Meine „Mini Vega“

Die ESA entwickelt ja gerade die Vega C. Sie soll eine 50 % höhere Nutzlast als die Vega haben, da der P120C Booster zum Einsatz kommt. Das ist sicherlich ökonomisch sinnvoll wegen der Synergie mit der Ariane 6. Es geht aber am Markt vorbei. Boomend sind derzeit die Satelliten der Cubesat bis Microsatgröße, also eine Obergrenze von 100 bis 200 kg, wie z. B. der 2017 von der Uni Stuttgart gestartete „Flying Laptop“, ein nur 120 kg schwerer 10 Millionen Euro teurer Technologiesatellit, gebaut und entwickelt von Studenten.

Für die ist schon die derzeitige Vega zu groß. Ihre Nutzlast liegt schon heute an der oberen Grenze der „kleinen“ Träger. Höher als bei den direkten Konkurrenten Rockot und PSLV. Sie ist noch dazu nicht geeignet viele kleine Satelliten zu transportieren. Dafür gibt es bisher nur die VESPA (wusstet ihr, das 65 % der Vega in Italien gebaut werden?) eine Doppelstartstruktur wie die Sylda. Allerdings ist aufgrund des langen Satellitenadapters die Höhe begrenzt, was den Nutzen doch stark einschränkt. Zudem kostet sie bei der derzeitigen Vega 250 kg Nutzlast, also ein Sechtsel der Nutzlast im Referenzorbit.

Für Cubesats wäre zumindest eine einfache Lösung am konisch zulaufenden Adapter mehrere Ringe zu befestigen. Die ESA hat sich eine flexiblere Lösung entscheiden, einen Adapter SSMS der sowohl Cubesats, wie auch Nano- und Mikrosatelliten in bis zu drei Ebenen transportieren kann plus einer Hauptnutzlast, die allerdings an der Spitze dann nicht so groß sein kann wie eine normale Vega Nutzlast.

Doch richtig geeignet ist sie nicht dafür, auch wenn nun der Trend dazu geht das Firmen viele Nutzlasten bündeln und ganze Flüge buchen. Spaceflight hat schon zwei Falcon 9 und zwei Vega Starts gebucht.

Die Electron wird bald die ersten kommerziellen Starts durchführen, LauncherOne steht auch in den Startlöchern. Etwa ein Dutzend andere Firmen planen kleine Träger. Meiner Ansicht nach wäre es das beste wenn die ESA wenn sie einen Bedarf an einem Träger unterhalb der Vega sieht sich bei einer solchen Firma, es gibt ja auch europäische Unternehmen beteiligt am besten indirekt z.B. indem man zusagt Flüge zu buchen. Die könnte dann auch da es um sonnensynchrone Bahnen geht von Europa aus starten. Auf eine Insel vor Schottland wird ja schon ein Weltraumbahnhof gebaut. Da man von Nordirland, Schottland und Norwegen aus nur noch Meer überquert wenn man nordwärts startet, wäre dort ein Weltraumbahnhof denkbar der dann auch schneller erreichbar ist. (England bleibt ja in der ESA, auch wenn es die EU verlässt). Schottland war übrigens schon mal für die Starts der Black Arrow in Gespräch.

Die folgende Überlegung ist daher nur als technische Möglichkeit zu sehen, nicht als meine persönliche Meinung für einen wünschenswerten Träger.

Es gab schon mal den Vorschlag einer Mini-Vega. Das ist eine Vega ohne erste Stufe. Ihre Nutzlast sollte 350 kg betragen. Allerdings gelang es mir nicht diese mit überhaupt einer nennenswerten Nutzlast zu simulieren. Der Grund: Neben der Nutzlast gelangt auch das AVUM die letzte Stufe mit Elektronik und etwas Treibstoff in die Umlaufbahn. Das wiegt aber leer 494 kg. Bei einer Vega beträgt so die Gesamtmasse in einen erdnahen Orbit etwa 2800 kg. Die Mini Vega hätte nur 34 % der Startmasse, also geht die Nutzlast auf mindestens 34 % zurück, weil eine stufe fehlt eher mehr, und davon gehen dann noch 500 kg ab. Da bleibt fast nichts mehr übrig. Natürlich könnte man am AVUM Gewicht einsparen, doch da dieses Einsparpotential unbekannt ist habe ich das nicht berücksichtigt, auch nicht am folgenden Träger.

Ich überlegte mir, was möglich wäre und kam auf das Prometheus Triebwerk. Das soll 1.000 kN Schub haben, einen spezifischen Impuls von 3530 m/s und nur 1 Million Euro kosten. Mit 1000 kN Schub kann man bei einer Startbeschleunigung von 12,5 m/s 80 t beschleunigen. Die letzte Stufe mit AVUM wiegt zusammen 13,1 t. Das lässt noch 67 t für die erste Stufe übrig. Ich habe einen Strukturfaktor von 12 angesetzt und damit ich es etwas einfacher habe, nicht die Nutzlast für den Vega Referenzorbit berechnet, sondern einen Transferorbit von 170 x 700 km und dann noch die Differenz zur Zirkularisierung abgezogen. (148 m/s, 5 % beim gegebenem spezifischen Impuls des AVUM).

