Der Start aus der Luft

Ein Frage die immer wieder kommt, ist, warum nur die Pegasus einen Start aus der Luft, also von einem Flugzeug aus offeriert. Das scheint doch viel praktischer zu sein. Kein Startturm nötig, eine höhere Nutzlast. Warum also nur die Pegasus?

Nun es ist nicht nur die Pegasus. In Russland gab es mal das Projekt Diana-Burlak und vor einiger Zeit las ich auch über das Vorhaben mit einem Kampfjet eine Rakete zu starten. Ebenfalls in Russland.

Aber versuchen wir es mal zu entwirren. Was sind die offensichtlichen Vorteile?

Fangen wir mit dem Bahntechnischen an.

  • Die Abtrennung erfolgt in 11 bis 12 km. Das ist zumindest 5% der Mindestbahnhöhe für einen Satelliten (etwa 180-200 km)
  • Die Abtrennung erfolgt bei je nach Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von 800 bis 900 km/h, das sind 222 bis 250 m/s, die als Startgeschwindigkeit zur Verfügung stehen.
  • Bis die Rakete erst mal 11 km Höhe hat, durchquert sie schon die Atmosphäre und hat Verluste durch den Luftwiderstand.

Vergleicht man die Pegasus mit der Minotaur oder Taurus, son benötigt sie etwa 300 m/s weniger für einen Orbit. Das ist der Gewinn durch den Start vom Flugzeug aus. 300 m/s, das bedeutet dass z.B. in einen sonnensynchronen Orbit die gleiche Nutzlast transportiert werden kann wie in eine gleich hohe LEO Bahn. Oder anstatt eine 200 km hohe Bahn eine höhere Bahn erreichen kann. Aber es ist nicht so viel wie manche Laien vermuten. Hauptposten ist in der Tat die Startgeschwindigkeit. Der Luftwiderstand macht bei Raketen nicht so viel aus wie man meint, da sie in der dichten Atmosphäre noch eine geringe Geschwindigkeit aufweisen. Und 11 km Höhe sind eben nur ein kleiner Bruchteil von 200 km Mindesthöhe.

Fangen wir an das ganze auch unter technischen Gesichtspunkten zu diskutieren. Was spricht hier dafür und dagegen?

  • Die Pegasus wird unter einem Flügel aufgehängt und wird von dort gestartet. Das wirft einige Fragen auf:
  • Ist das generell möglich (räumlicher Aspekt) – passt also die Rakete unter den Flügel und ist ein sicherer Start noch möglich?
  • sit die Rakete nicht zu schwer und wie kommt das Flugzeug mit der einseitigen Belastung zurecht?
  • Hauptproblem: Wie reagiert das Flugzeug wenn es von einem Moment zur anderen um zig Tonnen an einem Flügel leichter wird?

Ich denke viel größere Raketen als die Pegasus sind nicht unter dem Flügel zu transportieren. Es hat durchaus Gründe warum Bomber in der Regel ihre Last in internen Schächten transportieren. Da aber nur Bomber über so etwas verfügen, sind die Möglichkeiten beschränkt. So viele Bo,ber mit hoher Nutzlast die ausgemustert sind gibt es nicht. Es gäbe natürlich noch die Möglichkeit eine Rakete von einem militärischen Transporter durch die Heckklappe herauszuziehen (durch einen Fallschirm). Die US Army erprobte sogar einmal den Start einer Minuteman auf diese Weise. Doch der Fallschirm bremst die Rakete ab und damit entfällt der Hauptvorteil: 2/3 der Geschwindigkeit die eingespart wird entfallen auf die Startgeschwindigkeit.

Nun könnte man auf die Idee kommen, ein sehr leistungsfähiges Flugzeug umzurüsten, eine An-124, B-747 oder einen Airbus 380. Sie mit einem Schacht wie einen Bomber auszurüsten und daraus die Rakete abzuwerfen. Dort befinden sich sonst die Frachtcontainer. Der Platz stände also zur Verfügung. Der airbus 380 als leistungsfähigstes Flugzeug dieser Liste hat ein Leergewicht von 275 t, ein maximales Startgewicht von 560 t und fasst 310.000 l Kerosin für eine Flugstrecke von 10.400 km. Rechnet man eine Teilbestückung für 2.000 km Reichweite (etwa 2,5 h Flugzeit), so könnte er theoretisch noch mit einer Last von 216 t starten. (die Frachtversion hätte 157,4 t Fracht transportiert, aber mit einer größeren Reichweite).

