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Die Delta Oberstufe

Innerhalb meiner Serie über Oberstufen ist die Delta etwas besonderes. Im Normalfall behandele ich Oberstufen die technisch weiter entwickelt wurden, dabei jedoch das Triebwerk beibehalten wurde, oder die auf mehreren Trägerraketen eingesetzt wurden. Die Delta Oberstufe ist hier anders. Es handelt sich vielmehr um eine Bezeichnung für die zweite Stufe der gleichnamigen Trägerrakete. Deren Triebwerk und Treibstoff wechselte im Laufe der Jahrzehnte. Es handelt sich nicht um eine lineare Weiterentwicklung. Da die Familiengeschichte der Delta ein Namenssystem verwendet, das jede kleine Änderung mit einem neuen Namen versieht, ist dieser Artikel daher auch mehr als Versuch die wichtigsten Entwicklungsschritte der Delta Oberstufe nachzuvollziehen. Es gibt innerhalb der Delta Oberstufe keine offizielle Versionisierung wie bei der Agena "Agena-A" oder Centaur "Centaur D-1". Ich habe mich an dem von Mark Wade eingeführten System angeschlossen, die Versionen nach den Trägerraketen, auf denen sie erstmals eingesetzt wurden, zu bezeichnen.

Die Vorgeschichte

Als im Jahre 1957 die ersten Starts in den Weltraum erfolgten, verfügten die USA zwar über einige Raketen die potentielle Trägerraketen waren (Die Mittelstreckenraketen Jupiter und Thor und die neu entwickelte Vanguard Trägerrakete), jedoch über keine Oberstufen für diese Raketen, die es erlaubten die Nutzlast rasch zu steigern. In einem ersten Schritt startete man die verfügbaren Trägerraketen mit den Oberstufen die man für die Vanguard Rakete entwickelt hatte: Der Able und der Altair. Dazu gesellte sich bald die Agena Oberstufe die zu einer der meist eingesetzten Oberstufen wurde. Die vierte Oberstufe auf der Thor Rakete bekam nach dem vierten Buchstaben im Alphabet die Bezeichnung "Delta".

Warum die Delta erfolgreich wurde

Diese Frage ist aus dem historischen Kontext heraus zu beantworten. Ginge es nach den technischen Leistungsdaten, so waren die damals verfügbaren Oberstufen Ablestar und Agena der Delta überlegen. Ihre Masse und Schub war größer, das Voll/Leermasseverhältnis besser und auch der Triebstoff wurde effizienter genutzt. Hier ein Vergleich der ersten 4 Oberstufen auf der Thor als Vergleich:

Bis auf die älteste Oberstufe, die Able hatten alle Oberstufen bessere Leistungsdaten als die Delta. Vor allem die Agena entwickelte sich rasch weiter. Der hier angegebenen Agena A folgte schon nach 2 Jahren die Agena B, welche doppelt so schwer war. Die Masse und das Voll/Leermasseverhältnis der Agena D, welche seit 1962 eingesetzt wurde erreichte die Delta erst mit der Delta-K, 26 Jahre nach dem Erstflug der Agena-D

Der Grund warum die Delta und nicht die Agena von der NASA eingesetzt wurde, ist ein politischer. Die Agena stammte aus einem militärischen Projekt. Das tat zwar auch die Erststufe, die Thor, aber die NASA versuchte vom Militär wegzubekommen und in der Tat gibt es bis in die jüngste Zeit eine Trennung zwischen militärisch eingesetzten Raketen wie der Thor-Agena, Atlas Agena und den meisten Flügen der Titan und zivil genutzten Trägern wie der Thor-Delta oder der Saturn. Dies ist kein Paradigma, wenn die NASA eine starke Trägerrakete braucht greift sie gerne auf die Titan zurück und umgekehrt befördert die Atlas-Centaur auch militärische Nutzlasten, aber das man die Delta Oberstufe weiterentwickelte, hat in diesem Bestreben Militärisches von Zivilem zu trennen ihre Ursache.

Die Delta-A

Die erste Trägerakete hieß noch "Thor-Delta" in Anlehnung an das bisherige System zuerst die Grundstufe und dann die Oberstufe zu nennen. Die Delta Oberstufe hatte sich aus der Able entwickelt. Sie verwandte dasselbe Triebwerk. Douglas bekam im Jahre 1958 einen 24 Millionen USD Auftrag aus der Able Oberstufe der Vanguard eine Oberstufe für die Delta zu entwickeln.