Dies kann man noch variieren, indem man mehr Treibstoff im AVUM zulädt ich habe pro 100 kg Treibstoff die Trockenmasse um 10 kg erhöht, da Triebwerk, Schubgerüst und Leitungen gleich bleiben. Auch die Vega C wird mehr Treibstoff zuladen. Hier die Ergebnisse, berechnet mit meiner Aufstiegssimulation, die bei der Vega relativ genau bei der Zielnutzlast liegt (1498 kg erhalten bei 1.500 kg Nennnutzlast)

Version Nutzlast 700 x 700 km 94° Orbit
Prometheusstufe + Zefiro 9 + AVUM 1.010 kg
Prometheusstufe + Zefiro 9 + AVUM + 100 kg Treibstoff 1.150 kg
Prometheusstufe + Zefiro 9 + AVUM + 200 kg Treibstoff 1.310 kg
Prometheusstufe + Zefiro 9 + AVUM + 300 kg Treibstoff 1.340 kg

Bei 300 kg mehr Treibstoff treten nun schon starke Gravitationsverluste auf, da auch die Brennzeit sehr lange wird und so die ersten beiden Stufen eine steilere Bahn haben müssen um das auszugleichen. Weiter habe ich daher nicht gesucht.

Die erhaltene Rakete hätte also etwa 2/3 der Vega Nutzlast oder etwa die Hälfte der Vega C. Da man zwei der drei Stufen der Vega ersetzt dürfte sie auch preislich attraktiv sein. Immerhin kann man die Kosten der ersten Stufe anhand des Preisunterschieds von Ariane 62 und Ariane 64 zu etwa 15 Millionen Euro abschätzen. Gelänge es also die Stufe genauso billig wie das Promtheustriebwerk zu entwickeln (das ja nur 1 Million Euro kosten soll) so denke ich ist ein Startpreis sicher unter 20 Millionen Euro, eventuell unter 15 Millionen Euro möglich (die Vega kostet 32 Millionen Euro bei zwei Starts pro Jahr, sinkend auf 25 bei 4 Starts pro Jahr).

Die Rakete wäre keine kleine Rakete mehr mit 1.000 kg Nutzlast ist das nicht gegeben. Man könnte sie von der Vega Startrampe aus starten, wenn man wie bei den Saturn IB die von den Saturn V Startrampen starteten auf einen Tisch setzt. Die Startrampe müsste man dann um Betankungseinrichtungen für Methan und LOX erweitern. Für einen Start vom Flugzeug aus halte ich sie zu schwer, außer vielleicht man nimmt einen spezialisierten Träger, wie den von Stratolaunch.

Zumindest in einem wäre die Rakete sinnvoll: man hätte einen Einsatz für das Prometheus gefunden, könnte es flugqualifizieren, falls man es wirklich einmal als Ersatz für das Vulcain nehmen sollte.

Nebenbei – auch mal durchgerechnet – Würde man nicht das Vulcain ersetzen, sondern das Vinci also die Oberstufe, so würde eine Stufe mit 35 bis 45 t Masse etwa 12 t in den GTO transportieren (Voll/Leermasse von 12:1 angenommen, 1 t für die VEB). Allerdings kommt die Ariane 64 in meiner Simulation auf 13,4 t. Wahrscheinlich habe ich noch zu günstige Strukturfaktoren.

3 thoughts on “Meine „Mini Vega“

  1. 1) Wie werden Micro und Nano Sateliten (und Cubesats) von der Multistartvorrichtung ausgesetzt?
    Das AVUM ist 5x wiederzündbar. Wenn für die primäre Nutzlast drei Zündungen benötigt werden, kann man die Umlaufbahn noch 2x verändern für die kleineren Satelliten. Wie werden diese dann vereinzelt, so daß jeder Satellit eine eigene Umlaufbahn hat?

    2) Wie funktioniert die Lageregelung eines Cubesats? Für einen 10kg Satellit kann ich mir verkleinerte reguläre Strukturen vorstellen.
    Aber was macht man, wenn man nur 1l Volumen und nur 1,3kg zur Verfügung hat?

  2. Im Link findest Du das ganze Manual

    1: Im Normalfall wird es nicht x-Umlaufbahnen geben sondern eine oder zwei. Die kleineren Nutzlasten müssen sich nach der großen ausrichten. Bei den von Spaceflight georderten Start mit einer Falcon 9 gelangen auch alle in eine Umlaufbahn

    2: Cubesats werden nicht aktiv lagegeregelt sondern entweder durch Festlegung des Schwerpunkts oder Durch Magnetfeldstabilsierung, wenn überhaupt.

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