Shuttle Oberstufen – Fehler im System

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Das Shuttle heißt im Nasa Jargon offiziell „Space Transporting System“. Und das „System“ verrät schon. Es ist etwas mehr als nur der Orbiter. Damit ist natürlich das Gesamtsystem bestehend aus Orbiter, zwei Feststoffraketen und externem Tank gemeint. Jedoch machte sich die NASA auch von Anfang an Gedanken über den Einsatz des Shuttles und dazu notwendigen Erweiterungen. Eines war das Spacelab, wodurch man erst Forschung mit dem Orbiter durchführen konnte. Es wurde von er ESA entwickelt. Eine zweite Sache war der Satellitentransport und die Reparatur.

Man ging anfangs davon aus, dass der Space Shuttle wirklich preiswert im Vergleich zu herkömmlichen Trägerraketen sein würde. Er hat nur ein Manko: Die Nutzlast nimmt enorm schnell ab. Will man anstatt 200 km Höhe eine 600 km hohe Bahn erreichen so ist sie nur noch halb so groß. Genauso, wenn man anstatt einer 28.8 Grad geneigten bahn eine Polarbahn erreichen will. Nun gehen aber die meisten zivilen Satelliten in höhere Bahnen. Wetter- und Erderkundungssatelliten in 700-1300 km hohe Bahnen. Geostationäre Satelliten die schon bei der Entwicklung des Space Shuttles das Groß der Starts ausmachten sogar 36000 km Höhe. Diese Höhe konnte ein Space Shuttle nie erreichen.

Die einfachste Lösung wäre es eine vorhandene Oberstufe wie die Centaur zu nehmen und damit Satelliten zu befördern. Doch eine Centaur ist teuer, gemessen an dem ursprünglichen Kostenrahmen genauso teuer wie der Start eines Space Shuttles selbst. So kam man in den 70 er Jahren auf die Idee des „Space Tugs“. Eine Oberstufe die zwischen den Bahnen pendelt und Satelliten aussetzt, zur Reparatur abholt oder wieder zurückbringt. Zwischen den Flügen muss man sie im Orbit auftanken. Leider habe ich nichts mehr über die genaue technische Auslegung des Space Tugs gefunden. Er sollte aber nicht billig werden: 636 Millionen US-$ sollte die Entwicklung kosten und 500 Millionen US-$ jedes weitere Exemplar. Zum Vergleich: Die damals parallel zum Space Shuttle entwickelte Ariane 1 kostete etwa 900 Millionen US-$ an Entwicklungskosten und die Herstellungskosten für jedes Exemplar lagen bei etwa 47 Millionen US-$.

Wahrscheinlich war der Space Tug nur gedacht für erdnahe Bahnen und arbeitete mit lagerfähigen Treibstoffen. Später gab es den Ersatz Teleoperator Retrivial System das nur etwa 30 Millionen USD kosten sollte und mit einer Reihe von auswechselbaren Hydrazintanks arbeitete. Ein Space Shuttle sollte leere Tanks dann durch neue ersetzen. Wichtigster Einsatz dessen war die Rettung von Skylab. Verzögerungen in der Entwicklung des Space Shuttles, Kostenüberschreitungen bei der Entwicklung und die sich der beschleunigende Absturz von Skylab verhinderten eine Umsetzung des Konzepts.

Ich möchte einmal ausrechnen ob sich der Transport auch in die geostationäre Bahn lohnt. Ausgangsbasis dafür ist die Centaur Oberstufe der Delta IV. Sie verfügt über das Triebwerk RL-10B2, das leistungsfähigste das heute im Einsatz ist und sie ist so isoliert, dass auch ein Betrieb nach mehreren Stunden möglich ist

  • Triebwerk 1 RL-10B2
  • Schub: 110 kN
  • Brennzeit: 850 sec.
  • Spezifischer Impuls: 4516 m/s (Vakuum)
  • Vollmasse: 24170 kg
  • Leermasse: 2850 kg

Rechnen wir noch 200 kg für ein Kopplungssystem / Radar / Kameras dazu, so erhalten wir eine Startmasse von 24370 kg und eine Leermasse von 3050 kg. Beim Transport mit dem Space Shuttle kann man so noch eine Nutzlast von maximal 5000 kg transportieren (maximale Startmasse 29500 kg) und wenn man die Stufe auftanken muss so muss man 21320 kg an Treibstoff mitführen. Die Tanks dafür wiegen etwa 840 kg.

Um in einen geostationären Orbit von einer 200 km hohen Kreisbahn von 28.8 Grad Neigung zu kommen braucht man etwa 4250 m/s an Antriebsvermögen (2450 m/s um die Bahn von einer 200 km Kreisbahn in eine 200 x 36000 km Bahn umzuwandeln und 1800 m/s um dise durch eine zweite Zündung in 36000 km Höhe in eine Kreisbahn umzuwandeln und die Inklination von 28.8 Grad abzubauen).

