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Die KSLV Trägerraketen

SüdKorea ist schon lange kein Entwicklungsland mehr. Das Land ist Heimat von Samsung, einem der größten Elektronikkonzernen und von Hyundai , dem weltgrößten Hersteller von Schiffen. Das eigene Raumfahrtprogramm ist dagegen klein. Seit 2006 hat Südkorea 18 Satelliten gestartet. Davon sind nur zwei militärischer und drei kommerzieller Natur. Versuche eigene Trägerraketen zu entwickeln wie andere Schwellenländer wie Brasilien oder Indien gab es nicht. Die Versuche des Nachbarns Nod Koea eine eigene Trägerrakete zu entwickeln haben dies aber geändert und so arbeitet Südkorea seit 2002 an drei Trägerraketen.

Die Naro

Südkorea plant unter der Bezeichnung KSLV (Korea Space Launch Vehicle) ebenfalls eine eigene Trägerrakete. Im Jahre 2002 wurde geplant, auf Basis der selbst entwickelten Höhenforschungsrakete KSR eine Trägerrakete zu bauen. Die erste Stufe sollte flüssige Treibstoffe einsetzen und 130 kN Schub besitzen. Als Oberstufen waren zwei Feststoffantriebe vorgesehen. Schon 2004 gab Koreas Regierung eine gravierende Änderung bekannt. Das russische Unternehmen GKNPZ Chrunitschew sollte nun für 200 Millionen Dollar die erste Stufe entwickeln, die auf der Angara Core basiert. Die zweite Stufe mit einem Feststoffantrieb stammt von Südkorea. Bei einer Startmasse von 133 t wird diese KSLV-I nur 100 kg in einen 800 × 1500 km hohen Orbit transportieren. Auch die Startanlage auf der Insel Oenaro (Bei 34 Grad Nord, 127 Grad Ost) wird von Russland errichtet. Alleine 250 Millionen Dollar wurden in das Weltraumzentrum Naro Space Center investiert. Die Entwicklung der KSLV-I kostet insgesamt 488 Millionen Dollar. Davon entfallen 286 Millionen auf die KSLV alleine, der Rest auf Startanlagen und sonstiges. Nach dem dritten Start wurden 500 Millionen Won, dieselbe Summe, nun aber wegen des veränderten Wechselkurses 450 Millionen Dollar für die ersten drei Starts genannt. Da dies für eine Trägerrakete dieser Größe sehr viel ist, könnte es sich auch um die schon bekannten Investitionskosten in der Gesamtprogramm handeln.

Die erste Stufe der KSLV soll zu 80% identisch mit der Angara sein. Sie hat auch denselben Durchmesser von 2,90. Ein wesentlicher Unterschied ist der Einsatz eines neuen Triebwerks, des RD-151. Der Schub des RD-151 ist etwas geringer als der des RD-191 beim Angara URM. (1646 kN verglichen mit 2080 kN beim RD-191). Das RD-151 wird als RD-170 Derivat bei Energomasch geführt. Es ist wahrscheinlich ein RD-191 mit geringeren Anforderungen (niedriger Brennkammerdruck). So ist der Schub etwas geringer und seine Entwicklung konnte vor dem RD-191 abgeschlossen werden konnte, das sich im Juli 2009 noch in der Testphase befand. Chrunitschew soll 10 Stufen für die KSLV liefern. Der Auftrag für Chrunitschew hat einen Auftrag von alleine 200 Millionen Dollar.

Über die zweite Stufe gibt es nur geringe Angaben. Sie dürfte recht klein sein, da die Rakete zum einen hier im Durchmesser auf 0,95 m abnimmt und die Stufe nach den Fotos nur 2 m lang ist. Zum anderen ist auch die Nutzlast von 100 kg im angegebenen Orbit (die etwa 200 kg in einen erdnahen Orbit entspricht) sehr gering.

Ursprünglich sollte der Start 2005 erfolgen wurde jedoch mehrfach verschoben. Zuletzt wegen eines Defekts an der Treibstoffpumpe. Er ist nun für den August 2009 geplant, der zweite Start für April 2010. Im Juli 2009 wurde die KSLV I in Naro-1 umbenannt, nach dem Naro Space Center von dem sie aus starten soll. Am 19.8.2009 bracht Südkorea den Start wenige Minuten vor dem Abheben hab. Die Ursache wurde nicht öffentlich gemacht. Die Rakete wurde danach in einen Hangar gebracht und ein neuer Startversuch soll erst nach Konsultation russischer Experten gewagt werden.

