Ein Tipp für die Bundeswehr – Teil 2

Im letzten Blog hatte ich ja schon angesprochen, das die Bundeswehr auf die Kompetenzen, die sich heute unsere Universitäten angeeignet hat, zurückgreifen könnte und von denen ihre Beobachtungssatelliten bauen lassen könnte – Eine Situation die nur Gewinner hat: Die Bundeswehr kommt so zu Satelliten, die den Truppen bei der Aufklärung helfen, ihre Effizienz erhöhen und ihr Risiko senken und die Universitäten können ihre Studenten praxisnah ausbilden, die Studenten haben nicht nur eine theoretische Vorbildung, sondern verstehen auch etwas von der Materie und sind so besser und höher qualifiziert.

Einen Kleinsatelliten zu bauen, ist heute recht einfach. Es gibt sogar ESA Wettbewerbe für Cubesats von nur 1 kg Größe. Etwas komplizierter wird es, wenn man weg von der Erde will, sprich in den geostationären Orbit oder gar zum Mond. Dann braucht man auch ein Antriebssystem und eine aktive Ausrichtung der Nutzlast. Doch auch das ist wichtig: Nicht nur für die Ausbildung (die meisten Satelliten sind nun mal Kommunikationssatelliten) sondern auch für die Bundeswehr. Ein erdnaher Satellit, so in etwa 650 km Höhe (die von mir vorgeschlagene Höhe) hat etwa 10 Minuten Kontakt zu einer Bodenstation. Liegt diese in Polnähe, wie es bei den Empfangsstationen von ESA und NASA auf Alaska, Grönland und Nordnorwegen der Fall ist, so ist das wenigstens bei fast jedem Umlauf der Fall, doch bei der Höhe der Bundesrepublik in der Regel nur zwei bis viermal pro Tag. Das ist ineffizient. Es wird also noch ein geostationärer Relaissatellit benötigt.

Nun kommt man wegen der höheren Bahn schon in andere Dimensionen bei den benötigten Nutzlast. Es gibt hier zwei Möglichkeiten: Entweder man nimmt den Satelliten mit als Sekundärnutzlast einer Ariane 5. Dies ist im Gewicht begrenzt auf derzeit 400 kg. 400 kg im GTO Transferorbit entsprechen dann immerhin etwa 240 kg im geostationären Orbit. Das ist zwar zehnmal kleiner als ein heutiger Kommunikationssatellit, doch schauen wir uns mal vergangene Kommunikationssatelliten der 400 kg Klasse an. Symphonie liegt in dieser Klasse und verfügte über 2 Sender im 4/6 GHz Bereich. Zwei Sender würden heute ausreichen im höheren 12/14 GHz Bereich bei einer Bandbreite von 120 MHz etwa 240-260 MBit/s zu übertragen. Bei 3 Kanälen (technisch sicher kein Problem) wären es dann 360-390 MBit/s. Das reicht aus um die Daten zweier Beobachtungssatelliten parallel zu empfangen und zu senden.  Man benötigt 3 Satelliten um ein Netzwerk aufzubauen. Bei geschickter Platzierung im Orbit kann man damit die Daten von bis zu 6 Satelliten übertragen. Damit machen die Erdbeobachtungssatelliten viel mehr Sinn  Die Erdbeobachtungssatelliten sollten bei einer möglichst hohen Sendefrequenz senden. Bei einem Breitbandempfänger an Bord des geostationären Satelliten mit 20 Grad Öffnungswinkel (bis Hälfte der Empfangsleistung erreicht ist) müsste ein "Flying Laptop" mit seinem 57 Watt Sender bei 19.8 GHz mit einer 1.0 m großen Parabolschüssel senden um etwa 200 MBit/s zu übertragen. Bei dem 32 GHz Band, das gerade bei Raumsonden erprobt wird, ist die Schüssel nur noch 0.6 m groß. Sie muss natürlich dem geostationären Satelliten nachgeführt werden.

Auch für die Entwicklung von kleinen geostationären Satelliten findet sich sicher ein Kooperationspartner bei den deutschen Unis. Es gibt j noch die Lehrstühle in Aachen, Berlin und München. Viel interessanter ist aber, dass es natürlich auch andere mögliche Anwendungen für kleine geostationäre Satelliten gibt: Erdbeobachtung, Klimadatengewinnung, experimentelle Kommunikation etc. Darüber hinaus könnte auch für ein kleines Land, wie Deutschland noch der Mond in der Reichweite liegen – anders als Venus oder Mars, wo man schon große Empfangsstationen braucht und in der Tat gibt es ein europäisches und ein Nationales Projekt für einen Kleinsatelliten um den Mond.

Dann sollte es aber auch eine richtige Beförderungsmöglichkeit in den GTO Orbit geben. Die Ariane 5 ASAP ist für viele Satelliten geeignet, denn es ist eben eine Mitnahmemöglichkeit. Da für das Erreichen des geostationären Orbits oder zum Mond sowieso ein Antrieb notwendig ist, wäre es an der Zeit eine Oberstufe zu entwickeln.

