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Die Kistler K-1 Trägerrakete

Einleitung

Die Kistler K-1 ist eine Trägerrakete, die privat entwickelt wird, also nicht (direkt oder indirekt) von der NASA finanziert wird. In den neunziger Jahren machten sich einige Firmen an die Verwirklichung der Entwicklung einer eigenen Trägerrakete. Die Raumfahrtkonzerne die schon immer im Geschäft waren, bauten Interkontinentalraketen um und bekamen auch gleich Aufträge von der NASA. So entstanden die Trägerraketen Athena, Taurus und Minotaur. Schwerer haben es dagegen die Newcomer. Zahlreiche Firmen haben seither das Handbuch geschmissen (wie Beal Aerospace) oder melden keine Fortschritte mehr. Auch die Kistler K-1 liegt Jahre hinter dem ursprünglichen Zeitplan zurück.

Die Kistler K-1 ist eine wieder verwendbare Rakete. Sie soll die Kosten für den Zugang in den Weltraum deutlich auf 17 Millionen USD pro Flug senken. Die Startmasse liegt bei 382.200 kg, die Höhe ohne Nutzlast bei 36.9 m. Die Breite beträgt maximal 6.7 m. Sie soll 100 mal wieder verwendet werden können. Die maximale Nutzlast liegt bei 4600 kg für eine 200 km hohe Bahn bei einer geräumigen Nutzlastverkleidung.

Die Triebwerke

NK-33 TriebwerkNatürlich kann sich eine Firma die neu im Raumfahrtgeschäft ist, sich es nicht leisten eine Rakete völlig neu zu entwickeln. Doch wo bekommt man Triebwerke her, die raumfahrterprobt sind und nicht teuer ? Nun ja, nicht teuer, das geht mit russischen Triebwerken. Da traf es gut, dass Russland durch das eingestellte N-1 Mondlandeprogramm über überzählige Triebwerke der Mondrakete N-1 "Herkules" verfügte. Kistler sicherte sich die Vorkaufsrechte an 58 Triebwerken des Typs NK-33 (verwendet in der ersten Stufe der Mondrakete) und 18 des Typs NK-43 (verwendet in der zweiten Stufe der Mondrakete).

Aerojet, ein bekannter amerikanischer Entwickler von Triebwerken (unter anderem für die Titan und Delta) bekam den Auftrag diese zu testen und modernen Anforderungen anzupassen. Am 12.3.1998 fand der erste Test eines NK-33 Triebwerks bei Aerojet statt. Über 145 Sekunden wurde der Schub zwischen 803 und 1607 kN variiert. Die NK-33 Triebwerke sind nicht nur im Schub um 50 % drosselbar, sondern erreichen den Maximalschub auch innerhalb von 1.75 Sekunden, so dass die Belastung der Startanlage klein ist. Die von Kistler gekauften NK-33 Triebwerke sind verbesserte Versionen derer in der Herkules N-1 verwendeten. Sie können bis 1200 Sekunden lang betrieben werden, (nominell 600 Sekunden) der Schub von nominell 1720 kN kann auf 1960 kN gesteigert werden und die Mischung der Treibstoffe Kerosin / Sauerstoff kann in einem breiten Bereich von 20 % variiert werden. Sie wurden erst nach den Starts der Mondrakete entwickelt und kamen nicht in dieser zum Einsatz. Sie waren für eine verbesserte Version der Herkules vorgesehen, welche 95 anstatt 75 t in eine Erdumlaufbahn transportieren sollte.

NK-43 TriebwerkDie Triebwerke nutzen Sauerstoff als Oxidator und Kerosin als Verbrennungsträger. Nominell beträgt das Mischungsverhältnis von Oxidator und Verbrennungsträger 2.6:1 (Sauerstoff zu Kerosin). Die Triebwerke arbeiten mit einem hohen Brennkammerdruck von 145.4 Bar und erreichen einen spezifischen Impuls von 2913 (Meereshöhe) und 3247 m/s (Vakuum). Für die verwendete Treibstoffart sind dies exzellente Werte, die nur von den moderneren russischen Triebwerken RD-170/171/180 und RD-120 übertroffen werden. Gleichzeitig ist das Triebwerk leicht: Das Schub : Gewicht Verhältnis erreicht 125:1, während amerikanische Triebwerke dieser Klasse nur bei 80:1 zu liegen. Das Triebwerk wog ursprünglich nur 1257 kg. Die modernisierte Version von Aerojet ist mit 1408 kg etwas schwerer. Das Expansionsverhältnis beträgt 1:27.

Die NK-43 Triebwerke sind für den Betrieb im Vakuum optimierte NK-33 Versionen. Ihre langen Düsen nutzen den Treibstoff noch besser. Das Expansionsverhältnis liegt bei 80:1, bei dem NK-33 liegt es bei 27:1. Der Schub eines NK-43 beträgt 1755 kN. Die Brennzeit nominell 600 Sekunden. Der spezifische Impuls liegt bei Meereshöhe bei nur 2413 m/s, dafür im Vakuum aber bei 3404 m/s. Anders als die NK-33 Triebwerke sind die NK-43 Triebwerke wiederzündbar. Das Triebwerk wiegt durch die längere Düse 1396 kg.

