Die Minirakete

Nun da ja so gerne am oberen Ende des Spektrums neue Raketen konstruiert werden, hier meine Vision einer Rakete am unteren Spektrum. Ziel ist es sehr kleine Mini Satelliten von unter 100 kg zu starten.

eine so kleine Rakete werfen wir am besten vom Flugzeug ab. Sie ist so licht, dass wir dazu kein Passagierflugzeug brauchen, daher habe ich ein Kampfflugzeug ausgesucht: die Mig-31. Sie hat eine Spitzengeschwindigkeit von Mach 2,85. Ich habe nur Mach 2 angesetzt, weil die Rakete(n) ja noch Luftwiderstand bedeuten. Damit es keine Probleme gibt sind es nämlich zwei die simultan abgeworfen werden und die Rolle der Zusatztanks einnehmen. Damit ist die Startmasse auf 2500 kg beschränkt, denn diese transportieren 2500 l Kerosin und die Tanks wiegen auch noch was.

Die Pegasus braucht beim Abwurf mit Mach 0,8 nur noch 850 m/s um den Orbit zu erreichen. Ein Start bei mach 2,0 reduziert die Verluste dann auf 450 m/s. Das wäre mit zwei Feststoffstufen oder drei zu erreichen. Ich will beide mal projektieren. Ich bevorzuge die drei Stufen Lösung, da wir ohne aktive Steuerung auskommen müssen. Sonst bleibt nicht viel von der Nutzlast übrig. Eine passive Steuerung ist recht einfach. Die erste Stufe setzt Flügel ein, das stabilsiert sie aerodynamisch und lässt sie in einem flachen Winkel ansteigen. Die beiden oberen Stufen werden vor der Trennung von der Unterstufe zuerst in einen vorgegeben Winkel zur Horizontalen gedreht und dann aufgespinnt zur Spinnstabilsierung. Bei nur zwei Stufen muss man eine recht lange Freiflugphase zwischen Brennschluss erster und Zündung zweiter stufe einschieben, was energetisch ungünstig ist, zudem ist die Leermasse der zweiten Stufe relativ hoch.

Dreistufige Variante:

Erste Stufe: voll: 1620 kg, leer 220 kg, spezifischer Impuls: 2850 (abgeleitet von dem Star 50)

zweite Stufe voll: 540 kg, leer 34 kg, spezifischer Impuls 2833 m/s (abgeleitet vom Star 30C)

dritte Stufe voll: 170 kg, leer 22 kg, spezifischer Impuls 2845 (abgeleitet vom Star 17)

Nutzlastverkleidung: 20 kg (wird nach erster Stufe abgeworfen). Wie man sieht haben die Stufen ein Gewichtsverhältnis von 3. Das ergibt ungefähr gleiche Start(Endmasseverhältnisse und damit die maximale Nutzlast.

Zielgeschwindigkeit (mit Verlusten): 8250 m/s brutto, 7800 m/s netto

Es errechnet sich eine Nutzlast von 67 kg. Will man das Startgewicht von 2500 kg ausnutzen so kann man die zweite Stufe um 80 kg erhöhen und die dritte um 20 kg, dann resultiert gerade eine Nutzlast von 70 kg

zweistufige Variante

Erste Stufe: voll: 2110 kg, leer 286 kg, spezifischer Impuls: 2850 (abgeleitet von dem Star 50)

zweite Stufe voll: 350 kg, leer 35 kg, spezifischer Impuls 2846 m/s (abgeleitet vom Star 17/30C)

Die Nutzlast beträgt hier nur 44 kg.

Die dreistufige Variante ist also deutlich besser. Was diese Rakete aufweisen wird, sind sehr große Schwankungen der Bahnparameter. Der Satellit sollte daher ein eigenes, kleines Antriebssystem beinhalten. Das muss nicht groß sein. Bei einer so kleinen Masse reichen Triebwerke 10 N Schub, diese kann man ohne Druckgastanks alleine durch den Treibstoff der sich durch die Oberflächenspannung ansammelt zünden. Damit sind auch höhere Orbits leichter erreichbar.

Was kostet es? Nun wenn man nicht so hohe Ansprüche stellt gar nicht mal so viel. Die Scout war recht einfach aufgebaut und als sie noch relativ häufig gestartet wurde, so 1970 kosteten ihre stufen zwischen 213.000 und 288.000 Dollar, das wäre inflationskorrigiert heute 1,28 bis 1,7 Millionen Dollar. Allerdings sind unsere Stufen noch kleiner und haben keine aktive Steuerung. So sollten die drei Stufen für 3 Millionen Dollar herstellbar sein, wenn es eine genügend hohe Startrate von >6 Starts pro Jahr gibt.

