Raketen die es geben könnte – Titan Varianten

Wie der aufmerksame Blogleser schon vermutet, inspiriert mich mein aktuelles Buch zu dem Blog. Denn bei der Recherche stieß ich auf Pläne, für Starts von Titan-Titan-Varianten, für TOPS. Diese gab es aber nie im Einsatz, so die Titan IIIM oder eine Titan IIIE mit Centaur G. Von der Centaur G wusste ich gar nicht das es diese 1973 schon in der Planung gab. Das inspirierte mich mal einige Oberstufenvarianten der Titan zu untersuchen, die es nie gab und festzustellen, warum.

Damit wir aber alle auf demselben Basislevel sind, eine kleine Einführung in die Entwicklungsgeschichte der Titan und ihre Versionen. Das ist nichts Neues, kann man alles auf der Website viel ausführlicher nachlesen. Aber das Tolle am Blog ist ja, dass die meisten die Website nur ungenügend studieren und ein Blog gerne verschütt geht über die Jahre, sodass ich dasselbe Thema in einigen Jahren sicher nochmal bringen kann.

Also ganz kurz:

Die Titan I wurde kurze nach der Atlas entwickelt. Wie diese setzte sie LOX/Kerosin ein. Das Atlas Konzept war umstritten, der Abwurf der Boostertriebwerke während des Flugs, die extrem dünne Hülle. Die Titan I war konventioneller und setzte zwei Stufen ein, letzteres bedeutete eine Stufentrennung und Zündung, was damals aber auch unerprobt war und gerade deswegen bei der Atlas vermeiden wurde. Man hatte so zwei Konzepte, beide mit Neuerungen und hoffte auf wenigstens eine einsatzfähige Rakete.

Die Raketenentwicklung ging aber damals schnell voran und nach wenigen Jahren war die Titan I schon wieder veraltet, genauso wie die Atlas. Beide Träger konnten nicht längere Zeit aufgetankt bleiben. Der Sauerstoff verdampft dauernd und es gab auch Unglücke durch die dadurch entstehende Brandgefahr. Lagerfähige Treibstoffe waren die Lösung. Die Forderung nach diesen Treibstoffen kam zudem durch die Kuba-Krise, die klarmachte das im Falle eines auch nur vermuteten Angriffs man nur Minuten zur Entscheidung über das Abfeuern der Raketen hatte. Alle bisherigen Raketen waren nicht für einen Gegenschlag nach einem echten Angriff geeignet, so konnte ein Atomkrieg durch einen Fehlalarm ausgelöst werden. Dagegen waren die Bomber, die Stunden bis zum Ziel brauchten bei einem Fehlalarm zurückholbar.

Die Titan II hatte wie die Titan I zwei Stufen, verwandte aber lagerfähige Treibstoffe und war größer. Sei ersetzte die Titan I schon 1965 und blieb dann bis 1982 im Arsenal. Auch sie wurde bald durch Feststoffraketen ergänzt die dann bis auf die Titan alle anderen IVBM ablösten. Pläne für einen Einsatz der Titan I gab es, so sollte sie den Raumgleiter Dyna-Soar starten, doch dazu kam es nie.

Die zweistufige Titan wurde im Gemini Programm eingesetzt und dann dreißig Jahre später wurden einige ausgemusterte Exemplare der Titan II erneut eingesetzt, diesmal mit Star 37 Oberstufen.

Die Titan III wurde entwickelt für schere Satelliten des DoD. Für sie war die Titan II zum einen nicht stark genug, zum andren fehlte eine Oberstufe, um den GEO zu erreichen. Mit einigen Versuchsstarts wurde nur die neue Oberstufe – Transtage erprobt. Diese Version hieß Titan IIIA und wurde nur dafür eingesetzt. Die Transtage setzte auch lagerfähige Treibstoffe ein, dazu das Triebwerk der Delta-Oberstufe, aber in zweifacher Ausfertigung.

Die eigentliche Hauptversion war die Titan IIIC (zur B-Version komme ich noch). Sie erhielt zwei Booster, die links und rechts der Zentralstufe angebracht wurden. So große Booster – jeder wog mehr als die ganze restliche Rakete – konnte man nicht aus einem Stück herstellen, so bestanden sie aus fünf Segmenten. Da die Brenndauer von Zentralstufe und Booster nahezu gleich war ,hätte es eine sehr hohe Beschleunigungsspitze gegeben, wenn beide gleichzeitig gezündet wurden. So wurden die Booster zuerst gestartet. Das ist bis heute einmalig, sonst werden Zentralstufe und Booster immer zusammen gestartet. Sobald der Treibstoff der Booster nahezu verbraucht ist und die Beschleunigung unter 1,5 g sinkt, wird die Hauptstufe gestartet. Die Booster werden dann abgetrennt. Diese Version mit vier Stufen (Booster eingerechnet) war die Titan IIIC.

