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Eine Oberstufe für die Dnepr

Ich habe einmal eine Frage bekommen, warum die Nutzlast der Dnepr so gering ist, etwa gleich große wie die der Titan 2, aber diese Rakete ist deutlich größer und neuer. Ich möchte hier einmal skizzieren wie man eine ideale Oberstufe findet.

Das Problem

Die Dnepr ist eine Interkontinentalrakete mit zwei Stufen. Eine "Dritte" Stufe ist ein Dispenser der bei der ICBM mehrere verschiedene Sprengköpfe auf verschiedene Ziele lenkt.

Hier einmal die wesentlichen Daten der Dnepr:

Dnepr

Erststart: 21.4.1999
Letzter Start: 12.7.2006
6 Starts, kein Fehlstart,
Zuverlässigkeit: 100 %
(Stand 1.8.2006)
Höhe 34.0 m
Durchmesser 3.0 m

Stufe 1: R-36M2-1
Startmasse: 161.520 kg
Leermasse: 13.620 kg
Schub: 4520 kN über 130 sec.
Spez. Impuls: 3119 m/s
1 Triebwerk RD-264
Treibstoff Stickstofftetroxid / UDMH
Länge: 22.3 m
Durchmesser: 3.0 m

Stufe 2 R-36M2-3
Startmasse: 41.120 kg
Leermasse: 4.380 kg
Schub 755 kN über 190 sec.
Spez. Impuls: 3335 m/s
1 Triebwerk RD-228
Treibstoff Stickstofftetroxid / UDMH
Länge: 5.7 m
Durchmesser: 3.0 m

Stufe 3: R-36M2-Mirv
Startmasse: 4.266 kg
Leermasse: 2.356 kg
Schub 18.6 kN über 1100 sec.
Spez. Impuls: 3109 m/s
1 Triebwerk RD-869
Treibstoff Stickstofftetroxid / UDMH
Länge: 1.0 m
Durchmesser: 3.0 m

Die beiden ersten Stufen sind "State of the Art" - Der spezifische Impuls ist für die Treibstoffkombination sehr gut. Das Voll/Leermasse Verhältnis ist gut, wenn es auch bessere Werte gibt. Das liegt an den relativ schubkräftigen und schweren Triebwerken durch die Mehrkammertechnik.

Die dritte Stufe, der MIRV Kopf fällt dagegen auf:

Berechnungen

Hat man die Daten einer Trägerrakete so kann man bei einer gegebenen Nutzlast deren Endgeschwindigkeit errechnen. Diese wird höher als die Orbitalgeschwindigkeit sein, da man den Orbit erst erreichen muss, d.h. man auch Höhenarbeit verrichten muss. Zusätzlich gibt es Verluste durch die Aerodynamik, nicht vollständig ausgenutzte Treibstoffe etc..

Kennt man die Endgeschwindigkeit eine Rakete für eine Nutzlast so kann man bei kleineren Änderungen (und eine neue Oberstufe ist eine kleine Änderung sie ändert die Massebilanz der unteren Stufen kaum) die neue Nutzlast errechnen.

So kommt man auf die paradoxe Feststellung, dass ohne dritte Stufe die Nutzlast bei der Dnepr höher liegt nämlich bei 4750 anstatt 3800 kg. Warum? Nun die Leermasse der dritten Stufe liegt bei 2.3 t, diese muss zur Nutzlast hinzuaddiert werden. Demgegenüber ist der Gewinn durch 2 t Treibstoff recht klein.

Allerdings erreicht die Nutzlast bei zwei Stufen nur eine suborbitale Bahn. Sie müsste also als nach einem halben umlauf ihren eigenen Antrieb zünden, was bei westlichen Nutzlasten sehr unüblich ist. Daher ist dies keine Alternative.

Suche nach einer Oberstufe

Es muss also eine neue Oberstufe her. Sinnvollerweise sollte man sich im russischen Weltraumprogramm umsehen, es macht wenig sinn, bei einem preiswerten Träger wie der Dnepr, dessen Preis vor allem deswegen so niedrig ist, weil es eine ausgemusterte Interkontinentalrakete ist eine sehr teure westliche Oberstufe einzubauen.

In Frage kämen:

Nun die Frage an sie, den aufmerksamen Leser. Könnten sie ohne nachzurechnen angeben welches die günstigste Oberstufe ist? Ich habe richtig getippt und ich zeige ihnen wie sie auch auf die richtige Antwort kommen.

