Mein Vorschlag für die US-Raketenflotte

SpaceX und die Ukraine-Krise haben ja einiges bewegt. Die Atlas bekommt ein neues Triebwerk und wird umbenannt. Das halte ich für folgerichtig, denn mit der Atlas hat sie seit der Atlas-III nichts mehr zu tun, den Atlas war die Bezeichnung der ICBM auf der sie beruhte. Sie wurde dann zweimal mit leistungsfähigeren Triebwerken ausgestattet, aber die Atlas III wechselte die Triebwerke komplett aus und die Atlas V gab auch die druckstabilisierte Struktur auf.

Dafür will man die Delta 4 aufgeben. Sie war immer teurer als die Atlas V und bot keinen Vorteil, außer etwas mehr Nutzlast bei der Heavy Version, die man aufgrunddessen noch für einige Jahre beibehalten will. Im Prinzip könnte man sie durch eine Atlas Heavy oder (eben einem Nachfolgeexemplar) mit drei Cores ersetzen und vielleicht ist bis dahin ja auch die Falcon Heavy erprobt. Bei dem Atlas Nachfolger will man nun die Triebwerke absprengen und im Flug bergen, doch dazu später (in einigen Tagen) mehr.

Doch die Probleme sind auch offenbar. Kürzlich bestellte die NASA eine Falcon 9 für TESS. TESS wiegt 500 kg und gelangt in einen hochelliptischen Erdorbit, braucht also weniger Energie als eine Fluchtbahn. Für die liegt die Nutzlast der derzeitigen Falcon 9 bei rund 2000 kg, das bedeutet die NASA kauft einen Träger der viel zu groß ist. Aber es ist die billigste Alternative. Tatsache ist: Die NASA und das DoD nutzen derzeit folgende Träger:

  • Antares
  • Delta II
  • Delta 4
  • Atlas V
  • Falcon 9
  • Pegasus

Dazu gibt es einige andere Träger die nominell gebucht werden können aber seit Jahren keinen Start haben. Das alles für weniger als 20 Starts pro Jahr. Trotzdem klaffen etliche Lücken in dem Nutzlastvermögen, so zwischen 400 und 5.000 kg und 6000 und 13.000 kg. Auf viele Kunden von außerhalb kann man nicht hoffen: Außer SpaceX wird keiner dieser Träger kommerziele angeboten oder wenn dem so ist, so unterliegt er in den Ausschreibungen.

Basierend auf dieser Tatsache mein Vorschlag für die USA: Ein modulares System, das weniger Lücken hat, höhere Stückzahlen bedeutet und somit kostengünstiger ist.

Die Ausgangsbasis ist, dass wir in den USA drei einsatzfähige oder in der Entwicklung befindliche Triebwerke haben:

  • Das Merlin 1D mit 667 kN Start und 741 kN Vakuumschub (eine größere Version soll bald folgen)
  • das zu entwickelnde BE-4 mit 2.400 kN Schub ob SL oder Vakuum ist nicht bekannt.
  • Das RL-10C mit 105,3 kN Schub

Basierend auf diesen Triebwerken habe ich vier Stufen konstruiert die in einem modularen System kombiniert werden können. Merlin-1D und BE-4 kommen in Boostern und einer Stufe welche die Booster umgeben, die aber als zweite Stufe gezündet wird zum Einsatz. Diese Booster brauchen einen hohen Schubüberschuss, da sie ja noch die Zentralstufe ihre Oberstufe und die Nutzlast tragen müssen. Die beiden Stufen mit RL-10C sind nur Oberstufen die auf den Startstufen sitzen (maximal dreistufige Träger) und sie unterscheiden sich in einem oder zwei RL-10 und entsprechender Treibstoffzuladung. Diese habe ich an der Centaur der Atlas V orientiert.

Stufe A mit Merlin 1D:

Booster Zentralstufe
Gegeben:
Wasserstoffantrieb: Nein
Letzte Stufe: Nein
Gewicht Oberstufe 30000 kg
Gewicht Treibstoff 38000 kg
Gewicht Triebwerk 500 kgBerechnet:
Nutzbarer Treibstoff 37430 kg
Treibstoffreste 570 kg
Gewicht Tanks 468 kg
Gewicht Struktur 58 kg
Gewicht Adapter 300 kg
Gewicht Lenkung 197 kgGesamtgewicht Stufe 39223 kg
Leergewicht Stufe 1793 kg
Gegeben:
Wasserstoffantrieb: Nein
Letzte Stufe: Ja
Gewicht Oberstufe 30000 kg
Gewicht Treibstoff 38000 kg
Gewicht Triebwerk 500 kgBerechnet:
Nutzbarer Treibstoff 37430 kg
Treibstoffreste 570 kg
Gewicht Tanks 468 kg
Gewicht Struktur 58 kg
Gewicht Adapter 704 kg
Gewicht Lenkung 423 kgGesamtgewicht Stufe 39449 kg
Leergewicht Stufe 2019 kg