NK-33 TestDie Kistler K-1 sollte zuerst 3 NK-33 Triebwerke in der ersten Stufe und ein einzelnes NK-43 Triebwerk in der zweiten Stufe verwenden. Für den Landeanflug muss man aber ein Triebwerk nochmals zünden und die ursprünglichen NK-33 Triebwerke besaßen diese Fähigkeit nicht. Man hat daher ein NK-33 modifiziert, dass es wie das NK-43 wiederzündbar ist. Dieses zentrale Triebwerk muss den Abstieg durchführen. Nach einer Überarbeitung durch Aerojet heißen die Triebwerk nun AJ26-58 (NK-33), AJ26-59 (wiederzündbares NK-33) und AJ26-60 (NK-43)

Auch wenn die NK-33 Triebwerke mittlerweile 30 Jahre alt sind, bedeutet dies noch lange nicht, dass es sich um Schrott handelt. Die Titan 2 Raketen, welche die NASA bis 2003 startete waren sogar 40 Jahre alt und sind nicht wie die Triebwerke in Lagerhallen gestanden. Russland baute insgesamt 208 NK-33 und 42 NK-43 Triebwerke. Vom Vorläufer, dem NK-15 Triebwerk, welches in der Mondrakete eingesetzt wurde, wurden sogar 581 Stück gebaut. Alle Triebwerke absolvierten insgesamt 1499 Tests mit einer Gesamtdauer von 194008 Sekunden. Diese Triebwerke sind also besser getestet als das Space Shuttle oder Ariane 5 Triebwerk. (Die Gesamtbrennzeit entspricht der von 404 Space Shuttle Starts !).

Es wurden 107 Serienexemplare des NK-33 und 37 des NK-43 gebaut, die wenn sie nicht verschrottet wurden, heute noch zur Verfügung stehen müssten. Neben Kistler interessierte sich auch Lockheed-Martin für diese Triebwerke. Sie waren eine Zeitlang als Ersatz für den Triebwerksblock MA-5 der Atlas in Gespräch. Lockheed-Martin wählte dann aber eine Version des RD-171 Triebwerks der Zenit als Antrieb. Ob dies an den besseren Leistungen oder daran lag, dass dieses Triebwerk heute noch gebaut wird konnte der Autor nicht in Erfahrung bringen.

Die Triebwerke wurden bei Aerojet nicht nur geprüft sondern vor allem mit amerikanischen Triebwerkskontrollern, Ventilen und Leitungen versehen. Die gelagerten Triebwerke sollen für mindestens 100 Starts reichen bis man daran denken muss sie durch neue zu ersetzen.

AJ26-58 AJ26-59 AJ26-60
Schub Vakuum 1720 kN 1720 kN 1791 kN
Schub Meereshöhe 1543 kN 1543 kN -
Spezifischer Impuls Vakuum 3249 m/s 3249 m/s 3386 m/s
Spezifischer Impuls Meereshöhe 2914 m/s 2914 m/s -
Brennkammerdruck 145.4 Bar 145.4 Bar 145.4 Bar
Mischungsverhältnis LOX:Kerosin 2.586 2.586 2.592
Länge 371 cm 371 cm 400 cm
Durchmesser 150 cm 150 cm 251 cm
Gewicht 1408 kg 1459 kg 1525 kg
Entspannungsverhältnis 27 27 80
Schwenkbereich ± 6 Grad ± 6 Grad ± 6 Grad
Drosselungsbereich 50-114 % 50-114 % 55-114 %

Die Trägerrakete

Kistler SchemaDie Kistler K-1 Trägerrakete besteht aus zwei Stufen, einem wieder verwendbaren Nutzlastmodul und gegebenenfalls einer nicht wieder verwendbaren Oberstufe, wenn hohe Geschwindigkeiten erreicht werden sollen. Beide Stufen verwenden in den großen Flächenteilen (Tanks, Außenhülle) Aluminium und in besonders beanspruchten Teilen Verbundwerkstoffe. Die K-1 verwendet mehr Verbundwerkstoffe als jede bislang eingesetzte Rakete. In beiden Stufen sind die Tanks separat ausgeführt, ohne Zwischenboden.

Erste Stufe: LAP

Die erste Stufe hat die Bezeichnung "Launch Assistant Platform", kurz LAP. LAP hat einen Durchmesser von 6.7 m und eine Länge von 18.3 m. Sie hat vor allem die Aufgabe die Rakete vertikal zu beschleunigen und so auf Höhe zu bringen. Angetrieben wird sie von 3 Triebwerken, zwei Aerojet AJ26-58 und einem zentralen AJ26-59 Triebwerk. Diese sind für die Korrekturen um 6 Grad schwenkbar angeordnet. Der Startschub beträgt 4540 kN und die Startmasse 250500 kg. Nach der Abtrennung sind es noch 36400 kg, leer 20430 kg. Die Tanks für Sauerstoff und Kerosin sind getrennt. In der Zwischensektion befinden sich 4 Kaltgastriebwerke zur Fluglageregelung, der Bordcomputer und ein Rack für Experimente. Der LOX Tank hat einen Durchmesser von 6.71 m und besteht aus zwei Kugelhälften mit einer zylindrischen Zwischensektion. Er hat ein Volumen von 127 m³. Er besteht aus zwei Tanks, einem großen oberen und einem kleinen unteren Tank, der das zentrale Triebwerk für den Landeanflug speist. Die Druckbeaufschlagung geschieht mit Helium, welches in 15 Flaschen mit je 313.7 Bar Druck mitgeführt wird. Die Kerosintanks sind für jedes Triebwerk einzeln ausgeführt, wobei auch hier das zentrale Triebwerk ein größeres Tankvolumen hat.

KistlerstartNach 139 Sekunden wird die Stufe abgetrennt und bei 1.22 km/s Geschwindigkeit in 43.2 km Höhe abgetrennt. Nun zündet nach 7.3 Sekunden die zweite Stufe und 4.4 Sekunden nach der Abtrennung das zentrale Triebwerk der LAP Stufe erneut um diese weich zu landen. Es brennt 30 Sekunden und bringt die erste Stufe wieder auf Kurs zum Startplatz. Dabei verbrennt das Triebwerk 16 t Treibstoff. Zur Stabilisierung dienen vier Kaltgas Düsen. Sie arbeiten mit Stickstoff von 41.4 Bar Druck und produzieren jeweils 680 N Schub. Das gesamte Moment zur Korrektur beträgt 272000 Ns. Das Kaltgassystem ist identisch auch in der Oberstufe OV vorhanden. Zur Druckstabilisierung werden die leeren Sauerstoff und Kerosin Tanks weiterhin mit Helium druckbeaufschlagt. Es öffnen sich zuerst 2 Pilotfallschirme in 25000 Fuß (7620 m) Höhe, dann in 3000 m Höhe entfalten sich 2 Bündeln aus je 3 Hauptfallschirme.