Eine 200 t schwere Rakete wäre schon was, sie würde so etwa 5-6 t in einen Orbit transportieren können. Doch nun kommen die Abers:

Es ist nicht gesagt ob dies geht. Die Flugzeuge wurden ja für den Passagiertransport gebaut und nicht zum Abwerfen der Lasten. Kann der Rumpf überhaupt so umgebaut werden ohne Strukturelle Integrität zu verlieren?

Flüssige Treibstoffe bei den Trägern dürften ausscheiden. 200 t schwappender Treibstoff beim Start wären kaum tolerierbar. Anders als beim Treibstoff des Flugzeugs befindet er sich an einer Stelle (beim Flugzeug verteilt in den Flügeln) und die Tanks sind anders als die flachen Tanks unter den Flügeln kaum zu schützen gegen das Schwappen.

Daneben stellt sich auch das Problem der Sicherheit und kryogenen Treibstoffe scheiden wegen des Verdampfen und der Brandgefahr aus.

Bleiben feste Treibstoffe. Obwohl die meisten neueren Träger für kleine und mittlere Nutzlasten diese einsetzen ist die Pegasus die einzige Rakete die vom Flugzeug aus startet. Warum? Nun eine Startbasis, deren Kosten eingespart werden könnten ist bei einer Feststoffrakete eine einfache Konstruktion. Die Treibstoffe müssen nicht befüllt werden. Es reicht eigentlich ein kleiner Nabelschnurmast mit Datenleitungen und einer Stromversorgung bis zum Abheben und ein Startisch. Gerade diese einfache Konstruktion macht ja auch einen Start vom Flugzeug aus möglich.

Den geringen Investitionen in das Bodensegment stehen aber bei einem Umbau einer größeren Maschine sehr hohe Kosten für den Umbau dieser und auch die Beschaffung und betrieb entgegen. Bei der Pegasus war das noch möglich weil man eine Lockheed L1011 nahm, die ausgemustert wurde und nur eine Halterung für den Flügel brauchte. Aber sie war auch klein. Die Vorteile war eine maximale Nutzlast für NASA und DoD Missionen: Das DoD war am Start kleiner Militärsatelliten in sonnensynchrone Orbits interessiert, die NASA an Starts in 30-38 geneigte Bahnen, damit die Satelliten die maximale Nutzlast ausnutzen konnten und die USA überflogen wurden. Es handelt es sich um Astronomiesatelliten mit dem „Dump and Store Prinzip“. So wären zwei Startbasen nötig gewesen. In diesem speziellen Fall war der Start mit dem Flugzeug billiger als zwei Startbasen.

16 thoughts on “Der Start aus der Luft

  1. kurze Geschichte von Raketenstart von Flugzeug vor Pegasus
    Convair schlug Anfang der 1960er eine B-58 als Startrampe für eine Minuteman I ICBM
    für „sofort bereite“ Spionage oder Killer Satelliten

    von 1970 bis 1980 untersuchte die USAF auf Befehl des SAC
    die Möglichkeit von ICBM Starts von Flugzeuge (fliege ziele sind schwerer zutreffen)
    unter dem Programm wurde eine Minuteman III ICBM von Lockheed C-5 Galaxy abgeworfen
    und erfolgreich gestartet (Minuteman III Startgewicht 35 Tonnen)
    doch das Projekt geriet in Schwierigkeiten die C-5 hatte diverse Probleme mit den Rumpf
    Lockheed schlug vor eine Milliarde teuer Neu Entwicklung mit Nukleare Antrieb !
    Boeing schlug vor die 747 umzubauen mit einen Rotation Magazin für 6 Minuteman III
    dazu noch 747 als Fliegender Flugzeugträger als Begleitschutz
    in ende kam die USAF zu Erkenntnis: das Kosten Nutzen Verhältnis rechnet sich nicht.

    in 1980 vergab USAF Studien auftrage unter Programm
    „Air-Launched Sortie Vehicle“ später â

  2. Hallo Bernd,

    was ist mit dem Konzept das die Nutzlast zwichen zwei Rümpfe montiert wird, wie bei White Knight 2 oder einem Design von Myasishchev. (Habe nur ein Bild davon gesehen: http://dad2059.wordpress.com/2008/01/28/rutan-borrows-design-from-the-old-soviets/)

    Außerdem gab es noch Konzepte von Buran Energija, Raketen vom Rücken einer Antonov 225 zu starten.

    Was hälst du davon?

    Wäre es für Schwerlastflugzeuge auch möglich eine höhere Flughöhe, vieleicht sogar die Stratosphäre, zu erreichen?