Stufe B mit BE-4 (Annahme: 2180 kN Startschub auf Meereshöhe)

Booster Zentralstufe
Gegeben:
Wasserstoffantrieb: Nein
Letzte Stufe: Nein
Gewicht Oberstufe 65000 kg
Gewicht Treibstoff 118000 kg
Gewicht Triebwerk 2648 kgBerechnet:
Nutzbarer Treibstoff 116230 kg
Treibstoffreste 1770 kg
Gewicht Tanks 1452 kg
Gewicht Struktur 182 kg
Gewicht Adapter 650 kg
Gewicht Lenkung 534 kgGesamtgewicht Stufe 122816 kg
Leergewicht Stufe 6586 kg
Gegeben:
Wasserstoffantrieb: Nein
Letzte Stufe: Ja
Gewicht Oberstufe 65000 kg
Gewicht Treibstoff 118000 kg
Gewicht Triebwerk 2648 kgBerechnet:
Nutzbarer Treibstoff 116230 kg
Treibstoffreste 1770 kg
Gewicht Tanks 1452 kg
Gewicht Struktur 182 kg
Gewicht Adapter 1526 kg
Gewicht Lenkung 1132 kg
Gewicht Nutzlasthülle 11316 kgGesamtgewicht Stufe 123414 kg
Leergewicht Stufe 7184 kg

Stufe C/D mit einem/zwei RL-10C

Ein RL-10 zwei RL-10
Gegeben:
Wasserstoffantrieb: Ja
Letzte Stufe: Ja
Gewicht Oberstufe 10000 kg
Gewicht Treibstoff 21000 kg
Gewicht Triebwerk 191 kgBerechnet:
Nutzbarer Treibstoff 20685 kg
Treibstoffreste 315 kg
Gewicht Tanks 840 kg
Gewicht Struktur 105 kg
Gewicht Adapter 235 kg
Gewicht Lenkung 193 kg
Gewicht Nutzlasthülle 1741 kgGesamtgewicht Stufe 22329 kg
Leergewicht Stufe 1644 kg
Gegeben:
Wasserstoffantrieb: Ja
Letzte Stufe: Ja
Gewicht Oberstufe 20000 kg
Gewicht Treibstoff 42000 kg
Gewicht Triebwerk 382 kgBerechnet:
Nutzbarer Treibstoff 41370 kg
Treibstoffreste 630 kg
Gewicht Tanks 1680 kg
Gewicht Struktur 210 kg
Gewicht Adapter 470 kg
Gewicht Lenkung 386 kg
Gewicht Nutzlasthülle 3482 kgGesamtgewicht Stufe 44658 kg
Leergewicht Stufe 3288 kg

Die Konzeption der Stufenmassen beruht auf dem Umstand dass sie genügend Schub haben müssen damit drei Booster eine Zentralstufe + Nutzlast (A-Zentralstufe) bzw. mit Oberstufe (B-Serie) anheben können. Als minimale Startbeschleunigung wurden 12,5 m/s angesetzt.  Der spezifische Impuls betrug 2980 m/s bei den Stufen A+B (niedrig angesetzt, da in beiden Fällen auf Meereshöhe unbekannt) und 4400 m/s beim RL-10C (realer Wert)

Die kleinste Trägerrakete wäre dann eine Rakete mit 3x Stufe A als Booster und Stufe A als Zentralstufe (zweite Stufe, nach dem Ausbrennen der Booster gezündet). Man kann nun die Zahl der Booster erhöhen, ab 5 Boostern kann man auch eine Stufe C als Oberstufe hinzunehmen bei 6 Boostern auch eine Stufe D. Die Zahl der Booster ist durch den Durchmesser der stufe vorgegeben, bei gleicher Zentralstufe wie Booster sind ex maximal 6, was auch mit einem guten Stufenverhältnis korrespondiert.

Der zweite Typ hat dasselbe System, kann aber von vorneherein (ohne Booster) eine Stufe C als Oberstufe mitführen, daneben gäbe es noch die Möglichkeit einer Mischstufe (Stufen A und B als Booster) und die Stufe B braucht keine Booster um eine Oberstufe mitzuführen.

