{"id":13116,"date":"2018-01-21T12:46:27","date_gmt":"2018-01-21T11:46:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=13116"},"modified":"2018-01-21T16:29:41","modified_gmt":"2018-01-21T15:29:41","slug":"minirakete","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2018\/01\/21\/minirakete\/","title":{"rendered":"Wie klein kann eine Minirakete sein?"},"content":{"rendered":"<p>Heute morgen gelang der zweite Teststart der Minirakete\u00a0<a href=\"https:\/\/spaceflightnow.com\/2018\/01\/21\/rocket-lab-delivers-nanosatellites-to-orbit-on-first-successful-test-launch\/\">Elektron<\/a>. Gl&uuml;ckwunsch zum Erreichen des Orbits. Ich w&uuml;nsche dem Unternehmen viel Erfolg. Sie sind ja ein ziemliches Wagnis eingegangen. Die Nutzlast ist so klein, das die Elektron praktisch nur f&uuml;r den Cubesat und Minisatellitenmarkt (bis maximal 100 kg) nutzbar ist. Sie haben ja schon einige gebuchte Start, doch der langfristige Gesch&auml;ftserfolg h&auml;ngt davon ab, ob dieser Trend anh&auml;lt und ob nicht die schon etablierten Firmen den Markt bedienen. Vor allem Indien, aber auch Russland bieten ja mehr Fluggelegenheiten an, w&auml;hrend man in den USA und Europa doch sehr zur&uuml;ckhaltend ist.<!--more--><\/p>\n<p>Es hat ja beim zweiten Anlauf geklappt, wobei schon beim ersten die Schuld nicht an der Rakete sondern einer abgerissenen Datenverbindung bei der Bodenstation lag. Dabei ist die Rakete sogar noch innovativ \u2013 sie kommt ohne Gasgenerator aus. Alle Turbopumpen werden elektrisch angetrieben. Dabei kommt die Elektron nicht aus einem klassischen Raketenland, wo selbst Multimilliard&auml;re mit ihren ersten Raketen grandios scheiterten. Die <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/electron.shtml\">Elektron<\/a> wird f&uuml;r einige Monate die kleinste Tr&auml;gerrakete der Welt sein. Dann steht der zweite Testflug der SS-520 an, einer umgebauten japanischen H&ouml;henforschungsrakete an. Auch bei ihr war der erste Testflug nicht erfolgreich. Ihr Nutzlast von 20 kg ist nochmals deutlich kleiner.<\/p>\n<p>Ich nehme den erfolgreichen Testflug mal zum Anlass aufzuzeigen, wie klein eine Minirakete sein kann. Ich hatte das Konzept einer Minirakete ja schon mal <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2015\/05\/22\/basteln-wir-uns-eine-ueberfluessige-rakete\/\">skizziert<\/a>. Wahrscheinlich hat man das in Japan gelesen denn die SS-520 sieht mir doch nach einer Kopie meines Konzepts aus. Wenn man eine noch kleinere Nutzlast als etwa 20 bis 50 kg erreichen will wird es aber schwierig. Es gibt zwei Hindernisse f&uuml;r eine Minirakete:<\/p>\n<ul>\n<li>Kleine Stufen haben einen ung&uuml;nstigeren Strukturfaktor als gro&szlig;e stufen<\/li>\n<li>Avionik, Steuerung, Telemetrie, und Lagekontrolle sind nicht beliebig verkleinerbar<\/li>\n<\/ul>\n<p>Fangen wir mit dem ersten an. Bei Stufen mit fl&uuml;ssigen Treibstoffen nimmt das Voll-\/Leergewichtsverh&auml;ltnis ab. Das liegt an zwei Faktoren. Kleine Triebwerke haben ein ung&uuml;nstigeres Schub-\/Gewichtsverh&auml;ltnis. Triebwerke um 1.000 kN Schub k&ouml;nnen eines von 100 erreichen, ein 400 N Triebwerk nur noch eines von 10. Bei den Tanks ist es so, dass die Dicke der W&auml;nde proportional zum Tankdruck ist. Bei druck-gef&ouml;rderten Tanks wie auch \u201enormalen\u201c ergibt sich so ein konstanter Strukturfaktor \u2013 bei gro&szlig;en Raketen. Je st&auml;rker man aber die Rakete verkleinert, desto d&uuml;nner m&uuml;ssten auch die W&auml;nde werden und irgendwann erreichen sie eine minimale Dicke, bei der dann andere Faktoren keine weitere Gewichtsreduktion mehr zulassen. Die <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/atlas.shtml\">Atlas<\/a> Tanks waren so d&uuml;nn, das sie ohne Innendruck kollabieren w&uuml;rden, was auch mehrmals vorkam. Also auch hier ist es naturgem&auml;&szlig; vorgegeben, dass kleinere Stufen schwerer werden.