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Electron

Die neuseeländische Firma Rocket Lab entwickelt eine kleine Trägerrakete namens Elektron. Mit einer Nutzlast von nur rund 150 kg ist sie zu klein für klassische Satelliten. Die Firma hat vielmehr den in den letzten Jahren florierenden Markt der Cubesats und Minisatelliten im Visier.

Aufbau der Electron

Es gibt - wie bei den meisten neuen Raketen die von Firmen ohne Staatsauftrag entwickelt werden - nur wenige technische Angaben von Rocket Lab zur Electron. Sie besteht aus zwei Stufen. Beide setzen dasselbe Triebwerk, genannt Rutherford ein. Es ist nach dem in Neuseeland geborenen Physiker Ernest Rutherford benannt, der das nach ihm benannte rutherfordsche Atommodell entwickelte.

Das Rutherford-Triebwerk ist ein mit der Kombination LOX/RP1 angetriebenes Triebwerk mit einem Schub von maximal 5000 lbf (22,2 kN) im Vakuum, 4600 lbf (20,47 kN) auf Meereshöhe. Es wird mit einer kurzen Düse in der ersten Stufe und mit einer verlängerten in der zweiten Stufe eingesetzt. Neuartig ist die Fertigung der "primären Komponenten" des Triebwerks über 3D-Drucker und dass die Turbopumpe keinen Gasgenerator, sondern einen bürstenlosen Gleichstromelektromotor und Hochleistungs-Lithium-Polymerbatterien als Energiequelle nutzt. Ohne den Gasgenerator erreicht das Triebwerk so einen spezifischen Impuls von 327 s (3207 m/s) im Vakuum, allerdings dürften die Batterien einiges wiegen, benötigt die Turbopumpe für das Rutherford-Triebwerk doch in etwa 37 kW Leistung, wenn auch nur für wenige Minuten. Bei 3 Minuten Betriebszeit und 150 Wh pro Kilogramm Batterie braucht man so pro Triebwerk Batterien mit einem Gewicht von 13 kg. Die Effizienz der Turbopumpe, die mit 40.000 U/min rotiert (für eine LOX/RP1 Förderung eine sehr hohe Rotationsrate) beträgt 95% gegenüber 50% beim Gasgenerator. Ich vermute das bezieht sich auf die Ausnutzung der Primärenergie. Die Abgase des Gasgenerators können noch in der Brennkammer verbrannt werden und dann erreichen auch konventionelle Triebwerke eine deutlich höhere Effizienz.

Die Düsen und die Brennkammer sind mit vier verschiedenen Materialen ausgekleidet oder bestehen aus diesen. Die Materialen sind unterschiedlich. Ein Schutz kann aufgesprüht werden (wahrscheinlich auf die Tanks), andere sind formbar und müssen aushärten, nur von einem ist die Zusammensetzung bekannt dies ist ein Hitzeschutz auf Basis von EPDM, Ethylen.Propylen-Dienkautschuk, einem gummiartigen Material, das bei Feststoffboostern als Thermalschutz für die Boosterhüllen verwendet wird. Dieses wird mit einem Binder auf die Brennkammerwand angebracht. Die Düsen bestehen ebenfalls aus einem ablativen Hitzschutzmaterial, anstatt wie sonst üblich aus Stahl oder Carbonfaserkunststoffen bei den äußeren Teilen.

Die erste Stufe setzte nach den Planungen acht Triebwerke ein, vor dem ersten Start wurde die Zahl aber auf neun erhöht. Die zweite Stufe ein Triebwerk. Der Schub beträgt 152,4 kN beim Start bei der ersten Stufe, ansteigend auf 183,4 kN und 22 kN bei der zweiten Stufe. Die Angaben sind leicht schwankend. Es werden auch 146,4 kN als Peak genannt. Offensichtlich stammen sie von verschiedenen Entwicklungszeitpunkten denn auch der Schub des Triebwerks wurde einmal mit nur 4000 lbf angegeben.

Die Größe der Rakete wird mit 18 m angegeben, der Durchmesser mit 1 m. Ein Vermessen der Abbildungen ergibt einen Durchmesser von 1,05 m bei 18 m Höhe. Als Höhe werden auch 20 m genannt.