Ich habe gar nicht alle möglichen Typen kizziert insbesondere die Mischungen von B/A Stufen als Booster weggelassen, doch schon die Kombinationen hier decken einen breiten Nutzlastbereich ab. Ich gebe auch nicht die technischen Daten aller Typen hier wieder, man kann sie leicht durch Addition der Stufenmassen errechnen. Die Nutzlasthülle wurde mit 800 kg bei der A-Zentralstufe und 1.500 kg bei der B-Zentralstufe angenommen. Das ist bei den größeren Typen etwas knapp doch wenn da die Nutzlast um einige Hundert Kilo sinkt weil die Nutzlasthülle schwerer ist macht das nicht viel aus.

Die Bezeichnungen sind von links nach rechts die Stufen also z.B. „Model „5A-B-C“: 5 Booster Typ A erste Stufe, eine Stufe Typ B zweite Stufe eine stufe Typ C dritte Stufe

Hier eine Tabelle für einen niedrigen LEO-Orbit (dV=7802 m/s, rund 1.800 m/s Aufstiegsverluste):

und hier eine für den GTO: (dV=10310 m/s)

Nun die ganze kleinen Nutzlasten deckt es nicht ab, aber wir haben immerhin von knapp 3.700 kg (unterhalb der Antares und Delta II) bis 36.000 kg (oberhalb der Delta 4 Heavy) mit wenigen Lücken. Da die Nutzlast deutlich mehr ist, als wir heute brauchen wäre es auch denkbar die Oberstufen C/D etwas kleiner zu machen. Eventuell kann man auch auf die D-Oberstufe ganz verzichten, was noch etwas höhere Produktionszahlen ergibt.

Die Initiative müsste nur von derer Regierung ausgehen die anders als heute wie früher Stufen ordert und diese selbst zusammenbaut oder zusammenbauen lässt anstatt eine schlüsselfertige Rakete eines Anbieters der natürlich nur einen Triebwerkstyp den er selbst produziert einsetzt.

Aber das wäre ja wohl zu einfach ….

So, das wars für heute. Ab heute bin ich im Urlaub bis einschließlich 24-sten. Ich werde versuchen auch dort einige Beiträge zu verfassen, aber verlasst euch nicht drauf, die brauchen Zeit und die will ich eigentlich anders verbringen.

2 thoughts on “Mein Vorschlag für die US-Raketenflotte

  1. Leider hat ULA schon Nagel mit Köpfen gemacht die Antwort Vulcan Rakete

    Die wird die Delta 4 und Atlas 5 ersetzen
    Die Infrastruktur der Atlas 5 wird für neue Vulcan übernommen
    Grund Delta 4 kostet 30% mehr als Atlas 5

    Vulcan verwendet zwei Blue Origin BE-4 Triebwerke die Methan Sauerstoff verbrennt
    bis maximal 6 feststoff booster
    ein variabel core stufe je nach Nutzlast große, gebaut und betankt
    Wegfall von Helium druck systems für tanks, die Treibstoffe gase übernehmen den Druck in der Ballon Tanks.

    Oberstufe zuerst Centaur, später ein Nach folgen Modell mit vier Triebwerke (Blue Origin?) unter Ballon Tanks
    diese Stufe kann dank eine systems die Verdampfung des Wasserstoff Sauerstoff linder
    somit kann die stufe wochenlang in orbit warten !

    das innovativste Merkmal der Vulcan ist wieder Verwendbarkeit !
    nach Bremschluss der erste stufe wird dessen Triebwerkblock abgesprengt
    dieser blast eine Hitzeschild auf (SMART) den block auf fall Geschwindigkeit bremst
    ein Fallschirm bremst weiter ab bis ein Helikopter den Triebwerk block aus Luft fischt.

    Die Vulcan soll in 4 Jahren um 2019/2020 erstmal starten

    dan wurde die US Raketen Flotte in 2020 so aussehen

    Vulcan
    Falcon Heavy
    Falcon 9
    Antares ( wenn der Deal mit russische RD-181 durchgeht )
    Delta II
    Pegasus

    Quelle
    http://www.ulalaunch.com/ula-unveils-americas-new-rocket-vulcan.aspx
    https://www.youtube.com/watch?t=3004&v=zJLU2TCsCeg

  2. Wieder nur eine Rakete im oberem Nutzlastbereich, nichts was die Lücken füllen würde. Also weiter viele Typen in geringen Stückzahlen und mit hohen Preisen. Nägel mit Köpfen machen sieht anders aus.

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