Minuten vor der Landung werden 4 Airbags aufgeblasen, allerdings mit einem niedrigen Druck von 4 Bar, so dass sie bei der Landung nachgeben. Dies soll den Schock bei der Landung auf 10 g begrenzen. Abgesehen von diesem kurzzeitigen Schock beträgt die maximale Belastung des LAP beim Wiedereintritt maximal 4 g. Die Airbags haben beim LAP Abmessungen von 8.5 × 12 Fuß (2.6 × 3.6 m).

Zweite Stufe: OV

Die zweite Stufe ("Orbital Vehicle OV") hat einen Durchmesser von 4.27 m und eine Länge von 16.8 m. Sie bringt die Nutzlast auf Orbitalgeschwindigkeit. Sie brennt 230 Sekunden lang und ist in 94.6 km Höhe ausgebrannt. Dabei wird eine elliptische Bahn erreicht, welche den höchsten Bahnpunkt in der gewünschten Zielbahnhöhe hat.

Dort zündet das OMS (Orbital Maneuvering System) um die Bahn zu zirkularisieren Dieses verwendet flüssigen Alkohol (Ethanol) und Sauerstoff als Treibstoff. Sein Schub beträgt 3.9 kN. Es ist wiederzündbar bis zu einer Tankfüllung von 10 %. Es arbeitet mit einem Brennkammerdruck von 6.9 - 27.5 Bar bei Mischungsverhältnissen Sauerstoff:Ethanol von 1.5 - 2.5. Der Gesamte Impuls beträgt 9 Millionen Ns, was einer Brenndauer von 2300 Sekunden bei maximalem Schub entspricht. Der spezifische Impuls liegt bei 2923 m/s nominal und 2893 m/s minimal. Dies entspricht einer Treibstoffzuladung von mindestens 3080 kg. Das OMS Triebwerk basiert auf einer Aerojet Entwicklung von 1980 und soll 100 mal wiederzündbar sein.

FlugprofilDas Triebwerk des OV, AJ26-60 liefert 1759 kN Schub. 5 Minuten 45 Sekunden nach dem Start wird es in der Leistung gedrosselt, damit die maximale Beschleunigung 6 g nicht überschreitet. Die zweite Stufe hat ein Startgewicht von 131800 kg. Leer wiegt die Stufe noch 12250 kg. Die Stabilisierung während des Fluges erfolgt wie bei der ersten Stufe durch die vier Kaltgasdüsen im Mittelteil zwischen Kerosin und LOX Tank. Die Druckbeaufschlagung der Tanks geschieht wie beim LAP mit 6 (anstatt 15) Heliumflaschen von je 413.7 Bar Druck.

Nach dem Aussetzen des Satelliten beginnt für die zweite Stufe eine Freiflugphase von bis zu 22 Stunden. Dann wird die Bahn durch Zündung des OMS Triebwerks verlassen, und die Stufe beginnt einen geführten Sinkflug zum Startplatz. Dabei treten Verzögerungen von bis zu 8 g auf. Bei Mach 2.5 wird ein Hochgeschwindigkeitsfallschirm entfaltet, der die Geschwindigkeit reduzieren soll. Er bremst die Stufe in 23 Sekunden auf Unterschallgeschwindigkeit ab. Danach werden wie beim LAP ein Pilotfallschirm und ein Bündel von Hauptfallschirmen entfaltet. Während das LAP zwei Fallschirmbündel hat, ist es beim OV wegen der kleineren Masse nur eines.

AirbagsDie zweite Stufe landet wie die erste weich auf vier Airbags. Sie haben beim OV eine Größe von 10 Fuß (3.05 m). Die Airbags bestehen aus einer Polyethylen-Polyurethan Haut welche auf beiden Seiten mit einem Kevlar Gewebe versteift und vor Beschädigungen geschützt ist. Die Air Bags haben tunnelförmiges Aussehen (Wie überdimensionierte Schwimmflossen). Der Innere Durchmesser beträgt 5 Fuß (1.5 m). Beim Aufblasen verengt er sich bis auf eine Röhre. Man hat während der Entwicklung die Anzahl an Airbags von 8 über 6 auf 4 reduziert. Der Druck der Airbags liegt bei 6000 psi, etwa 4.137 Bar und damit etwas höher als bei einem Fahrradreifen. Der Abbremsschock bei den OV Airbags liegt bei 10 g.

LAP LandungDie Fallschirme für OV und LAP sind in der Größe identisch unterscheiden sich aber in Details. Die Pilotfallschirme basieren auf dem Design der Shuttle Fallschirme und haben 40 Fuß (12.2 m) Durchmesser. Das Material ist eine Mischung aus Kevlar und Nomex. Der Pilotfallschirm wiegt 81 kg. Die Hauptfallschirme haben 156 Fuß (47.5 m) Durchmesser und bestehen aus Kevlar mit Nylon Seilen. Jeder Hauptfallschirm wiegt 150 kg. Der nur beim OV verwendete Hochgeschwindigkeitsfallschirm hat einen Durchmesser von 23 Fuß (7.0 m). Er wird in 8000 Fuß (24240 m) Höhe bei Mach 2.5 entfaltet und bremst die Rakete innerhalb von 23 Sekunden auf Unterschallgeschwindigkeit ab. Dieser Fallschirm wiegt 83 kg.