Gegenüber der Able war die Delta leichter gebaut und hatte eine günstigeres Voll/Leermasseverhältnis. Dies erhöhte auch die Nutzlast gegenüber der Thor-Able. Die verwendete Treibstoffkombination war Salpetersäure/UDMH. Salpetersäure war in den fünfziger Jahren der Vorgänger vom Stickstofftetroxid. Chemisch gesehen ist es mit Wasser reagiertes Stickstofftetroxid. Anders als Stickstofftetroxid siedet Salpetersäure erst bei 86 Grad Celsius anstatt schon bei 28 Grad. Das vereinfachte die Lagerung. Da man durch das gebundene Wasser Energie verschenkte, wurde ab Ende der fünfziger Jahren in allen Neuentwicklungen Stickstofftetroxid als Oxidator verwandt. Verwandt wurde es in dem Mischungsverhältnis Salpetersäure:UDMH von 2.8:1. Die Brennkammer wurde regenerativ gekühlt, allerdings nicht wie heute durch den Verbrennungsträger sondern durch die Salpetersäure, da diese erst bei einer höheren Temperatur siedete. Die Treibstoffförderung erfolgte durch Druck, dazu wurden die Tanks durch Helium unter Druck gesetzt welches in Flaschen mit 345 Bar Druck mitgeführt wurde. Die beiden Substanzen entzündeten sich bei Kontakt spontan, so dass man kein Zündsystem brauchte und das Triebwerk wiederzünden konnte.

Das Triebwerk AJ-118 war für die Able entwickelt worden und hatte für die damalige Zeit ein gutes Expansionsverhältnis von 40:1. Die Delta verwendete dieses Triebwerk mit nur minimalen Modifikationen. Es war kardanisch aufgehängt. Auch die Dimensionen wurden beibehalten, obgleich die Form mit 0.8 m Breite und 5.60 m Länge bei der Thor sehr gewöhnungsbedürftig war und ein ungünstiges Voll/Leermasseverhältnis durch die extrem langen Tanks hatte.

Die Delta-A Oberstufe wurde in der Thor-Delta und der Delta A eingesetzt. Nachdem der Träger verbessert wurde, strich man das "Thor" aus dem Namen um die rein zivile Natur der Trägerrakete kenntlich zu machen. Die Delta-A unterschied sich in der Thor Grundstufe, nicht jedoch in der Delta. Sehr bald wurde die Delta A Oberstufe aber abgelöst.

Die Delta B

Die Delta A Oberstufe war gedacht für die Vanguard Erststufe mit einer Startmasse von 7.15 t. Die Thor wog allerdings 49.4 t und die Stufe war viel zu klein. So war der logische Schritt diese zu verlängern. Dabei wurde die Stufe auch leichter. Die Delta B verwendet das gleiche Triebwerk wie die Delta A, nur besitzt Sie um ein Drittel verlängerte Tanks.

Die niedrigere Leermasse kommt durch eine Reduktion der Steuerungseinrichtung zustande, die verkürzt wurde und dabei leichter wurde. Die "D" Version des Triebwerks besaß bei sonst gleichen Leistungsdaten einen etwas höheren spezifischen Impuls. Die B Version der Delta wurde auf den Trägeraketen Delta B, Delta C und Delta E von 1962-1965 eingesetzt.

Delta E

Die neue Delta Oberstufe war nun 6 t schwer, also mehr als doppelt so groß die alte Stufe. Das Triebwerk wurde nicht geändert, aber modernisiert. Das Triebwerk AJ-118 in der E Version lieferte mit 35.2 kN etwas mehr Schub als in der D Version, die in der Delta B,C und D eingesetzt wurde. Vor allem aber stieg die Brenndauer durch die Zuladung von über 5 T Treibstoff von 170 auf 400 Sekunden an.

Erreicht wurde die größere Treibstoffzuladung durch die Erweiterung des Durchmessers. Dieser war bisher von der Vanguard übernommen worden. Die Vanguard hatte einen Durchmesser von 1.14 m und die 0.81 m breite Able Oberstufe sah auf dieser adäquat aus. Auf der Delta mit der 2.44 m breiten Thor sah dies jedoch sehr gewöhnungsbedürftig aus. Man behielt die Länge der Stufe weitgehend bei (6.28 anstatt 6.00 m), verbreiterte sie jedoch auf 1.40 m.

