Aktuell werden weltweit mehrere Raketen entwickelt, die das potential haben die Menschheit zu bewegen und auf verschieden Arten die Zukunft unserer Zivilisation formen können. Bevor eine neue Rakete jedoch einsatzbereit ist, sind mehrere Testflüge notwendig um die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verifizieren.
Doch wie genau läuft der Testflug einer Rakete ab und welche Fragen werden dadurch beantwortet?
Grundlegend müssen wir uns klar machen, dass Raketen, die in der Lage sind den Erdorbit zu erreichen oder gar zu verlassen, zu den komplexesten Maschinen gehören, die je von uns geschaffen wurden. Zu den wichtigsten Komponenten gehören die Triebwerke, die Tanks und das Computersystem, das für die Kontrolle während des Fluges zuständig ist.
Um die Gravitation der Erde zu überwinden ist extrem viel Energie notwendig. Diese wird durch den Treibstoff bereitgestellt. Je mehr Energie bzw. Treibstoff wir tanken, desto schwerer wird die Rakete. Dies führt wiederum dazu, dass zum erreichen des Orbits mehr Energie notwendig als sich aktuell an Bord der Rakete unterbringen lässt.
Sobald die Gravitation eines Planeten einen kritischen Wert überschreitet, ist das Verlassen dieses Planeten durch chemische Treibstoffe nichtmehr möglich.
Zum Glück liegt die Gravitation der Erde, wenn auch mit wenig Abstand, unterhalb dieser kritischen Grenze.
Das bedeutet jedoch, dass Leichtbau in der Raumfahrt nochmals deutlich wichtiger ist als in der Luftfahrt. Dieser extreme Leichtbau bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich. Jede Struktur, wird ab einer gewissen mechanischen Last nachgeben und versagen. Der extreme Fokus auf minimales Gewicht bedeutet jedoch, dass Raketen nahe an der Belastungsgrenze aller Bauteile arbeiten müssen, diese Grenze jedoch in keinem Fall überschreiten dürfen.
Hier schließt sich der Kreis und wir kommen zurück zu den Testflügen, die während der Erprobung einer neuen Rakete durchgeführt werden. Moderne simulations softwares ermöglichen eine gute vorhersage darüber wie sich die Rakete im Flug verhalten wird, da aber aus oben genanntem Grund vergleichsweise nah an der Belastungsgrenze gearbeitet wird, müssen die Ergebnisse der Simulationen zwangsläufig in der Praxis geprüft werden.
Hunderte bis tausende in und an der Rakete angebrachte Sensoren messen Belastungen wie z.B. Druck, Vibrationen und Temperatur.
All diese Telemetriedaten werden während des Fluges per Funk an das Mission Control Center übertragen, in Echtzeit überwacht und für die spätere Auswertung aufgezeichnet. Im Nachgang des Fluges werden diese Daten mit den Vorhersagen der Simulation verglichen und mögliche Probleme analysiert. Dieser Prozess kann Wochen oder sogar Monate dauern. Besonders, falls Korrekturen an der Struktur oder den Systemen der Rakete vorgenommen werden müssen.
Neben mechanische Kräften werden eine Vielzahl an weiteren Werten erfasst. Hierzu gehören Diagnostic Daten der elektrischen Systeme, Lagesensoren und Beschleunigungssensoren zur Erfassung der Fluglage, Position und Geschwindigkeit, sowie diverse Werte und Drehzahlen der Triebwerkskomponenten. Auch diese Daten werden zum Validieren der Simulationen verwendet. Im Idealfall decken sich alle Daten ohne Abweichungen von den erwarteten Werten.
Ein weiteres Testfeld stellt die Software dar. Die Software moderner Raketen hat vor allem die Aufgabe die Flugbahn der Rakete mithilfe beweglicher Triebwerke zu steuern. In der Praxis wirken verschiedenste Kräfte auf das Raumfahrzeug ein. In tieferen atmosphärischen Schichten erzeugt die vorbei strömende Luft enorme Kräfte, die mit der Geschwindigkeit schwanken und maßgeblich davon abhängig sind, ob die Rakete sich noch unter, oder bereits über der Schallgeschwindigkeit befindet. Die Flight Control Software muss diese externen Kräfte kompensieren und das Gefährt stabil auf der vorgegebenen Flugbahn zu halten. Simulationen können auch hier wieder durch die Vielfalt der verschiedenen Kräfte von der Realität abweichen und müssen durch Testflüge erprobt werden.
Im Fall von Space X muss vor allem das Landen der Rakete durch eine Vielzahl an Testflügen erprobt werden. Da hier extrem wenig Erfahrungswerte aus der Vergangenheit zur Verfügung stehen, sind während der Landung die größten Abweichungen vom Simulierten Verhalten der Rakete zu erwarten. Dies endet nicht selten in beeindruckenden Explosionen und dürfte für Space X Ingenieure die größte Herausforderung darstellen.
Nachdem sich ein neuer Raketentyp durch die in Testflügen gesammelten Daten als zuverlässig erwiesen hat, folgt eine hoffentlich lange Karriere im Transport von Fracht, Satelliten und nach weiteren Überprüfungen und Zertifizierungen vielleicht sogar im Transport von Astronauten.
In den nächsten Artikeln werden wir einige der oben genannten Prozesse genauer betrachten und erklären.