Die anderen Fallschirme werden etwas früher als beim LAP entfaltet: Der Pilotfallschirm in 27000 Fuß (8230 m) Höhe und der Hauptfallschirm in 15000 Fuß (4570 m Höhe). In 3350 m Höhe sind alle Fallschirme vollständig entfaltet. Die Fallschirme wurden schon mit Attrappen getestet und gelten als flugqualifiziert. Vergleicht man die Fläche der Fallschirme mit denen der Shuttle SRB, die ebenfalls geborgen werden, aber auf dem Wasser mit recht hoher Geschwindigkeit aufschlagen, so besitzt das LAP die 10 fache Fläche pro Kilogramm Gewicht (1 m² auf 2.18 kg im Vergleich zu 1 m² auf 20.3 kg). Dies reduziert die Landegeschwindigkeit beträchtlich. Die Auftreffgeschwindigkeit beträgt 22 km/h im Vergleich zu 94 km/h bei den Shuttle SRB.

Nach der Landung wird bei beiden Stufen zuerst der Fallschirm zusammengefaltet und dann Triebwerke und andere exponierte Stellen mit Verschlusskappen abgedeckt. Zuletzt werden die Stufen auf Lastwagen verladen und wieder zum Startplatz gefahren. Die LAP soll innerhalb einer Zone von 1.83 km Durchmesser um den Startplatz landen. Über die Genauigkeit der Landung der OV gibt es keine Angaben.

Payload Module

Die Kistler K-1 hat nicht wie andere Raketen eine absprengbare Verkleidung. Diese Kosten sollen eingespart werden. Dafür gibt es zwei Payload Module, die wie eine Keksdose auf die OV Stufe montiert werden. Zum Abtrennen der Nutzlast wird der Deckel geöffnet und die Nutzlast mit Federn mit etwa 30 cm/s Geschwindigkeit ausgestoßen. Danach wird der Deckel wieder geschlossen. Das System erinnert an das System SPELTRA und Sylda der Ariane 5, doch ist dieses nicht wieder verwendbar. Es gibt zwei Payloadmodule: Das Standard Payload Module (SPM) von 291 cm nutzbarer Höhe und das Extended Payload Module (EPM) von 533.5 cm nutzbarer Höhe. Der nutzbare Innendurchmesser beträgt 335 cm. Die Masse ist unbekannt, doch das SPM wiegt 1100 kg weniger als das EPM, da für das SPM eine maximale Nutzlast von 5700 kg angegeben ist und für das EPM eine von 4600 kg. Es ist anzunehmen, dass in der Regel das EPM zum Einsatz kommen soll, denn das Standardmodul bietet für 5.7 t schwere Satelliten recht wenig Platz. Die Struktur für Doppelstarts bei der Ariane 5, SPELTRA hat z.B. einen Durchmesser von 5.4 m (nutzbar 4.7 m) und eine Höhe von 7.0 m. Es bietet somit mehr als viermal soviel Platz wie das SPM. Das SPM dürfte eher geeignet sein für Mikrogravitationsexperimente, da diese oft kompakt gebaut sind, da in Höhenforschungsraketen und russischen Foton Kapseln auch der Platz beschränkt ist.

Steuerung

OV LandungJede Stufe hat einen eigenen Bordcomputer. Navigationsdaten liefern mehrere Inertialsysteme und GPS Empfänger. Die Rakete kann über TDRSS Satelliten gesteuert werden. Dazu ist ein Empfänger und Sender an Bord. Dies erspart der Firma das Anmieten von Bodenstationen. Für Daten des Fluges aber auch von Wiedereintrittsexperimenten gibt es einen Datenspeicher mit einer Kapazität von 1500 MBit, erweiterbar auf 4500 MBit und einer Datenrate von 10 MBit/sec.

Der 16 Bit Bordcomputer der K-1 kann völlig autonom arbeiten und ist dreifach redundant ausgelegt. 3 Stränge verfügen jeweils über einen eigenen GPS Empfänger, ein eigenes Inertialsystem (Gyroskope), eine eigene Batterie, einen Computer als Triebwerkscontroller und einen Computer zur Steuerung der Rakete und der Bahn. Mit zwei Umschaltern kann jeweils ein fehlerhafter Strang vom MIL-STD 1553C Bus genommen werden.

Isolation

Um die Hitze beim Wiedereintritt zu überstehen sind besonders exponierte Stellen wie die Nase des OV mit Silicone Infused Reusable Ceramic Ablator (SIRCA-15F) Kacheln verstärkt. Diese sind für Temperaturen von maximal 3000 Fahrenheit (1634 Grad) ausgelegt. Der Rest der Rakete ist mit high temperature thermal blankets (HHB) und ceramic low temperature thermal blankets (LHB) belegt. HHB ist für maximal 2000 Fahrenheit (1079 Grad Celsius) geeignet und LHB für maximal 1200 Grad Fahrenheit (634 Grad Celsius). Die HHB sind wie SIRCA-F Fliessen, während das LHB in 76.2 × 154 cm großen Matten auf die Raketenhülle geklebt. Das HHB befindet sich an der Seite des OV, die der Wiedereintrittshitze ausgesetzt ist, das LHB an den anderen Seiten.

Smart Dispenser Oberstufe

Smart DispenserFür höhere Geschwindigkeiten, wie sie für GTO Missionen, Planetenmissionen oder elliptische Orbits benötigt wird, kann die Kistler K-1 eine Oberstufe mitführen, die anders als die ersten beiden Stufen nicht wieder verwendbar ist. Diese Oberstufe "Smart Dispenser" oder kurz SD wird in eine besondere Form des Nutzlastmoduls integriert. Das OV setzt den Smart Dispenser mit der Nutzlast in einem kreisförmigen 200 km Orbit aus, schließt das EPM nach dem Aussetzen wieder und landet.

