{"id":8418,"date":"2013-08-29T00:11:41","date_gmt":"2013-08-28T22:11:41","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=8418"},"modified":"2013-08-28T08:02:17","modified_gmt":"2013-08-28T06:02:17","slug":"eine-eigene-traegerrakete-fuer-cuebsats","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/08\/29\/eine-eigene-traegerrakete-fuer-cuebsats\/","title":{"rendered":"Eine eigene Tr&auml;gerrakete f&uuml;r CubeSats?"},"content":{"rendered":"<p>Den <a href=\"http:\/\/www.spacenews.com\/article\/launch-report\/36903nasa%E2%80%99s-next-step-for-cubesats-is-a-dedicated-launcher\">Nachrichten<\/a> entnehme ich, dass die US-Raumfahrtagentur nach einem eigenen Tr&auml;ger nur f&uuml;r den Transport f&uuml;r Cubesats sucht. Also zuerst mal denke ich das nicht n&ouml;tig. Es gibt gen&uuml;gend Starts bei denen man diese so mitf&uuml;hren k&ouml;nnte. Wenn die Bahnneigung keine Rolle spielt so wird es alleine zur ISS pro Jahr drei bis vier Starts geben. Sie ist in 407 km H&ouml;he, nur wenig unterhalb der 425 km Referenzh&ouml;he die vom dezidierten Tr&auml;ger gefordert werden, eine standardisierte Plattform, eventuell mit einem kleinen Antrieb um die Bahnh&ouml;he anzuheben oder abzusenken (wenn man sie nicht so lange im Orbit haben will) f&uuml;r die Antares und Falcon 9 w&uuml;rden das Problem l&ouml;sen. Beim Start in SSO Orbits g&auml;be es dann Mitfluggelegenheiten von Vandenberg aus, das sind auch einige Starts pro Jahr.<!--more--><\/p>\n<p>Ein eigener Tr&auml;ger ist schon deswegen unsinnig, weil f&uuml;r die projektierte Nutzlast von 15 kg die Startkosten sehr hoch sind. Teuer sind bei den Stufen die D&uuml;sen, das Geh&auml;use ist leicht herzustellen und ob es es gro&szlig; oder klein ist ist auch nicht so wichtig. Dar&uuml;ber hinaus braucht man eine Steuerung und eine M&ouml;glichkeit zur Lageregelung. Diese ist nicht weniger Aufwendig als wie bei einem kleinen Tr&auml;ger wie der Pegasus.<\/p>\n<p>Aber spielen wir es mal durch. Gesucht wird von der NASA ein Tr&auml;ger f&uuml;r 15 kg Nutzlast auf 425 km H&ouml;he, f&auml;hig auch diese in SSO-Bahnen zu bef&ouml;rdern. Bei einer Feststoffrakete kann man mit Verlusten von 1400 m\/s rechnen, SSO-Bahnen haben dann einen um 400 m\/s h&ouml;heren Energiebedarf. Das entspricht also einer Gesamtgeschwindigkeit von 9600 m\/s. Dann braucht man noch eine Steuerung mit etwas Treibstoff, wenn die Bahn feinjustiert sein soll. Sinnvollerweise wird man die Lageregelung nicht in jede Stufe einbauen, sondern nur Zentral in die vorletzte stufe. Um die Nutzlast nicht zu sehr abzusenken, sollte dies nicht die letzte Stufe sein. Weiterhin sollte das Design so preiswert wie m&ouml;glich sein. Daher mein Ansatz:<\/p>\n<ul>\n<li>Stufe 1: Feststoffantrieb mit fester D&uuml;se. Schubvektorregelung durch einen seitlich angebrachten Zusatztank mit NTO. Das NTO wird in den D&uuml;senhals injiziert und beeinflusst den Schubvektor (wie bei der Titan 3C\/D)<\/li>\n<li>Stufe 2: Feststoffantrieb mit fester D&uuml;se. Schubvektorregelung durch einen seitlich angebrachten Zusatztank