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Ares I

Einführung

Für das von Präsident Bush im Januar angekündigten „Constellation Programm“ werden zwei Trägerraketen entwickelt. Die für Mannschaftstransporte vorgesehene Ares I und die für den Frachttransport vorgesehene Ares V. Beide Entwürfe haben sich gravierend seit 2005 gewandelt.

Für die Ares I war ursprünglich ein normaler (4 Segment) Space Shuttle SRB-Booster als erste Stufe vorgesehen. Die zweite Stufe sollte ein einzelnes SSME antreiben, ebenfalls vom Space Shuttle entnommen. Die zweite Stufe sollte rund 180 t wiegen, die Ares I beim Start 810 t bei einer Nutzlast von 25 t für einen niedrigen Erdorbit.

Diese Pläne vom November 2005 wurden in der Folge mehrfach revidiert. Das SSME war zu teuer. Stattdessen griff die NASA auf das J-2S zurück – entwickelt noch während des Apollo Programms für zukünftige Saturn V-Oberstufen mit höherer Leistung. Das J-2S ist wie das J-2 in den Saturn IB „man rated“, genügt also höchsten Zuverlässigkeitsanforderungen. Verglichen mit dem J-2 hat es einige Vorteile. Es kann auch im Niedrigschubbereich angelassen werden, hat weniger Teile und kann mit einem variablen Mischungsverhältnis von Wasserstoff/Sauerstoff arbeiten. Weiterhin ist der spezifische Impuls höher als beim originalen J-2. Die NASA wird das J-2S überholen und mit neuen Turbopumpen ausstatten. Dieses nun J-2X genannte Triebwerk soll die zweite Stufe der Ares I und V antreiben. Da diese Stufe aber wegen des geringeren Schubs (verglichen mit dem SSME) kleiner sein muss, ist ein 5-Segment SRB für die erste Stufe notwendig.

Die gleichen Änderungen gab es auch bei der Ares V. Zuerst war hier die Rede von zwei 5-Segment SRB an einer Zentralstufe mit 5 SSME und einer Oberstufe mit zwei J-2S. Auch hier wurde das SSME gegen ein preiswerteres Triebwerk ausgetauscht. Nun treiben sechs RS-68, bekannt von der Delta IV, die erste Stufe an. Die zweite Stufe hat nur noch ein J-2S-Triebwerk. Dafür werden nun 5,5 Segment-Booster die Zentralstufe unterstützen, welche nun auch im Durchmesser von 8,18 auf 10,00 m vergrößert wurde.

Ares I

Die Ares I ist die bisher ungewöhnlichste US-Rakete, weil eine mit flüssigen Treibstoffen angetriebene Stufe auf einem Feststoffbooster sitzt. Das Konzept wird von der NASA als preiswert und sicher verteidigt. Bei einer vorbereitenden Studie schnitten die Delta IV Heavy und Atlas V Heavy, die auch das Orion Raumschiff in den Orbit bringen könnten, schlechter ab. Die Entwicklungskosten für „man rated“ Versionen dieser Typen wären genauso hoch und sie wären trotzdem unsicherer. Das LOC Risiko (Loss of Crew – Tod der Besatzung) läge bei Atlas V- und Delta IV-Varianten bei rund 1:1.000 und bei der Ares I bei 1:2.000.

Stufe 1

Die erste Stufe, ein 5-Segment-SRB, wird aus dem Space Shuttle-SRB mit 4 Segmenten entwickelt. Durch das fünfte Segment erzeugt der SRB mehr Schub, wodurch Modifikationen notwendig sind. Beispielsweise wird die Düse um 7,5 cm weiter, um den Innendruck zu begrenzen. Die Stahlhüllen werden ebenfalls mit neuen Isolationsmaterialen ausgekleidet. Sonst bleibt alles beim Alten, so verwendet man nach wie vor die alte Mischung von PBAN (Polybutadien-Acrylnitril) anstatt HTPB (Hydroxiterminiertes Polybutadien) als Binder. Anders als bei Stufen mit flüssigen Treibstoffen verändert ein Feststoffbooster bei Verlängerungen sein Abbrandverhalten. Die Änderungen durch das fünfte Segment bedeuten mehr Schub, mehr Brennkammerdruck, höhere Abtrennungsgeschwindigkeit und damit ein erneuter Test zahlreicher Systeme.

