.h. in die Zielhöhe, und anschließend ein Weiterflug der Rakete in den Orbit möglich. Das Transportflugzeug kann anschließend wieder sicher landen und erneut eingesetzt werden. Hierbei kann im Schritt b) das Starten des Transportflugzeugs auf der Flugzeugstartbahn mittels des Antriebssystems des Transportflugzeugs erfolgen. Auch im Schritt c) kann der Aufstieg des Transportflugzeugs in die Zielhöhe mittels des Antriebssystems des Transportflugzeugs erfolgen. Das Antriebssystem der Rakete kann dabei abgeschaltet bleiben. Auf diese Weise wird das Antriebssystem der Rakete geschont.
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Die Zielhöhe kann grundsätzlich eine beliebige geeignete Höhe für den Start der Rakete in der Luft sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Zielhöhe wenigstens 8000 Meter gegenüber dem Meeresspiegel ist. Dies erfordert eine übliche Auslegung des Transportflugzeugs wie heutige Passagierflugzeuge, sodass das Transportflugzeug nicht übermäßig aufwendig bereitzustellen ist. Zudem ist ein sicherer Start der Rakete in der genannten Zielhöhe möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluggeschwindigkeit des Transportflugzeugs beim Abkoppeln der Rakete im Unterschallbereich ist. Auf diese Weise kann das Transportflugzeug relativ kostengünstig und mit nicht so hohem technischen Aufwand im Vergleich zu Überschallflugzeugen bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transportflugzeug unmittelbar vor dem Abkopplungsvorgang der Rakete den Anstellwinkel erhöht und dann die Rakete abgekoppelt wird. Dies erlaubt einen besonders effizienten Abkoppelvorgang und dementsprechend einen sicheren Startvorgang der Rakete. Hierbei kann das Antriebssystem der Rakete kurz vor der Abkopplung vom Transportflugzeug gestartet werden. Das Trägerflugzeug erhöht dabei den Anstellwinkel soweit wie möglich, damit die Rakete möglichst weit senkrecht nach oben zeigt. Fängt die Rakete an, sich relativ zum Trägerflugzeug nach vorne zu bewegen, werden die Verbindungen gelöst und die Rakete vom Trägerflugzeug abgekoppelt. Das Trägerflugzeug kann nun leicht nach unten wegdrücken. Nach erfolgter Trennung kann die Rakete ihren Kurs mittels Steuerflächen oder ihres Antriebssystems steuern und ggf. korrigieren, z.B. mittels Schubvektorsteuerung. Das Trägerflugzeug fliegt zu einer Flugzeuglandebahn zurück.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transportflugzeug in Rückenfluglage gebracht wird und dann die Rakete vom Transportflugzeug abgekoppelt wird. Dies ist eine alternative und vorteilhafte Möglichkeit für die Abkopplung der Rakete vom Transportflugzeug. Wenn sich das Transportflugzeug in Rückenfluglage befindet, kann die Rakete einfach abgekoppelt werden und fällt dann zunächst nach unten. Durch das eigene Antriebssystem der Rakete stabilisiert sich die Rakete wieder und nimmt den gewünschten Kurs ein. Das Transportflugzeug kann anschließend wieder in die Normalfluglage gebracht werden und zur Flugzeuglandebahn gesteuert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 - ein Transportflugzeug mit einer Rakete in Seitenansicht und
- 2 - das Transportflugzeug mit der Rakete in Frontansicht und
- 3 - das Transportflugzeug mit der Rakete in einer Draufsicht.
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Die 1 bis 3 bilden damit eine Dreiseitenansicht des Transportflugzeugs 1 mit der Rakete 2. Das Transportflugzeug 1 ist als Nurflügler ausgebildet und weist im Wesentlichen nur die Tragfläche 7 auf. Wie erkennbar ist, befindet sich die Rakete 2 auf der Oberseite der Tragfläche 7 des Transportflugzeugs 1.
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Die Rakete 2 ist über eine Halterungseinrichtung 3, die sich ebenfalls auf der Oberseite der Tragfläche 7 befindet, mit dem Transportflugzeug 1 gekoppelt. Die Halterungseinrichtung kann entweder automatisch oder ferngesteuert gelöst werden, um die Rakete 2 vom Trägerflugzeug 1 abzukoppeln.
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Das Transportflugzeug 1 weist an den Tragflächenenden beispielsweise Winglets 8 auf. In jedes der Winglets 8 kann ein Seitenruder integriert sein. Das Transportflugzeug 1 kann zusätzlich zu den Winglets oder statt der Winglets eines oder mehrere Seitenleitwerke aufweisen, in die jeweils ein Seitenruder integriert sein kann. Auf der Oberseite der Tragfläche 7 befinden sich zudem mehrere Antriebseinheiten 4 eines Antriebssystems des Transportflugzeugs 1, z.B. in Form von Turbinenantrieben.
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Das Transportflugzeug 1 weist an der Unterseite ein Fahrwerk 5, 6 auf. Das Gewicht der Nutzlast, d.h. der Rakete 2, wird dabei insbesondere von einem zentralen Teil 6 des Fahrwerks getragen. Dieser zentrale Teil 6 kann abwerfbar ausgebildet sein, sodass nach dem Start des Transportflugzeugs 1 dieser Teil 6 des Fahrwerks am Boden verbleibt.
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Der Pfeil F gibt dabei die Flugrichtung des Transportflugzeugs 1 an, die in diesem Fall auch der Flugrichtung der Rakete 2 entspricht. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, die Rakete 2 kann auch in umgekehrter Richtung auf dem Transportflugzeug 1 transportiert werden. Die 1 zeigt das Transportflugzeug 1 zudem auf einer Bahn 9, die eine Flugzeugstartbahn oder eine Flugzeuglandebahn sein kann.