Fall 1 : Abholen eines Satelliten

Startmasse: 24370 kg
im geostationäre Orbit: 9509 kg
Satellit: 1080 kg
im 200 km Orbit: 4131 kg

Fall 2: Transport eines Satelliten

Startmasse: 25550 kg
im geostationäre Orbit: 9969 kg
Satellit: 1080 kg
im 200 km Orbit: 3050 kg

Ein Satellit von 1080 kg Gewicht entspricht etwa einer Startmasse von 2100-2150 kg in den geostationären Übergangorbit, also in etwa dem was eine damals übliche Version der Atlas Centaur transportierte. Bedenkt man, dass der Space Shuttle in einen erdnahen Orbit die 5 fache Nutzlast einer Atlas Centaur transportiert, so sieht man hier schon die Crux: Man verbraucht so viel Treibstoff dass der Preisvorteil weitgehend zunichte ist. Leichte Steigerungen im Shuttle Startpreis und die kosten für die Stufe und es bleibt nichts übrig.

Das war der Grund warum wohl dieses Konzept des Space Tugs nie umgesetzt wurde. Was tat man stattdessen? Man behalf sich mit schnellen Lösungen. Da die meisten kommerziellen Satelliten einen integrierten Antrieb hatten um das zweite Manöver (die Anhebung der Bahn) durchzuführen – schon alleine weil man sie ja auch auf einer anderen Rakete starten musste entwickelte man zwei Feststoffoberstufen um den ersten Teil durchzuführen. Dies war die PAM-D (Payload Assistent Module Delta Class) und die PAM-A (Payload Assistant Module Atlas Class) welche genau die Größe hatten um eine Nutzlast der Delta 3914 und Atlas-Centaur zu starten. Das zweite Modul wurde dabei nie eingesetzt. Für größere Nutzlasten oder höhere Geschwindigkeiten entwickelte man eine modifizierte Version der Centaur D. Schaut man bei obiger Tabelle genauer nach, so sieht es für die hinreise gar nicht mal so schlecht aus: Von 25.7 t landen noch 10 t im geostationären Orbit. Davon entfallen nur 3 t auf die Stufe, so dass man netto nur für den Hinweg 7 t Nutzlast transportieren könnte. Dies ist auch in etwa die Nutzlast der Centaur G gewesen, die man für den Space Shuttle entwickelt hatte.

Sicherheitsaspekte nach dem Verlust der Challenger führten dazu, dass es nie zu einem Flug dieser Stufe kam. Die Air Force setzte eine eigene Oberstufe, die IUS ein, welche kompatibel zur Titan war, so dass man unabhängiger war. Diese Kombination brachte aber nur 2270 kg in den geostationären Orbit.

Damit war der Transport von Satelliten mit dem Space Shuttle an und für sich eine unattraktive Sache. Maximal 3 Delta Nutzlasten oder eine Nutzlast in der Titanklasse konnte er transportieren. So verschenkte man Zwei Drittel bis die Hälfte der Nutzlast und dies bei einem Startpreis der schon vor Challenger nicht deckend war und künstlich abgesenkt wurde um mit Ariane konkurrieren zu können.

So verwundert es nicht, dass selbst die NASA nach dem Verlust der Challenger Trägerraketen orderte. Anstatt die TDRSS Satelliten weiterhin mit dem Space Shuttle zu starten machte man dies nun mit Atlas Centaur Raketen. Kommerzielle Flüge waren sowieso verboten und das Militär sprang wegen des öffentlichen Interesses und der Unzuverlässigkeit im Zeitplan ab.

Ohne adaquate Oberstufen war das Shuttle System einfach unwirtschaftlich. Was blieb waren Spacelab Flüge, Missionen zur Mir die vor allem publizistisch nutzbar waren und später der Aufbau der Raumstation ISS. Letztere sicherte ab Mitte der 90 er Jahre das Überleben des Space Shuttles. Anders ausgedrückt: Man legte die Station so aus, dass sie vorwiegend mit dem Space Shuttle gebaut wurde. Das muss nicht so sein. Die russischen Module werden mit einer Proton Rakete gestartet und können selbstständig ankoppeln. Europa hat den ATV entwickelt der das auch kann, Japan den analogen HTV. Zumindest die Teile die man nur ankoppeln muss, also keine Montagearbeiten erfordern hätte man mit Raketen starten können.13 Module stehen unter Druck und werden in 12 Flügen gestartet. Diese wären auch mit Raketen startbar gewesen.

Damit rettete die NASA das Space Shuttle in das nächste Jahrtausend. Doch dafür war die ISS auf Gedeih und Verderb an das Space Shuttle gebunden. Als die Columbia beim Wiedereintritt verglühte fehlte nicht nur ein Space Shuttle sondern auch der Ausbau der ISS geriet ins Stocken. Fast hätte man sie ganz aufgegeben. Doch zum einen gab es internationale Verträge in denen man die Fertigstellung zusagte und zum anderen wäre das wohl eine nationale Bankrotterklärung gewesen. So fliegt das Space Shuttle weiter – bis die ISS fertig ist. Was dann mit ihr geschieht? Bislang gibt es dafür noch keine Pläne….