Tune me up: Antares

So, während meines Urlaubs ist nun der Jungfernflug der Antares erfolgt, und es gibt auch einige Neuigkeiten: Die Entwicklung der Cygnus war wohl nicht teurer als die der Dragon, von 300 Millionen Dollar ist die Rede. Die Antares soll „slightly more“ gekostet haben. Als richtig teuer entpuppte sich das Launchpad, das zum Schluss auch den Start über ein Jahr verzögert hat, zwischen 120 und 140 Millionen hat man in das Pad und Infrastruktur investiert. Von Wallops aus sind bisher nie so große Träger gestartet und SpaceX hat ja eine alte Titan 3/4 Rampe genutzt, da halten sich auch die Investitionen in grenzen. Addiert man alles zusammen, so hat Orbital weitaus mehr investiert als SpaceX, zumal sie ja auch von der NASA 120 Millionen weniger bekommen. (Quelle)

Erfreulich ist auch, das es Jungfernflüge ohne ausgefallene Triebwerk, torkelnde Oberstufen etc. gibt und das auch ganz normal ist, bei anderen Firmen muss man ja bei jedem Start jubeln, so was besonders ist es da. Der nächste Flug wird dann schon im Juli zur ISS gehen, womit OSC viel Zeit aufholen könnte. Wie beim ersten Flug von Dragon wird nur wenig Nutzlast transportiert (1050 kg, immerhin doppelt so viel wie beim ersten Flug einer Dragon zur SS), danach folgen die regulären CRS-Flüge, die ersten mit 2000 kg Maximalnutzlast, nach den ersten vier dann mit neuen Feststoffantrieben und größerem Cargo Module, dann 3000 kg. (Quelle)

Mich hat schon gefreut das es keinerlei Probleme mit den NK-33 aka AJ-26 gab. Ich war mir recht sicher, dass es keine Probleme geben würde, denn die Triebwerke wurden mehrfach von US-firmen für ihre Raketen gewählt und auch Russland erprobt sie gerade für eine neue Sojus Version. Leider werfen sie ja viele mit den NK-15 in einen Topf. Die bei der N-1 eingesetzten NK-15 waren überhastet entwickelt worden und hatten viele Probleme. Mit Ihnen haben die NK-33 aber nichts zu tun, sie sind eine völlige Neuentwicklung und haben ein Testprogramm durchlaufen, das nur von zwei anderen Triebwerken, dem F-1 und SSME übertroffen wurde. (dreißigmal mehr als z.B. das Merlin 1D). Was offen war ist, wie sie die Lagerung über fast Vierzig Jahre überstanden haben. Schließlich gab es in den letzten Jahren bei russischen Trägern einige Fehlstarts die man schlussendlich auf Überalterung zurückzuführen waren. Das gab dann doch noch ein gewisses Restrisiko.

Ich habe mir dann mal Gedanken gemacht wie man die Nutzlast wohl steigern könnte. Etwas problematisch ist, dass ich die Daten des Castor XL nicht habe, von dem man nur weiß das er größer ist als der Castor 30B. Setzt man die Gesamtmasse um 80% höher an, so sinken die Verluste um rund 140 m/s bei den angegebenen Nutzlasten. Sie sind auch recht hoch, sodass ich noch etwas Gewicht für die Avionik einkalkulieren sollte, über die es keine Daten gibt. Aber darauf kommt’s nicht an. Die Frage ist: wie kann man die Nutzlast effektiv steigern.

Nun es gibt einige Randbedingungen die man beachten muss:

  • Die Antares wiegt derzeit 281,7 t bei einem Startschub von 3265 kN
  • Die zweite Stufe wiegt derzeit 14,7 t, ein Upgrade auf (wahrscheinlich) 26+ t ist geplant

Bedingt durch den Schub der NK-33 und der für diese Masse sehr große Erststufe (sie wiegt alleine schon 260 t) kann die Antares keine sehr große Zweitstufe aufnehmen. Etwas Luft ist dadurch drin, dass man die NK-33 weit über 100% Schub betreiben kann. Bei der Antares arbeiten sie mit 108%, technisch möglich und erprobt sind bis 135%. Die 27% mehr Schub erlauben bei 1,25 g Startbeschleunigung eine um 64 t höhere Startmasse.