Durch den größeren Durchmesser der zweiten Stufe veränderte sich auch das Aussehen und die Nutzlasten konnten größer werden. Die Delta E hatte nun einen durchgehenden Durchmesser von 1.52 m nach der Thorstufe.

Die Delta E Oberstufe flog auf den Versionen Delta E,G,J,L,M und N. Sie war wesentlich länger als die Vorgängerversionen im Einsatz, nämlich über 7 Jahre.

Delta F

Die Delta F bekam die F Version des AJ-118. Die neue Version lieferte mit 41.1 kN erheblich mehr Schub und arbeitete mit einem Brennkammerdruck von 9 anstatt 7 Bar. Das Gewicht stieg nur leicht von 90 auf 95 kg an. Das Gewicht der Stufe sank sogar noch etwas ab, weil man nun wieder etwas weniger Treibstoff aufnahm. Durch den höheren spezifischen Impuls konnte dies jedoch leicht aufgefangen werden und so die Nutzlast gesteigert werden. Dies war der letzte Einsatz des AJ-118D Triebwerks. Es kann nur noch auf der Delta 0x00 Serie zum Einsatz.

Die Delta P

Nachdem man nach 12 Jahren Dienst das Triebwerk AJ-118D in Rente geschickt hatte, bekam nun die Delta Oberstufe ein neues Triebwerk- Das Triebwerk TR-201. Es war wahrscheinlich als Übergangslösung gedacht. Das TR-201 war vom Mondprojekt Apollo übrig geblieben. Dort trieb es die Abstiegsstufe des Mondlander an. Es verwandte die modernere Treibstoffkombination Stickstofftetroxid und Aerozin 50 (Eine Mischung von 50 % UDMH und 50 % Hydrazin). Die Treibstoffkombination ist leicht erklärt. Sie war nicht nur potentiell leistungsfähiger als die früher verwendete Salpetersäure, sondern die Wahl von Aerozin 50 hatte auch den Vorteil, das Oxidator und Verbrennungsträger dasselbe Volumen beanspruchten, man also gleich große Tanks verwenden konnte und so die Produktionskosten senken.

Von den technischen Daten war das TR-201 mit dem AJ-118F vergleichbar. Es lieferte mit 41.9 kN fast denselben Schub, hatte den gleichen spezifischen Impuls und fast das gleiche Entspannungsverhältnis. Es erreichte den Schub aber mit einem geringeren Brennkammerdruck von 7 Bar, was eine Weiterentwicklung möglich machte, dagegen war das AJ-118F kaum noch in seiner Leistung zu steigern. Es war ebenfalls wie das AJ-118F ein druckgefördertes Triebwerk. Beim Mondlander brannte es bis zu 910 Sekunden, so dass mehr als qualifiziert für die 332 Sekunden Brennzeit war. Wichtig war natürlich der Sicherheitsaspekt: Von diesem Triebwerk hing das Leben der Apollo Besatzung ab, daher spielten Sicherheit bei seinem Entwurf eine wichtige Rolle. dies dürfte auch den Ausschlag gegeben haben, warum man das AJ-118F ersetzte.

Die Delta P hatte nahezu dieselben Abmessungen wie die Delta F, was es leicht machte beide Raketen von derselben Startrampe zu starten, da dann auch Versorgungsanschlüsse auf derselben Höhe liegen. Sie kam auf der Delta 1000, 2000 und 3000 Serie über 16 Jahre lang in unveränderter Form zum Einsatz. Es wurde auch noch eingesetzt, als mit der Delta K schon der Nachfolger flog.