    Könnte man nicht auch einen Nurflügler konzipieren bei dem die Rakete den konventionellen Rumpf bildet und nur der Flügel zurückkehrt? Man könnte sogar das Cockpit (falls es nicht autonom fliegen sollte) an die Flügelspitze verlegen, so das im Notfal genug Zeit wäre (hohe Flügelspannweite vorausgesetzt) die gesamte Kanzel abzusprengen und per Fallschirm zu landen. (Ich weiß, es ist sehr spekulativ… Entschuldige!)

    Gruß
    Frank

  3. Hallo Bernd,

    endlich sag ich auch mal was zu einem Raumfahrtthema.

    Ich hatte immer schon als Kind eine ganz andere Idee:

    Wieso montiert man nicht einfach an „normale“ Serienraketen (die vertikal starten) ZUSAETZLICH ein paar „normale“ Duesentriebwerke, und nutzt diese, um erstmal, waehrend man in der Atmosphaere ist, „hochzukommen“, und nutzt dann spaeter erst die chemischen Antriebe?

    Oder haben solche Triebwerke nicht genug Schub dafuer?

    Oder wuerde sich das wegen dem zusaetzlichen Gewicht (Triebwerke/Kerosin o.ae.) nicht rentieren?

    Fragen ueber Fragen… 🙂

  4. @Alexander:
    Ein Triebwerk für den Airbus 380 hat 340 kN Schub, das ist weniger als ein Merlin 1
    Es ist wirksam bis die Rakete etwa 20 km Höhe erreicht hat, die meisten Typen haben das in 80 s geschafft. Für diese 80 s hat man also ein Triebwerk, mit wenig zusätzlicher Leistung. Danach hilft es nichts mehr und ob man es wieder heil runter bekommt?

    Ich kenne nur das gegenteilige Vorgehen: Eine Rakete beschleunigt einen Staustrahlantrieb auf die Geschwindigkeit in der er erst arbeiten kann z.B. Pegasus Erststufe beim X43

    @Frank: Gab es die frage nicht schon mal bei einem anderen Artikel?
    Da diese Flüge nur suborbital durchgeführt werden (Gipfelhöhe ca 100 km, maximale Geschwindigkeit 1500 m/s) sieht hier die Rechnung anders aus – hier sind 20 km Höhe schon 20% der späteren Höhe, die Startgeschwindigkeit ein Fünftel. Aber das ist ein Sonderfall und auch keine Weltraumfahrt. Sonst würden die X-15 Flüge ja auch dazu zählen.

    Energija mit 2000 t Startmasse mit einem Flugzeug aus starten? Wie soll denn das gehen?

    Ich glaube 12-13km Höhe sind zumindest für Fracht/Passagierflugzeuge das Maximum. Ich habe mal von einem Start einer kleinen Rakete mit einer Mig gehört, nur wiegt die dann eben nur einige Tonnen und die Nutzlast ist entsprechend bescheiden.

  5. @frank
    >Außerdem gab es noch Konzepte von Buran Energija, Raketen vom Rücken einer Antonov 225 zu starten.
    @Bernd
    >Energija mit 2000 t Startmasse mit einem Flugzeug aus starten? Wie soll denn das gehen?

    nicht die Energija Rakete gemeint sonder das Büro NPO Energia.
    die Studie heißt MAKS
    An-225 Mriya Transport Flugzeug mit 275 Tonne Kapazität (3 Piloten)
    Großen Externe Tank mit LOX/Lh2/RP-1 mit totalen Gewicht von 248 Tonnen
    MASK Orbiter 27 Tonnen. davon 9,5 Tonnen Nutzlast in 200 km hohe (2 Kosmonauten)
    die Besonderheit des MASK sind seine beide RD-701 Raketentriebwerke
    anfängst verbrennt diese Lox/RP-1 dann wenn der Schub bedarf niedriger wird
    verbrennt die Treibwerke dann Lox/LH2 !
    http://www.astronautix.com/craft/makbiter.htm

  6. hm… also dieses Nurflügelkonzept gefällt mir. Das geht über meine Idee hinaus, die vorsieht, den Rumpf einer Frachtmaschiene so umzubauen, das darin die Rakete montiert wird, die in einer bestimmten Höhe gestartet wird. Das Cockpit liegt dabei nicht vor sondern über dem Frachtraum, so das die Rakete nach vorne heraus kann, wenn man die Front öffnet. Allerdings stellt sich dabei die Frage, ob das Flugzeug überhaupt noch fliegen kann, wenn spätestens nach dem Start der Rakete der Rumpf sowohl vorne als auch hinten geöffnet ist, und somit prinziell ein fliegendes Rohr darstellt. Und dann ist auch noch die Frage, wie die Tore am Rumpf (speziell vorne) konzipiert sein müssen, damit man sie während des Fluges überhaupt öffnen kann, bzw. ob das bei Geschwindigkeiten um die 1000 km/h überhaupt geht.