Oberhalb der Feststoffboostersegmente sitzt die Elektronik mit den Batterien. Die Düse selbst hat ein Aktorensystem mit eigener Stromversorgung, um diese zu schwenken. Die Elektronik beinhaltet auch ein Selbstzerstörungssystem, mit dem der Booster gesprengt werden kann (so wie dies bei der Explosion der Challenger erfolgte, die die Booster beide überstanden).

Die Brennzeit ist mit 125,8 Sekunden nur wenig länger als beim Shuttle-SRB, wie diese wird die Stufe geborgen. Änderungen gab es durch die viel höhere Geschwindigkeit bei der Abtrennung. Die Fallschirme sind daher größer und für stärkere Belastungen ausgelegt. In 4.600 m Höhe wird die aerodynamische Verkleidung des Hecks abgesprengt und der Pilotfallschirm entfaltet. Dieser 3,5 m große Schirm zieht dann den ersten Bremsfallschirm von 19,8 m Durchmesser heraus. Dieser reduziert die Geschwindigkeit und bringt den Booster in eine vertikale Position. Sobald eine bestimmte Geschwindigkeit unterschritten ist, werden die drei Hauptschirme entfaltet. Sie wurden gegenüber dem Space Shuttle-SRB von 41,1 m auf 45,7 m Durchmesser vergrößert. Gefertigt wird die Stufe von ATK Alliant, dem Hersteller der Shuttle-SRB.

Am 19.8.2008 gab die NASA bekannt, dass eine Untersuchung zeigte, dass die Schwingungen des Boosters in Längsrichtung viel zu hoch für einen bemannten Einsatz sind. Spitzen von 5-6 g werden um 115 Sekunden nach der Zündung erwartet. Diese Spitzen können der Besatzung gefährlich werden, weil es keine gleichmässige Dauerbelastung ist, sondern ein Schütteln. Es ist daher ein Dämpfungssystem notwendig, welches zwischen der ersten und zweiten Stufe montiert wird. In Frage kommen eine passive Lösung (Dämpfung der Schwingungen) oder eine aktive (Reduktion durch Verschieben von Gewichten). Die passive hätte die Belastung auf unter 1 g gesenkt, gering genug um die Gesundheit der Besatzung nicht zu gefährden, aber zu viel, um es der Besatzung zu ermöglichen, die Instrumente abzulesen, und in Notfällen schnell genug zu reagieren. Daher wird nun ein aktives System eingebaut. Es hat an 16 Punkten Gewichte von 100-150 Pfund (46-69 kg) Masse, die mittels Federn verschoben werden, ein Computer überwacht dies. Das System wird die erste Stufe schwerer machen und etwa 1.200-1.400 Pfund (540-640 kg) Nutzlast für einen erdnahen Orbit kosten.

Stufe 2

Der Wechsel vom SSME auf das J-2X hatte mehrere Folgen. Da man nicht ein SSME durch zwei J-2X ersetzen, sondern nur ein Triebwerk in der Oberstufe wollte, musste diese erheblich leichter werden. Anstatt bis zu 206 t bei dem Einsatz des SSME wiegt sie nun nur noch 156 t, bei einer recht hohen Leermasse von 17,5 t, trotz des Einsatzes von Aluminium-Lithium Verbindungen.

