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Im Februar 2008 gab die Firma Orbital
Sciences Corporation
(OSC) bekannt, dass sie eine neue Trägerrakete unter der Bezeichnung
Taurus II entwickelt. Schon 2010 sollte nach den damaligen Planungen
der erste Start erfolgen. Ziel ist es, die Raumstation ISS mit Fracht
zu versorgen. Die NASA wird 170 Millionen Dollar und OSC weitere 150
Millionen in die Entwicklung investieren. Davon entfallen 130 Millionen
auf die Trägerrakete Taurus II und 20 Millionen auf das
Frachtraumschiff „Cygnus“.
Nach einem Demonstrationsflug und dem Jungfernflug des
Versorgungsraumschiffs im Jahre 2011 sollen dann bis zu acht weitere
Flüge zur Versorgung der ISS erfolgen. OSC rechnet mit sechs bis sieben
Starts im Zeitraum von 2010 bis 2012 und 12 bis 14 Starts in den darauf
folgenden Jahren. Kurz vor dem Jungfernflug wurde die Trägerrakete in
"Antares" umbenannt.
Die Designziele der Antares sind minimale Entwicklungskosten und ein reduziertes Risiko in der frühen Einsatzphase. Zusammen mit den Investitionen in Bodenanlagen werden OSC und andere US-Firmen rund 200 Millionen Dollar für die Antares ausgeben. Es gab schon seit den neunziger Jahren Studien von OSC für eine Antares, die aber damals noch darauf basierten, zwei Castor 120-Antriebe als erste und zweite Stufe zu nutzen, unterstützt von bis zu acht Castor IVB-Boostern. Eine Stufe mit flüssigen Treibstoffen war als Oberstufe vorgesehen. Diese Konzepte wurden verworfen und mehr und mehr wurde der Einsatz russischer Triebwerke und Stufen (wie das RD-120 der Zenit-Zweitstufe) ins Auge gefasst. Die Taurus solldadurch konkurrenzfähig sein, dass der größte Kostenfaktor, die erste Stufe, in der Ukraine gefertigt wird und auch die Triebwerke aus Russland stammen. OSC wird nur die Triebwerke integrieren.
Die Antares soll mit einem Cygnus-Raumschiff bis zu 2.300 kg Fracht zur ISS transportieren. Die Rakete nutzt schon entwickelte Komponenten, um die Entwicklungskosten zu senken und möglichst schnell einen Träger zur Verfügung zu haben (zwischen Auftragsvergabe und Jungfernflug liegen nur 40 Monate).
Die erste Stufe setzt zwei überholte NK-33-Triebwerke von Aerojet ein. Aerojet hat diese Triebwerke vor Jahren in Russland für die Kistler-Rakete gekauft und modernisiert. Die von Aerojet als AJ26-62 bezeichneten Triebwerke sind Hochdrucktriebwerke, entwickelt für die zweite Generation der sowjetischen „N-1“ Trägerrakete, die Kosmonauten zum Mond bringen sollte. Anders als die Vorgängertriebwerke vom Typ NK-15 haben sie ein extensives Testprogramm in Russland und den USA durchlaufen und gelten als sehr zuverlässig. Sie sind für eine Betriebsdauer von 16.000 s und bis zu 17 Zündungen ausgelegt. Ihr Schub ist zwischen 50 und 105 %, bei Abstrichen in der Lebensdauer sogar bis 135 %, regelbar. Bei der Taurus werden sie mit 108 % Schubniveau betrieben. Die NK-33 werden seit rund 35 Jahren nicht mehr produziert. Aerojet verfügt über 36 Triebwerke und in einer Lagerhalle in Samara sollen noch weitere 30 einsatzbereite Triebwerke stehen. Damit könnten 33 Flüge der Antares durchgeführt werden. Aerojet verhandelt auch über eine Neuaufnahme der Produktion des Antriebs in Russland. Jedes der alten Triebwerke wird vor dem Einbau einer Probezündung im NASA Stennis Test Center unterzogen. Aerojet hat die Triebwerke den kommerziellen Anforderungen angepasst und Teile, die durch die Langzeitlagerung gelitten haben, ausgetauscht. Im März 2010 begannen Tests in Samara, Russland, wobei jedes Triebwerk insgesamt 600 s lang betrieben werden soll, also deutlich länger als später in der Antares. Im November 2010 begannen dann auch die ersten Tests bei Aerojet in den USA. Rechnet man die Tests dazu, die noch im N-1 Programm erfolgten, so werden die Triebwerke bis zum Jungfernflug über 1.500 Zündungen und 194.000 s Betriebszeit akkumuliert haben. Die Akzeptanztests verliefen so gut, dass der letzte (von drei) Tests über die volle Zünddauer ausgesetzt wurde.
