Träger die es geben könnte: verbesserte Agena Varianten

Die Agena ist eine besondere Oberstufe in der US-Geschichte. Zum einen war sie bis zur ihrer Ausmusterung die am häufigsten eingesetzte Stufe im Arsenal. Daneben hatte sie ein exzellentes Voll- / Leermasseverhältnis dank eines schubstarken Antriebs mit einer Turbopumpe.

Die Entwicklung der Agena, die schon 1959 ihren ersten Einsatz hatte, schritt schnell von der ersten Version Agena A zur D voran die am 28.6.1962 zum ersten Mal flog und dann schnell die vorherigen Versionen ablöste. Die Agena wurde zuerst auf der Thor eingesetzt, dann auf der Atlas und ab 1966 auf der Titan. Also allen drei großen Trägerraketen der USA. Doch sie lief dann auch jeweils wieder aus. 1972 fand der letzte Einsatz auf einer Thor statt, 1978 auf der Atlas und 1987 auf der Titan. Insgesamt gab es 362 Einsätze, davon waren 323 erfolgreich. Nimmt man nur die letzte Einsatzversion Atlas Agena D, so waren von 269 Starts insgesamt 250 erfolgreich, das sind 93 Prozent, dabei ist dies die Gesamtbilanz, das heißt auch Fehlstarts durch versagen der Basisstufe sind miteingeschlossen.

Trotzdem verfolgte das DoD die Agena nicht weiter. Die Gründe sind unterschiedlich. Die Thor als Basisstufe war bald zu klein, weshalb hier auch schon 1972 der letzte Start erfolgte. Nachdem 1966 die erste Titan 3B startete, gab es zur Atlas Agena ebenfalls eine Alternative mit mehr Nutzlast bei fast gleichem Startpreis so lief auch hier die Serie aus.

Die Agena war immer eine militärische Stufe. Auch wenn es in der Frühzeit zahlreiche Einsätze für die NASA gab - so wurden die Ranger Mondsonden, Mariner 1 bis 5 und Gemini-Zielkörper mit Agenas gestartet. Aber auf der Thor setzte die NASA auf die technisch unterlegene Delta-Oberstufe, mit halb so großem Schub und erheblich höherer Leermasse, da druckgeförfert. Auf der Atlas wurde die Centaur entwickelt primär für den Transport von Raumsonden, dann auch für andere schwere Satelliten wie die OAO Serie. Die Titan wurde fast nur militärisch genutzt. Hier gab es zwei Oberstufen. Zum einen die Agena D auf der Titan 3B und ihren Nachfolgern und dann die neu entwickelte Transtage. Auch diese war schwerer als die Agena, mit gleichem Schub aber mehr Treibstoff. Sie war vor allem kompakter, ansonsten hätte auch die Agena die Missionen der Transtage übernehmen können. Für die zivile Version Titan 3E setzte die NASA dann die Centaur-D der Atlas auf die Titan. Auf eine Variante der Centaur kam die USAF auch bei der Titan 4 zurück. Mit einer Centaur kann sich keine Agena messen, sie spielt von der Leistung wie auch dem Preis in einer anderen Liga.

Ein Grund für das Einstellen war sicher die Verbandelung der Agena mit einer Serie von Aufklärungssatelliten, der Keyhole-Serie von 1 bis 8. Sie war Bestandteil des Satelliten, führte Drehungen und Wiedereintrittsmanöver durch. Ein Großteil der Missionen - 246 Starts, entfiel nur auf diese Serie. Mit dem Auslaufen endete auch der Einsatz der Agena.

Während es etliche neue Versionen der Delta Oberstufe gab, wurde die Agena D über zwanzig Jahre nicht weiterentwickelt. Am Ende der Einsatzzeit hatten sie so andere Stufen mit lagerfähigen Treibstoffen technisch überholt. Es gab aber Pläne die Agena auf dem Space Shuttle einzusetzen. Dafür sollte sie modernisiert werden. Es kam nie dazu, doch ich will diese Pläne aufgreifen und in eine Stufe umsetzen.

