Kapplöpningen pågår för att utveckla en europeisk återanvändbar raket som kan säkerställa Europas autonoma och kostnadseffektiva tillgång till rymden samtidigt som uppskjutningarnas hållbarhet ökar.

Uppskjutningsfordon – eller raketer – är avgörande för att leverera satelliter och rymdsonder i rymden. När de väl har tjänat sitt syfte, de kasseras vanligtvis. Men med det årliga antalet nya satelliter som förväntas växa fyra gånger under det kommande decenniet, forskare utvecklar nu mer hållbara, billigare återanvändbara bärraketer.

Det första återanvändbara uppskjutningssystemet – där vissa eller alla komponenter återvinns – var NASA:s rymdfärja, i bruk från 1981—2011. Alla dess delar återanvändes förutom den externa bränsletanken som skulle brinna upp i atmosfären. Men underhållskostnaderna var höga, vilket ledde till uppfattningen att det var billigare att använda förbrukningsbara system.

Ansgar Marwege från German Aerospace Center (DLR) och hans kollegor tror att återanvändbara raketer kan vara kostnadseffektiva om de landas upprätt. "Rymdfärjan var mycket komplex, eftersom den hade vingar och så vidare, " sa Marwege. "Med en vertikal landning, du vill göra det hela enklare."

En av fördelarna med att landa upprätt är att belastningen under start och landning är liknande, vilket är enklare designmässigt. Även om mer bränsle krävs för nedstigningen jämfört med andra landningskonfigurationer på grund av bromsmanövrar, Marwege säger att det skulle ha liten inverkan på den totala kostnaden eftersom bränsle är relativt billigt.

Marwege och hans team – tillsammans med andra forsknings- och industripartners – undersöker de nyckelteknologier som krävs för att landa en bärraket vertikalt efter ett uppdrag som en del av RETALT-projektet. De tittar på att landa en raket genom att använda retrodrivning, där fordonet bromsas in genom att generera dragkraft i motsatt riktning till dess rörelse. De kommer också att undersöka hur man styr ett fordon under landning. Eftersom basen på en raket förväntas värmas upp, en av projektpartnerna designar termiskt skydd av kork.

Launchers

Teamet har koncept för två olika typer av bärraketer. Den ena är en bärraket för tunga lyft som kan bära en nyttolast på upp till 14, 000 kg, som en väderprognossatellit, till en bana omkring 36, 000 km över jordens yta. Den andra konstruktionen är för mindre nyttolaster på upp till 500 kg som behöver transporteras till avstånd på upp till cirka 140 km. "Denna konfiguration skulle teoretiskt kunna användas för nollgravitationsexperiment eller demonstrationsflygningar, sa Marwege.

Än så länge, forskarna har börjat med allt tekniskt arbete som t.ex. initiala utformningar av landningsbenen. Under nästa år, de kommer att genomföra strukturella tester och vindtunnelexperiment för att testa det aerodynamiska beteendet med hjälp av nedskalade modeller av deras bärraketer. Ett experiment kommer att testa raketmotorerna i vindtunneln med hjälp av varm förbränning, vilket är utmanande och inte ofta gjort. Använda heta gaser, dock, efterliknar bättre hur motorkraft genereras i verkligheten.

Förutom att minska kostnaderna, Marwege och hans kollegor förväntar sig att deras teknologier har en positiv miljöpåverkan. Förbrukningsbara system skapar skräp när de går sönder i atmosfären, där vissa delar faller till marken medan andra stannar kvar i rymden. Återanvändbara system förorenar miljön och utrymmet mindre, enligt Marwege.

För närvarande, i Europa, det finns inga bärraketer tillgängliga för att få små satelliter i omloppsbana.

När en liten satellit behöver transporteras till rymden, den åker vanligtvis på en tung bärraket med en större satellit. Men det betyder att avresedatum och omloppsbana väljs av entreprenören som skickar den större lasten.

"Det är som en buss som lämnar (den lilla satelliten) lite långt från sin omloppsbana så de behöver ett framdrivningssystem för att gå till sin önskade omloppsbana, sa Xavier Llairo, medgrundare och COO för Pangea Aerospace i Barcelona, Spanien.

Service

En uppskjutningstjänst för små satelliter erbjuds för närvarande av det amerikansk-nyazeeländska företaget:Rocket Lab. Även om det möjliggör en skräddarsydd tjänst, det är dyrare än samåkning på en tung bärraket. Och Europa är inställd på att ha sina egna små bärraketer så att de kan kontrollera sin tillgång till rymden. "Det är viktigt av geostrategiska skäl, ", sa Llairo. "Och eftersom det är en ny marknad skulle det vara fantastiskt att skapa tillväxt och ge möjligheter i Europa."

För ett projekt som heter RRTB, Llairo och hans team siktar på att skapa en liten launcher som är kostnadseffektiv och kan återanvändas minst tio gånger. De utvecklar ett nytt landningssystem som använder elektriska kanalfläktar, ett framdrivningssystem som för närvarande används i drönare och UAV. Det möjliggör en mjuk och exakt landning, vilket är viktigt om systemet ska återanvändas.

"Tekniken är redan beprövad och finns i andra sektorer så den är inte särskilt dyr, sa Llairo.

Huvudmotorn är inte van vid landning vilket begränsar termisk stress och ökar återanvändbarheten.

Projektet, som startade förra månaden, tittar nu på hur man gör bränsletankarna återanvändbara eftersom de är dyra komponenter i en bärraket. Teamet börjar också undersöka hur man kan kontrollera fordonet under återinträde i atmosfären genom att göra simuleringar. Det är en utmanande del av uppdraget på grund av bärraketens vikt och höga hastighet och kommer att kräva att man antingen genererar ett lyft eller hittar ett sätt att sakta ner fordonet. "Vi analyserar olika scenarier och vi kommer att välja det mest lovande, sa Llairo.

Förutom att transportera små satelliter ut i rymden för vetenskapliga, kommersiell och civil användning, Llairo tror att vissa av deras komponenter också kan ha andra tillämpningar. De lätta aerospike-motorerna de utvecklar, till exempel, skulle också kunna anpassas som framdrivningssystem för satelliter i rymden. Och deras landningssystem skulle kunna användas för att leverera hjälp till katastrofområden. "Just nu, du har plan med fallskärm att landa (förnödenheter) men vårt system kan användas för att få en mer exakt landning, sa Llairo.

Att ha mindre miljöpåverkan är också ett av deras mål. Bortsett från de grönare meriter som man tjänar genom att vara återanvändbar, raketen kommer att använda flytande syre och flytande metan som drivmedel, där 80 % av utsläppen helt enkelt kommer att vara vatten. Och deras aerospike-motorer borde vara cirka 15 % effektivare än nuvarande konstruktioner. "Vi tror att (hållbarhet) är vägen att gå på den här marknaden, " sa Llairo. "Om 10 eller 20 år från nu, det kommer att vara helt vanligt."