mit NTO. Das NTO wird in den D&uuml;senhals injiziert und beeinflusst den Schubvektor (wie bei der Titan3C\/D). Daneben enth&auml;lt diese Stufe das Steuerungssystem und die Tanks f&uuml;r die Rollachsensteuerung und einen Drehtisch<\/li>\n<li>Stufe 3: Stufe mit fester D&uuml;se ohne aktive Schubvektorsteuerung<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das Profil ist das gleiche wie bei der Scout. Die ersten beiden Stufen lenken die Rakete in die Horizontale aus und bringen die dritte Stufe an einen definierten Punkt im Orbit. Dort wird die letzte Stufe aufgespinnt abgetrennt und gez&uuml;ndet. Nach dem Ausbrennen reduzieren zwei Jo-Jo Gewichte die Drehzahl und die Satelliten werden durch Federn abgesetzt.<\/p>\n<p>Basierend auf der Scout kann man etwa 1% Nutzlast annehmen, das w&auml;ren bei 15 kg Nutzlast also eine Startmasse von nur 1500 kg. Schaut man sich im US-Arsenal um, so k&ouml;nnte man folgende Stufen einsetzen:<\/p>\n<ul>\n<li>erste Stufe: Star 31 oder Star 37Y<\/li>\n<li>zweite Stufe: Star 20A<\/li>\n<li>dritte Stufe: Star 13D oder 17<\/li>\n<\/ul>\n<p>Eine kleine Rechnung (ohne Steuersystem und Schubvektorsteuerung ergab eine Nutzlast von 17 bis 29 kg in einen SSO (Gesamt-V: 9600 m\/s). Es ist also m&ouml;glich. Die Startmasse liegt bei unter 2 t. Allerdings ist das noch die Version ohne Lenksystem und ohne Steuersystem, Telemetrie, Batterien etc.<\/p>\n<p>Die Schubvektorsteuerung addierte bei der Scout jeweils 25% Masse bei der Leermasse. Problematischer ist die Steuerung. Bei der Pegasus macht diese alleine 75 kg aus. W&uuml;rde man so viel Gewicht addieren so w&uuml;rde man keine Nutzlast mehr aufweisen. Wenn man auf eine aktive Steuerung verzichtet und nur einen Empf&auml;nger f&uuml;r Kommandos und Verst&auml;rker f&uuml;r die Bet&auml;tigung der Ventile addiert, so k&auml;me man vielleicht mit 20 kg aus, was trotzdem die Leermasse der zweiten Stufe verdoppelt.<\/p>\n<p>Diese Modifikationen w&uuml;rden die leistungsf&auml;higste Version von 29 auf 22 kg Nutzlast senken, was immer noch Brutto w&auml;re. Die Cubesats werden ja nicht direkt auf\u00a0 die stue montiert, man braucht ein Geh&auml;use und einen Federmechanismus. So ist es wahrscheinlich dass sie gerade eine Punktlandung auf den geforderten 15 kg schafft &#8211; bei 1872 kg Startmasse.<\/p>\n<p>Es lohnt sich weder von der Startmasse, noch von den Kosten. Schon 1982 kostete eine PAM-D Oberstufe also nur die Oberstufe ohne Steuerung rund 3,8 Millionen Dollar. Deise wiegt 2,1 t, die Annahme dass die Rakete in etwa die gleichen Kosten aufweist w&auml;re logisch, inflationskorrigiert kommt man so auf 8 Millionen Dollar &#8211; f&uuml;r 15 kg Nutzlast.<\/p>\n<p>Sicher kann man noch was machen. Die Rakete w&auml;re leicht genug um sie mit einem D&uuml;senj&auml;ger zu starten, doch sind diese Fl&uuml;ge auch sehr teuer und mit der Rakete wird er wohl keine Mach 2 mehr erreichen. Sinnvoller w&auml;re sicher ein Start mit einem kleinen Passagierflugzeug. Die NASA hat z.B. Gulfstreams die sich daf&uuml;r eignen. Wenn man 600 m\/s Geschwindigkeit f&uuml;r einen Start bei Mach 0,8 in 13 km H&ouml;he abzieht erh&ouml;ht sich die Nutzlast auf 31 kg Brutto. Beim Start mit Mach 1,8 auf 37 kg und f&uuml;r eine &auml;quatoriale Umlaufbahn (alle Daten bisher f&uuml;r SSO-Bahnen) sind es dann 45 kg mit allen Optionen.