Die erste Stufe hat nicht zufälligerweise den gleichen Durchmesser wie die Zenit. Sie wird gebaut von der Firma KB Juschnoje, dem Hersteller der Zenit, welche die Tanks und Strukturen mit denselben Fertigungsanlagen produziert. OSC übernimmt die Integration und die Abnahmetests. Die Stufe verwendet separate Tanks für flüssigen Sauerstoff und Kerosin. In der Zwischentanksektion befinden sich acht Heliumflaschen, mit denen beide Tanks unter Druck gesetzt werden. Das Helium hat einen Druck von 220 bar. Die erste Stufe besteht aus fünf Sektionen: Zwischenstufen-Heck Bereich, Sauerstofftank, Sektion zwischen den beiden Tanks, Kerosintank und Bug. Der Sauerstofftank ist aus verstärkten Aluminiumblechen gefertigt, die anderen Sektionen sind aus waffelförmig geprägtem Aluminium. Die Leitungen des flüssigen Sauerstoffs führen durch einen Tunnel in der Mitte der Kerosintanks. Im Bugbereich befinden sich die meisten beweglichen mechanischen Teile, die Elektronik und die meisten Flüssigkeiten, die zum Betrieb benötigt werden. Die Verbindung zum Starttisch wurde von der Zenit übernommen. Die beiden Triebwerke sind in einem Schubrahmen mit einem gemeinsamen Hitzeschutzschild angebracht aber unabhängig voneinanderhydraulisch schwenkbar. Da beide Triebwerke schwenkbar aufgehängt sind, ist keine Rollachsensteuerung notwendig. Ohne Triebwerke wiegt die erste Stufe 13.150 kg. Sie führt 64.744 kg Kerosin und 177.257 kg LOX mit.
Das Design der Stufe wurde 2007 abgeschlossen, im Oktober 2010 wurde das erste Produktionsexemplar an OSC ausgeliefert.
Die zweite Stufe ist ein Castor 30A-Feststoffantrieb, der sich zurzeit in der Entwicklung befindet. Dabei handelt es sich um einen verkürzten Castor-120-Booster. Er hat eine verstellbare Düse mit einem recht hohen Öffnungsverhältnis von 50 zu 1. Eine noch größere Düse mit einem Öffnungsverhältnis von 70 zu 1 befindet sich in der Entwicklung. Durch die bewegliche Düse ist eine Dreiachsensteuerung möglich. Bei einem Gesamtimpuls von 37,1 Millionen Ns wird ein hoher spezifischer Impuls von über 2.900 m/s erreicht. Der Castor 30 wurde gewählt, um die Baulänge zu verkürzen und die Empfindlichkeit gegenüber Resonanzschwingungen zu reduzieren. Der Antrieb weist einen mittleren Schub von 293,7 kN auf. 2009 gingen die Planungen vom Castor 30 (ohne „A“) aus. Von diesem unterscheidet sich der Castor 30A nur durch eine etwas kürzere Brennzeit (143 statt 150 s) und einen etwas höheren Maximalschub (393 anstatt 353 kN).
Nach zwei Flügen wird der Castor 30A durch den Castor 30B ersetzt. Doch auch dieser ist keine Dauerlösung, ab dem fünften Start wird ein Castor 30Xn eingesetzt. Die genauen Performancewerte sind nicht bekannt, doch der Castor 30XL soll um 8 Fuß (2,72 m) verlängert sein. Mit diesem Antrieb soll die Cygnus-Raumkapsel bis zu 2,8 t zur ISS bringen. Bei dem Castor 30A ist sie auf 1.600 bis 2.000 kg beschränkt. Der Entwicklungsauftrag für den Castor 30XL an ATK hat einen Umfang von 57 Millionen Dollar.
Die Avionik befindet sich in einem Zylinder, der auf dem Adapter zur ersten Stufe sitzt. In beiden Stufen wird Elektronik eingesetzt, die OSC schon in anderen Raumfahrtprojekten erprobt hat. Daten werden zum Boden mit einer Datenrate von 3 Mbit/s übertragen. Auf einem zweiten Kanal werden Videosignale übertragen. Dazu kommen Sender und Empfänger für das RADAR im C-Band, GPS-Empfänger und der Empfänger für das Selbstzerstörungssystem auf einer eigenen Frequenz.