Dazu kommen noch die Startkosten. Wenn man einen Mitflug auf einer Mig für 15000 Euro pro 45 Minuten buchen kann, dann sollte es kein Problem seinen einen Flug mit Abwurf der beiden Raketen zu buchen. Da die meisten Satelliten in einen SSO gehen, müssen diese Flugzeuge auch nicht Russland verlassen. Nehmen wir noch weitere 500.000 Dollar für den Start und den Transport nach Russland, dann sind wir bei 3,5 Millionen Dollar pro Start oder 50.000 $ pro Kilogramm. Die Vega ist dreimal billiger mit 32-42 Millionen Euro je nach Startrate pro Kilogramm, aber der zweite Testflug zeigt schon ihren Nachteil: Nutzlast war die nur 140 kg schwere Proba V sowie zwei weitere Satelliten. Jeder wog 1.33, 115 und 140 kg, alle drei zusammen 258 kg.

Für kleine Satelliten ist der Transport mit der Vega also unökonomisch, außer man findet einen Hauptsatelliten der die Nutzlast weitgehend ausnutzt. Okay, die 70 kg dieser Rakete sind nochmals um die Hälfte kleiner. Limitierend ist das bei Kampflugzeugen die Außenlast sich auf viele Punkte verteilt. Ob dies konstruktionstechnisch bedingt ist oder daran liegt das es besser ist 8 kleine Lenkkörper als einen großen mitzuführen kann ich nicht beurteilen. Auf die MIG 31 kam ich wegen der zweimal 2500 l Zusatztanks, die also diese Tragfähigkeit aufweisen. Etwas höher liegt die Su-34, die aber wahrscheinlich noch zu neu ist, als dass man sie westlichen Ländern für Starts zur Verfügung steht (3400 l entsprechend 95 kg Nutzlast) und die Mig 25BP mit einem 5800 l Tank, von der aber nicht sicher ist ob es noch Exemplare gibt. Wenn ja so wäre sie aufgrund der hohen Geschwindigkeit und Tragfähigkeit sehr geeignet. Die Flugzeit muss nicht lang sein. Es reicht aufzusteigen zu beschleunigen, abzuwerfen und zum Flugplatz zurückzukehren. Bei 5800 l Zuladung wären 160 kg Nutzlast möglich – ausreichend für viele kleine Satelliten.

Doch wenn man auf die Mig 29 wechselt, die 5,5 t Außenlast tragen kann, dann landet man schon bei 140 kg und man hätte die drei Satelliten einzeln starten können – für vielleicht 4 Millionen pro Start oder wesentlich weniger als der Transport mit der Vega.

Und wenn’s Frankreich stört: Zumindest nach Wikipedia sollte die Jagdbomber Version der Mirage 2000 auch die kleine Rakete starten können, aber nur eine pro Start. Der Eurofighter wäre vielleicht auch möglich, nur finde ich hier keine Daten über eine größere Last anstatt der vielen kleinen (maximal 1500 kg).

Da es eine Reihe von Satelliten dieser Größe gibt (zumindest für die etwas größere Version von 100-150 kg Nutzlast) würde sich eine solche Rakete lohnen. Bei der Vega gibt es zwei Einschränkungen für die Nutzlast in der VESPA (nein kein Scherz, so heißt die Doppelstartstruktur die beim letzten Start zum ersten mal getestet wurde): der begrenzte Platz und wenn sie einen anderen Orbit braucht der Treibstoffverbauch – das AVUM wiegt leer noch 494 kg und muss mitbewegt werden. Kein Problem wenn wie beim letzten Start die Orbits nahe beianderliegen. Doch auch hier wurden für eine Nutzlast von unter 120 kg eine Gesamtbrennzeit von 86 s für Orbitänderungen benötigt, was 68 kg Treibstoffverbrauch entspricht – viel für eine so kleine Nutzlast. Ist die Nutzlast größer so relativiert sich dies und auch die Kosten werden geringer – diesmal hatte die Vega nur 638 kg Nutzlast wovon nur 258 kg auf die Satelliten und der Rest auf Adaptieren und VESPA entfielen.

So was kleines wäre ja was für Deutschland, dann könnte man sich auch mal an die Technologie leichter FW-Feststoffgehäuse heranwagen, die man ja noch nicht beherrscht und Astrium Bremen hat ja gute Kontakte zu Russland, die DLR hat bisher auch russische träger exklusiv genutzt und die Bundeswehr auch, also gäbs vielleicht die Chance das Projekt so umzusetzen.

14 thoughts on “Die Minirakete

  1. Interessant. Jetzt gibt es ja aber auch von der ESA das Programm mit Höhenforschungsraketen für Studenten, REXUS genannt. Die Raketen kommen in der Regel so 80 bis 100 km hoch. Wäre es nicht auch mal eine Option, diese Raketen aufzurüsten, oder wäre man dann bei so einem Geräte wie der Vega oder der hier beschriebenen?