Nun es gäbe dann mehrere Möglichkeiten. Die erste „on the Cheap“ ist es den Castor 30 XL durch den Castor 120 zu ersetzen. Der Castor 30 entstand ja aus diesem. Es bringt aber nichts, weil dann die Leermasse der zweiten Stufe ansteigt. Die Nutzlast sinkt ab. Eine dreistufige Variante (Castor 120 – Castro 30B) erhöht dann die Nutzlast von 5600 auf 6900 kg. Also mit Feststoffboostern ist nicht der große Renner zu machen.

Das nächste wäre es die zweite Stufe durch eine mit flüssigen Treibstoffen zu ersetzen. Orbital hatte ja auch mal eine erwogen, die mit Methan und LOX die Nutzlast von 5.600 auf 7.600 kg steigern sollte. Da der Castor 30 schon einen hohen spezifischen Impuls und ein niedriges Leergewicht aufweist würde es wenig bringen eine LOX/Kerosinstufe anzupassen wie z.B. eine mit dem RS-72 Antrieb. Daher habe ich dies nicht weiter untersucht, obwohl man sicherlich aus einer Verkürzten Thor XLT-Stufe etwas zaubern könnte.

Sinnvoll wäre eine kryogene Oberstufe, von denen die USA zwei im Programm haben. Da ist zum einen die Centaur. Die Centaur gibt es auch in einer Double Engine Variante, die man benötigen wird, damit die Brennzeit nicht zu kurz ist. Bei einer zu schweren Nutzlast wird sonst kein Orbit erreicht. Mit 3,05 m Durchmesser ist die Stufe zudem im Durchmesser etwas kleiner als die Nutzlastverkleidung von 3,90 m, das ist kein Problem, umgekehrt wäre es eher kompliziert. Auch bei der Atlas V umgibt dann die Nutzlastverkleidung die Centaur. Mit der DEC Centaur der Atlas V könnte die Nutzlast auf glatte 10,9 t erhöhen. Davon ginge noch etwas ab, weil man wahrscheinlich eine größere Nutzlastverkleidung braucht, doch netto werden noch 5 t mehr möglich sein als heute. Auf eine Fluchtbahn werden es 2,9 t sein, also deutlich über der Delta II die bei 1,2 t liegt. Selbst für GTO Transporte wäre sie mit 4,1 t Nutzlast attraktiv. Das liegt genau im Segment der mittelgroßen Satelliten.

Die zweite kryogene Stufe im US-Arsenal ist die Delta Zweitstufe. Sie gibt es in zwei Versionen, einer größeren 5 m Version und einer kleineren 4 m Version. Wenn man die Nutzlastverkleidung nicht angepasst wird kann man nur die 4 m Variante einsetzen. Sie ist wegen der höheren Leermasse der Centaur unterlegen und liegt bei 1,6 t Fluchtgeschwindigkeit, 3,9 t GTO und 9,9 t LEO. Die 5 m Version liegt leicht, aber nur leicht über der Centaur bei 11,3 t LEO, 4,3 t t GTO und 2,9 t für eine Fluchtbahn.

Da beide Stufen in etwa gleich schwer oder nicht wesentlich schwerer als der geplante Castor 30XL sind, wären sie wohl auf der Antares ohne größere Anpassungen an der ersten Stufe einsetzbar. In allen Fällen benötigt man eine größere Nutzlastverkleidung. Mein persönlicher Favorit wäre die DEC Centaur. Sie bietet genügend zusätzliche Nutzlast, hat die geringste Startmasse (3 t weniger als der Castor 30 XL) und könnte komplett von einer verlängerten Nutzlastverkleidung umkleidet sein. Weiterhin wird die Centaur durch die Atlas schon in etwas größeren Stückzahlen gefertigt als die Delta Zweitstufe.