Der Smart Dispenser beinhaltet ein Triebwerk mit 8.96 kN Schub und vier Heißgasdüsen zur Schubvektorkontrolle (identisch zum OMV). Das Triebwerk verbrennt die Treibstoffe Monomethylhydrazin (MNH) und Stickstofftetroxid (NTO) miteinander. Die Schubvektorkontrolle zersetzt MNH in Heißgasdüsen katalytisch. Die Düse des OMS hat ein sehr hohes Entspannungsverhältnis von 1:200. Der Smart Dispenser wiegt je nach Treibstoffzuladung maximal 4090 kg. Der Treibstoff befindet sich in 4 Tanks. Der Smart Dispenser hat einen eigenen Bordcomputer und Telemetrie (S-Band Sender zum Kontaktieren eines TDRSS).

Mehrfachstarts

Für den Transport von kleinen Satelliten in Konstellationen soll Astrium für Kistler einen Adapter entwickeln, der es erlaubte mehrere Satelliten mitzuführen. Das Multiple Payload Adapter System (MPAS) basiert auf der für die Ariane 4 entwickelten ASAP-4 Struktur.

Es gibt zwei Versionen: MPAS-1 ist ausgelegt für 3 größere Satelliten (Maximalmasse pro Satellit von 500 kg). Jeder Satellit kann einen maximalen Durchmesser von 130 cm und eine Höhe von 250 cm besitzen. MPAS-2 dient zum Start von kleineren Satelliten. Es kann bis zu 8 Satelliten mit einem Maximalgewicht von 125 kg pro Satellit mitführen. Jeder Satellit kann einen maximalen Durchmesser von 637 mm besitzen und eine Höhe von 800 mm.

MPAS-1 ersetzt die Nutzlast, während MPAS-.2 wie bei Ariane 4 noch Platz für eine Hauptnutzlast übrig lässt, die bei Einsatz des EPM maximal 434 cm hoch sein darf. Beide MPAS werden anstelle des Payload Adapters montiert und sind somit voll wieder verwendbar.

Es gibt weiterhin die Möglichkeit Experimente fest an das OV zu montieren, diese nutzen die OV praktisch als gigantische Höhenforschungsrakete. Es gibt dazu 3 Sektionen: Unter dem konischen Adapter zur ersten Stufe, zwischen LOX und Kerosin Tank, wo sich auch die Bordcomputer befinden und in der unteren Sektion des Nutzlastadapters SPM oder EPM. Diese Experimente sind fest montiert und werden nach der Bergung wieder demontiert. Die Nutzlast für Experimente ist beim OV auf 135 kg begrenzt, dafür kann diese bis zu 22 Stunden unter Mikrogravitation arbeiten und nicht nur wenige Minuten wie bei einer Höhenforschungsrakete. Auch am LAP kann man Experimente anbringen, doch dessen Freiflugphase mit Mikrogravitationsbedingungen ist auf 150 Sekunden beschränkt. Für größere Experimente gibt es auch eine besondere Version des SPM in welchem Experimente untergebracht und wieder zurückgeführt werden. Auch dieses bietet Mikrogravitationsbedingungen von bis zu 22 Stunden Dauer. Es basiert auf den Wiedereintrittskapseln die 1960 für das Discoverer Programm entwickelt wurden.

Das Startgelände

WoomeraAuch das Startgelände soll nicht neu erschlossen werden. Gibt es doch genügend Weltraumbahnhöfe auf der Erde. Kistler entschied sich für den australischen Startplatz Woomera. Dort starteten in den sechziger Jahren die Europa-1 Raketen. Es war auch eine Zeitlang im Gespräch als Startplatz für russische Raketen womit diese die COCOM Bestimmungen umgehen hätten können. Woomera liegt in der australischen Wüste, Es liegt bei 31.08 Grad südlicher Breite und 136.66 Grad östlicher Länge. Es lässt Starts in zwei Korridore von 45-60 Grad Neigung und 84-99 Grad Neigung zu. Rund um den Startplatz existiert ein 127000 km² großes Sperrgebiet. Bis zu 52 Starts pro Jahr sollen dort erfolgen können, da die Kistler K-1 - nach Auskunft der Firma - sehr schnell nach einem Start überholt und erneut startbereit gemacht werden kann.

Ein zweiter Startplatz soll, wenn das Geschäft erst mal floriert, in Nevada bei Las Vegas in Betrieb genommen werden. Es ist ein Air Force Gelände, das Nevada Test Range. Er liegt bei 37.17 Grad Nord und 116.27 Grad West. Auch hier sind Flüge mit Inklinationen von 45-60 und 84-99 Grad möglich.

Nutzlasten

Durch die hohe Leermasse der zweiten Stufe und dem ungünstigen Stufenteiler (Erste zu Zweite Stufe 1.9:1, Zweite Stufe zu Nutzlast 28.6:1) nimmt die Nutzlast für höhere Höhen rasch ab. Kistler gibt für Woomera folgende Nutzlasten an:

Höhe 200 km 400 km 600 km 800 km 1000 km
45 Grad Inklination 4600 kg 3900 kg 3400 kg 2700 kg 2100 kg
52 Grad Inklination 4400 kg 3700 kg 3100 kg 2500 kg 1900 kg
60 Grad Inklination 4200 kg 3500 kg 2800 kg 2300 kg 1700 kg
84 Grad Inklination 3200 kg 2700 kg 2100 kg 1600 kg 1000 kg
98 Grad Inklination 2800 kg 2300 kg 1700 kg 1200 kg 600 kg

Für kleinere Satelliten und für höhere Geschwindigkeitsanforderungen (GTO, Mars) ist die Oberstufe Smart-Dispenser gedacht. Typische Nutzlastmassen mit dem Smart-Dispenser:

Kistler K-1

Erststart: ?
Flüge 0
Startmasse: 381300 kg
Höhe: 36.9 m
Durchmesser: 6.7 m
Nutzlast: 4600 kg in eine 200 km hohe 45 ° Bahn

Stufe 1: Launch Assist Plattform
Startmasse: 250500 kg
Leermasse: 20500 kg
Höhe: 18.3 m
Durchmesser: 6.7 m
Masse bei Abtrennung: 36400 kg
2 Triebwerke AJ26-58 und
1 Triebwerk AJ26-59
Schub: 3 x 1543 kN / 1720 kN (Meereshöhe / Vakuum)
spezifischer Impuls: 2914 / 3249 m/s (Meereshöhe / Vakuum)
Treibstoff: LOX / Kerosin

Stufe 2: Orbital Vehicle
Startmasse: 131800 kg
Leermasse:  12250 kg
Höhe 18.6 m
Durchmesser: 4.3 m
1 Triebwerk AJ26-60
Schub: 1791 kN
spezifischer Impuls: 3386 m/s
Treibstoff: LOX / Kerosin

Stufe 3: Active Dispenser (optional)
Vollmasse: 4090 kg
Leermasse: 930 kg ?
spezifischer Impuls: 3200 m/s ?
1 Triebwerk mit 8.296 kN Schub
Treibstoff: MNH / NTO

 

Die Geschichte

Kistler ist eine private Firma. Sie hat selbst nur 50 Angestellte und wird geleitet von Dr. George E. Mueller. Natürlich kann man mit 50 Personen keine Rakete entwickeln. Kistler organisiert nur das Programm und überträgt den Bau der Rakete US Firmen, die schon lange im Trägerraketengeschäft tätig sind. Kistler wollte die Rakete in drei Phasen mit gesetzten Zielen entwickeln. Erst nach Abschluss der Zeile einer Phase sollte die nächste angegangen werden.

Phase I Design und Marktstudien

Die Firma Kistler Aerospace wurde gegründet von Walter Kistler und Bob Citron im Jahre 1993. Walter Kistler hatte schon im Jahre 1957 die Kistler Corporation gegründet, ein führender Hersteller von Quarzsensoren und war an der Kistler-Morse Corporation, einem Hersteller von wissenschaftlichen Geräten beteiligt. Bob Citron war Projektleiter beim Smithsonian Institution Astrophysical Observatory von 1956-1976. Im Jahre 1983 gründete er die Firma SPACEHAB, welche ein gleichnamiges Modul für den Space Shuttle entwickelte. Im April 1995 konnte die Firma Dr. George Mueller als Chairman gewinnen. Mueller ist sicher vielen Raumfahrtinteressierten bekannt: Er war von 1963-1969 Leiter des Manned Space Flight Program und damit verantwortlich für die NASA Projekte Gemini und Apollo. Er war es auch der Skylab vorschlug und für den Space Shuttle sich stark machte. Er hatte nach Apollo 12 die NASA verlassen. Mueller blieb der Firma treu, während andere prominente Personen, welche die Firma gewinnen konnte, wie der Astronaut Dan Brandenstein, die Firma wieder verließen.

Von Anfang 1994 bis September 1995 absolviert die Firma Phase I: In dieser Phase wurde das Design der Rakete festgelegt und der zukünftige Markt bestimmt und festgestellt ob es mögliche Kunden für die Rakete gäbe. Ende 1995 gab Kistler bekannt, das Phase I abgeschlossen wäre und alle Ziele erreicht wurden.

Phase 2 : Entwicklung der Rakete und Markteinführung

ITriebwerktest NK-33n Phase 2 von 1996-1999 sollte die Rakete entwickelt und getestet werden. Kistler gewann dazu wichtige Firmen aus dem Raumfahrtgeschäft:

Im August 1998 wurde Woomera als primärer Startplatz gewählt und ein Nutzungsvertrag unterschieben. Im Sommer 1998 erreichte bislang auch die Fabrikation der K-1 ihren bisherigen Höhepunkt und es arbeiteten bis zu 1000 Personen an der K-1. Kistler selbst produzierte nicht selbst, sondern vergab Aufträge an etablierte Firmen. Das unterscheidet sie z.B. von SpaceX, dem Hersteller der Falcon.

In dieser Phase wurden die Raketentriebwerke beschafft. Bis 1999 hatte Kistler 440 Millionen US-$ in die K-1 investiert. Space System Loral war bereit 100 Millionen USD für 10 Flüge zu zahlen, wenn die Rakete operationell ist. Zum Ende von Phase II sollten fünf K-1 Raketen gebaut werden und damit Phase III beginnen.

Im Jahre 2000 hatte Kistler 37 ihrer 58 NK-33 und 9 ihrer 18 NK-43 Triebwerke erhalten und bei Aerojet zur Überprüfung gelagert. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es 6 Tests des NK-33 Triebwerks mit einer Gesamtdauer von 526 Sekunden. Derzeit befindet sich Kistler immer noch in Phase II.

Phase III : Kommerzieller Einsatz

Ursprünglich sollte die K-1 schon im Jahre 2000 starten. Doch die Pleiten von Motorola (Iridium) sowie von Globalstar wirkten sich auch auf Investoren für Kistler aus. Es fehlte an Leuten die bereit waren in die K-1 zu investieren. Kistler ist eine typische Firma die auf Venture Kapital angewiesen ist. Dazu kam der weltweite Rückgang der Börsen, die weitere potentielle Anleger verschreckte. Grumman sprang mit einer Finanzspritze von 100 Millionen USD ein, doch seitdem hört man von der Kistler Company wenig neue Nachrichten. Im Jahre 1999 wurde verlautbart, dass die erste K-1 zu 85 % im Design und zu 75 % in der Hardware fertig gestellt wäre und man bislang 500 Millionen USD investiert habe. Im August 2004 gab Kistler bekannt, dass die erste Rakete im Design zu 100 Prozent und in der Hardware zu 75 Prozent fertig gestellt ist. Das bedeutet, dass die Hardwareentwicklung in den letzten 5 Jahren keine Fortschritte machte. Bis 2004 hat die Firma nach eigenen Angaben 800 Millionen USD in die K-1 investiert, davon 600 Millionen von privaten Investoren.