    Ach ja, grundsätzliche Informationen, was man sich unter dem REXUS-Programm vorzustellen hat, hier:
    http://www.esa.int/Education/Rocket_Balloon_Experiments_for_University_Students

  2. REXUS, MAXUS und andere Höhenforschungsraketen gibt es natürlich schon lange und sie waren auch lange vor den Orbitalraketen im Einsatz. Leder sind die Missionsprofile völlig unterschiedlich. Um eine große Höhe zu erreichen sollte die Brennzeit möglichst kurz sein. Deise Raketen brennen daher sehr schnell ab und erzeugen hohe Spitzenbeschleunigung. Für Orbitale Missionen sollte die Brennzeit möglichst lange sein, dass bei festen Antrieben keine freiflugphase nötig ist.

  3. Eigentlich müsste man doch beide Aufhängungen mit Streben zu einer großen verbinden können und könnte dann die doppelte Last anhängen, wodurch als Nachteil aber auch der Luftwiderstand steigt. Große kleine Raketen könnte man an der Tu 160 oder der B1B aufhängen. In diesem Fall würde aber wohl alleine der Flug über 100 000 kosten, schließlich wiegen über 200t beim Start.

  4. Diese Doppel-Aufhängung hat einen großen Nachteil: Beide Aufhängungen liegen auf der gleichen Seite, und es muß auf der anderen Seite ein entsprechend großes Gegengewicht angebaut werden. Da läßt sich bei den meisten Flugzeugen nicht mehr viel steigern. Anders wäre das bei Aufhängungen unterm Rumpf. Das erfordert dann allerdings ein recht hochbeiniges Flugzeug, um die Rakete unterzubringen. Gerade beim Start mit voller Nutzlast ist ein großer Anstellwinkel nötig, um genug Auftrieb zu erhalten. Dabei darf das Heck der Rakete nicht aufsetzen.

    Das Gegengewicht muß nicht unbedingt eine zweite Rakete sein, ein Zusatztank mit Wasser tut es auch. Wie die Kostenabschätzung zeigt, wären bei einem Einzelstart die Startkosten nur unwesentlich größer.

  5. Ja, du hast absolut recht. Ich dachte an eine Aufhängung unter dem Rumpf, habe dabei nur leider den Platz vergessen.

  6. Moin Elendsoft,

    > Das Gegengewicht muß nicht unbedingt eine zweite Rakete sein, ein Zusatztank mit Wasser tut es auch.

    Ich bin dann eher dafür dort eine Kabine für einen zahlenden Touristen abzuwerfen. D.h. er liegt da drin wie eine Sardine, in einen WW2-EinmannUbootsarg, wird mit der Rakete zusammen abgeworfen, hat erst den Beschleunigungskick mit der Mig, sieht dann den Raketenstart aus nächster Nähe, hat dann eine Freifallphase in Schwerelosigkeit, und landet per Fallschirm wie eine Kapsel.

    ciao,Michael

  7. Das ist eine gute Idee, um sich die Startkosten bezahlen zu lassen. Etwas abenteuerlich, aber machbar. Und gerade das Abenteuer dürfte die Kunden anziehen.
    Dazu noch ein Passagier auf dem zweiten Sitz, und ein kräftiger Aufpreis weil es ja mehr zu sehen gibt. Und wenn gerade keine Rakete zu starten ist, kann man zwei Passagierkapseln mitnehmen. Wenn die Passagiere in einen Raumanzug gesteckt werden, braucht die Kapsel noch nicht mal ein Lebenserhaltungssystem zu haben. Mit dem passenden Werbespruch „Landen wie mit der Sojus.“

  8. Also ihr kommt ja auf Ideen…

    Wenn man dem folgt (ich halte nichts davon), dann hätte man bei 2500 kg Gewicht ohne Problem die Kapazität den „Behälter“ auf eine suborbitale Bahn zu schießen (Raumanzug ist dann Pflicht). Die von Hans ins spiel gebrachte REXUS Rakete wiegt z.B. 415 kg bei 290 kg Treibstoff und 26 s Brennzeit. Den Schub kann man auf etwa 7,5 kN Schätzen, sodass sie selbst bei 2,5 t Masse noch mit 3 g Beschleunigt. Nimmt man zwei Behälter mit je 1250 kg Gewicht und je einer REXUS, so wäre die Spitzenbeschleunigung 6 g, was man über die kurze Zeit wohl ertragen könnte, wenn max gut fixiert ist.

    Die Rakete würde das ganze um weitere 332 m/s beschleunigen, was bei einem 45 Grad Winkel z.B. eine 3,8 km hohe Wurfparabel ergeben würde. (2500 kg) bei 1250 kg sind es schon 18 km Höhe und Weite.