    Und das Cockpit am Rand des Nurflügelers, das hat auch was für sich. Erinnert mich ein bischen an den Millenium Falken aus Star Wars. 😉

  7. Aus Sicht der Energieeffizienz macht der Flugzeugstart ja nur Sinn, wenn die benötigte Primärenergie zum Betrieb des Flugzeugs niedriger ist als eine entsprechend größere Erststufe (und ggf. Booster) die für einen Bodenstart notwendig ist.

    Mit einbeziehen in die Rechnung muß man auch, daß im Falle eine Fehlfunktion (Explosion vor oder beim Start) das ganze Flugzeug verloren ist.

    Sinnvoller wäre vielleicht die theoretische Überlegung, eine elektromagnetische Railgun mit mehreren km Beschleunigungsstrecke an einem äquatornahen Hochgebirgsort zu errichten. Land der Wahl für einen derartigen Weltraumbahnhof wäre Equador in den Anden. In der Vakuumröhre müßte dann nur noch die Oberstufe Satellit oder Kapsel mit Transrapid-ähnlicher Technik auf fast Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die riesige Railgun wird an einem geeigneten Westhang der Anden wit sinnvollem und konstantem Steigungswinkel errichtet. Da können auch Tunnelstrecken und riesige Brücken dazwischen sein, Hauptsache gerade bergauf Richtung Ost.

    Die finanziellen Mittel wären im Prinzip da, wenn man sämtliche Kriege und Rüstungsmaschinerien dieser Welt wegen Unwirtschaftlichkeit wegrationalisieren würde.

  8. Zu der Kanone hat Bernd sich vor einiger Zeit auch schon mal geäussert, bzw. die Sache auch durchgerechnet. Und soweit ich mich erinnere, kam da raus, das die Beschleunigung zu hoch ist. D.h. mit Satelitten könnte man das evtl. machen, aber zum Transport von Menschen ist es ungeeignet, solange keiner die aus der Science Fiction bekannten Trägheitsdämpfer real erfindet.

  9. Ich meinte aber keine Kanone, sondern eine Art Transrapid, der in einer paar km langen Vakuumröhre elektrodynamisch beschleunigt wird.

    Ich habe das mal durchgerechnet. Angenommen, am Westrand der Anden am Äquator wird eine 6,7km lange aufsteigende Vakuumröhre gebaut (Startpunkt Meereshöhe, Mündung Hochplateau), dann ergeben sich folgende Daten

    Beschleunigung: 6g
    Beschleunigungsdauer: 15s
    Mündungsgeschwindigkeit: 900m/s
    resultierende absolute Geschwindigkeit (incl. Umfangsgeschwindigkeit der Erde auf Höhe des Chimborazo) 1364m/s, das sind knapp 5000km/h und 1/7 der Fluchtgeschwindigkeit.

    Die Raumkapsel verläßt also die Mündung in einem Bereich, wo bei herkömmlichen Raketen längst die Oberstufe aktiv ist und benötigt somit auch nur noch eine Feststoffstufe um den LEO zu erreichen, zumal ja die aerodynamischen Verluste in Bodennähe durch die Vakuumröhre komplett wegfallen und nur noch die dünne Luft in 6km Höhe einwirkt. An der Mündung ist übrigens eine Membran, die das Vakuum der Röhre aufrecht erhält und bei Passage der Kapsel pyrotechnisch gesprengt wird. Nach Passage der Kapsel geht ein Deckel zügig zu, um nicht unnötig viel Luft in die Röhre laufen zu lassen.

    Ein großer Vorteil dieser Railgun wäre auch die vollkommene Wetterunabhängigkeit. Das Beladungsende der Röhre ist von einem großen Bunkerkomplex umgeben, mit Schleusen, Vakuumpumpen, Kraftwerk, Umrichterstationen, gigantische Energiespeicher (Ultracaps?), die in den 15s Gigawattweise Leistung bereitstellen. An der Mündung im Gebirge oben ist es vollkommen wurscht, ob Orkanböen mit 50m/s wüten.

    Der elektrodynamische Beschleunigungsschlitten (vielleicht ein tiefgekühlter Alu-Leiterkäfig?) kann übrigens nach Zündung der Raketenstufe abgetrennt werden und mit einem Fallschirm zurückkehren, sofern sich das lohnt.

