Home Raumfahrt Trägeraketen Sonstige Raumfahrt Aufsätze Site Map counter

Konzepte für eine flexible Rakete

Einführung

In meinem Aufsatz über ein preiswertes Trägersystem habe ich erläutert, wie man eine Rakete konzipiert, die möglichst preiswert ist. Dabei drehte es sich vor allem um die technische Realisierung. Heute geht es um ein flexibles System, wobei es mehr um das Konzept geht und weniger darum, welcher Treibstoff verwendet werden sollte. Dieser Aufsatz geht mehr auf die Historie ein und gibt einen Ausblick auf die Zukunft

Das Problem

Nutzlasten waren schon immer unterschiedlich groß. Niemals wird man alle Nutzlasten mit einer Rakete transportieren können. Nicht umsonst verfügen die USA wie auch Russland über eine ganze Reihe von Trägerraketen für unterschiedlich schwere Nutzlasten. Doch noch besser wäre es, wenn eine Trägerrakete unterschiedlich schwere Nutzlasten transportieren könnte. Flexibilität ist also gefragt. Wie man dies erreicht, das ist Gegenstand dieses Aufsatzes. Das Problem sei an einem Beispiel erläutert: Bis 1990 hatten die USA keine Trägerrakete die Nutzlasten transportieren konnten die schwerer als eine Scout (max. 216 kg) und leichter als eine Delta 2 (mind. 2000 kg) waren. Entweder man bezahlte also eine Trägerrakete, die für eine 500 oder 1000 kg Nutzlast viel zu teuer ist oder man baut nur große Satelliten, die dann aber auch nicht preiswert sind.

Russland ging einen anderen Weg. Flexibilität gibt es dort nur bei der Semjorka (R7) Trägerakete, die in den Versionen Wostok und Sojus unterschiedliche Oberstufen einsetzt. Die anderen Raketen haben jeweils nur eine Konfiguration oder eine zusätzliche Oberstufe, die allerdings nur für Nutzlasten in höhere Orbits oder zu den Planeten eingesetzt wird. Stattdessen wird die Nutzlast für die Kapazität einer Rakete ausgelegt und weitgehend unverändert über Jahre hinweg eingesetzt.

Eine Anmerkung zu den Preisen: Sie sind innerhalb jeder Tabelle vom gleichen Jahr. Man kann jedoch die Angaben verschiedener Tabellen nicht vergleichen, da diese Angaben aus verschiedenen Jahren benutzen. Zudem sind die Orbits unterschiedlich, und damit auch die Nutzlastangaben.

Konzept 1: Oberstufen

Als die Raumfahrt jung war, verfügten sowohl Russland wie auch die USA über Interkontinentalraketen, die man schnell mit Oberstufen zu Trägerraketen ausrüstete. Durch einen Wechsel der Oberstufe konnte man dann unterschiedliche Nutzlasten transportieren. Hier ein Beispiel der Thor Rakete

Raketenversion Startmasse Nutzlastmasse
Thor Able 51708 kg 150 kg
Thor Ablestar 52824 kg 270 kg
Thor Agena A 53290 kg 850 kg
Thor Burner 2 50110 kg 260 kg
Thor Burner 2A 50463 kg 513 kg
Thor Delta 49501 kg 130 kg

Obgleich also die Startmassen nur um 8 % schwanken, gibt es eine Schwankung bei dem Gewicht der Nutzlast von 800 %. Dies ist ein extremes Beispiel, da sie Thor als Mittelstreckenrakete auf eine leistungsfähige Oberstufe angewiesen ist, doch Schwankungen von 300 % gibt es auch zwischen einer Atlas-Burner und einer Atlas-Centaur oder einer R7 in der Luna und in der Sojus Version. Dies war auf Dauer schlecht, denn wenn auch die Raketen Anfang der 60 er Jahren durch das Hochrüsten beider Supermächte in 100 er Stückzahlen produziert wurden, und damit preiswert waren, war es doch unrentabel mehrere Oberstufen einzusetzen. So gab es bei beiden Supermächten auf Dauer pro Raketentyp nur 1 oder 2 Oberstufen die sich durchsetzten. Dies waren bei der Thor die Delta und Agena Oberstufe und bei der Atlas die Agena und die Centaur Oberstufe. Dies lohnte sich nur, solange die eigentliche Trägerrakete (die Atlas) preiswert war. Denn wenn auch die Agena eine einfache Oberstufe war und die Centaur eine technisch sehr anspruchsvolle (und daher teure) Oberstufe ist, so transportiert doch erste nur 2720 kg Nutzlast und die zweite 4670 kg Nutzlast. D.h. solange eine Atlas Centaur nicht 50 % teurer als eine Atlas Agena ist, ist sie immer noch billiger.