Die Treibstofftanks bestehen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Mit diesen experimentieren auch andere Firmen und auch die NASA, doch Rocket Lab ist die erste Firma, die es in einer Rakete einsetzt. Besonders aufwendig ist dies beim Sauerstofftank, der besonders niedrige Temperaturen aufweist. Dadurch soll die Electron eine Trockenmasse von weniger als dem Gewicht eines Mini-Coopers aufweisen. Dieser wiegt je nach Zulassungsauflagen zwischen 1160 und 1190 kg. Der Treibstoff soll weniger wiegen als der einer Boeing 737. Diese haben je nach Version zwischen 18100 und 26200 l Zuladung an Kerosin, das sind 19,2 bis 27,4 t Gewicht. Die acht Triebwerke haben jedoch nur einen Schub von 152,4 kN und können daher maximal ein Gewicht von 13 t anheben. Der Vergleich hinkt also doch etwas.

Die Elektronik wiegt nur 8,6 kg und besteht aus State-of-the-Art FPGA. FPGA sind Logikbausteine, die unverdrahtet sind. Erst bei Anlegen der Betriebsspannung wird durch ein auf das FPGA geladenes Programm in einer Hardwarebeschreibungssprache die Verbindung festgelegt. Damit entfallen Hardwareentwicklungskosten weitestgehend, das Programm ist zudem bei Revisionen viel einfacher zu ändern als ein Platinenlayout oder auf Kundenwunsch gebrannte Bausteine.

Die Nutzlast wurde anfangs mit 100 bis 110 kg in einen 500 km hohen sonnensynchronen Orbit angegeben. Im Oktober 2015 gibt die Webseite 150 kg für diesen Orbit an. Die Nutzlast ist stark vom Orbit abhängig. Sie steigt auf 167 kg in 300 km Höhe und sinkt auf 132 kg in 700 km Höhe. Umlaufbahnen zwischen 45 und 98 Grad Bahnneigung sind möglich. Die starke Nutzlastabnahme bei nur 220 m/s Geschwindigkeitsunterschied kann mehrere Ursachen haben. So eine hohe Leermasse der zweiten Stufe oder die fehlende Fähigkeit zur Wiederzündung die Aufstiegsbahnen mit einem hohen Gipfelpunkt nötig macht.

Vermarktung

Die Firma Rocket Lab wurde im Jahre 2007 von dem Neuseeländer Peter Beck gegründet. Außer der Electron gibt es noch einige andere Raketenprojekte, doch die Electron ist sowohl von der Größe wie auch Finanzvolumen das größte Projekt der Firma. Immerhin hat die Firma schon eine 60 kg schwere Höhenforschungsrakete gestartet. Der CEO Peter Beck schätzt den Markt auf 30 Starts. 2010 bekam die Firma einen nicht näher bekannten Auftrag vom Operationally Responsive Space Office (ORS), einer Behörde des US-Verteidigungsministeriums. Die Firma hat auch ihr Hauptquartier in den USA.

Die Electron soll bis zu 100-mal pro Jahr gestartet werden können. Der Startpreis für den ganzen Träger beträgt 4,9 Millionen Dollar. Er ist damit zwar der derzeit billigste Träger, aber auch der Einzige in seiner Klasse. Die Falcon 1, deren Start 8,9 Millionen Dollar kostete, wird nicht mehr hergestellt und die Pegasus hat nur noch einen gebuchten Flug. Die weiter eingesetzte Minotaur steht fast nur für militärische Missionen zur Verfügung. Alle drei Träger transportieren zudem mindestens die dreifache Nutzlast der Electron.

Der anvisierte Markt von Kleinsatelliten boomt in der Tat: von 2013 bis 2014 wurden 42% mehr Cubesats gestartet. Alle als Sekundärnutzlasten. Sie müssen sich nach der Hauptnutzlast bei der Wahl des Orbits richten. Die meisten wurden mit ISS-Transportern gestartet und gelangten so in einen nur 400 km hohen 52 Grad geneigten Orbit. Dieser Problematik begegnet die Firma mit einem dezidierten Träger nur für kleine Nutzlasten. Der Start eines 1U Cubesats (10 x 10 x 10 x cm Größe, maximal 1 kg Gewicht) kostet 80.000 Dollar, der einer 3U Einheit, wie sie z.B. Planetlabs einsetzt, 250.000 Dollar. Gerade Planetlabs ist ein Beispiel wie Firmen nun auf diese vergleichsweise billige Plattform setzen - ihre Erdbeobachtungssatelliten werden als 3U-Cubesats in Schwärmen gestartet. Da die Nutzlast von 150 kg 150 Cubesat 1U Einheiten entspricht rechnet die Firma konservativ mit nur teilweise ausgebuchten Flügen bzw. einem größeren Masseanteil für den zum Aussetzen vieler Satelliten nötigen Dispenser, denn 150 kg Nutzlast entsprechen bei voller Ausnutzung einer Einnahme von 12 Millionen Dollar pro Start.