Natürlich ist sie nicht gerade billig, aber eine Nutzlastverdopplung bei LEO Orbits und bei hohen Geschwindigkeiten sogar eine Verdreifachung müssten die Mehrkosten ausgleichen. Technisch umsetzbar wäre es sicher. Die Frage ist ob es einen Bedarf dafür gibt. Primäre Nutzlast sind ja die CRS Transporte. Darüber hinaus gibt es im mittleren Nutzlastsegment nur einige wissenschaftliche Nutzlasten der NASA. Durch die Bugetkürzungen für CRS, CCdev und SLS/MPCV werden das auch in den nächsten Jahren nur wenige Missionen sein. Das Militär hat nun fast nur noch Nutzlasten im Schwerlastsegment (also Atlas V / Delat 5) oder eben kleine Nutzlasten für die Minotaur Klasse. Mit 11 t LEO und 4 t GTO Nutzlast läge eine Antares Centaur in der Region der kleineren Atlas V Versionen (Atlas 401,501,511) oder der kleinen Delta 4M Version. Nur gibt es eben in diesem Segment schon die Delta und Atlas und eventuell auch noch die Falcon 9. Auf der anderen Seite sind Atlas V und Delta 4 recht teuer geworden. Wenn die Centaur nicht 100 Millionen Dollar kostet so dürfte die Antares sie preislich unterbieten können. Was für die NASA und das DoD wichtiger ist, ist die Zuverlässigkeit. hier können Delta und Atlas mit vielen Starts und je nur einem Fehlstart punkten. So wird viel davon abhängen, ob die nächsten Starts glücken und vor allem problemlos sind. SpaceX hat ja vorgelegt, aber mit einer Ausnahme gab es bei jedem Start Probleme und bei einer Raumfahrtagentur die schon Erfahrungen mit dem Ansatz „cheaper-faster-better“ hatte und wie Probleme vielleicht erst zeitverzögert zum Versagen führen, sieht man das vielleicht etwas kritisch. Ich denke sowohl NASA wie auch DoD werden lieber einige Millionen mehr für eine Rakete ausgeben, als Hunderte von Millionen in einem falschen Orbit gestrandet oder in einem Feuerball untergehen sehen, zumal sie ja anders als kommerzielle Kunden die Nutzlasten nicht versichern, sodass sie diese Kosten gegen die Ersparnis bei den Startskosten gegenrechnen können.

5 thoughts on “Tune me up: Antares

  1. Fragen:
    Was ist der Unterschied zwischen NK-15 und NK-33?
    Es mag vielleicht sinnvoll sein, wenn man nicht das Äußerste an Leistung aus einem Triebwerk herauszuholt. Aber welchen Sinn macht es, ein Triebwerk mit 100 % (bzw. 108 %) Schub zu betreiben, wenn auch 135 % möglich sind?

    Peter Stohl

  2. Der Unterschied ist die Lebensdauer. Selbst bei einem Wegwerf-Triebwerk für den einmaligen Einsatz steigt dann die Warscheinlichkeit, daß es noch vor Brennschluß auseinanderfällt. Siehe Spacex.

  3. NK-15 ist ein Gasgeneratortriebwerk, das aus der R-9 stammt, das NK-33 eine komplette Neuentwicklung auf Basis des staged Combustion Verfahrens. Die Triebwerke haben in etwa so viel gemeinsam wie RS-68 und RS-25, nämlich gar nichts.

    Das NK-33 hat eine Lebensdauer von 25000 s bei 100% Schub. Man könnte es also mehrfach wiederverwenden. Bei der Kistler K-1 war eine 100-malige Wiederverwendung geplant. Wenn man im Schub hoch geht nimmt die Lebensdauer schnell ab. Beim SSME entsprach die Steigerung von 100 auf 104,5% Schub einer Reduktion der Lebensdauer von 100 auf 55 Einsätze.

    Wenn man es nicht wiederverwendet kann man natürlich auf 135% gehen.

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