Vergleicht man zuerst Fregat und Breeze - bei nahezu gleicher Startmasse und spezifischem Impuls ist die Fregat um etwa 600 kg leichter. Die Nutzlast müsste also etwa um 600 kg höher sein. doch wie sieht es mit der Breeze-M aus. Ignorieren wir einmal dass diese Oberstufe in Wirklichkeit nicht geeignet ist (die Brenndauer ist zu lange, die Oberstufe würde mit dem Satellit wieder in die Erdatmosphäre eintreten bevor sie einen Orbit erreicht hat) wäre sie, weil schwerer nicht günstiger? Sicherlich ist sie schwer und das Voll/Leermasseverhältnis ist auch günstiger. Aber....

Bei Raketen mit Treibstoffen von gleicher "Güte" sprich gleichem spezifischen Impuls sollte für jede Stufe das Voll/Leermasseverhältnis in etwa das gleiche sein. Eine Dnepr mit einer weiteren Oberstufe sollte etwa 6-7 t Nutzlast haben. Eine Stufe die zwischen 6-7 t und der Zweitstufe mit 41 t wäre also ideal. Das wäre so bei etwa 10-15 t der Fall. An dieser Größe liegen die kleineren Oberstufen nähere dran als die schon recht schwere Breeze-M- Bei ihr ist das Verhältnis von Voll/Leergewicht mit der Nutzlast schon zu groß.

Block DM ist diffizil zu beurteilen: Zum einen ist die Leermasse höher als bei der Breeze M. Das ist ein Nachteil. Zum anderen ist auch der spezifische Impuls größer als bei den anderen Stufen. Das ist ein deutlicher Vorteil. Das Missverhältnis ist besser als bei jeder anderen Stufe, er liegt "genau" im optimalen Bereich.

Die Ergebnisse

Berechnungen der Nutzlast (beschleunigt auf dieselbe Geschwindigkeit wie die 3.8 t der Dnepr) ergaben:

Das ist schon ein deutliches Ergebnis. Wäre ich Missionsplaner ich würde wohl die Fragt bevorzugen, da sie fast genauso viel Nutzlast bringt wie die beiden schweren stufen.

Wie sieht es für höhere Geschwindigkeiten aus? Exemplarisch habe ich hier einmal die Nutzlast für einen Venus Trip (11400 m/s) ausgerechnet:

Hier ist nun die geringe Leermasse der Fregat und das bessere Massenverhältnis für diese kleinere Nutzlast von Vorteil.

Schauen wir uns mal um....

und zwar im westlichen Lager. Nun kommen wir wirklich in das Reich der Hypothesen. Denn natürlich würde niemand eine westliche Oberstufe auf einem russischen Träger einsetzen. Sinnvoll ist es eine Oberstufe zu nehmen die Wasserstoff verbrennt und im Einsatz ist bei den Russland derzeit keine Stufe. Im Westen kennen wir die Centaur und die H10 Oberstufe. Beide gibt es in mehreren Varianten.

Ich habe mich auf die alte Ariane 4 Version der H10 beschränkt, da diese am kompatibelsten mit ihrem Durchmesser von 2.6 m ist und bei der Centaur auf die Centaur II DEC, da sie relativ schubstarke Triebwerke hat und den höchsten spezifischen Impuls der Centaur mit 3 m Durchmesser (ein größerer Durchmesser gibt Probleme beim Silo Start. Die Nutzlasten steigen dann rapide an:

Mit der H10 auf 9560 kg und mit der Centaur III DEC sogar auf 11930 kg. Für den Venuskurs sind dies nach 2350 bzw. 3280 kg. Selbst in einen GTO Orbit könnte man noch 3770 bzw. 5030 kg bringen. Das wäre eine Überlegung wärt, denn damit wäre die Dnepr konkurrenzfähig mit anderen Trägern. Es gibt übrigens durchaus die Erfahrung mit Wasserstoff in Russland. Indiens GSLV setzte  ein russisches Triebwerk ein. Die Frage ist nur ob es sich lohnt, denn die Dnepr kostet praktisch nichts - es sind ja ausgemusterte ICBM, während man eine Oberstufe erst entwickeln müsste.