Es sind drei technische Änderungen:

Neuer Treibstoff

Die Agena nutzte unsymmetrisches Dimethylhydrazin, UDMH als Verbrennungsträger und konzentrierte Salpetersäure als Oxidator. Ersetzt man die Salpetersäure durch Stickstofftetroxid so steigt der spezifische Impuls durch das fehlende Wasser an. Es gibt zwei weitere Stickstoffverbindungen und Kerosin als alternative lagerfähige Treibstoffe. Die beiden Alternativen Stickstoffverbindungen sind Monomethylhydrazin (MMH bzw., in der Reaktion identisch, eine 50:50 Mischung von Hydrazin und UDMH) und das einfachste Molekül, das Hydrazin.

Hydrazin ist die Verbindung mit dem höchsten spezifischen Impuls, es ist aber thermisch instabil, es zerfällt durch Hitze und ist so nicht für die Brennkammerkühlung nutzbar. Daher gingen die Planungen für eine bessere Agena auf MMH über. Es hat einen leicht höheren spezifischen Impuls als das UDMH.

Neues Triebwerk

Es wurden auch modifizierte Triebwerke wie das Bell 8533 oder Bell 8096B dafür vorgeschlagen. Sie hatten neben der Anpassung an den neuen Treibstoff auch eine verlängerte Düse.

Eine solche Agena hätte dann folgende Änderungen:

1. Moderne elektronische Ausrüstung

2. Neue Treibstoffmischung (NTO/MMH)

3. Neues Triebwerk mit einer Düse mit einem Expansionsverhältnis von 150 (Bell 8096: 45) (spezifischer Impuls: 3220 m/s).

Das Triebwerk der Agena hat eine Brennkammer aus Aluminium. Bei anderen Triebwerken ging man später auf Stahl und andere Materialien über. Würde man dies auch in Betracht ziehen, so wäre der spezifische Impuls weiter steigerbar, da der Brennkammerdruck nur 34,4 Bar betrug. Als Nebeneffekt ist bei gleicher Düse dann auch das Expansionsverhältnis höher. Ich habe mich aber an den Daten des Bell 8086B für weitere Betrachtungen orientiert.

Größere Stufe

Die Stufe kann größer werden. Die Agena hatte einen Durchmesser von 1,52 m. Die Thor hat einen Durchmesser von 2,44 m, Atlas und Titan sogar einen von 3,05 m. Es bietet sich an sie im Durchmesser zu vergrößern und nicht in der Länge. Bei Beibehaltung der bisherigen Tanklängen wäre der Zuwachs schon auf 2,44 m mit 144 % aber zu hoch. Daher bin ich auf zwei gleich große Kugeltanks ausgewichen, die bei 2,40 m Durchmesser 10,4 t NTO und 6,3 t MMH fassen. Das entspricht einem Mischungsverhältnis von 1,64 zu 1 und 16,7 t Treibstoff. Da ein Kugelbehälter nur die halbe Wandstärke eines Zylindermantels benötigt, habe ich nur mit einer Mehrmasse von 30 Prozent gerechnet. Beide identisch große Tanks verbilligen zudem die Fertigung. Sie sind durch ein Gitterrohrgerüst verbunden, das erlaubt es an diesem auch Sekundärnutzlasten anzubringen. Aber auch Ausrüstung und Lageregelungssysteme zur Verkürzung der Stufe hierher zu verlagern. Das habe ich in der Längenangabe noch nicht berücksichtigt. Den Schub habe ich entsprechend dem Anstieg des spezifischen Impulses angehoben (also die Förderleistung der Pumpe konstant gelassen)

Basierend auf den Daten ergeben sich dann folgende für eine Simulation wichtige Eckwerte:

Es gibt nun natürlich viele Typen von Raketen die man durch simulieren könnte, ich habe mich auf fünf Modelle beschränkt:

• Delta 3914/3920 - die am häufigsten eingesetzte Delta Version der Siebziger und Achtziger Jahre

• Delta 2 - die finale Delta

• Atlas SLV-3A - die verlängerte Atlas sie auch schon eine Agena startete

• Titan 34B: die letzte Version der Titan ohne Booster

• Titan 3C: die Titanversion für hohe Orbits, hier ersetzt sie die Transtage.

