{"id":8201,"date":"2013-07-12T00:24:57","date_gmt":"2013-07-11T22:24:57","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=8201"},"modified":"2013-07-10T23:30:17","modified_gmt":"2013-07-10T21:30:17","slug":"der-space-tug","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/07\/12\/der-space-tug\/","title":{"rendered":"Der Space Tug"},"content":{"rendered":"<p>Das Buch von Heppenheimer hat mich an ein mit dem <a href=\"\/space-shuttle.shtml\">Space Shuttle<\/a> verbundenes Projekt erinnert. Den \/ das Space tug, also den &#8222;Weltraumschlepper&#8220;. Da das Shuttle nur eine erdnahe Umlaufbahn erreicht, ben&ouml;tigt man f&uuml;r h&ouml;here Umlaufbahnen eine M&ouml;glichkeit zum Transfer.<\/p>\n<p>Das einfachste Gef&auml;hrt ist sicher eine umgebaute Oberstufe. Das grundlegende Problem ist, dass diese nur einmal eingesetzt werden sollte, Das passte aber nicht zu dem Konzept des wiederverwendbaren Shuttles. Zudem verteuert es den Start, denn die Oberstufe ist ja nicht wiederverwendbar. Als das Shuttle konzipiert wurde, kostete eine Centaur Oberstufe schon so viel wie der geplante Startpreis. Damit verdoppelt sich also der Preis f&uuml;r eine Nutzlast. Daher plante die NASA einen Space Tug. Eine Stufe die zwischen einem niedrigen Erdorbit und einem h&ouml;heren pendeln sollte. Das Konzept wurde, weil es bald eingestellt wurde nie konkretisiert. Denkbar w&auml;ren drei Szenarien:<!--more--><\/p>\n<ul>\n<li>Eine Stufe transportiert einen Satelliten vom Shuttle in eine h&ouml;here Umlaufbahn und kehrt zur&uuml;ck, wird eingefangen und dann zur Erde zur&uuml;ckgebracht &#8211; inspiziert und dann mit einer neuen Nutzlast erneut gestartet.<\/li>\n<li>Variante zwei: Die Stufe startet ohne Satelliten, koppelt im hohen Orbit an eine Nutzlast an und bringt sie zur Reparatur zum Shuttle wo sie mit de Nutzlast zur Erde zur&uuml;ckgebracht wird.<\/li>\n<li>Variante drei: Die Stufe startet mit einem Satelliten, setzt ihn aus, koppelt an einen Zweiten an und bringt ihn zur&uuml;ck.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Insbesondere bei den beiden Szenarien, in denen man einen Satelliten birgt, sind mit der Technologie der siebziger Jahre herausfordernd. Wir haben ja keine Raumstation mit einem Docking Adapter, wo dies mit den Progress m&ouml;glich ist. Da gibt es nicht nur eine M&ouml;glichkeit zum Ankoppeln, sondern auch Reflektoren f&uuml;r Laserentfernungsmesser. Ohne einen &#8222;kooperativen&#8220; Satelliten ist das auch heute noch riskant, erst recht damals, ohne GPS, der damaligen Computerhardware nur mit Kameras. Dazu ben&ouml;tigte man nicht nur einen Adapter, sondern Vorrichtungen um einen Satelliten festzuhalten, egal wie er gebaut ist.<\/p>\n<p>Doch betrachten wir das ganze mal unter technischen Aspekten. Der Space Tug sollte die RL-10 Triebwerke der <a href=\"\/centaur.shtml\">Centaur<\/a> einsetzen. Nun wurde die Centaur als Shuttle Variante gebaut. Ihre technischen Daten:<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Parameter<\/th>\n<th>Gr&ouml;&szlig;e<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Trockengewicht:<\/td>\n<td>2499,3 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Brennschlussgewicht:<\/td>\n<td>2872,6 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Startgewicht:<\/td>\n<td>26.385 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Adapter in er Shuttle Nutzlastbucht<\/td>\n<td>1057,3 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Nutzlast<\/td>\n<td>2041 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>L&auml;nge:<\/td>\n<td>8,87 m<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Maximaler Durchmesser:<\/td>\n<td>4,48 