Am 25.8.2009 fand dann der zweite Startversuch statt. Eine der beiden hälften der Nutzlastverkleidung löste sich nicht, und so erreichte der Satellit keinen Orbit. Anders als bei dem Start der Unha-2 mit dem nordkoreanischen Satelliten im April, der ebenfalls vorher angekündigt war, gab es diesmal keine Proteste von Ländern weil eine UN Resolution gebrochen wurde. Die Resolutionen 1695, 1718 und 1874 des UN-Sicherheitsrats, die Nordkorea jede Aktivität im Zusammenhang mit ballistischen Raketen verbieten. Dies gilt aber auch für Südkorea.....

Auch der zweite Start der KSLV erfolgte nachdem der Start am Vortag abgesagt wurde am 10.6.2010. Nach 137 s explodierte die Naro-1. Diesmal erfolgte dies während des Betriebs der ersten Stufe. Eine Untersuchung seitens Chrunitschew ergab keine Fixierung der Fehlerursache. Nach Aussage des Direktors von Chrunitschew ergab die Auswertung der Telemetrie keine Fehlfunktion seiner Stufe. Es schlossen sich nun Streitereien an, wer am Fehlstart schuld ist. Das verzögerte den nächsten Start. Er sollte schon 2011 erfolgen. doch nun sollte erst eine dreissigköpfige Untersuchungskommission feststellen wo der Fehler lag. Später wurde bekannt das es ein nicht genauer benannter Fehler der zweiten Stufe von KAR Industrie war.

Nord Korea, das nach einem Jahrzehnt Pause wieder sein Trägerraketenprogramm aufnahm versuchte nun vor Südkorea einen Start durchzuführen. Die ersten beiden am 5.4.2009 und 12.4.2012 scheiterten, doch schon acht Monate später gelang beim dritten Versuch mit der Unha 3 der Start des ersten koreanischen Satelliten.

Erst am 30.1.2013, also knapp zwei Monate zu spät gelang der dritte Start der Naro-1. Der Satellit STSSAT 2C (Science and Technology Satellite 2C) gelang eine 292 x 1511 km hohe 80,3 Grad geneigte Umlaufbahn. Er wog nur 100 kg. Der Start hatte sich mehrfach vorher verzögert. Er sollte ursprünglich am 17.11.2012, also noch vor dem Start der Unha stattfinden, wurde aber 17 Minuten vor der Zündung wegen eines elektrischen Problems abgebrochen.

Der KSLV I sollte schon 2010 die KSLV II mit einer zweiten Stufe mit flüssigen Treibstoffen folgen, wahrscheinlich die erste Stufe der KSR. Sie soll 1.000 kg in einen Orbit transportieren und die erste Stufe soll 200 anstatt 170 t Schub wie bei der KSLV I aufweisen. Die 200 t Bodenschub passen recht gut zum RD-191 Triebwerk, das zumindest in der KSLV II zum Einsatz kommen könnte. Mittlerweile gab Südkorea bekannt, dass sich der Jungfernflug der KSLV II bis 2017 verzögern könnte. Bis 2015 sollte nach ursprünglichen Planungen die noch stärkere KSLV III folgen, die mit drei Stufen 1.500 kg in einen sonnensynchronen Orbit transportieren kann. Wann nun ihr Erstflug erfolgt, ist noch offen.

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.

Die Nuri

Nach der Naro als Erstling, der vor allem auf russischer Technologie basierte, ging Südkorea an die Konstruktion einer eigenen Trägerrakete basierend auf eigener Technik. Dies dauerte und so liegen zwischen dem letzten Flug der Naro und dem ersten der Nuri acht Jahre. Die „Nuri“, koreanisch für „Welt“ hat drei Stufen, alle setzen LOX/Kerosin-Triebwerke ein. Südkorea nennt SpaceX als ein Rollenmodell für die Entwicklung. Die Rakete hat auch die Bezeichnung KSLV-II (Korean Space Launch Vehicle-II). Die Entwicklung erfolgte durch das Korea Aerospace Research Institute (KARI). Die Fertigung der Rakete erfolgt durch die Korea Aerospace Industries, Ltd. Insgesamt sind 300 Firmen an der Entwicklung der Nuri beteilligt, 75 Prozent des Budgets gehen an die Industrie.

Die erste und zweite Stufe setzen das Triebwerk KRE-075 ein, so benannt nach dem nominellen Schub von 75 t. Die erste Stufe setzt vier Triebwerke ein, die zweite ein KRE-075 mit einer längeren Düse für den Vakuumbetrieb. Das Triebwerk der dritten Stufe KRE-007 hat einen zehnmal kleineren Schub. Alle drei Triebwerke setzten einen Gasgenerator Antrieb ein. Treibstoff ist Jet-A ein Flugzeugtreibstoff und eine Kerosinfraktion.