<\/p>\n<p>Bei Feststoffstufen ist es etwas g&uuml;nstiger. Sie stehen von vorneherein unter hohem Druck. Die Wanddicke ist daher h&ouml;her. Doch auch hier gilt: sehr kleine Stufen haben ein hohes Leergicht, verglichen mit der Startmasse. Jedoch einen g&uuml;nstigeren Strukturfaktor als kleine Stufen mit fl&uuml;ssigem Treibstoff. Schaut man sich ATK\u2018s Produktkatalog an so wird das deutlich, kleiner die Stufe desto kleiner der Treibstoffanteil an der Startmasse. Aber auch hier gibt es Ausnahmen. Das TE-M-500 kommt mit nur 1,72 kg Treibstoff auf einen Treibstoffanteil von 87%, ansonsten haben alle Triebwerke mit unter 30 kg Treibstoff einen von kleiner als 0,8. Der leichteste Antrieb der &gt;=0,9 erreicht ist der TE-M-251 mit 115 kg Treibstoff. Der TE-M-711\/3 erreicht sogar 0,95 \u2013 ein Voll\/Leermasseverh&auml;ltnis von 20 das auch gro&szlig;en Stufen oft nicht erreichen.<\/p>\n<p>Eine Minirakete bestehend aus den ATK-Antrieben TE-M-500, TE-M-541, TE-M-763 und TE-M-604A w&uuml;rde rund 250 kg wiegen bei einer Nutzlast von 2 bis 3 kg. Das ist aber nur ein Aspekt. So eine Rakete w&uuml;rde nicht funktionieren. Eine Rakete hat mindestens zwei weitere Aufgaben zu erf&uuml;llen:<\/p>\n<ul>\n<li>Sie startet senkrecht und muss einen Orbit in definierter H&ouml;he erreichen. Sie muss also ihre Richtung gezielt &auml;ndern.<\/li>\n<li>Sie muss stabilisiert werden.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Optional gibt es noch zwei weitere Aufgaben:<\/p>\n<ul>\n<li>Die Rakete soll aktiv gesteuert werden, sie soll nicht nur einen x-beliebigen Orbit erreichen, sondern einen vorgegebenen, wenn m&ouml;glich mit maximaler Nutzlast.<\/li>\n<li>Man m&ouml;chte genaue Statusinformationen von der Rakete haben um Fehler zu finden oder sie zu optimieren.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Fangen wir mit dem ersten an. Eine Rakete startet senkrecht. Sei baut zuerst eine Vertikalgeschwindigkeit auf. Bei normalen Raketen neigt sie sich dann langsam immer mehr in die Horizontale. Das Programm muss so ausgelegt sein, dass die Vertikalgeschwindigkeit so hoch wie bei einem senkrechten Schuss der die Orbith&ouml;he als Gipfelh&ouml;he erreicht, die horizontale Geschwindigkeit die des Orbits entspricht und vor allem der Gro&szlig;teil der horizontalen Geschwindigkeit in einer H&ouml;he erreicht wird, bei der ein stabiler Orbit resultiert. Feststoffraketen haben mit dem letzten Kriterium wegen der kurzen Brennzeit Probleme und schieben daher oft Freiflugphasen ein, so auch die <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/vega-rakete.shtml\">Vega<\/a> und Epsilon. Eine technisch einfache L&ouml;sung ist es die Rakete in einem schr&auml;gen Winkel zu starten. Dies wird auch bei der SS-520 so gemacht, ebenso bei den japanischen <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/japanische-traegerraketen-l-m-serie.shtml\">My<\/a>. Die Rakete erh&auml;lt so einen Gro&szlig;teil oder sogar die gesamte Vertikalgeschwindigkeit beim Betrieb der ersten Stufe, dann muss sie in die Horizontale gedreht werden. Das k&ouml;nnen zwei Raketentriebwerke mit festem Impuls durchf&uuml;hren, das eine induziert ein Drehmoment, das zweite stoppt es. Per Funk muss man sie nun so timen, das die zweite Z&uuml;ndung stattfindet, wenn die Rakete die Horizontale erreicht hat oder einen flachen Winkel.