Die Avionik setzt drei Apogäumsantriebe eines OSC-Satellitenbusses mit jeweils 444 N Schub ein. Als Treibstoff werden MMH (Monomethylhydrazin) und NTO (Nitrogentetroxid = Distickstofftetroxid) genutzt. Die Antriebe dienen dazu, die Bahn zu zirkularisieren, da der Castor 30A-Antrieb schon in niedriger Höhe (137 bis 205 km je nach Aufstiegsbahn) Brennschluss hat. Dadurch wird nur eine elliptische Anfangsbahn erreicht. Sie zünden nach einem halben Umlauf und bringen die noch verbleibende Geschwindigkeit auf, um die kreisförmige Umlaufbahn zu erreichen. Der Treibstoff reicht aus, um ein Δv von mindestens 150 m/s zu erreichen.
Die Taurus ist die einzige Trägerrakete, die als erste Stufe flüssige und als zweite Stufe feste Treibstoffe einsetzt. Das es ein neuer Antrieb ist, und nicht schon der vorhandene Castor 120-Booster, liegt auch an der Produktion unter Verwendung der Zenit-Technologie: Damit steht der Durchmesser von 3,90 m fest. Dieser ist eigentlich zu groß für eine Trägerrakete dieser Nutzlastklasse. Die Tanks sind nur bis zu einem bestimmten Maß verkürzbar. Damit liegt das Startgewicht der ersten Stufe fest und ein Castor 120 wäre als Zweitstufe schon zu schwer: Die Antares könnte nicht mehr abheben. Schon jetzt beträgt die Startbeschleunigung nur 1,3 g, trotz Betrieb der Triebwerke im 108 %-Schubniveau. Durch die leichte Oberstufe wird eine maximale Beschleunigung von 6,0 g während des Betriebs der ersten Stufe erhalten. Beim Castor 30A sind es nur noch 3,7 g.
Für ISS-Missionen und in erdnahe polare Bahnen ist die Antares zweistufig. Für höhere Geschwindigkeiten gibt es eine optionale dritte Stufe. Damit kann die Antares die Delta 2 auch bei Planetenmissionen ersetzen. Die Star 48V ist dreiachsenstabilisiert. Sie reduziert den für die Nutzlast zur Verfügung stehenden Platz um 2 m.
Ursprünglich sollte später eine deutlich leistungsfähigere zweite Stufe folgen. Sie würde ein Triebwerk mit 147 kN Schub einsetzen und die Treibstoffkombination LOX und flüssiges Methan nutzen, welche eine höhere Energieausbeute verspricht. Sie sollte die Nutzlast auf 7.600 kg steigern. Ein weiterer Vorteil wäre die geringeren Abweichungen von der Sollbahn und die Fähigkeit zur Wiederzündung. OSC konnte jedoch keinen preislich attraktiven Antrieb finden und setzt daher nun den Castor 30XL ein.
Die Nutzlastverkleidung aus zwei Hälften mit 9,87 m Länge und 3,94 m Durchmesser wiegt 972 kg. Sie bietet der Nutzlast ein Volumen von 57,5 m³ und einen nutzbaren Durchmesser von 3,50 m. Sie besteht aus einer Aluminiumkernstruktur in Honigwabenbauweise mit einer Verkleidung aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Sie wird je nach Missionsprofil 297 bis 334 s nach dem Start in einer Höhe von 125 bis 184 km abgetrennt.
OSC gibt an, dass die Rakete eine Zuverlässigkeit von 98% erreichen soll. Sie wird von einem umgebauten Launchpad der Minuteman in Wallops Island gestartet. Die Rakete übernahm von der Zenit auch die horizontale Integration. Erst 24 Stunden vor dem Start wird die Rakete zur Startplattform gefahren. Das verringert zum einen den Aufwand für die Startvorbereitung und reduziert auch die Kosten für die zu errichtende Infrastruktur an der Rampe.
Das Missionsprofil sieht wegen der kurzen Brennzeit des Castor 30A eine Freiflugphase zwischen dem Ausbrennen der ersten Stufe und Zündung der zweiten vor. Diese beträgt 10 s bei Starts zur ISS (200 × 300 km-Orbit) und 100 s bei einem 600 km hohen kreisförmigen Orbit. Durch die Wahl einer festen zweiten Stufe mit einem festgelegten Gesamtimpuls ist die Bahngenauigkeit nicht sehr hoch. Sie liegt bei 15 km Abweichung im Perigäum, 80 km im Apogäum und 0,05 Grad in der Inklination.