Die zweite Stufe hat eine Länge von 25,60 m und einen Durchmesser von 5,5 m. Die Verbindung zur ersten Stufe erfolgt durch einen 4,1 t schweren und 5,5 m hohen Zwischenstufenadapter aus Verbundwerkstoffen. Er beinhaltet auch die Kontrollen für die Rollachsensteuerung der ersten Stufe. Der Adapter ist konisch und hat einen Durchmesser von 3,71 m bei der Verbindung zur ersten und 5,50 m bei der zur zweiten Stufe.

Der obere, 15,52 m lange, Tank für flüssigen Wasserstoff hat ein Volumen von 328,5 m³. Der darunter liegende Sauerstofftank hat eine Länge von 3,74 m und ein Volumen von 109,5 m³. Die Gesamtmenge an beiden Treibstoffen beträgt 138 t. Das restliche Volumen wird für das Druckgas benötigt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt im Wasserstofftank durch Helium auf einen Druck von 2,9 bar. 5 kugelförmige Heliumflaschen befinden sich dafür im Innern des Wasserstofftanks. Beim Sauerstoff dient dazu gasförmiger Sauerstoff, der durch Wärmetauscher am J-2X-Triebwerk aus einem Teil des flüssigen Sauerstoffs gewonnen wird. Hier beträgt der Druck 3,5 bar. Ein gemeinsamer Zwischenboden trennt beide Tanks. Ursprünglich waren getrennte Tanks vorgesehen, aber diese Lösung wäre zu schwer gewesen.

Vor der Zündung der Stufe starten kleine Feststofftriebwerke am Fuß der Stufe, die dazu dienen, den Treibstoff am Boden zu sammeln. Es ist nur ein Set dieser Antriebe nötig, da die Stufe nur eine Zündsequenz hat. Nominal wird die obere Stufe 7 Sekunden nach Ausbrennen der ersten Stufe gezündet.

Oberhalb der Stufe sitzt die Avionik mit einem Adapter zur Orion Kapsel. Der Adapter hat eine Länge von 2,18 m bei einem Durchmesser von 5,50 m. Batterien liefern bis zu 5.150 Watt Leistung. Der Instrumentenring wiegt 2,5 t.

Boeing fertigt sowohl die Oberstufe wie auch die Elektronik. Das J-2X beinhaltet sowohl Teile des J-2S wie auch neue. Neu ist die Turbopumpe von der Aerospike-Düse, die man für das X-33 entwickelte. Der Injektor und die Zündvorrichtung stammen dagegen vom J-2S. Anpassungen am Injektor sind nötig für den höheren Schub. Die Zündung erfolgt durch Einspritzen von Triethylaluminat und Tributylaluminat, die sich mit Sauerstoff spontan entzünden.

Die Düse besteht aus einem regenerativ gekühlten Teil und einer strahlungsgekühlten Erweiterung aus Metall. Verglichen mit den ersten Entwürfen, ist das J-2X nun mit einer erheblich längeren Düse ausgestattet. Das Design jedes J-2X ist ausgelegt für maximal 8 Zündungen und eine Betriebszeit von 2.600 Sekunden. Hier ein Vergleich von J-2, J-2S und J-2X:

Flugprofil und Erprobungsprogramm

Die Ares I beschleunigt schnell. Innerhalb von 126 Sekunden hat sie eine Höhe von 57 km und eine Geschwindigkeit von 1.800 m/s erreicht. Dort findet die Stufentrennung statt. 133 Sekunden nach dem Start zündet die zweite Stufe, die dann 465 Sekunden lang brennt, bis sie einen Orbit erreicht hat. Der Brennschluss erfolgt in 133 km Höhe.

Das Erprobungsprogramm ist eine Rückkehr zur Vor-Apollo-Ära: Wie bei den ersten Interkontinentalraketen wird die Ares I stufenweise getestet. Der erste Testflug, der für September 2009 angesetzt ist, wird nur einen Space Shuttle-SRB mit einer Verlängerung und Ballast als Simulation der Zweitstufe umfassen. Weitere Flüge werden folgen. Der erste Test einer vollständigen Ares I ist nicht vor 2012 zu erwarten und der erste bemannte Einsatz nicht vor 2014 – ein Jahr später als nach den ursprünglichen Planungen.