<\/p>\n<p>Bei der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/scout.shtml\">Scout<\/a> gab es ein etwas ausgekl&uuml;gelteres Programm mit variablen Drehraten durch Kaltgasdr&uuml;sen, aber die Rakete absolvierte ein festes Programm das vor dem Start festgelegt war. Der Preis war das eine Scout sehr hohe Abweichungen von der Sollorbith&ouml;he hatte, bis zu 100 km bei kreisf&ouml;rmigen Orbits. Ganz niedrige Orbits sind daher fast nicht m&ouml;glich. Auch die erste Nutzlast der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/ss-520.shtml\">SS-520<\/a> sollte sicher nicht aus Zufall einen exzentrischen Orbit erreichen.<\/p>\n<p>Das zweite ist die Stabilisierung. Es wirken ja Kr&auml;fte auf sie ein: Wind, Luftwiderstand, ungleiche Schubverteilung etc. Die einfachste M&ouml;glichkeit zur Stabilisierung ist es w&auml;hrend der aerodynamischen Phase mit Fl&uuml;geln die Rakete durch ihre Geschwindigkeit zu stabilisieren. Eine Drehung erzeugt h&ouml;heren Widerstand gegen&uuml;ber der Luftstr&ouml;mung. So wurde die <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/a4.shtml\">A-4<\/a> mitstabilisiert, allerdings nicht als einzige Ma&szlig;nahme. Das Prinzip nutzen auch H&ouml;henforschungsraketen. Sie erreichen relativ schnell eine hohe Geschwindigkeit, denn solange die Geschwindigkeit klein ist, ist der Luftwiderstand bei einer Drehung auch klein. Sp&auml;ter kann man eine Rakete stabilisieren indem man sie in eine rasche Rotation (50-200 U\/min) bringt. Diese Ma&szlig;nahme wird bei vielen Raketen angewandt vor allem bei der letzten Stufe, wenn diese nicht mehr aktiv gesteuert wird. So bei Black Arrow, Diamant, Scout, <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/delta.shtml\">Delta<\/a>. Auch dies k&ouml;nnten die Triebwerke f&uuml;r die Umlenkung der Bahn bewerkstelligen, wenn sie im schr&auml;gen Winkel angebracht sind.<\/p>\n<p>Eine solche Low-Tech Minirakete k&ouml;nnte einen Orbit erreichen, allerdings mit hohem Risiko und gro&szlig;en Unsicherheitsfaktoren. Nehmen wir das Umlenken in der Horizontale. Wenn der Impuls der Triebwerke fest ist, also keine Fl&uuml;ssigkeitsrakete, die man wieder abschalten kann. Dann muss dies bei einer definierten H&ouml;he und Geschwindigkeit erfolgen. Sonst erreicht man entweder keinen Orbit, sondern nur eine suborbitale Bahn oder den falschen Orbit. Bei der Scout lebte man mit Unsicherheitsfaktoren in der Orbith&ouml;he. Aber wenn man nicht die momentane Geschwindigkeit und Ausrichtung weiss, dann ist das ein Gl&uuml;cksspiel. Daher wird man zumindest auf eine Telemetrie, die laufende Daten &uuml;ber die Rakete sowohl die Messwerte von Sensoren wie auch die Daten &uuml;ber Ort, Ausrichtung und Geschwindigkeit nicht verzichten wollen. Die Daten &uuml;ber Geschwindigkeit und Ort kann man durch Verfolgen der Bahn mit mindestens zwei Bodenstationen durch Triangulation gewinnen. Die Information &uuml;ber die Ausrichtung aber nicht. Auch bei Miniaturisierung wiegen solche Systeme mit Sendern, Batterien noch einiges. Bei der Minirakete SS-520 z.b. 52 kg. Das ist ein Vielfaches der Satellitenmasse von 20 kg. Bei der Vega wiegt das AVUM noch mehr, weshalb ich auch die <a href=\"http:\/\/spacenews.com\/avio-expanding-vega-launch-abilities-mulls-light-mini-variant\/\">Idee