Stand Oktober 2015 sind nach der Webseite drei Starts voll ausgebucht, drei weitere zu 15% (zweimal) und 71% (einmal). Allerdings gelten die ersten drei Starts als Testflüge, sodass offen ist, ob die drei ausgebuchten Starts nun von Kunden gebucht wurden oder nicht. Der Jungfernflug soll im dritten Quartal 2016 stattfinden. 30 Kunden will Rocket Labs bisher gewonnen haben.

Im Juli 2015 gab die Firma bekannt, dass sie bis Ende 2015 die Startbasis in Neuseeland bei Kaitorete Spit aufbauen will. Kaitorete Spit ist ein 25 km langer Finger, der von der Südinsel nach Osten weg weist. Die geografische Breite des Startplatzes von 43 Grad limitiert die niedrigste Inklination auf 45 Grad. Die meisten Starts dürften nach Süden gehen und so sonnensynchrone Umlaufbahnen erreichen. Maximal 98 Grad sind als Bahnneigung möglich, sonst kommt der Flugkondor der Küste der Südinsel Neuseelands zu nahe. Im April 2016 wechselte die Firma wegen Umweltauflagen zu Mahia Peninsula, ebenfalls in Neuseeland. Der neue Startplatz ermöglicht auch Bahnen bis hinab zu 38 Grad Inklination.

Am 13.7.2016 konnte Rocket-Lab einen Abschluss von drei Starts der Electron vermelden, den bisher größten Auftrag. Sie wird eine unbekannte Zahl an Kleinsatelliten der Firma Planet, früher "Planet Labs" transportieren. Die Firma baut ein Netz aus kleinen Erdbeobachtungssatelliten des Typs Dove auf. Jeder wiegt nur 5 kg und hat die 3U-Cubesat Größe (30 x 10 x 10 cm). Vermutet wird das ein Start der Elektron 20 bis 25 Doves transportiert. Schon am 16.2.2015 gab es den Auftrag 12 Starts mit SPIRE Satelliten.

Im Dezember 2016 wurde die erste Stufe qualifiziert und Rocket-Labs begann mit der Verhandlung über die Zulassung mit den Behörden über den ersten Start der für 2017 angekündigt ist. Im Februar 2016 wurde die erste Rakete zum Startplatz gefahren. Nachdem schon 2016 Starts für 2016 angekündigt waren aber nicht stattfanden sprach nun RocketLab von drei Test-Starts für 2017 und vier kommerzielle Einsätze. 2018 sollten dann 13 kommerzielle Starts erfolgen. Der erste Teststart wird nur Messdaten gewinnen. Einen Starttermin konnte oder wollte man aber nicht nennen.

Im März 2017 akquirierte Rocket lab weitere 75 Millionen Dollar von Investoren. Diese Summe wird benötigt um in die Serienproduktion überzuleiten. Am 18.5.2017 bekam Rocketlab einen Startauftrag von Spaceflight, einer US-Firma die zuvor eine Falcon 9 für den Start mehrere Terra Bella Microsatelliten und etlicher Cubesats gebucht hatte. Aufgrund der Startverzögerungen bei SpaceX hat man am 3.3.2017 aber den Kontrakt mit SpaceX aufgelöst. Die Elektron soll Satelliten in eine mittlere Inklination von 45 bis 60 Grad transportieren.

Vor dem Start gab sich Rocketlab zuversichtlich bis zu 50-mal pro Jahr zu starten, eventuell 120-mal pro Jahr. Das Gesamtvolumen der Investitionen beträgt nun 148 Millionen Dollar. Am 14.5.2017 gab die Firma bekannt das sich das Startfenster des ersten Testfluges am 21.5. öffnet. Es soll sich über 10 Tage erstrecken. Gestartet wird wenn die Bedingungen ideal sind. Der Start erfolgte dann nach zweimaliger Verschiebung wegen ungünstigen Wetterbedingungen am 25.5.2017 um 16:23 NZST. Das veröffentlichte Startvideo zeigt leider nicht den ganzen Flug. Nach Presserklärung funktionierte die erste Stufe aber einwandfreie, auch die Stufentrennung, Zündung der zweiten Stufe und Abtrennung der Nutzlastverkleidung klappte. Dies ist das letzte Ereignis das nach Plan lief, etwa 3 Minuten nach dem Start, 30 s nach Stufentrennung und nach 1/10 der Betriebszeit der zweiten Stufe. Danach muss der Flug vor Erreichend es Orbits gescheitert sein. Doch das ist kein Beinbruch, für einen ersten Start ist dies schon eine gute Leistung. Die Rakete erreichte den Weltraum, muss also mindestens eine Gipfelhöhe von 100 km, das ist nach internationaler Definition die Grenze zum Weltraum erreicht haben. Man wird nun die 22.000 einzelnen Messungen die es bei diesem Flieg nur mit Instrumentierung gab auswerten. Dies dauert nach Angaben von Peter Beck mehrere Monate, erst dann wird es einen weiteren Teststart geben.