Als die Trägerakete nicht dutzendfach pro Jahr gestartet wurden und so teurer wurden, nahm daher auch der Einsatz von alternativen Oberstufen ab und heute gibt es im amerikanischen Arsenal pro Raketentyp nur eine Oberstufe. Dies gilt auch heute, so war von Arianespace geplant die erste Ariane 5 Oberstufe EPS nach Verfügbarkeit der neuen Oberstufe ECA schnellstmöglich in den Ruhezustand zu schicken. Dies gab einige Probleme, als diese beim Erststart einer neuen Ariane 5 nicht erprobt werden konnte, da es keine bestellten Ariane 5 mit EPS Oberstufen gab.

Konzept 2: Kleine Booster

Delta GAls erste Rakete wurde die Thor mit kleinen Boostern, Feststoffraketen als Starthilfe ausgerüstet. Der Zweck dieser Booster bestand zunächst die Rakete schnell zu beschleunigen, damit sie schnell die dichte Atmosphäre am Erdboden durchquert. Dadurch ist die Reibung geringer und die Rakete benötigt weniger Energie einen Orbit zu erreichen. Sie erhöhen auch die Startmasse und steigern die Endgeschwindigkeit, doch dies war bei den ersten Boostern noch nicht der wesentliche Punkt. Feststoffbooster haben einen hohen Schub bei geringer Brennzeit, bei den Castor Boostern lag diese bei nur 36-56 Sekunden je nach Modell.

Das änderte sich als die Booster zahlreicher wurden (zuerst 3, dann 6 und zuletzt 9 Booster). Gleichzeitig wuchs die Startmasse (Castor I: 3.7 t, Castor II, 4.4 t und Castor IV bis zu 11.7 t.). Nun waren die Booster annähernd so schwer wie die erste Stufe und steigerten die Nutzlast beträchtlich. Man konnte auch nicht alle gleichzeitig zünden, so viel Schub entwickelten sie, sondern zuerst 5 und nach deren Ausbrennen nach 56 Sekunden die anderen 4. Dies verlängert nicht nur die Brennzeit sondern bewirkt, dass die Booster in größeren Höhen brennen und so mehr Schub liefern können, wegen des geringeren Außendrucks.

Typ Startmasse Anzahl Gesamtgewicht eingesetzt in eingesetzt ab
Castor I 3852 kg 3 11556 kg Thrust augumated Thor, Delta D-J 1963
Castor II 4452 kg 3,6,9 13356 kg Long Tank, Thrust augumated Thor, Delta L-M, Delta 1000/2000 Serie 1966
Castor IV 10551 kg 9 94959 kg Delta 3000-6000 Serie 1975
GEM-40 13126 kg 3-9 118134 kg Delta 7000 er Serie 1990
GEM-46 19346 kg 9 174174 kg Delta 3, Delta 7925H 1998
GEM-60 33798 kg 4 135192 kg Delta 4 2003

Diese Tabelle zeigt wie die Delta Trägerrakete immer mehr und immer schwerere Booster im Laufe ihrer Entwicklung eingesetzt hat. Was ist jedoch der Hauptnutzen der Booster? Nun Sie ermöglichen es die erste Stufe zu verlängern. Das Triebwerk der ersten Stufe muss nun nicht mehr genug Schub haben um die gesamte Rakete vom Erdboden abzuheben, denn diesen liefern nun die Booster. So konnte die Masse der Thor Grundstufe von 49.5 über 70, 84 auf 101 t steigen. Zuerst lieferten die Booster den Schub für die ersten 36 Sekunden, dann für 42, 56 und 112 Sekunden. Der Schub des Hauptriebwerks reicht schon seit Jahren nicht mehr aus um die Rakete vom Boden anzuheben. Dadurch steigt die Nutzlast weiter an, denn während der ersten 110 Sekunden liefern die Booster den Großteil des Schubs für die Rakete. Während dieser Zeit kann Treibstoff von der ersten Stufe verbrannt werden, bis sie so leicht wird, dass der Schub des Erststufentriebwerks ausreicht um die Rakete weiter zu beschleunigen.