Bis Mitte 2005 lief ein Vertrag mit der NASA für die Mitführung von sieben Wiedereintrittsexperimenten zur Entwicklung von wieder verwendbaren Raketen an den ersten 4 Testflügen der Kistler K-1. Dafür erhielt Kistler 135 Millionen USD von der NASA. Im Dezember 2004, als ich diesen Artikel schreibe, steht der Erststart der K-1 noch aus.

Die Kistler - Revolutionäres System oder Luftblase ?

StufentrennungVon den wieder verwendbaren Raketen ist die Kistler K-1 sicher das noch konventionellste Design, welches weitgehend auf schon entwickelte Komponenten setzt. Kistler verspricht eine wieder verwendbare Rakete, die 100 mal wieder verwendet werden kann mit Reaktionszeiten von 30 Tagen. Das sind Versprechungen wie sie vor 30 Jahren für den Space Shuttle gemacht wurden. Dieses System konnte die Versprechungen nicht einhalten.

Die beiden Stufen werden durch Fallschirme abgebremst und landen auf Air Bags. Eine solche Bergung war schon für die Booster der Energija Rakete im Gespräch, doch da diese nur zweimal flog kam es nie dazu. Es ist anzunehmen, dass die Stufen sicher eine Landung überstehen. Die Frage ist ob damit wirklich ein kostengünstiges System verbunden ist, denn die Landung bleibt ruppig und die Rakete muss danach sicher genau gecheckt, eventuell auseinander genommen und repariert werden. Ob dies in 30 Tagen geht, kann nach den Erfahrungen beim Space Shuttle angezweifelt werden.

LAP LandungMit Sicherheit wird keine Rakete 100 mal verwendet werden, ohne dass wesentliche Teile ausgetauscht werden. Die NK-33 und 43 Triebwerke sollen nach 10 Flügen generalüberholt werden und nach 20 Flügen ersetzt werden. Sollte dies möglich sein, so wären mit den beschafften Triebwerken (Sie werden seit 30 Jahren nicht mehr gebaut) 280 Flüge möglich.

Nutzlast aussetzenRaketentechnisch gesehen ist die Kistler K-3 ungünstig konzipiert. Das Gewichtsverhältnis von erster und zweiter Stufe zu Nutzlast ist extrem ungünstig. Eine kleinere zweite Stufe und eine etwas größere erste Stufe wären besser gewesen. Durch die Verwendung der NK-33 und 43 Triebwerke waren aber der Schub schon festgelegt und schon für die 131 t schwere Stufe ist der Schub von 1759 kN sehr hoch. Die Nutzlast ist daher vergleichsweise gering. Sie beträgt nur 4600 kg bei 382 t Startmasse. Zum Vergleich: Die Zenit hat bei der gleichen Treibstoffkombination und ähnlich leistungsfähigen Treibstoffen eine Nutzlast von 13.74 t bei 436 t Startmasse. Die Nutzlast ist im Vergleich zu Startmasse dreimal höher. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass neben der Stufe auch das Nutzlastmodul in den Orbit transportiert wird. Sein Gewicht geht von der Nutzlast ab.

OV WiedereintrittWürde man die Startmasse von 382 t anders verteilen, so dass die erste Stufe 332 t wiegt und die zweite nur 50 t, so würde diese Rakete etwa 7200 kg Nutzlast anstatt 4600 kg transportieren können. Dies liegt an der Raketengrundgleichung, der Gesetzmäßigkeit nach der Geschwindigkeiten berechnet werden. Danach ist es ungünstig wenn das Verhältnis der Stufenmassen zueinander sehr hoch ist, wie bei dem Verhältnis der letzten Stufe von 131.8 t zur Nutzlast von 4.6 t. Wenn man gewährleisten kann, dass man die NK-43 Triebwerke mit nur 50 % des nominellen Schubs betreibt, wie dies möglich ist, dann kann man die zweite Stufe kleiner bauen. Dies vielleicht eine mögliche Idee für eine Kistler K-2. Alternativ kann man die Nutzlast auch steigern wenn man ein konventionelles System mit einer Nutzlastverkleidung nutzt die während des Aufstiegs abgesprengt wird. Das SPM wiegt sicher über eine Tonne, diese Masse geht von der Nutzlastmasse ab.

OV FallschrimflugNatürlich spielt dabei auch eine Rolle, dass beide Stufe noch Resttreibstoff behalten müssen um das Landemanöver durchzuführen. Dafür ist dieses System wieder verwendbar. Kistler gibt Startkosten von 17 Millionen USD für Missionen ohne Smart Dispenser und 25 Millionen mit dem Smart-Dispenser an. Der Smart Dispenser ist deswegen so verhältnismäßig teuer, weil er nicht geborgen werden kann. Damit ist die Rakete pro Kilogramm Nutzlast etwa halb so teuer wie eine Delta 2 und immer noch preiswerter als eine Sojus. Lediglich chinesische Trägeraketen liegen in derselben Preisklasse. Doch deren Preise sind politisch und nicht marktwirtschaftlich festgelegt.

Kistler sieht viele mögliche Kunden. Von dem Transport von Satelliten in Bahnen bis in 900 km Höhe über kleine GTO Nutzlasten und Planetensonden bis hin zu dem Anheben der ISS mittels Ankopplung der OV Stufe. Mittels eines Cargo Moduls sollte sogar 2500 kg Nutzlast zur ISS und 900 kg Nutzlast zur Erde zurückgebracht werden. Wäre die K-1 im Jahre 2003 verfügbar gewesen, so wäre dies sicher für die NASA eine Möglichkeit gewesen die Station zu versorgen, anstatt russische Progressflüge zu bezahlen.