Die Titan III sollte dann auch überschwere Spionagesatelliten, zuerst vom Typ KH-9 Hexagon und dann vom Typ KH-11 Kennan transportieren. Diese gelangten in erdnahe Umlaufbahnen und benötigten keine Oberstufe, diese Version ohne Transtage war die Titan IIID. Sie wurde exklusiv für diese beiden Satelliten eingesetzt.

Kommen wir zur Titan IIIB, von der es noch vier Unterversionen gibt. Sie hat ihren Ursprung in einem anderen militärischen Projekt, den Vorgängern der KH-9 / 11 Das waren Aufklärungssatelliten, die zuerst auf der Thor flogen. Die erste Version war fest mit der Agena verbunden, die folgenden waren dann trennbar, aber auch sie nutzten die Agena Oberstufe weiter für Bahnkorrekturen. Als die Satelliten immer schwerer wurden und auch leistungsgesteigerte Versionen der Thor sie nicht mehr transportieren konnten wanderten sie mitsamt der Agena zur Atlas, wobei man sagen muss das die Agena auch schon vorher auf der Atlas flog und z.B. die ersten Marinersonden und Ranger startete oder mit Gemini Raumschiffen koppelte. Als die Satelliten dann auch zu schwer für eine Atlas wurden, zog das Gespann weiter zur Titan und so setzte die Titan IIIB die Agena Oberstufe anstatt der Transtage ein. Diese Version flog am häufigsten. Nicht nur die KH-8 Gambit Satelliten wurden befördert, sondern auch zahlreiche andere Nutzlasten die zu schwer für eine Atlas Agena waren. Die Agena-Stufe hatte dieselben Vorteile wie die Transtage – Wiederzündbarkeil, lange Freiflugphasen möglich. Sie war aber billiger und die Nutzlast etwas höher. Später kamen Versionen mit einer größeren Nutzlastverkleidung dazu, denn die Agena hatte nur eine Verkleidung mit einem Durchmesser von 1,5 m und als die Titan etwas leistungsgesteigerte Triebwerke erhielt, wurden die Stufen leicht verlängert und mehr Treibstoff mitgeführt. Diese Version, Titan 24B, ist noch für die Entwicklung von Bedeutung.

Die NASA bestellte dann für sechs Raumsonden eine neue Version, die Titan IIIE. Bei ihr wurde die Centaur der Atlas auf die Titan IIID gesetzt. Dazu gab es eine neue Nutzlastverkleidung die größer als die Titan war.

Als die Nutzlasten auch für die Titan IIIC/D zu schwer wurden, besann man sich auf die verlängerte Titan 24B. Die Booster haben einen enormen Schub, jeder mehr als den doppelten der Titan-Zentralstufe. Man kann sie daher nicht überall befestigen, sondern muss dies an Stellen tun wo die Titan sowieso für hohe Belastungen ausgelegt ist, dass war oben an dem Stufenadapter zur zweiten Stufe und unten am Schubrahmen. Wenn man nun die verlängerten Stufen der Titan 24B einsetzte, dann konnte man auch die Booster um ein halbes Segment verlängern. Heraus kam die Titan 34D die nun die Titan IIIC und D ersetzte. Man unterschied nun nicht mehr, ob eine Transtage eingesetzt wurde oder nicht und die römische Nummerierung war nun auch nicht mehr zweckmäßig. Das sollte eigentlich die letzte Version der Titan sein. Doch als nach der Challenger-Katastrophe die Space Shuttles keine Satelliten mehr transportieren dürften, außer es gab keine Alternative, entwickelte man nochmals eine neue Version die Titan 4A. Nun wurden die Booster gleich auf 7 Segmente verlängert und die beiden Titan Stufen ebenfalls. Die Transtage als Oberstute fiel weg, dafür wurde eine Version der Centaur die Centaur G, ursprünglich für den Space Shuttle entwickelt eingesetzt. Diese hatte einen größeren Durchmesser und nahm so mehr Treibstoff auf. Die zweite Oberstufe war die ebenfalls für das Space Shuttle entwickelte IUS. Die Titan 4B als letzte Version ersetzte die alten Booster aus Stahl durch zwei neue, nun nur noch aus zwei Segmenten, aus leichten CFK-Werkstoffen und einer optimierten Treibstoffmischung.