Delta 7925HMan könnte nun auf die Idee kommen, bei 9 Boostern könnte man ein flexibles System aufbauen, um unterschiedlich große Nutzlasten zu transportieren. Man müsste nur Versionen mit 3,4,5 und 6 Boostern einsetzen. Doch dem ist nicht so. Feststoffbooster sind sehr preiswert und ein Weglassen senkt zwar die Nutzlast, aber der Preis sinkt nur gering. Das mögen folgende Zahlen verdeutlichen :

Delta 7425 Delta 7326 Delta 7925 Delta 7925H
Startmasse 165 t 153 t 231.9 t 291.9 t
Booster 4 3 9 9
Nutzlast zum Mars 643 kg 576 kg 1120 kg 1240 kg
Startkosten 45 Mill. USD 43.5 Mill. USD 58 Mill. USD 65 Mill. USD
Kosten pro kg 69980 USD 75520 USD 51785 USD 52149 USD

Eine Reduktion der Nutzlast auf die Hälfte bringt also nur eine Reduktion der Startkosten um ein Viertel. Dies ist eine Notlösung, die zuerst für leichte Planetensonden eingesetzt wurde. Inzwischen benutzen diese auch die größere Version der Delta 2. Die kleinere Version der Delta 2 mit weniger Boostern wird nach Ausmusterung der Titan 2 als Träger für mittelgroße Satelliten in erdnahe Orbits genutzt, da die USA sonst über keinen Träger mehr verfügen der etwa 2 t in eine polare Umlaufbahn befördern kann und die normale Delta 2 etwa die doppelte Nutzlast in diesen Orbit transportiert. Die neueste Version die Delta 7925H setzt nochmals größere Booster ein, doch während diese zwar die Startmasse massiv steigern, steigt die Nutzlast nur gering. Das liegt an dem nun sehr ungünstigen Gewichtsverhältnis von Boostern und erster Stufe und zweiter Stufe von 275 t: 7 t.

Bei der neuesten Version der Delta, der Delta 4 setzt man auch auf größere, dafür weniger Booster, da es billiger ist wenige größere Booster als mehrere kleine anzufertigen. Die Rakete bietet die Möglichkeit 2 oder 4 der Booster einzusetzen, verfügt aber nun erstmals seit 30 Jahren wieder über ein Haupttriebwerk, welches genügend Schub liefert um die Rakete auch ohne Booster einzusetzen. Man ist also wieder zu den Wurzeln der Delta Evolution zurückgekehrt (und könnte z.B. später die Erststufe verlängern und mehr Booster einsetzen).

Dieses Konzept ist von anderen Raketen übernommen worden, so bei der Ariane 3 (zwei Feststoffbooster), der japanischen My Serie und der indischen ASLV und PSLV.

Titan 3AKonzept 3: Große Booster als erste Stufe

Wenige Jahre nach der Delta hat die Titan 3 dieses Konzept eingeführt. Zwei Booster werden vor der ersten Stufe gezündet, diese dann während des Fluges, nach Ausbrennen der Booster. Diese wurden also zur normalen Titan 3A als "nullte" Stufe hinzugenommen. Die Titan kann nach wie vor auch ohne die Booster eingesetzt werden. Die neue Version heißt Titan 3C und vornehmlich sollten die Booster eine höhere Endgeschwindigkeit ergeben, so dass die Rakete Nutzlasten direkt in den GTO Orbit befördern kann.

Die Booster sind bei der Titan 3+4 etwa 3 mal schwerer als die erste Stufe und daher auch als eine eigene Stufe zu betrachten. Von Vorteil ist, dass die Hauptstufe nun in großer Höhe gezündet wird und so mehr Leistung erbringt was eine höhere Nutzlast ermöglicht. Die Brennzeit ist auch verlängert, was es einfacher macht höhere Bahnen ohne ein Zweiimpulsmanöver zu erreichen. Physikalisch gesehen ist dies sinnvoller als die modernere Abwandlung des Konzepts die Booster mit der Hauptstufe am Boden zu zünden.

