Basteln wir uns eine überflüssige Rakete

In dem USA, dem Land das angeblich sparen muss, sich aber völlig überflüssige Projekte leistet, will man einen eigenen Träger nur für Cubesats bauen. Ja Cubesats sind der NASA sehr wichtig. Geplant ist nun ja auch noch ein weiterer Deployer für die Raumstation, denn bisher macht die NASA das so: sie packt die Cubesats ins Inneren von Transporter. Dort laden sie Astronauten aus, und entlassen sie durch die beiden installierten Deployer: ein tolles Beispiel wie bemannte Raumfahrt billig und teuer sein kann: billig weil es für die Betreiber der Cubesats verrückterweise die billigste Möglichkeit ist sie ins All zu bekommen. Wenn  sie sie von dem Hersteller der Trägerrakete transportiert haben wollen, kostet das mehr Geld, dann müssen sie für den Service zahlen und auch Strukturen die man an die Rakete anmontieren muss. Die NASA macht es billiger. Natürlich ist es absolut gesehen teuer. Denn die NASA zahlt für 40 t Nutzlast zur ISS beim CRV-Abkommen 3,5 Milliarden Dollar, zwei Atlas 552 Starts die etwa 500 Millionen Dollar kosten würden genauso viel transportieren – nur eben nicht Netto-Nutzlast im Inneren eines Transporters. Und die Arbeitszeit eines Astronauten, die bei 12 h/Tag rund 200.000 $/h Stunde kostet, müssen die Kunden auch nicht zahlen.

Aber folgen wir mal der Idee und überlegen uns – wie würde eine neue US-.Rakete aus dem US-Arsenal aussehen?

Also erst mal ein paar Nebenbedingungen festlegen:

  • Die Rakete soll nach dem Vorschlag 100 US-Pfund, rund 46 kg transportieren
  • Zielgeschwindigkeit ist ein etwas höherer Orbit der 7900 m/s erfordern soll (100 m/s mehr als für eine 200 km Bahn, das erlaubt es die Inklination anzupassen oder einen höheren Orbit zu erreichen).
  • Dazu kommen die Verluste während des Aufstiegs. Die sind bei existierenden Typen mit Feststoffantrieb sehr breit gestreut und liegen zwischen 1000 und 1900 m/s. Ich nehme mal als Mitte 1500 m/s.
  • Verwendet sollen existierende US-Stufen werden

Wo finden wir Informationen? Nun durch die Fusion der Raketenhersteller gibt es nur noch einen Hersteller von kleinen (Feststoff)Stufen: ATK. Flüssige antriebe sind meistens zu groß und auch sehr teuer. Netterweise hat die Fima einen Katalog mit allen technischen Daten im Web. Zum vergleich mit Otto fehlt nur noch der Preis.

Das erste wäre mal eine Abschätzung der Größe. Die Nutzlast ist ein Zehntel der Pegasus XL. Also würde man die Startmasse auch bei einem Zehntel ansetzen, eventuell etwas höher, sie wird ja nicht aus der Luft gestartet., Das wären dann etwa 2,3 bis 2,4 t. Bei einer Nutzlast von 45 kg wären die Stufen bei gleichen Stufenverhältnissen (1:3,3216) dann 150, 500 und 1650 kg schwer.

Passende Stufen wären:

Name Vollmasse Leermasse Spezifischer Impuls
Star 17 (S.44) 153,5 kg 18,5 kg 2807 m/s
Star 30 BP (S-71) 543 kg 32,9 kg 2867 m/s
Star 37 FM (S.77) 1148 73,7 kg 2842 m/s
oder Star 48V (S.84) 2164 kg 138,6 kg 2865 m/s

Es gibt bei ATK keine Stufe die 1500 kg wiegt, daher habe ich die beiden nächst schwereren oder leichteren genommen. Als ich das durchrechnete, stellte sich raus, dass die kleinere Rakete keine Nutzlast hat und die größere nur 26 kg. Dabei habe ich noch folgende realistische Annahme gemacht: Voll- und Leermasse der zweiten Stufe steigen um 100 kg, die der dritten Stufe um 10 kg. Das Zusatzgewicht ist das Steuersystem das in der zweiten Stufe steckt (sonst wäre die Nutzlast minimal) und ein Dralltisch der die letzte Stufe aufspinnt. Die dritte Stufe hat in 10 kg Zusatzmasse nur einen Telemetriesender der einige Messdaten und die GPS-Daten über Geschwindigkeit und Ort sendet. Also muss die Rakete etwas größer werden. Zweiter Ansatz:

Name Vollmasse Leermasse Spezifischer Impuls
Star 24B (S.44) 217,6 kg 17,4 kg 2774 m/s
Star 30 E (S-74) 674 kg 37,4 kg 2867 m/s
 Star 48V (S.84) 2164 kg 138,6 kg 2865 m/s

Diese Rakete hat schon 39 kg Nutzlast. Es bringt am meisten die dritte Stufe zu modifizieren. Eine Star 30A bringt dann 41 kg. Die Rakete wiegt dann 3327 kg, genug um sie von einem Flugzeug aus abzuwerfen, es käme sogar ein Kampfjet in Frage. Beim Abwurf mit Mach 2 und Berücksichtigung der fehlenden Luftreibung kann man 700 m/s abziehen, dann würde die Nutzlast auf 66 kg ansteigen.

Noch ein bisschen etwas bringt eine zusätzliche vierte Stufe, hier ein Star 17A. Auch hier habe ich 10 kg zu Voll und Leermasse addiert. Diese Version kommt dann auf 50 kg ohne Starthilfe. Was die Nutzlast limitiert ist vor allem eben die schwere letzte Stufe, weil 10 kg mehr hier schon einiges ausmachen. Die letzte Stufe wiegt so 24 bzw. 38 kg – fast so viel wie die Nutzlast.

Rakete: Cubesat Launcher 1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
3324 42 20 7900 1485
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 Star 48V 2164 139 2865
2 1 Star 30E 774 138 2867
3 1 Star 24B 324 38 2863

 

Rakete: Cubesat Launcher 2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
3468 50 20 7900 1477
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 Star 48V 2164 139 2865
2 1 Star 30E 774 138 2867
3 1 Star 24B 324 38 2863
4 1 Star 17A 136 24 2812

 

Die Rakete wäre so leicht konstruierbar, was natürlich nicht heißt das man sie braucht. Man müsste nur bei jedem nicht kommerziellen Start, und davon gibt es alleine im westen ja rund 20 pro Jahr einige Cubesats mitnehmen. Natürlich sind die Bahnen der Träger sehr unterschiedlich. Etwa die Hälfte fliegt die ISS an von den anderen gehen die meisten in einen SSOO oder GRO. Das ist nicht so gewünscht. Die Cubesats wären dann zu lange im Orbit, bzw. der GTO ist für manche Typen auch der falsche Orbit (z.B. für die Erdbeobachtung). Das kann man aber lösen indem man die Cubesats rechtszeitig absetzt. Bei einem SSO nach Erreichen der transferbahn, deren erdnächster Punkt bei rund 200 km liegt, sodass sie bald wieder verglühen. Etwas schwieriger wird es beim GTO. Hier müsste man die Satelliten während des Betriebs der Stufe abtrennen solange das Apogäum noch nicht zu hoch ist. Doch machbar ist auch so was.

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