m<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Schub:<\/td>\n<td>146,4 kN<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spezifischer Impuls<\/td>\n<td>4380 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Nutzlast war hier Galileo. die Centaur G Prime h&auml;tte aber auch schwere Nutzlasten transportieren k&ouml;nnen, daf&uuml;r h&auml;tte man Treibstoff weggelassen. Genannt wurden folgende Nutzlasten:<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Orbit<\/th>\n<th>Nutzlast<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>In GTO<\/td>\n<td>14.000 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>In GEO<\/td>\n<td>6.350 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Wie sieht es nun aus, wenn aus der Centaur f&uuml;r die obigen Missionen einsetzt? Nun anhand der obigen Daten und einer maximalen Shuttlestartmasse von 24.320 kg (sie war nicht so hoch wie bei den Planungen) und einem \u0394V von 4200 m\/s kommt man auf folgende Nutzlasten:<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Mission<\/th>\n<th>Nutzlast<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>LEO + Satellit \u2192 GEO &amp;rarr LEO<\/td>\n<td>1.828 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>LEO \u2192 GEO + Satellit \u2192 LEO<\/td>\n<td>1130 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>LEO + Satellit &amp;rarr GEO + Satellit &amp;rarr LEO<\/td>\n<td>700 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"alignleft\" alt=\"Satellites for Sake\" src=\"\/img\/Satellites_For_Sale.jpg\" align=\"left\" \/>Was deutlich wird, ist dass die Nutzlast sehr stark abf&auml;llt. Das ist klar, denn die Geschwindigkeit ist nun doppelt so hoch (einmal LEO &amp;rarr GEO und zur&uuml;ck hat einen h&ouml;heren Geschwindigkeitsbedarf als von der Erde in den Orbit). Das war schon eine Schwachstelle des Space Tugs. Verglichen mit der &#8222;Wegwerfversion&#8220; ist selbst im optimistischsten Fall die Nutzlast viermal kleiner. Das bedeutet, man m&uuml;sste die Stufe mindestens viermal verwenden. Ob es Sinn macht einen Satelliten zu reparieren? Wohl nur wenn er bald nach dem Start ausf&auml;llt, denn schon damals verdoppelte sich bei den Kommunikationssatelliten mit jeder Generation die Leistung sei es in Kanalzahl oder Senkung der Kosten. Als das Shuttle operationell wurde, gab es ja zwei F&auml;lle von gestrandeten Satelliten im Orbit, als deren PAM-D nach kurzer Zeit ihren Betrieb einstellten. Sie wurden sp&auml;ter eingefangen und geborgen. Die NASA feierte dies als einen Beweis was das Shuttle konnte, z. B mit Fotos wie diesem links. Die Wahrheit: niemand wollte die Satelliten gaben. Die Eigent&uuml;mer strichen die Versicherungspr&auml;mie ein. Weststar 6 wurde dann an Hongkong verkauft und 1990 als Asisat 1 gestartet. Palapa B2 wurde 1990 gestartet als Palapa B2R. Beide Firmen hatten schon vorher die Reserveexemplare ihrer Satelliten gestartet. Die &#8222;wiederaufgearbeiteten&#8220; Satelliten waren erst sp&auml;ter startbereit.<\/p>\n<p>Dazu kommen die oben angesprochenen Probleme mit der Bergung. Auch die <a href=\"\/agena.shtml\">Agena<\/a> wurde f&uuml;r diese Rolle untersucht. Hier versuchte man die Trockenmasse durch abwerfbare Zusatztanks zu reduzieren. Weiterhin untersuchte man auch die M&ouml;glichkeit eine Nutzlast nur in den GTO zu bringen, was erheblich vorteilhafter gewesen w&auml;re:<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Mission<\/th>\n<th>Nicht wiederverwendbar<\/th>\n<th>Wiederverwendbar<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>LEO &amp;rarr GEO<\/td>\n<td>6069 kg<\/td>\n<td>1.767 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>LEO &amp;rarr GTO<\/td>\n<td>5947 kg<\/td>\n<td>4958 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Bei der GTO-Masse handelt es sich um Nettomasse also ohne Apog&auml;umsantrieb.