OV LandungRealistischer ist das Aussetzen von Mikrosatelliten und Minisatelliten. Bis zu 8 Satelliten von jeweils maximal 125 kg Gewicht können gestartet werden. Alternativ auch 3 größere von jeweils 500 kg Gewicht. Auch die Nutzung der Rakete als Träger von Nutzlasten für Mikrogravitationsversuche und Rückführung dieser dürfte interessant sein. Das alles ist noch Zukunftsmusik, zumal der Markt für kleine Satelliten unter 2 t Startmasse in den letzten Jahren stark geschrumpft ist.

Ob die Kistler erfolgreich sein wird kann heute noch nicht gesagt werden. Dies wird auch von dem weiteren Fortschritt bei der Fertigung und den ersten Testflügen abhängen. Wenn die Rakete operationell wird, so wäre Sie eine gute Ergänzung zum US Raumfahrtprogramm, da:

Dies alles hängt allerdings auch von der Regierungspolitik ab, die in den vergangenen Jahrzehnten große Raumfahrtkonzerne bevorzugte. Für einen Erfolg der Kistler müsste die NASA diese Politik ändern.

Erstaunlich ist eigentlich warum die Kistler K-1 noch nicht fliegt. An der Rakete wurde bis zum Bankrott 10 Jahre lang gearbeitet, dabei gab es die Triebwerke schon. Sie mussten also nicht entwickelt werden. Unter Berücksichtigung das Kistler keine Triebwerke entwickeln musste, keine Testanlagen und Versuchsgeräte hergestellt hat und keinen Startkomplex erstellt hat ist der Verbrauch von 800 Millionen USD recht hoch. Die komplette Neuentwicklung der Ariane 1 mit einer ähnlichen Nutzlast inklusive 4 Versuchsstarts kostete etwa 2 Milliarden DM, also eine vergleichbare Summe. Eine ähnliche Summe gaben Boeing und Lockheed Martin für die Neukonstruktion der Delta und Atlas auf Basis schon existierender Triebwerke aus und diese Raketen waren in 5 Jahren fertig und fliegen heute.

Am 29.3.2005 hat sich die Situation verschärft. Kistler beantragte Bankrott nach "Chapter 11" des Insolvenzrechts der U.S.A. Chapter 11 gibt dem Unternehmen Gelegenheit sich zu konsolidieren oder nach neuen Anteilseignern zu suchen. Das eingesetzte Kapital der Anteilseigner ist jedoch verloren. Bis dahin hatte die Firma 800 Millionen USD an Kapital verbraucht. Im März 2005 wurde die Firma wieder aus Chapter 11 herausgenommen, doch alle Entwicklungsarbeiten abgebrochen. Der Hauptinvestor Bay Harbour Management reduzierte im Oktober 2005 seine Investitionen und so mussten die meisten Angestellten entlassen werden. Am 1.3.2006 wurde verlautbart, dass George French, der Hauptanteilseigner der Firma Rocketplane Limited, Inc. Kistler für eine unbekannte Summe aufgekauft hat. Rocketplane arbeitet an einem suborbitalen Raumtransporter für "Weltraumtourismus" (Die Anführungszeichen deswegen, weil die Passagiere nur einige Minuten lang Schwerelosigkeit auf einer suborbitalen Bahn erleben). Kistler soll sein Hauptquartier von Seattle nach Oklahoma City verlegen und der NASA ein Angebot für den Frachttransport zur ISS anbieten. Kistler soll nun nur noch etwa ein Dutzend Mitarbeiter haben. Wie viel Rocketplane für Kistler zahlte und wann die K-1 fliegen sollte wurde nicht verlautbart.

Überraschenderweise bekam Kistler im September 2006 einen Kontrakt über 207 Millionen US-$ im Rahmen des COTS Programmes bei dem die unbemannte Versorgung der ISS getestet werden soll. (Zweiter Kontraktor ist SpaceX mit der Falcon). Ob dies aber ausreicht, dass die Kistler K-1 fliegt ist noch offen, denn das gesamte Geld gibt es natürlich nach dem Flug und nicht vorher. Wahrscheinlich war die COTS Ausschreibung mit ein Grund für die Übernahme der Firma, da man ja schon eine zu 75 % fertige Rakete vorweisen kann. Allerdings gibt es noch viel zu tun. Der Kerosintank der Oberstufe ist erst zu 35 % fertig und das Payload Module erst zu 25 %. Etwa ab 2009/10 soll der erste der 3 Versuchsflüge stattfinden. In diesen muss im Orbit simuliert werden, dass die Rakete Nutzlast zur ISS transportieren kann. Müll von ihr entsorgen und Nutzlast zur Erde zurückbringen.

Im Juli 2007 gab ein Sprecher von Rocketplane bekannt, dass es weitere Probleme gäbe Geld für die Kistler K-1 aufzutreiben. Man benötige weitere 600 Millionen US-$, so dass selbst nach dem NASA Kontrakt noch 400 Millionen US-$ fehlen. Das Interesse privater Investoren auf das man hoffte sei bislang noch nicht so groß wie erhofft. Das hat im Juli 2007 dazu geführt, dass die NASA ein formales Verfahren zum Streichend es Kontraktes mit Rocketplane gestartet hat. An dessen Ende steht die Streichung des Kontraktes, da Rocketplane immer noch 500 Millionen US-$ fehlen sollen. Dies fand im Oktober 2006 statt. In einer zweiten Runde bekam OSC den Vertrag von Kistler am 22.1.2008 zugesprochen.



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