  10. Bei Starts vom Mond aus wäre das mit deutlich weniger Problemen möglich. Die erforderliche Geschwindigkeit wäre deutlich geringer, und eine störende Atmosphäre gibt es da auch nicht. Dadurch könnte der Start fast tangential zur Mondoberfläche erfolgen, also kein Suchen nach einer passenden Gegend mit einer entsprechend langen Steigung.
    Der Transport von auf dem Mond produzierten Rohstoffen zur Erde könnte dadurch bezahlbar werden. Was für ein Aufwand beim Bau dieses Gerätes nötig wäre ist dann schon wieder eine andere Frage. Lohnen würde sich das wohl nur, wenn ein großer Teil des Baumaterials auf dem Mond hergestellt wird. Und davon sind wir noch weit entfernt.

  11. Bei den Rohstoffen braucht man keine 6g. Mit 200 m/s² reichen 14,2 km Strecke um die Mondfluchtgeschwindigkeit zu erreichen. Bei 1000 m/s² sind es nur 2,9 km.
    Auf der Erde gibt es für kleine Projektile schon Beschleunigungsstrecken von wenigen Metern länge auf denen 2.500 m/s erreicht werden. Das Problem dürfte beim Materialtransport die Energiebereitstellung sein.

  12. Auf dem Mond könnten Solarfarmen von mehreren km² gepuffert mit Millionen von Farad Ultracap-Kondensatoren die Energie für eine elektrodynamische Startrampe bereitstellen.

    Die Frage ist, ob sich der ganze Aufwand lohnt bzw. was der Mond an Rohstoffen bietet, die auf der Erde nicht oder nur mit einem größeren Aufwand abgebaut werden können.

    Wie auch immer: Zum Mond muß man ja erst mal kommen, und da bietet sich nun mal meine Vakuumröhre mit stündlichem Starttakt an.

    Da die Anden einen flacheren Anstieg haben, wählen wir eine Beschleunigungsstrecke von 27km und haben nach 30s bei 6g eine Mündungsgeschwindigkeit (absolut) von 2,2km/s. Relativ zur Luft haben wir dann 6500km/h (Mach 5).

    An der Stelle stellt sich die Frage, ob wir es hier nicht mit einem umgedrehtem Wiedereintritt zu tun haben, denn die aerodynamische Belastung dürfte in der nächsten halben Minute erheblich sein, bis die Kapsel ca. 80km Höhe überschreitet.

    Um die Auslastung der Röhre zu steigern, könnte man für sehr eilige Geschäftsleute auch einen 1-stündigen Interkontinentalflug anbieten mit einem ballistischen Gleiter mit Staustrahltriebwerk. Die Frage ist dann, ob man in Afrika landen möchte oder doch lieber die Flugroute zur westlichen Welt hinlenkt. Ob da die Treibstoffvorräte reichen?

  13. das ist alles schon und gut
    nur die Anlage muss erst mal auf Mond rauf
    und bei nur 2000 Tonnen Gewicht
    benötigen wir Minimum 100 x Saturn V
    oder 5 x Super NEXUS Trägerrakete …
    oder 1 x 4000 Tonnen Orion (Atombomben antrieb) Bodenstart.

  14. zu Start vom Flugzeug aus:
    die 300m/s Geschwindigkeitsersparnis, die Bernd vorgerechnet hat, sind nur im allerbesten Falle zu erziehlen. Demgegenüber stehen zahlreiche Erschwernisse…
    (statisch) Die Rakete muss aus der Horizontale (Abwurf vom Flugzeug) in die Vertikale schwenken. Auf dieses Manöver müssen die tanks, die Struktur, einfach alles ausgelegt sein -> Leermasse der Rakete steigt!
    (deltaV) Für dieses Schwenkmanöver braucht man eine gewisse Zeit. Bedenkt, es ist keine agile Luft-Luft Rakete. Dieses Manöver benötigt also zusätzlichen Treibstoff was an dem 300m/s-Vorteil zerrt.
    (wirtschaftlich) Durch den Start vom Flugzeug kann man eine minimal kleinere Rakete für eine gegebene Nutzlast verwenden, aber zusätzlich hat man ein umgerüstetes Großflugzeug als System am Hals. Das heißt Anschaffung, Wartung, Ersatzteile, Treibstoff, Flughaffengebüren, eine Crew vorhalten für die wenigen Starts.

    Alles in einem ist ein Start vom Flugzeug aus teuerer und komplizierter. Die einzigen Vorteile sind, dass man für den gewünschten Orbit den geeigneten Startflughaffen wählen kann und – wie Bernd bereits sagte – die Startanlagen am Boden einsparen kann.

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