Alternativen

die Dnepr wurde in der Vergangenheit oft auch für Mehrfachstarts genutzt. Es spricht nichts dagegen dies auch in Zukunft zu tun. Dann gibt es zwei weitere Möglichkeiten. Zum einen kann ein Satellit einen integrierten Antrieb besitzen. Derartige Antriebe werden für Kommunikationssatelliten gebaut und in Serie ehrgestellt. Ein modernes Triebwerk von Astrium im 500 N Schubbereich wiegt nur 5 kg und hat einen spezifischen Impuls von 3187 m/s. Es kann dann für Anhebungen des Orbits benutzt werden. Der wesentliche Vorteil ist, dass nun der Satellit die Steuerung übernimmt und so die gesamte Steuerung wegfällt. Die Integration im Satelliten erlaubt so eine Optimierung auf diesen Satelliten. Würde man z.B. 7 Satelliten mit einer Masse von jeweils 1000 kg transportieren so müsste jeder einen integrieren Antrieb von 2036 / 236 kg Masse haben um einen Orbit zu erreichen - Die Nutzlast läge dann bei 7 t.

Eine Alterative wäre eine preiswerte Kickstufe, wie der Star 37 Motor. Bei einer Startmasse von 1125 kg und einer Leermasse von 83 kg pro Stück wären 7 Satelliten à 900 kg, zusammen also 6300 kg denkbar. Das ist etwas geringer und teurer, es ist jedoch wahrscheinlich die bessere Lösung weil man bei einem integrierten Antrieb diesen praktisch wenige Minuten nach dem Start zünden muss, d.h. der Satellit muss praktisch ohne größere Checks übernehmen. Normalerweise vermeidet man so etwas und checkt vor dem Zünden des Antriebs den kompletten Satelliten in einem Orbit durch.

Eine vierte Stufe

Für Planetensonden kann man natürlich eine Star 37 FM mit den bisherigen Stufen kombinieren. Bei den kryogenen Stufen mit ihren hohen Leistungen macht dies nur bei hohen Geschwindigkeiten Sinn. Doch für die russischen Oberstufen schon. Hier die Nutzlast für den Venus Trip mit einer Star 37 Oberstufe zusätzlich:

Das sind recht gute Werte, mit denen man z.B. Venus Express oder Messenger hätte starten können.

Zusammenfassung

Ich denke dieser kleine Überblick zeigt recht deutlich (an einem praktischen Beispiel) wie wichtig es ist eine gute Oberstufe zu haben. Bei der Dnepr war sie schlecht gewählt. Selbst ohne den ICBM Dispenser stieg die Nutzlast von 3.8 auf 4.75 t an! eine Oberstufe mit derselben Technologie kann dann drei Nutzlast auf 5.4-7 t anheben. Deutlich mehr wird es mit einem kryogenen Treibstoff, was verständlich macht, warum im Westen alle neueren Träger kryogenen Treibstoff nutzen. Die Nutzlast steigt dann auf fast 12 t an, also nochmals fast eine Verdopplung.

Des weiteren nimmt die Nutzlast bei höheren Geschwindigkeiten wie man sie für geostationäre Bahnen oder zu den Planeten braucht kaum ab. Für einen Venus Trip z.B.. liegt die Centaur 3.4 mal besser als die Fregat, während es bei der erdnahen Bahn nur 1.8 mal besser ist. Hier benötigt die Fregat schon eine weitere vierte Stufe um höhere Geschwindigkeiten zu erreichen.

Das ganze ist allerdings ein reines Rechenspiel. In der Praxis rechne ich nicht mit dem Einsatz einer der genannten Stufen. Die westlichen Stufen scheiden aus, weil man sie teuer für Devisen kaufen müsste und wahrscheinlich auch wegen der Ausfuhrbestimmungen. Bei den russischen Stufen ist es einfach eine wirtschaftliche Frage: Die Dnepr wird von einer anderen Firma vermarktetet als die Sojus, Rockot oder Proton welche die anderen Stufen eisnetzen. Man müsste also eine solche Stufe kaufen und damit wäre der geringe Startpreis der Dnepr gefährdet. Das ganze würde sich nur lohnen wenn man Nutzlasten hat die auch so schwer sind. Bislang startet die Dnepr aber Nutzlasten die weit unter ihren tatsächlichen Möglichkeiten lagen. Die bislang schwerste war TerraSAR- mit 1230 kg - Selbst wenn man die höhere Umlaufbahn und Bahnneigung berücksichtigt ist dies deutlich unter den 1700 kg welche die Dnepr starten könnte.

Die starke Nutzlastabnahme der bisherigen Dnepr (auf 700 kg in 800 km Höhe) könnte ein vielleicht schlagkräftigerer Grund sein, denn jede der angesprochenen russischen Oberstrufen ist wiederzündbar, dadurch steigt die Nutzlast für hohe Orbits an, weil man diese nicht direkt erreichen muss.

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), 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:

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.

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: 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.

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.




© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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