Titan 3CEs gibt aber zwei Nachteile dieses Verfahrens: Zum einen ist es sicherer die Erststufe am Boden zu zünden bevor sie abhebt. Man kann dabei Unregelmäßigkeiten entdecken und den Start abbrechen. Dies spielte bei der Titan eine untergeordnete Rolle, da die Treibstoffkombination Hydrazin / Stickstofftetroxid sich bei Kontakt von selbst entzündet und so zumindest Probleme bei der Zündung minimiert werden.

Zum zweiten ist es nur bedingt möglich die erste Stufe zu verlängern, wie man dies bei dem Konzept der großen Startbooster tut, denn wenn diese nach 2 Minuten gezündet wird, muss sie genug Schub entwickeln um die Rakete weiter gegen die Erdbeschleunigung anheben zu können. Daher hat man das Konzept der Titan so bei anderen Raketen nicht eingesetzt. Die Titan ist im Vergleich zu anderen Raketen in der Leistung nur gering angestiegen. So transportiert eine moderne Titan 4B Centaur zwar 5700 kg in den GEO Orbit, aber 1977 schaffte eine Titan 3E auch schon 3900 kg in diesen Orbit. Im gleichen Zeitraum wurde die Nutzlast der Delta verdreifacht.

Titan 3A Titan 3D
Booster keine 2
Preis 30.74 Mill. USD 66.8 Mill. USD
Kosten pro kg 8539 USD 5099 USD
Nutzlast LEO 3600 kg 13100 kg
Startmasse 161.730 kg 626.130 kg

Ariane 5Konzept 4: Große Booster als Starthilfe

Dieses vom Space Shuttle und Ariane 5 verwandte Konzept sieht zwei große Booster als Starthilfe vor. Das Triebwerk in der ersten Stufe hat deutlich zu wenig Schub und könnte die Rakete gar nicht vom Boden abheben. Man hat also die Booster schon als festen Bestandteil der Rakete konzipiert. Während eine Titan 3 auch Varianten ohne Booster hatte, für kleinere Nutzlasten, kann eine Ariane 5 ohne Booster nicht abheben. Bei der "Ground" Version hat das Triebwerk Vulcain 1 einen Schub von 115 t und die Rakete wiegt beim Start ohne die Booster 190 t. Man kann hier also Kosten sparen indem man das Triebwerk in der ersten Stufe bewusst unterdimensioniert, schließlich bringen die Booster die Rakete auf Höhe.

Große Booster verbilligen wie bei der Titan den Start, da ein Feststoffbooster gleicher Größe technisch viel einfacher und daher preiswerter als eine mit flüssigen Treibstoffen angetriebene Stufe ist. Man hat nun aber wenige Möglichkeiten die Nutzlast zu variieren. Theoretisch gäbe es die Möglichkeit anstatt zwei Boostern deren vier zu verwenden. Doch durch den hohen Schub gibt es dann so hohe Beschleunigungen vor dem Ausbrennen, das man dies bislang nicht umgesetzt hat. Die Belastungen für die Nutzlast wären in diesem Fall deutlich höher als bei anderen Raketen.

Arianespace hat bei der Ariane 5 daher eine andere Zielsetzung eingeschlagen: Da die Rakete nur Nutzlasten in den GTO Orbit transportieren soll (Starts in andere Orbits oder zu den Planeten gibt es nur alle 12-24 Monate) transportiert man nach Möglichkeit immer zwei Satelliten auf einmal. Die Rakete muss also die Kapazität für zwei Satelliten haben. Ist nun einer groß, so muss man ein leichtes Gegenstück finden. In dem optimalen Zusammenstellen liegt die Kunst. Schließlich kann man einen Satelliten nicht jahrelang lagern bis man ein passendes Gegenstück gefunden hat. Man hat es um so einfacher, je größer die Nutzlast ist. Da auch die Satellitenmassen langsam ansteigen muss man Ariane 5 in der Leistung laufend anpassen. Es gibt derzeit schon drei Versionen (Ariane 5G mit 6.82 t Nutzlast, Ariane 5V mit 8.0 t und Ariane 5 ECA mit 10 t Nutzlast). Eine weitere Version für 12 t (Ariane 5 ECB) und Vorschläge für eine 15 t Version existieren bereits. Bei Ariane 5 geht dies, weil die erste Oberstufe viel zu leistungsschwach war und die Rakete so ein großes Steigerungspotential hat.