Da das Erprobungsprogramm schon zu diesem Zeitpunkt hinter dem Zeitplan hinterherhinkt und die Kosten für die Ares I-Entwicklung mittlerweile auf 16,6 Milliarden Dollar geschätzt werden, mehren sich erneut Stimmen, die Delta oder Atlas zu bemannten Trägern umzurüsten. Sie stünden schneller zur Verfügung, könnten also die Lücke zwischen dem Ausmustern der Space Shuttles und den ersten Orion Flügen schließen und sie wären preiswerter und würden nicht wie der erste Ares I-Testflug die ehemaligen Space Shuttle-Startrampen monatelang blockieren, da sie eigene Startkomplexe haben.

Bislang hat die NASA für rund 5,18 Milliarden Dollar Entwicklungsaufträge an Boeing, ATK und Pratt & Whitney vergeben. Nachdem die Augustinekomission das Constellation Programm als chronisch unterfinanziert befand und die Ziele als nicht erreichbar im vorgegebenen Zeitraum erachtete, stellte der neue Präsident Barack Obama das Programm 2010 ein. Gleichzeitig wird ein neues Programm aus der Traufe gehoben, das Technologien für zukünftige Schwerlastraketen enthält, aber keinen Bau einer solchen. Im Juni 2011 wurde Constellation offiziell eingestellt. Die NASA unterschrieb zahlreiche Terminierungsverträge. Die Ares I wird wahrscheinlich nicht gebaut werden. ATK, Hersteller der Shuttle-SRB, schlug der Regierung als preiswerte Alternative zur Ares I die "Liberty Rakete" vor. Anders als die Ares I besteht diese aus schon existierenden Teilen: Einem Standard Shuttle-SRB als erster Stufe (mit vier Segmenten) und der Ariane 5 EPC als zweiter Stufe. Sie sollte in wenigen Jahren zur Verfügung stehen, wenn ein Auftrag erteilt wird und ein Flug mit einer Nutzlast von 22 t sollte 80 Millionen Dollar kosten.

Links
NASA Ares Website

Büchertipps

Von mir gibt es mehrere Bücher zum Thema Trägerraketen. Mein bisher umfassendstes Werk ist ein zweibändiges Lexikon über Trägerraketen mit jeweils rund 400 Seiten Umfang. Eine sehr gute, kompakte Übersicht über die Trägerraketen Russlands, Europas, Chinas, Japan Indiens und verschiedener Nationen (Brasilien, Israel, Australien, Nordkorea, Südkorea, Iran) ist das Raketenlexikon: Band 2: Internationale Trägerraketen Der dazu gehörende Band 1 (Raketenlexikon: Band 1: US Trägerraketen) behandelt die amerikanischen Trägerraketen. Jeder Band behandelt die Technik und Geschichte von rund 100 Submodellen in kompakter Form. Die grundlegende Technik eines Modells wird in einem einführenden ersten Kapitel ausführlicher besprochen. Die folgenden Kapitel beinhalten dann die Veränderungen von Subversion zu Subversion. Jeder Typ wird mit einem ausführlichen Datenblatt und einem Startfoto dokumentiert.

Speziell mit der Geschichte der Trägerraketenentwicklung in Europa beschäftigt sich das zweibändige Wert Europäische Trägerraketen 1+2. Band 1 behandelt die nationalen Trägerprogramme (Black Arrow und Diamant) , die glücklose Europa-Rakete und die Ariane 1-4. Band 2 die beiden aktuellen Projekte Ariane 5 und Vega. Beide Bücher sind voll mit technischen Daten, Details zur Entwicklungsgeschichte und zu den Trägern.

Mehr über diese Bücher und weitere des Autors zum Themenkreis Raumfahrt, finden sie auf der Website Raumfahrtbucher.de.

© der Bilder: NASA MFSC
© des Textes von Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

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