Schon eine Berechnung bei der Atlas zeigt dass diese 18 t schwere Stufe zu schwer ist, ihre Nutzlast ist niedriger als die einer Atlas Agena - nur 650 anstatt 1.100 kg in den GTO. Also testete ich eine zweite Version mit nur 50 % mehr Treibstoff und Kugeltanks von 2,03 m Durchmesser

Diese ergibt bei der Atlas Agena dieselbe Nutzlast wie die originale Agena D. Bei der Delta 3914 ist die große Agena mit 1,7 t in den GTO noch um 300 kg besser als diese verkleinerte Stufe. Hier sieht man den Effekt der schubstarken Startbooster die bei den Oberstufen eine verlängerte Brennzeit zulassen. Bei der Titan 3C errechnet sich bei der kleinen Stufe ein leichter Gewinn (400 kg) zur Transtage. Doch auch hier ist die große Stufe zu schwer. Die kleine Stufe bei der Delta 2 ergibt dagegen auch ohne PAM-D eine Nutzlast von 1.700 kg in den GTO.

Die beiden letzten Varianten tragen dem Umstand Rechnung, das für LEO Missionen eigentlich zwei Stufen reichen und die Trockenmasse der Agena geringer ist als der Core 2 der Titan 2. Würde man die Core 2 also weglassen so erhält man die nahezu gleiche Nutzlast bei der großen Agena und sogar eine größere bei der kleinen Agena und spart die Kosten für die Core 2 ein.

Quer über alle Träger wäre die kleinere Version am besten einsetzbar.

Selbst ohne Neukonstruktion, also bei Beibehaltung der Tanks, aber neuer Treibstoffmischung und neuem Triebwerk ergäbe sich ein Gewinn einfach durch den höheren spezifischen Impuls. Bei einer Atlas SLV 3A z.b von 1.100 auf 1.400 kg Nutzlast in den GTO. Bei der Titan wurde für LEO Missionen ja schon die Agena eingesetzt, weil ihre Nutzlast hier höher als bei der Titan 3A mit der Transtage war und bei der Delta wäre auch beim Einsatz einer Agena die Nutzlast angestiegen - es gab ja lange Zeit neben der Delta-Linie die Thor-Agena Linie und bei gleicher Thor und gleicher Boosteraussstattung hatte die Thor Agena immer die höhere Nutzlast.

Hier noch die technischen Daten der Raketen:

Rakete: SLV 3A Agena 1

Rakete: Titan 2 Agena 1

Rakete: Titan 2 Agena 2

Rakete: Titan 3C Agena 1

Rakete: Titan 3C Agena 2

Rakete: Titan 34B Agena 1

Rakete: Titan 34B Agena 1 GTO

Rakete: Delta 3914 Agena 1

Rakete: Delta 3914 Agena 2

Rakete: Delta 3920 Agena 1

Rakete: Delta 3920 Agena PAM-D

Rakete: Delta 7920 Agena 1

Rakete: Delta 7925 Agena 1

Artikel zuletzt geändert am 12.6.2023

Referenzen:

NASA Agena D Mission Capabilities and Restraints Catalog
Reuse Agena Final Report
Robert D. Roach: The Agena Rocket Engine - Six Generations of Space Propulsion
David Field: The Agena Engine
Bob Mount: Acrobatic Agena: Prize Performer in Space
NASA TM-X65553:
The Delta and Thor/Agana Launch Vehicles for Scientific and Application Satellites
NASA-CR-115485: Shuttle/Agena study. Annex A: Ascent agena configuration

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