Die Delta K

Nach dem Zwischenspiel von TRW als Triebwerkshersteller wandte sich McDonell-Douglas nun wieder an Aerojet als Triebwerkslieferanten. Dieser hatte auch ein Design anzubieten: Es war das Triebwerk AJ-138. Es war auf Kostenersparnis optimiert. Das Triebwerk verfügt über 43.34 kN Schub. Es hat wie die bisherigen Triebwerke der Delta keine Pumpe sondern ist druckgefördert. Bei einem Druck von 8.84 Bar erreicht das Triebwerk einen sehr hohen spezifischen Impuls von 3149 m/s. Dies wird durch eine sehr lange Düse mit einem Expansionsverhältnis von 65:1 erreicht. Trotzdem ist das Triebwerk mit einem Gewicht von 95 kg leichter als das TRW-201. Dies liegt daran, dass man dadurch, dass die Brennkammer nicht regenerativ gekühlt wird sondern von einem gummiartigen Überzug aus Silikat in einer Phenolmasse vor der Verbrennungshitze geschützt ist. Dieser verbrennt langsam, schützt die Brennkammer aber vor der direkten Hitze. Er hält etwa 500 Sekunden. Die nominelle Brenndauer beträgt 431 Sekunden. Die Delta Oberstufe erhielt erneut verlängerte Treibstofftanks. Die Delta K besitzt einen gemeinsamen Tank für Oxidator und Verbrennungsträger mit einem gemeinsamen Zwischenboden. Die Treibstoffförderung kann bei diesem geringen Schub alleine durch Druck erfolgen. Dazu werden beide Tanks mit 3 Flaschen mit Heliumdruckgas unter Druck gesetzt. Die Oberstufe Delta K ist beliebig oft wiederzündbar. Bei LEO und GTO Missionen gibt es in der Regel 2 Zündungen.

Die Delta K wurde mit der Delta 392x eingeführt und war bis zur Einführung der Delta 3 mit der kryogenen Centaur die Standardoberstufe. Anders als bei den vorhergehenden Modellen wird bis heute die Delta weitergebaut, obgleich man mit der Delta 3 und 4 auch Varianten der Delta zur Verfügung hat, welche die doppelte bzw. dreifache Nutzlast haben.

Der Grund ist sehr einfach: Zum einen sind die GPS Navigationssatelliten Navstar auf die Delta 2 als Träger ausgelegt, zum anderem ist die Delta 2 als Trägerrakete für mittelgroße Satelliten und kleinere Planetensonden vollkommen ausreichend. Die Delta K wurde eingesetzt auf der Delta 392x, 4920, 5925, 692x, 792x Serie (Delta 2).

Ein Technisches Résumée

Obgleich die Delta in 40 Jahren um den Faktor 3 schwerer würde blieb die Oberstufe doch ziemlich klein. Vor allem wenn man bedenkt, dass in der neuesten Version Delta 7925H mit Boostern fast 270 t wiegt, also um den Faktor 6 gegenüber der Thor zugelegt hat. Sie transportiert 6 t in eine erdnahe Umlaufbahn und 2.1 t in eine geostationäre Transferbahn. Die Nutzlast wiegt also fast soviel wie die Delta und diese ist wiederum 40 mal kleiner als die Erststufe.

Die Gesetzte der Raketentechnik besagen, dass bei gleichem Treibstoff das Verhältnis Erststufe:Zweitstufe und Zweitstufe:Nutzlast gleich hoch sein sollte. Derzeit liegen diese Zahlen bei 40:1 und 1.2:1, liegen also nicht gleich hoch. Eine adäquate Oberstufe wäre rechnerisch etwa 45 t schwer. Ich habe mal errechnet welche Nutzlasten die Delta haben würde wenn man Komponenten aus dem Titan Programm verwenden würde, namentlich das Triebwerk (71 kN Schub) und das Triebwerk LR-91 (445 kN Schub)

Die Steigerung um 1 t Nutzlast ist zwar nicht spektakulär, aber dabei ist zu berücksichtigen, dass die Startmasse nur um 20 % ansteigt, während die Nutzlast um 50 % ansteigt. McDonnel Douglas ging einen anderen Weg und setzte die Centaur Oberstufe ein, die durch ihre kryogene Treibstoffkombination eine noch bessere Steigerung der Nutzlast ermöglichte.

Links

Die Thor als militärische Rakete und der Agena

Die Thor mit festen Oberstufen

Die Delta in der Ziffernummerierung

Die Delta 1000 bis 7000 Serie

Die Delta 3+4

Starts der Thor und Delta

Büchertipps

Von mir gibt es mehrere Bücher zum Thema Trägerraketen. Zum einen zwei Werke über alle Trägerraketen der Welt und zum Zweiten Bücher über die europäische Trägerraketenentwicklung.