<\/p>\n<p>Die Agena w&auml;re wohl, wenn man einen Space Tug gebraucht h&auml;tte der beste Kandidat. Allerdings nicht f&uuml;r GEO-Transporte, sondern um zwischen einem LEO und einem etwas h&ouml;heren Orbit zu pendeln, wie ihn z.B. Erderkundungssatelliten oder die Spionagesatelliten inne nehmen. insbesondere letztere arbeiteten, als man mit dem Shuttle begann noch mit Film. Je nach Typ waren sie nach einigen Wochen bis Monaten wertlos, wenn der Film verbraucht war. Die Agena Oberstufe hatte lagerf&auml;hige Treibstoffe. Man hatte so also gen&uuml;gend Zeit eine Ankopplung durchzuf&uuml;hren, w&auml;hrend die kryogene Stufe eine aufwendige Isolation braucht und trotzdem ist das Man&ouml;ver zeitkritisch. Weiterhin gab es ja schon eine Agena mit Kopplungsadapter &#8211; eingesetzt im <a href=\"\/gemini.shtml\">Gemini Programm<\/a> und diese Version war auch f&auml;hig &uuml;ber Wochen hinweg zu arbeiten.<\/p>\n<p>Denkbar w&auml;re folgendes Szenario. Ein Shuttle startet mit einem <a href=\"\/kh-2.shtml\">Hexagon (KH-9)<\/a> Satelliten und einer Agena in einen 200 km hohen Orbit. Der Satellit wird ausgesetzt und von der Agena in seiner zielumlaufbahn abgesetzt (elliptisch mit einem erdn&auml;chsten Puznkt von 300 km und einem erdfernsten von 1000 km). Dann koppelt sie ab, fliegt zum n&auml;chsten Hexagon, koppelt dort an und bringt ihn in eine niedrige Erdumlaufbahn, die dann kurz vor Ankunft des Shuttles nochmals abgesenkt wird. F&uuml;r ein solches Man&ouml;ver braucht man wenig Treibstoff und es gibt einen offensichtlichen Nutzen bei diesen milit&auml;risch genutzten Satelliten. Einen solchen &#8222;Pendelbus&#8220;, wurde dann auch weiterverfolgt, so war geplant den TRS, den man f&uuml;r die Rettung von Skylab plante daf&uuml;r einzusetzen. Der niedrige Geschwindigkeitsbedarf erlaubt es sogar nur Hydrazin einzusetzen. So kann es keine Explosion bei Lecks in der Nutzlastbucht geben. Die Agena setzt dagegen die selbstentz&uuml;ndliche Mischung UDMH \/ Salpeters&auml;ure ein.<\/p>\n<p>Umgesetzt wurde auch dieses Konezpt nicht. Der Grund war diesmal nicht die Verz&ouml;gerung des Space Shuttles oder seine <a href=\"\/shuttle-kosten.shtml\">Kosten<\/a>, sondern eine Erfindung: die des CCD. 1976 flog der erste Satellit der KH-11 Serie. Er gewann die Bilder nicht mit Film, sondern mit CCD-Sensoren. Mochten sie damals noch Film weit unterlegen sein, so konnte man mit ihnen Aufnahmen machen solange wie der Satellit funktionierte und nicht nur wie lange er Film hatte.<\/p>\n<p>Einige Jahrzehnte sp&auml;ter g&auml;be es eine neue Aufgabe f&uuml;r den Space Tug. Irgendwann ist auch die ISS am Ende ihrer Lebensdauer und wegen ihrer Masse von 450 t deorbitiert man die mal nicht so eben. F&uuml;r den Space tug mit 140 kN Schub w&auml;re das kein Problem gewesen. Aber das was man heute hat (Progress und ATV) schon. Die sind zu schubschwach um die Bahn in kurzer Zeit so zu ver&auml;ndern, das das Perig&auml;um &uuml;ber dem Eintrittspunkt liegt. Bei ihnen w&uuml;rde die ISs sich langsam abspiralen und wie <a href=\"\/skylab.shtml\">Skylab<\/a> unberechenbar vergl&uuml;hen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Das Buch von Heppenheimer hat mich an ein mit dem Space Shuttle verbundenes Projekt erinnert. Den \/ das Space tug, also den &#8222;Weltraumschlepper&#8220;. Da das Shuttle nur eine erdnahe Umlaufbahn erreicht, ben&ouml;tigt man f&uuml;r h&ouml;here Umlaufbahnen eine M&ouml;glichkeit zum Transfer. Das einfachste Gef&auml;hrt ist sicher eine umgebaute Oberstufe. 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