Ariane 44LKonzept 5: Booster mit flüssigen Treibstoffen.

Ariane 4 führte ein völlig neues Konzept ein. Neben der Möglichkeit wie bei der Delta 2 oder 4 kleine Feststoffraketen als Starthilfe zu benutzen, gab es auch 4 größere Booster mit flüssigen Treibstoffen. Zuerst war man skeptisch ob sich dieses Konzept bewähren würde. Schließlich sind Raketenstufen mit flüssigen Treibstoffen erheblich teurer als solche mit festen Treibstoffen. Doch das Konzept bewährte sich. Aus mehreren Gründen. Zum einen war der Performancegewinn beträchtlich, viel größer als bei festen Boostern gleicher Startmasse. Das lag an dem höheren Energiegehalt des Treibstoffs und dem niedrigeren Leergewicht. Ariane 4 konnte so 1900-4400 kg transportieren, Die größte Version transportierte also 230 % der kleinsten Version.

Das zweite war, dass die Mehrkosten gering blieben. Denn die Booster sind modifizierte zweite Stufen und das Triebwerk in Stufe 1+2 ist mit kleinen Anpassungen an den Außendruck dasselbe. Das erlaubte eine sehr hohe Stückzahl bei der Fertigung und senkte so die Kosten.

Ariane 4 Konzept wurde oft übernommen: Die indische GSLV und die chinesischen Trägeraketen verwenden die Booster in fast denselben Dimensionen (Treibstoff, Masse, Schub) wie die Ariane 4. Die GSLV verwendet Triebwerke der Ariane unter Lizenzfertigung, warum die Booster der chinesischen Raketen so Ariane 4 ähneln, weis man nicht.

Booster mit flüssigen Treibstoffen verwenden heute auch die Atlas V und die japanische H-2A. Bei beiden Trägern ist die Masse der Nutzlasten daher die transportiert werden können daher breit. Die folgende Tabelle, dass mit der Kombination von flüssigen und festen Boostern ein breites Nutzlastspektrum transportiert werden kann. Die Kosten pro Kilogramm nehmen zwar zu der großen Version hin ab, jedoch nicht in dem Maße wie bei der Delta 2, so dass auch die kleineren Modelle ihre Existenzberechtigung haben. Sie wurden von Arianespace eingesetzt für erdnahe Orbits oder schwere Einzelnutzlasten für die sich kein zweiter Satellit fand. Die meisten Starts absolvierten die beiden stärksten Versionen. Ariane 4 flog zwischen 1988 und 2003 über 15 Jahre fast unverändert insgesamt 114 mal - Eine Bilanz die keine andere Rakete aufweisen kann.

Typ Boostertreibstoff Nutzlast GTO Kosten Kosten/kg
Ariane 40 - 2175 kg 85 Mill. USD 39080 USD
Ariane 42P 2 feste 2890 kg 90 Mill. USD 31140 USD
Ariane 42L 2 flüssige 3590 kg 100 Mill. USD 27855 USD
Ariane 44P 4 feste 3465 kg 100 Mill. USD 28860 USD
Ariane 44LP 2 fest, 2 flüssig 4290 kg 110 Mill. USD 25640 USD
Ariane 44L 4 flüssig 4790 kg 125 Mill. USD 26096 USD

Konzept 6: Clusterung

Delta 4 HeavyEine Variante der Delta 4, die "Heavy" Version verwendet drei Raketen als Erststufe. Die eigentliche Zentralrakete, die auch bei den "Medium" Versionen die Zentralstufe stellt und zwei weitere Exemplare als große Booster. Bei den normalen Delta 4 Versionen wird die Zentralstufe von Feststoffboostern unterstützt. Bei der Heavy Version zünden alle drei Stufen zusammen, die Zentralstufe wird nach 50 Sekunden auf 60 % Schub heruntergefahren, so dass sie 327 anstatt 249 Sekunden brennt. Das erinnert an die Sojus Trägerrakete die etwas ähnliches macht, hier hat die Zentralstufe mehr Treibstoff. Man kann die Zentralstufe nach der Abtrennung der beiden Booster als "zweite" Stufe ansehen. Allerdings mit einem erhöhten Leergewicht, denn zwei Drittel des Treibstoffs wurden ja schon verbrannt.