Mein bisher umfassendstes Werk ist ein zweibändiges Lexikon über Trägerraketen mit 700 bzw. 600 Seiten Umfang. In ein Buch passten schlichtweg nicht alle Träger in ihren Subversionen so gibt es einen Band nur für US-Träger, einen zweiten für "internationale" Trägerraketen, sprich alle anderen Nationen. Beide Bände haben denselben Aufbau:

Nach einem einleitenden Kapitel über die Arbeitsweise von Raketen kommt ein einführendes Kapitel über die Raumfahrtbestrebungen des Landes und der Weltraumbahnhöfe, bei den USA ist dies natürlich nun eines. Danach kommen die Träger geordnet nach Familien mit gleicher Technologie in der historischen Entwicklung. Zuerst wird die Technologie und Entwicklungsgeschichte beim ersten Exemplar einer Familie beschrieben, dann folgt bei den einzelnen Mitgliedern nur noch die Veränderungen dieses Modells und dessen Einsatz.

Ich habe soweit möglich technische Daten zum schnelleren Nachschlagen in Tabellen ausgelagert, Querschnittsdiagramme, Grafiken über den Einsatz und bei den US-Trägerraketen auch komplette Startlisten komplettieren dann jedes Kapitel. Dazu gibt es von jedem Träger ein Startfoto.

In jedem Buch stecken so über 100 Subtypen, was den Umfang bei dieser ausführlichen Besprechung auf 600 Seiten (internationale Trägerraketen) bzw. 700 Seiten (US-Trägerraketen getrieben hat). Ich denke sie sind mit 34,99 und 39,99 Euro für den gebotenen Inhalt trotzdem sehr günstig.

Speziell mit der Geschichte der Trägerraketenentwicklung in Europa beschäftigt sich das zweibändige Werk Europäische Trägerraketen 1+2. Band 1 (Europäische Trägerraketen 1: Von der Diamant zur Ariane 4) behandelt die nationalen Trägerprogramme (Black Arrow und Diamant sowie die deutsche OTRAG), das OTRAG-Projekt, die glücklose Europa-Rakete und die Ariane 1-4. Band 2: die aktuellen Projekte Ariane 5 und Vega. Sowie die Weiterentwicklungen Ariane 6 und Vega C. Beide Bücher sind voll mit technischen Daten, Details zur Entwicklungsgeschichte und zu den Trägern. Diese Bücher sind gedacht für Personen, die wirklich alles über die Träger wissen wollen. Der nur an allgemeinen Infos interessierte, wird mit dem Buch internationale Trägerraketen besser fahren das sich auf die wichtigen Daten beschränkt.

Es gibt von den europäischen Trägerraketen, da die Programme weitestgehend unabhängig voneinander sind, auch die Möglichkeit, sich nur über einen Träger zu informieren so gibt es die gleiche Information auch in vier Einzelbänden:

• Nationale Träger (Diamant, Black Arrow OTRAG)

• Europa-Rakete

• Ariane 1-4

• Vega (Neuauflage 2016 mit den schon erfolgten Flügen und den Plänen für Vega C und E), Das ist im obigen Gesamtband nicht enhalten.

Auf einen eigenen Band für Ariane 5 und 6 habe ich verzichtet, weil dieser nur wenig billiger als Band 2 der europäischen Trägerraketen wäre, da Ariane 5+6 rund ²/₃ des Buches ausmachen. Aber vielleicht erscheint ein eigener Band über die Ariane 6 wenn diese mal einsatzbereit ist und es mehr Informationen über sie gibt,

Meine Bücher sind alle in Schwarz-Weiß. Das hat vor allem Kostengründe. Bei BOD kostet jede Farbseite 10 ct Aufpreis. Es gibt jedoch ein Buch, das für Einsteiger gedacht ist und jeden Trägertyp nur auf zwei Seiten, davon eine Seite mit einem meist farbigen Foto abhandelt: es ist das Buch "Fotosafari durch den Raketenwald". Es ist weniger für den typischen Leser meiner Webseite gerichtet, die ja auch in die Tiefe geht, als vielmehr für Einsteiger und als Geschenk um andere mit der Raumfahrt zu infizieren. Etwa 70 TZrägerraketen die sich äußerlich voneinander unterscheiden werden in diesem Buch kurz vorgestellt - auf je einer Doppelseite.

Sie erhalten alle meine Bücher über den Buchhandel (allerdings nur auf Bestellung), aber auch auf Buchshops wie Amazon, Libri, Buecher.de und ITunes. Sie können die Bücher aber auch direkt bei BOD bestellen.

Mehr über diese Bücher und weitere des Autors zum Themenkreis Raumfahrt, finden sie auf der Website Raumfahrtbucher.de.

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