Die Antares wird zuerst von Wallops aus starten. Von diesem Startplatz vor der Küste Virginias aus erfolgen die Versorgungsflüge der Cygnus zur ISS und auch Starts in Fluchtbahnen. Sollte es einen Bedarf geben, so könnte die Antares auch von Vandenberg oder Kodiak Island in sonnensynchrone Umlaufbahnen oder Cape Canaveral in GTO-Bahnen starten. Neben der Antares startet auch die Minotaur und Pegasus von Wallops aus. Alleine für die Startplattform wurden 10.000 t Beton verbaut. Die Verzögerungen bei der Fertigstellung der Bodenanlagen waren auch eine der Hauptgründe für den nun verschobenen Jungfernflug.
Mit der Erteilung eines Auftrags über zunächst acht Starts zur ISS ist die Zukunft der Antares gesichert. Die NASA möchte sie auch, wie auch die Falcon 9, als Nachfolger der Delta 2 für Satellitentransporte ab 2013/2014 einsetzen. Wie SpaceX plant auch OSC eine bemannte Version der Cygnus-Kapsel, will die auf 2-3 Milliarden $ geschätzten Entwicklungskosten dafür aber nicht selbst aufbringen. Es gibt bisher nur wenige Daten über die Antares. Nicht abgesicherte und berechnete Daten sind im Datenblatt mit einem Fragezeichen versehen.
Für den Jungfernflug mit einer Demonstrationsnutzlast zahlt die NASA 100 Millionen Dollar. Er soll im Oktober 2011 erfolgen. Die erste Cygnus Kapsel wird im Dezember fertiggestellt werden, sodass ihr Start erst 2012 erfolgen wird. Ab 2014 sind Starts von der Westküste (entweder Kodiak Island oder Vandenberg) aus geplant. Die Produktionsdauer einer Antares beträgt rund 21 Monate.
Das folgende Datenblatt enthält auch die projektierten Daten der PWR35M -Oberstufe. Nach den derzeitigen Planungen wird diese aber wahrscheinlich nicht entwickelt werden. Nach wie vor steht aber noch die Star 48-Oberstufe (der Motor der PAM-D) für Hochenergiemissionen zur Verfügung.
Datenblatt Antares |
||||
Einsatzzeitraum: Starts: Zuverlässigkeit: Abmessungen: Startgewicht: Max. Nutzlast: Nutzlastverkleidung: Startkosten: |
Ab 2011 Bisher keiner
40,50 m Höhe 281.700 kg 5.100 kg in einen 200 km-Orbit, 51,6 Grad (2 Stufen) 6.500 kg in einen 200 km-Orbit, 51,6 Grad (2 Stufen mit PWR35M) 9,90 m Länge, 3,90 m Durchmesser, 972 kg Masse 75 – 80 Millionen Dollar (mit Castor 30)
|
|||
Stufe 1 |
Castor 30A |
Star 48BV |
PWR35M |
|
|---|---|---|---|---|
Länge: |
27,60 m |
3,50 m |
1,68 m |
7,00 m |
Durchmesser: |
3,90 m |
2,35 m |
0,89 m |
3,90 m |
Startgewicht: |
260.716 kg |
14.700 kg |
2.168 kg |
18.000 kg |
Trockengewicht: |
18.715 kg |
1.185 kg |
173 kg |
1.818 kg |
Schub Meereshöhe: |
3.456 kN |
258,9 kN |
- |
- |
|
Schub (maximal): |
3.630 kN |
395,7 kN |
79,3 kN |
147 kN |
Triebwerke: |
2 × AJ26-62 |
1 × Castor-30 |
1 × Star 48 |
1 × PWR35M |
spezifischer Impuls |
2.923 m/s |
- |
- |
- |
spezifischer Impuls |
3.247 m/s |
2.950 m/s |
2.864 m/s |
3.400 m/s? |
Brenndauer: |
213 s |
136 s |
85,2 s |
375 s? |
Treibstoff: |
LOX/Kerosin |
HTPB/Aluminium/ Ammoniumperchlorat |
HTPB/Aluminium/ Ammoniumperchlorat |
LOX/LNG |
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
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.
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