Der Vorteil ist wie bei dem Ariane 4 Konzept, dass man eine erhöhte Stückzahl der Erststufen fertigen kann und die Nutzlast gleich rapide ansteigt: Sie beträgt 10.8 t in den GTO, während die Version ohne große Zusatzbooster bei 4.5-6.5 t liegen, je nach Anzahl der Feststoffbooster.

Die Nachteile sind, dass die erste Stufe genügend Schub haben muss, um alleine abzuheben. Die erste Stufe verwendet ein Triebwerk mit 2891 kN Schub bei 226 t Startmasse. Bei Verwendung von Feststoffbooster kann man die erste Stufe mit einem weitaus schwächeren und daher kostengünstigeren Triebwerk ausrüsten. Ariane 5 Erststufe wiegt z.B. 170 t und hat nur 1150 kN Schub. Der zweite Nachteil ist, dass der Zuwachs an Nutzlast nun so groß ist, dass man eine Lücke zu der nächst kleineren Version hat, die gerade halb so viel Nutzlast transportiert.

Die Delta 4 Heavy wird daher auch nicht für kommerzielle Nutzlasten eingesetzt werden, sondern für schwere Satelliten der US Air Force in den GEO Orbit, als Ersatz für die Titan IV B. Wäre die Zentalstufe leichter, so das man auch über Versionen mit 2,3,4,6 Boostern nachdenken könnte, so könnte man eine flexible Familie aufbauen. Man könnte bei Versionen mit mehr Boostern auch die zentrale Stufe verlängern und dann bei den kleineren Versionen mit weniger Treibstoff füllen, so wie es Ariane 4 bei den Versionen Ariane 40, 42P und 42P tut. Dann wäre die Delta 4 eine flexible Rakete. Da man das Zentraltriebwerk RS-68 aber aus dem Space Shuttle Antrieb entwickelte, ist das Triebwerk sehr schubstark und diese Möglichkeit schied aus.

Was ist das Konzept der Zukunft?

Das heute am häufigsten eingesetzte Konzept ist das der Ariane 4. Auch nach Ausscheiden der Ariane 4 aus dem Dienst verwenden 4 Trägerraketen dieses Konzept. Auf dem Rückzug sind 2 große Feststoffbooster. Der Space Shuttle soll ausgemustert werden. Die H-2A hat die Feststoffbooster durch ein flexibles Konzept kleinerer Booster ergänzt, die Titan ist schon ausgemustert. Lediglich die Ariane 5 hält dieses Konzept hoch. Bei Ariane 5 steht und fällt die Wirtschaftlichkeit mit dem Doppelstartvermögen. Solange man die Kosten auf zwei Satelliten verteilen kann, braucht man nicht viele Versionen einer Rakete, sondern kann nur eine, dafür kostenoptimierte Version einsetzen.

Als Folge muss Ariane 5 laufend den steigenden Nutzlasten angepasst werden. Ursprünglich sollte zwischen 1996 und 2006 die Nutzlast in 3 Stufen von 6.8 über 8.0, 10.0 auf 12 t steigen. Durch den Fehlstart der EC-A Version ist dieser Zeitplan ins Wanken geraten, doch Pläne für neue leichtgewichtige Booster (+1 t Nutzlast) und ein Vulcain-3 Haupttriebwerk (15 t Nutzlast) liegen schon in der Schublade. Sowohl Ariane 5 mit einer Rakete ohne Varianten, aber Kostenoptimierung, wie auch die Konkurrenten mit der Fähigkeit ein Modell für unterschiedlich schwere Nutzlasten anzubieten, haben also eine gute Ausgangsposition. Der Markt wird in den nächsten Jahren zeigen, was erfolgreich sein wird.



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
Sitemap Kontakt Neues Hier werben Bücher vom Autor Top 99