Eine eigene Oberstufe? Ja, auch das ist möglich. Natürlich nicht mit einem neuen Antrieb. Da bedient man sich bei einem Apogäumsantrieb. Es gäbe zwei Möglichkeiten: Zum einen konventionellen Apogäumaanzrieb zu nutzen, wie den 500 N Antrieb von Astrium. Er ist bewährt, aber die Nutzlast sinkt rasch ab, wenn man von einem niedrigen Erdorbit in den geostationären Orbit gelangen will. Bei einem spezifischen Impuls von 3188 m/s und einem Start mit einer Rockot (1900 kg Startmasse, 2100 m/s Delta-V für das Apogee–Manöver bleiben von 1900 kg noch 460 kg übrig. Abzüglich den Antriebssystems sind es dann vielleicht noch 320 kg die für den Satelliten übrig bleiben. Das Anheben muss wegen des geringen Schubs mehrmals erfolgen. Bei der Vega ist es etwas günstiger, da das Delta-V dann nur noch 1500 m/s für das Apogee Manöver erfordert. Der Übergang in den GTO Orbit benötigt in beiden Fällen 2400 m/s.

Eine zweite Alternative wäre eine kryogene Oberstufe. Auch hier gibt es ein Triebwerk, entwickelt von Astrium Deutschland. Es hat aber nur 300 N Schub und ist ausgelegt für 4 Zündungen. Dies, und die Tatsache das man Wasserstoff nicht ohne großen Aufwand lange lagern kann, machen es sinnvoll beim ersten Orbit die Anhebung des Apogäums und nach einem halben Umlauf die Apogee Manöver durchzuführen. Dann muss der Schub aber höher sein, sonst benötigt man erheblich mehr Treibstoff, weil man bei zu langer Brennzeit das Perigäum auch anhebt. Erfahrungswerte von Oberstufen zeigen, dass mindestens 0.15 G Anfangsbeschleunigung vorhanden sein sollten. Bei einer Oberstufe von 1900 kg Startmasse sind dies etwa 3 kN Schub. Benötigt würden dann etwa 10 dieser Triebwerke. Das verkompliziert das Design sehr. Weiterhin sinkt dann auch die Nutzlast ab. Im geostationären Orbit liefert diese Stufe zwar dann 628 kg ab. Doch die Leermasse des Antriebssystems dürfte durch größere Tanks und die Isolierung und 10 anstatt einem Triebwerk höher liegen, bei etwa 180-190 kg. Dadurch ist die Nutzlastmasse im GTO Orbit nicht so viel größer und liegt dann bei 440-460 kg. Daher wäre dieser Antrieb wohl eher geeignet für kleinere Satelliten die mit einem oder zwei dieser Triebwerke direkt zu Mond oder in den GEO Orbit starten.

Eine Oberstufe mit 1.5 t Masse wäre kompatibel mit der Vega und Rockot und damit gäbe es eine Möglichkeit bei dem 500 N Antrieb etwa 320 kg in den geostationären Orbit zu befördern, das entspricht 600 kg in den GTO Transferorbit oder 540 kg direkt zum Mond. (Mit der Rockot). Dies zu Startkosten einer Vega oder Rockot, also im Bereich von 10 Millionen Euro. Möglich ist dies allerdings nur wenn der Satellit die Steuerung des Antriebs übernimmt oder dies vom Boden durchgeführt wird. Wie ich bei der Recherche zu diesem Blog gelesen habe, bekam EADS/Astrium einen Auftrag für eine Projektstudie für eine neue Oberstufe. Darin läge natürlich auch die Chance die Vega so weiter zu entwickeln dass man höhere oder hochenergetische Bahnen erreicht. Die derzeitige Oberstufe dient vor allem dazu eine Bahn genau zu erreichen und etwas höhere Bahnen möglich zu machen. Sie ist klein (wiegt weniger als 1 t) und hat eine hohe Leeermasse von rund 500 kg, weil auch die Raketensteuerung noch dazu gehört. Ausgehend von den 10 t, welche die dritte Stufe wiegt, wäre eine Stufe im Bereich von 3 t anzuvisieren und mit dieser müsste es dann auch möglich sein GTO Bahnen zu erreichen. Eine eigene Abschätzung ergab, dass eine Oberstufe von 3000 kg Startgewicht und 800 kg Leergewicht (enthält auch die VEB) 530 kg in eine GTO Transferbahn und 210 kg zum Mond transportieren kann. Eine Reduktion der Leermasse um 100 kg müsste möglich sein, dann würden 630 bzw. 310 kg resultieren: Durchaus Nutzlasten die Platz für einige anspruchsvolle Experimente lassen.

Das Bild von heute stammt wiederum von Voyager und zeigt Io vor Jupiter.

Io vor Jupiter

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