Erwähnt muss noch die Titan IIIM werden. Sie sollte als eine militärische Raumstation – MOL – zu schwer für die Titan IIID war, dieses „Labor“ starten. Sie war eine Titan IIID mit Boostern mit 7 Segmenten. Diese Zahl ergab sich daraus, das die Booster dann genauso lang waren wie die Titan – Erst- und Zweitstufe zusammen und man sie so oben am Nutzlastadapter anbringen konnte. Die Titan IIIM wurde immer wieder mal ins Spiel gebracht, wenn auch eine Titan III nicht für eine Nutzlast ausreichte, letztendlich aber nie gebaut.

Es gibt also Varianten mit fünf, 5,5, sieben Segmentboostern und gar keinen Boostern und es gibt als Oberstufen die Transtage, Agena und Centaur, aber nicht alle Varianten flogen. Zudem gibt es neben der Titan II noch die Titan I, die nie als Raumfahrtträger eingesetzt wurde. Das gibt sehr viele Kombinationen, doch man kann die Zahl verkürzen. Die Transtage-Oberstufe kann man weglassen. Die Agena Oberstufe hat bei ebenfalls lagerfähige Treibstoffe, aber einen höheren spezifischen Impuls und eine geringere Leermasse. Zudem war sie billiger. Als die Titan 34D startete lief die Agenafertigung aus, allerdings auch die der Transtage.

Die Centaur wiederum wiegt in D-Version schon 15,8 t. Sei wiegt damit halb so viel wie die Titan Zweitstufe. Eine Version mit Boostern kann sie befördern, aber ohne ist sie zu schwer. Sie kann dann aber die zweite Stufe ersetzen.

Das ergibt folgende Versionen:

Version Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4
Titan I – Centaur Titan I Centaur
Titan I – Agena Titan I Titan I Agena
Titan II – Centaur Titan II Centaur
Titan III Centaur Booster (5) Titan II Centaur
Titan III Agena Booster (5) Titan II Titan II Agena
Titan 34 – Centaur Booster (5,5) Titan 24 Centaur
Titan 34 + Centaur Booster (5,5) Titan 24 Titan 24 Centaur
Titan 34 Agena Booster (5,5) Titan 24 Titan 24 Agena
Titan IIIM – Centaur Booster (7) Titan II Centaur
Titan IIIM + Centaur Booster (7) Titan II Titan II Centaur
Titan IIIM Agena Booster (7) Titan II Titan II Agena

Die Nutzlasten habe ich für Fluchtbahnen bei den vierstufigen Varianten und den dreistufigen mit Centaur berechnet, ansonsten für einen 200 km LEO mit 28 Grad Bahnneigung.

Version Nutzlast
Titan I – Centaur 3.300 kg in LEO
Titan I – Agena 2.300 kg in LEO
Titan II – Centaur 1.400 kg Flucht
Titan III – Centaur 4.200 kg Flucht
Titan III Agena 2.800 kg Flucht
Titan 34 – Centaur 5.000 kg Flucht
Titan 34 + Centaur 5.900 kg Flucht
Titan 34 Agena 3.500 kg Flucht
Titan IIIM – Centaur 6.700 kg Flucht
Titan IIIM + Centaur 7.500 kg Flucht
Titan IIIM Agena 4.500 kg Flucht
Zum Vergleich:
Titan 24B 1.050 kg Flucht, 3.900 kg LEO
Titan IIIC 11.532 kg LEO, 2.314 kg Flucht
Titan IIIE 5.150 kg Flucht
Titan 4A 7.500 kg Flucht

Da die Centaur eine relativ teure Oberstufe ist, ist ihr Einsatz nur gerechtfertigt, wenn die Nutzlast stark ansteigt. Die Titan I Centaur scheidet so aus. Die Nutzlast ist kleiner als die einer Titan II oder in etwa so groß wie bei einer Atlas Agena D. Die Titan II Centaur hat eine 40 % höhere Nutzlast als eine Atlas Centaur und wäre somit interessant.

