US-Trägerraketen: Kleine Änderungen, große Wirkung

Gestern habe ich mit der verquerten US-Trägerraketenpolitik beschäftigt. Heute will ich konstruktiv dazu beitragen, dass es besser werden könnte. Dazu gehört nur etwas guter Wille und wenn der fehlt, eben Druck seitens NASA und USAF, die finanzieren die US-Trägerindustrie, die ja kaum kommerzielle Starts hat zu 90%.

Meiner Ansicht nach könnte man, wenn man die heute verfügbaren Triebwerke überall einsetzt, mit wenig Entwicklungsaufwand einiges bewirken, vor allem die Lücke unterhalb der Antares / Falcon 9 schließen. Dort gibt es zwar nominell einige Träger, aber sie sind extrem teuer. Basis ist, dass die Firmen ihre Stufen nicht nur bei eigenen Raketen verwenden sondern auch an andere verkaufen. Das würde einige Optionen ermöglichen. Entwickeln müsste man nur zwei Stufen:

Eine kleine Stufe auf Basis des Merlin. Bei 756,2 kN Startschub und einer Startbeschleunigung von 12 m/s und 25% Reserve für die Oberstufen kann dies eine Stufe von 50,4 t Gewicht antrieben. Ein typisches Leergewicht einer solchen Stufe wäre dann etwa 4 t. Diese Stufe mit flüssigem Antrieb könnte die Feststoffbooster bei der Vulkan / Atlas / Delta ersetzen. Der Gesamtimpuls liegt bei 142 MN, ein GEM-60 Booster hat 80 MN, ein GEM 63 XL 127,3 MN, ein AJ 37 118,8 MN. Das bedeutet, dass diese Stufe leistungsfähiger als die heutigen und geplanten Stufen wäre. SpaceX wollte die Falcon 1e für 11,8 Millionen Dollar vermarkten, technisch vergleichbar muss man nur die Oberstufe und die Startdurchführung abziehen, so kommt man auf etwa 7-8 Millionen Dollar pro Stufe. Ein Atlas V Booster ist mit 11 MN teurer.

Für SpaceX hätte das auch Vorteile: Mit einigen Boostern wäre die Falcon 9 fähig größere GTO-Nutzlasten zu starten oder, wenn dies nur ohne Wiederverwendung geht, die Wiederverwendung der zentralen Stufe zulassen und so verliert man nur einige Merlins, nicht gleich 9. Bei gleicher Technologie kann man davon ausgehen, dass jeder Booster die Nutzlast um ein Neuntel erhöht. 5,3 t sollen jetzt ja schon in den GTO gehen. Mit zwei bis drei Boostern kommt man so in den Bereich den die größten Satelliten heute haben, was das Einsatzspektrum deutlich nach oben hin erweitert. 6,4 t werden ja von SpaceX als Nutzlast für die Falcon Heavy genannt. Die gingen auch mit einer Falcon 9 und zwei bis drei Boostern.

Viel wichtiger ist aber, dass man mit der Stufe dann kleinere Raketen bauen kann. Man braucht noch eine Oberstufe dazu. Eine von 9 t Startmasse wäre im optimalen Bereich. Ausgestattet mit dem AJ10 Triebwerk (druckgefördert) würde sie dann 9 t voll und 1,23 t leer wiegen. Die kleinste Rakete mit dieser Oberstufe würde rund 800 kg Nutzlast haben, etwas mehr als die Minotaur I und weniger als Taurus und Minotaur IV/V. Die Nutzlast ist klein, weil die Stufe schon trocken über 1,2 t wiegt. Doch in der technischen Auslegung mit der Falcon 1e vergleichbar sollte sie trotzdem preiswert sein, da kann man das hinnehmen. Sie könnte die Minotaur I und Pegasus ersetzen. Mit einer kleinen Feststoffoberstufe könnte man die Nutzlast deutlich steigern. Alternativ würde auch ein kleiner flüssiger Antrieb mit einem 400 N Apogäumsmotor bei den kleinen Nutzlasten ausreichen.

Mit drei Erststufen, die Mittlere Stufe startet nur mit 60% Schub ergibt sich die nächst größere Version, die nun schon dreistufig ist, da die mittlere Stufe länger brennt. Sie transportiert 3.500 kg in den Orbit und liegt damit etwas unter der Antares. Mit vier Booster kommt man auf 4.600 kg und mit fünf auf 5.500 kg und damit soll es bei der Bündelung der kleinen Stufe gut sein. Danach kommt als nächst größere Rakete die Antares. Schon die 3-Booster-Version macht Athena, Minotaur IV/V und Taurus überflüssig.

Damit hätte man preiswert die Lücke bei den kleinen Trägern geschlossen und zudem gute Booster für Delta und Atlas und eine neue Oberstufe. Diese kann man auch auf Antares und Falcon 9 einsetzen, z. B. bei Planetensonden, die klein sind und nicht die volle Performance brauchen. Dafür dürfte die Oberstufe auch billiger als eine Centaur sein.

Viel mehr bringt der Einsatz der Centaur auf der Falcon 9 und Antares. Setzt man eine Centaur auf die Falcon 9 so erhöht sich die Nutzlast für den Mars von 600 auf 6.000 kg und in den GTO von 4.850 kg auf 9.700 kg – wohlgemerkt bei Übernahme der offiziellen Nutzlastangabe, also Bergung der ersten Stufe. Die Zahlen für höhere Geschwindigkeiten (Mars) sind aber stark von der Oberstufenmasse abhängt, ich habe hier 7 t angesetzt, bekannt sind sie ja nicht.

Die Antares würde mit Centaur in die Leistungsklasse der Falcon 9 aufrücken – 15 t in den Leo und 6,6 t in den GTO. immerhin noch 3,9 t zum Mars.

Die Atlas V würde mit 5 der Boostern mit Merlin 1 rund 1 t mehr in den GTO (9,7 t) oder 23 t in den LEO transportieren, damit wäre wohl eine Delta 4 Heavy überflüssig.

Das ganze ist relativ einfach zu verwirklichen. Antares und Falcon bräuchten nur Adapter die zwischen ihrem Durchmesser und dem der Centaur vermitteln, bei der Falcon 9 könnte es wegen der Länge vielleicht ein strukturelles Problem geben, aber da SpaceX wahrscheinlich nie die Centaur einsetzen wird, selbst wenn es die Falcon Heavy überflüssig macht ist das kein echtes Problem. Was man als Ergebnis hätte, man als Ergebnis hätte, wären mehr produzierte Stufen – sie werden billiger, ein größeres Einsatzspektrum von Falcon und Antares und eine Raketenlücke geschlossen. Dafür ist der Aufwand minimal, sicher kleiner als das AR-1 zu entwickeln, das eigentlich keiner braucht.

Wenn man etwas entwickeln will, dann wäre sicher ein größeres LOX/Lh2 Triebwerk und eine Stufe herum eine gute Idee. Die ACES soll ja 450 bis 670 kN Schub haben und ein Triebwerk in der Größenordnung wäre auch gut für die SLS, nur dort eben mit einer noch größeren Stufe und zwei Triebwerken. Auch die ACES wäre transferierbar. Sie wäre eine gute Oberstufe für die Falcon Heavy.

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