einer Vega-Light<\/a> f&uuml;r bl&ouml;dsinnig halte, da dann die Nutzlast von 2,3 auf 0,25 t sinkt \u2013 die AVUM mit rund 500 kg Leermasse bleibt ja konstant. Die einzige L&ouml;sung ist es die Steuerung von der letzten Stufe zu trennen. <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/diamant.shtml\">Diamant<\/a>, Black Arrow, Scout und <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/epsilon.shtml\">Epsilon<\/a> integrieren sie in die vorletzte Stufe. Die letzte wurde spinstabilisiert und war ohne aktive Steuerung. Die Avionik hatte die Aufgabe die Rakete auf eine Suborbitale Bahn zu bringen die einen Punkt hatte, bei dem man die letzte Stufe z&uuml;nden konnte und diese dann den gew&uuml;nschten Orbit erreicht. Da 10 kg mehr bei der vorletzten Stufe typischerweise 3 kg weniger Nutzlast entsprechen ist dies g&uuml;nstiger, aber man erreicht so nicht Bahnen mit pr&auml;zisen Vorgaben.<\/p>\n<p>Der letzte Punkt ist die aktive Kompensation von St&ouml;reinfl&uuml;ssen. Typischerweise indem man Triebwerke dreht oder auf andere Weise den Schubvektor beeinflusst (Strahlruder, Sekund&auml;reinspritzung, Lageregelungstriebwerke) aber auch der Brennschluss wenn die Zielbahn erreicht wird. Das ist eigentlich nur m&ouml;glich, wenn die letzte Stufe mit fl&uuml;ssigem Treibstoff arbeitet. Die Vega setzt das ein. Bei <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/black-arrow.shtml\">Black Arrow<\/a> und Diamant machten das die unteren Stufen mit fl&uuml;ssigem Treibstoff. Bei anderen Miniraketen wie Athena oder <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/pegasus.shtml\">Pegasus<\/a> gibt es ein optionales System mit fl&uuml;ssigem Treibstoff das die Bahngenauigkeit erh&ouml;ht als optionale Stufe.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Miniraketen-Fazit<\/h3>\n<p>Ich denke, wenn einem gro&szlig;e Schwankungen in der Orbith&ouml;he egal sind, w&auml;re eine solche Low-Cost Minirakete m&ouml;glich. Man w&uuml;rde sie schr&auml;g mit Fl&uuml;geln starten, eventuell sogar von einem Flugzeug aus \u2013 das hat den Vorteil, dass Fl&uuml;gel schon beim Start wirksam sind, da dieser bei h&ouml;herer Geschwindigkeit stattfindet. Es ging aber nicht ohne eine minimale Messeinrichtung. Diese w&uuml;rde man in der ersten Stufe anbringen. Sie w&uuml;rde die Bodenstation &uuml;ber Geschwindigkeit und &uuml;ber Neigungssensoren &uuml;ber die Lage informieren. An der ersten Stufe befinden sich dann mehrere Feststofftriebwerke mit festen Impulsen. Zum einen zum Versetzen der Rakete in schnelle Rotation. Zum anderen zum Kippen der Rakete. Die Bodenstation berechnet dann den Zeitpunkt, bei dem das Kippen ausgel&ouml;st wird und wann es wieder gestoppt wird. Danach wird die Minirakete in Rotation versetzt und die erste Stufe mit dem toten Gewicht der Steuerung, Fl&uuml;geln und Zusatztriebwerke abgeworfen. Das findet w&auml;hrend der sowieso n&ouml;tigen Freiflugphase statt.<\/p>\n<p>Die Frage ist allerdings ob es sich lohnt. ATK hat zwar einen Product-Katalog, aber ohne Preise. Ich vermute die Kosten w&auml;ren verglichen mit der Nutzlast sehr hoch.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg08.met.vgwort.de\/na\/f5d895eb2f7a4014ba859b922aea3e4e\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Heute morgen gelang der zweite Teststart der Minirakete\u00a0Elektron. Gl&uuml;ckwunsch zum Erreichen des Orbits. Ich w&uuml;nsche dem Unternehmen viel Erfolg. 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