Alle Titan III Centaur Varianten habe eine hohe Nutzlast für die Fluchtgeschwindigkeit, zur Zeit der Titan III gab es aber zumindest bei der NASA keinen Bedarf – für die sechs Ausnahmen wurden ja Titan 3E gebaut. Wie es beim Militär aussieht – die Raketen hatten dann ja auch eine hohe GEO Nutzlast weiß man nicht. Die Titan IIIM ist dabei die interessanteste Variante, weil die Booster billig sind und sie erheblich mehr Nutzlast als die anderen Versionen bietet. Die preiswerte Alternative zur Titan III Centaur wäre die Titan IIIM Agena. Mit etwas höherer Nutzlast als die Titan IIIC wäre die Titan III Agena eine Alternativ zur Titan IIIC.

Außer der Reihe gab es doch noch eine Nutzlast für welche man eine leistungsfähigere Version benötigt – Galileo. Die Raumsonde wog dreimal so viel wie Voyager und war selbst für die Space Shuttles an der Nutzlastgrenze. Lange Zeit wechselten die Konfigurationen dauernd. Zeitweise wurde erwogen Probe und Orbiter getrennt zu starten. Könnte eine Titan die Nutzlast schaffen?

Galileo wog ohne Nutzlastadapter 2405 kg. Ich rechne mit 2.500 kg mit Adapter zur Oberstufe. Eine Geschwindigkeit von 9,1 km/s relativ zur Erde wird jedes Jahr für etwa zwei bis drei Wochen unterschritten, das wäre dann ein brauchbares Startfenster. 9,1 km/s entsprechen einem c3 von 82,9 km²/s². Selbst die größte Titan 34 Centaur Variante schafft nur 1.300 kg auf diese Geschwindigkeit, mit Burner II Oberstufe dann 1500 kg. Die Titan IIIM mit Centaur kommt mit 1.900 kg auf die höchste Nutzlast, doch dies reicht dann gerade Mal für einen getrennten Start von Orbiter mit reduzierten Treibstoffreserven) und Probe für die man dann noch einen Bus konstruieren müsste. Eine PAM-D Oberstufe, damals grade neu eingeführt erhöht die Nutzlast auf 2.000 kg, der bei Voyager verwendete Star 37 Antrieb in der leichtesten Form (Drallstabilisierung) auf 2.100 kg. Das reicht gerade so für den Orbiter, ohne Kapsel. Der wog zwar etwas mehr, aber er benötigte auch Treibstoff für das Orbit Deflection Manöver. Bei einem 1986 genannten Trockengewicht von 1138 kg und einem dV von 1600 m/s errechne ich eine Startmasse von 1.957 kg ohne Adapter, sodass das gerade so klappen könnte. Allerdings geht man beim 1986 Startfenster auch von einer etwas geringeren Startenergie von 80 km²/s² aus, was die Nutzlast um rund 90 kg erhöht. Dafür benötigt man ein Manöver, dass die Ebene nach dem Start anpasst was wiederum Treibstoff kostet. Real denke ich wird man nicht viel Masse einsparen können, sodass Galileo mit einer Titan IIIM mit zusätzlicher Centaur und Star 37E Oberstufe vielleicht in zwei Teilen startbar wäre. Die Centaur G der Titan 4 wäre wegen der hohen Trockenmasse wohl keine gute Alternative.

3 thoughts on “Raketen die es geben könnte – Titan Varianten

  1. Sehr interessant Ausführung hab mich bisher noch nie so wirklich mit der Titan beschäftigt hätte jetzt aber eine Frage dazu:
    Die Booster sind ja eigentlich eher die 1. Stufe als Booster. Den sie starten die Rakete ja alleine und parallel brennen die Booster und Zentrale Stufe ja nur kurz vor der Abtrennung der Booster.
    Könnte man Booster und Zentralstufe Dan nicht auch als 2 Stufen ansehen die parallel anstatt übereinander angeordnet sind?

  2. Nunja das ist wohl ein sehr exotisches Thema, dass nicht viele Forenteilnehmer zu Statemands hinreisst.
    Und bitte wenn jemand Rechtschreibfehler findet, bitte hier gehts um Raumfahrt, und nicht um Rechtschreibfehler.
    Ich bin auch Legastheniker, aber deshalb nicht automatisch dumm, seien wir froh, dass es den Blog gibt.
    Frage an Bernd zur Ariane 6, warum erst 2023 Erststart, und auswirkungen des Oneweb bzw Amazon Satelliteninternet Auftrages. Bezos ist mir genauso unsymphatisch wie Musk, obwohl ich zufriedener Tesla Fahrer bin.

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