Am 6.8.2017 wurde bekannt, das die Rakete nach vier Minuten gezielt vom Range Safety gesprengt wurde, als die Telemetrie zur Bodenstation ausfiel. Als Ursache konnte eine Komponente im Empfänger der Bodenstation identifiziert werden die ausfiel. Damit kann der Start als ein weitestgehender Erfolg angesehen werden, auch wenn offen ist ob die Electron einen Orbit erreicht hätte. Als die Rakete gesprengt wurde hatte sie eine Höhe von 224 km erreicht.

Der zweite Teststart am 21.1.2018 verlief nach einigen Verschiebungen erfolgreich. Die erste stufe brannte zweieinhalb Minuten lang. Nach drei Minuten wurde die Nutzlastverkleidung abgetrennt. Nach 6,5 Minuten wurde ein schuhkarton großes Batterie-Pack abgetrennt, wahrscheinlich um das Triebwerk der letzten Stufe mit Strom zu versorgen. Die Turbopumpe arbeitet ja elektrisch. Die Turbopumpe des HM-/B hat bei 64,8 kN Schub eine Leistung von 400 kW. Das bedeutet dass das Triebwerk eine Leistung von rund 100 kW erfordert, bei Akkus mit 200 Wh/kg Speicherkapazität bedeutet das, dass man für 3 Minuten Betrieb man 5 kg an Batterien braucht. Die dritte Stufe schaltete nach 8:15 ab. Zündung war bei 2:39. Das macht eine Brennzeit von 336 s. Die Satelliten erreichten einen Orbit von 289 x 533 x 82,9 Grad.

Neun weitere Flüge sollen 2018 stattfinden. Nach nur einem erfolgreichen Flug wurde der Firmenwert von Rocketlab schon auf 1 Milliarde Dollar beziffert, obwohl bisher nur 148 Millionen Dollar in die Firma investiert wurden.

Typenblatt

Da es von der Rakete nur die oben angegebenen Fakten gibt, habe ich das Typenblatt weitestgehend selbst aufgrund bekannter physikalischer Zusammenhänge sowie Ausmessen der Abbildungen rekonstruiert.

Datenblatt Electron

Einsatzzeitraum:

Starts:

Zuverlässigkeit:

Abmessungen:

Startgewicht:

Maximale Nutzlast:

Nutzlasthülle:

2016 –

keiner

-

18,00 m Höhe
1,05 m Durchmesser

12.700 kg

150 kg in einen 500 km hohen SSO-Orbit

2,47 m Höhe, 1,20 m Durchmesser, 50 kg Gewicht?
Abtrennung nach 180 s


Stufe 1

Stufe 2

Länge:

13,50 m

2,00 m

Durchmesser:

1,05 m

1,05 m

Startgewicht:

9.600 kg ?

2.600 kg ?

Trockengewicht:

1.020 kg ?

300 kg ?

Schub Meereshöhe:

152,4 kN

-

Schub Vakuum:

183,4 kN

22 kN

Triebwerke:

9 × Rutherford

1 × Rutherford

Spezifischer Impuls (Meereshöhe):

2776 m/s

-

Spezifischer Impuls (Vakuum):

3207 m/s

3207 m/s

Brenndauer:

150 s

336 s

Treibstoff:

LOX/RP1

LOX/RP1

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.




Links

http://spacenews.com/rocket-lab-plans-electron-test-launches-this-year/

http://spacenews.com/rocket-lab-to-launch-spire-satellites/

http://spacenews.com/rocket-lab-raises-75-million-to-scale-up-launch-vehicle-production/

http://spacenews.com/rocket-lab-ships-first-electron-rocket-to-launch-site/

http://spacenews.com/telemetry-glitch-kept-first-electron-rocket-from-reaching-orbit/

© des Textes: Bernd Leitenberger.
Artikel erstellt 1.2.2015, Artikel zuletzt geändert: 21.1.2018

© der Bilder: Rocket Lab

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