    Nach der Landung müsste man nur den Feststoffantrieb austauschen. Da REXUS für studentenexeperimente gedacht ist denke ich ist sie bezahlbar. Man kommt damit nicht auf die höhe von SapaceShip 2 aber immerhin über 30 km.

  9. Moin Bernd,

    > Wenn man dem folgt (ich halte nichts davon), dann hätte man bei 2500 kg Gewicht ohne Problem die Kapazität den “Behälter” auf eine suborbitale Bahn zu schießen (Raumanzug ist dann Pflicht).

    wie viele Sekunden freier Fall = Schwerelosigkeit würde das bieten? Ich vermute fast damit könnte der Tourist den kleinen Forschungssatteliten und dessen Start finanzieren.

    ciao,Michael

  10. Kann man ausrechnen – 30 km Höhe ist fast die gleiche wie bei dem Rekordpdung von Joseph Kittinger, 1960. Er flog 4 min 36 s bis er den Fallschirm zog. Ein aerodynamsicher Behälter dürfte etwas schneller sein.

    Also wenn man den Gedanken verfolgen will, könnte man auch die zweistufige VSB 30 nehmen. Dei wiegt 1900 kg, was noch 600 kg für eine Kapsel übrig lässt (für eine Person vollkommen ausreichend). Da erreicht man eine spitzengeschwindigkeit von 2000 m/s, was ausreichend ist für einen senkrechten Aufstieg in 203 km Höhe wäre ( Flughöhe also > 210 km). Das sind dann mindestens 370 s bis man wieder in der Ausgangshöhe angekommen ist.

    Leider haben alle Höhenforschungsraketen viel zu hohe Spitzenbeschleunigungen, Aber man könnte ja was spezielles konstruieren, das deises Manke nicht hat.

  11. Moin,

    > was ausreichend ist für einen senkrechten Aufstieg in 203 km Höhe wäre

    und womit der Tourist sich dann offiziell Astronaut nennen darf, oder?

    Was kostet ein Virgin Galactic Ticket? $250k, oder so. Zu dem Preis bekommen wir das aber wohl nicht gestartet, und wie viele dafür 3 bis 5 Millionen hinlegen, um die Forschungsrakete, den Forschungssatelliten, ihre Rakete und den Flug zu sponsoren, … dass lässt sich schlecht schätzen.

    ciao,Michael

  12. Die MiG-31 ist interessant als „fliegende Startrampe“, denn normalerweise trägt sie ihre Lenkwaffen – 4 davon, jeweils 500kg – halbversenkt unter dem Rumpf. Für den Start werden diese dann mit einem Schwenkmechanismus abgesenkt.
    Ein Umbau auf eine einzige, dafür grössere Abwurflast dürfte kaum problematisch sein. Übrigens: die Maschine hat eine Leermasse von 22t und eine max. Startmasse von 46t. Ein Grossteil der Differenz entfällt auf den Kraftstoff (>20’000 l), um bis zu 5 Stunden Patrouille fliegen zu können. Mit weniger Treibstoff für das Flugzeug könnte die Abwurflast weiter gesteigert werden.

    Die Höchstgeschwindigkeit der Maschine ist vorgegeben durch die Neigung der Triebwerke zum gefürchteten „surging“ über Mach 2,5. Diese Geschwindigkeit soll auch mit Aussenlasten möglich sein, somit hätten wir einen substantiellen Beitrag zur benötigten Geschwindigkeit (ca. 10%), im Gegensatz zur Pegasus. Auch die max. Flughöhe von 20km wären ca.10% der benötigten. Der Luftwiderstand wäre zum grössten Teil überwunden.

    Ein noch besseres Flugzeug für den Abwurfstart wäre die grüssere und schwerere Tu-22M3. Auch sie erreicht Mach 2, und ist dafür gerüstet, eine grosse Rakete halbversenkt unter dem Rumpf mitzuführen. Sie steht in grosser Stückzahl im Einsatz.
    Das Optimum bisher ist die North Anmerican XB-70: ausgelegt als strategischer Mach 3 Bomber, erreicht die sechsmotorige Maschine 3’300km/h in 22 km Flughöhe. Die Differenz zwischen Leermasse (70t) und max. Startmasse (>240t) ist beeindruckend, und mit reduzierter Reichweite wäre eine Abfurflast von 100t denkbar… Einer der zwei Prototypen ist abgestürzt, der andere befindet sich in einem Museum, ob er wohl noch flugtüchtig ist?

  13. Eine Landung in einer abgeworfenen Kapsel wäre auch als Training für „richtige“ Astronauten möglich.

    Die White Knight Two sollte auch ausreichen, um eine Sojus-Landekapsel abzuwerfen. Da hierbei nur relativ geringe Belastungen auftreten und der Hitzeschutzschild nicht gebraucht wird, könnten das auch gebrauchte Original-Kapseln sein.

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