<\/p>\n<p>Doch wie in der Einleitung gesagt: es ist unn&ouml;tig. Cubesats sind ja keine Satelliten die die NASA fertigt. Sie sind das Ergebnis der F&ouml;rderung der Raumfahrt. Entweder direkt durch die Universit&auml;tsinstitute gefertigt oder als Ergebnis von gef&ouml;rderten Wettbewerben entstanden. Cubesats waren bisher Sekund&auml;rnutzlasten die keine besonderen Anforderungen an die Umlaufbahnen stellen d&uuml;rften. Sie sind auch keine NASA-Eigenheit, sondern international genormt in Gr&ouml;&szlig;e und Gewicht. Ich verstehe nicht, warum man dann nicht einen internationalen Weg beschreitet. Die Nutzlastadapter sind ebenfalls international genormt und meist kleine Konuse, die zwischen dem Durchmesser der letzten Stufe und dem der Nutzlast vermitteln. Sinnvoll w&auml;re es daher wenn alle Raumfahrtagenturen sich bereit erkl&auml;ren Cubesats mitzuf&uuml;hren, f&uuml;r einen standardisierten Preis. Sie werden dann am Nutzlastadapter befestigt und durch Federn nach erreichen des Orbits abgetrennt. Es gibt gen&uuml;gend Starts weltweit um weitaus mehr Cubesats zu starten als man heute in den Orbit bringt. Aufgrund des einfachen Aufbaus aus Standardbauteilen gibt es auch keine Probleme mit Geheimnisverrat, wenn sie z.B. mit einem chinesischen Tr&auml;ger starten.<\/p>\n<p>Die wahrscheinlich billigste M&ouml;glichkeit f&uuml;r einen neuen Tr&auml;ger w&auml;re es ausgemusterte ICBM (Minuteman) oder SLBM. Diese haben aber mit etwa 300 bis 500 kg Nutzlast zu viel Nutzlast f&uuml;r diesen Zweck. Die USA setzen ja schon die Minotaur ein, allerdings darf sie als milit&auml;rische Rakete keine NASA-Nutzlasten starten, doch dann m&uuml;sste eben die USAF die Cubesats betreuen, was an den Cubesats ja nichts &auml;ndert. Allerdings ist eine Minotaur als dezidierter Tr&auml;ger teuer, zwischen 13 und 17 Millionen kostet ein Exemplar und 300 Cubesats um die Nutzlast auszuf&uuml;llen wird man sicher nicht starten.<\/p>\n<p>Dann gibt es noch den neuesten tr&auml;ger die Super-Strypi.\u00a0 Sie besteht aus Restbest&auml;nden, ein &uuml;briggebliebener GEM-40 Booster, der zweiten Stufe der IUS und einem Star 30 Antrieb. Doch selbst sie ist mit einer Nutzlast von 250 kg noch &uuml;berdimensioniert. Daneben ist nicht damit zu rechnen, dass man sehr viele Restbest&auml;nde hat. Kurzum: ich halte einen neuen Tr&auml;ger f&uuml;r eine Schnapsidee und eine Verschwendung von Mitteln.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Den Nachrichten entnehme ich, dass die US-Raumfahrtagentur nach einem eigenen Tr&auml;ger nur f&uuml;r den Transport f&uuml;r Cubesats sucht. Also zuerst mal denke ich das nicht n&ouml;tig. Es gibt gen&uuml;gend Starts bei denen man diese so mitf&uuml;hren k&ouml;nnte. 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