Die Entwicklung begann nach der Naro, wobei man zuerst das kleinere Drittstufentriebwerk anging. Im März 2014 erfolgte der erste Test der KRE-007 Brennkammer, im Juli 2015 folgte der erste Test eines kompletten Drittstufentriebwerks. Seine Entwicklung verlief unauffällig. Elf Triebwerke wurden gefertigt. Sie haben eine kumulierte Brennzeit von 16,385,7 Sekunden erreicht. Mehr Arbeit erforderte das KRE-075 Triebwerk, da es Verbrennungsinstabilitäten aufwies.

Am 28.1.2016 bekam Hanwha Technologies den Auftrag beide Triebwerke zu produzieren. Er hatte einen Umfang von 14,1 Milliarden Won, damals 1,77 Milliarden US-Dollar.

Im Februar 2016 konnte die zweite Phase der Entwicklung abgeschlossen werden. Die Verbrennungsinstabilität des 75 t Triebwerks war beseitigt worden und die Technologie für das Schweißen der Tanks der zweiten Stufe war entwickelt.

Am 3. Mai 2016 war ein erster Test des redesignten KRE-075 Triebwerks erfolgreich. Sukzessive wurde nun die Brenndauer verlängert. Am 8. Juni 2016 waren schon 75 Sekunden erreicht und am 28 Juli 2016 lief das Triebwerk über die volle Brenndauer von 145 Sekunden. Zum Entwicklungsabschluss waren es 168 Tests an 25 Triebwerken mit einer Gesamtzeit von 16.690 s und einer längsten Brennzeit von 260 Sekunden. Es soll in der ersten Stufe 123 s lang brennen und in der zweiten 142,2 s lang. Die Triebwerke wiegen 912 kg (KRE-975 SL), 1.115 kg (KRE-075 V) und 187 kg (KRE-007). Die Tankwände der ersten Stufe sind 2,5 bis 3mm stark und widerstehen einem Druck von 4 bis 6 bar.

Im Oktober 2016 ging Südkorea an die Tests der zweiten Stufe. Bis zum Abschluss gab es 200 Tests des Triebwerks. Insgesamt wurde das Design des KE-075 zwanzigmal geändert.

Ein neue Startplattform beim Naro Space Center auf einer Insel südlich von Südkorea wurden von Hyundai Heavy Industries gebaut, die bekannter sind für den Schiffbau: sie sind die größte Werft weltweit. Eine Erweiterung des Naro Weltraumbahnhofs für die Nuri kostete 32 Millionen Dollar.

Um das KRE-075 Triebwerk zu qualifizieren, baute die KARI eine eigene Testrakete. Die KSLV II TLV (Test Launch Vehicle). Sie wog 52,1 t, davon war aber der Oberteil ein Massensimulator der die dritte Stufe, Nutzlastverkleidung und die Nutzlast ersetzte, sodass sie leer nur 14 t wog. Später könnte – mit einem schubgesteigerten Triebwerk - diese Rakete in zweistufiger Version für kleinere Nutzlasten eingesetzt werden. Ihr Testflug im November 2018 war erfolgreich. Sie sollte 140 s lang brennen und 148 km Höhe erreichen. Beim Testflug am 18.11.2018 wurden aber 151 s Brennzeit und 209 km Gipfelhöhe erreicht. Damit war das Triebwerk KRE-075 SL qualifiziert und die zweite Stufe teil-qualifiziert. Ein zweiter Testflug wurde daher abgesagt.

Der Jungfernflug am 21.10.2021 sollte einen 1,5 t schweren Massensimulator in einen 700 km hohen Orbit befördern. Die dritte Stufe fiel aber 46 Sekunden vor Brennschluss aus, sodass zwar ein Apogäum von 700 km Höhe erreicht wurde, aber das Perigäum noch zu tief lag. Eine Untersuchung ergab, dass der Heliumtank aufgrund des erhöhten Auftriebs während des Fluges aus seiner Verankerung im Sauerstofftank der Rakete gefallen war. Dort bewegte er sich frei und verursachte Risse im Tank und den Treibstoffleitungen zudem vermischte sich das Helium mit dem Sauerstoff. Der Abfall des Treibstoffdrucks löste im Triebwerk dann das Abschaltsignal aus.

Pläne für die Weiterentwicklung sehen zum einen schubgesteigerte Triebwerke vor – 90 anstatt 75 t Schub (KRE-090) in den ersten beiden Stufen und 10 t Schub mit einer neuen Technologie – dem sauerstoffreichen staged combustion Antrieb in der dritten Stufe. Dies wäre nach Russland der erste Einsatz dieser Technologie in einem kleinen Triebwerk. SpaceX und Blue Origin setzten sie in ihren Erststufentriebwerken ein, die jedoch zwanzigmal schubstärker sind. Das Triebwerk soll bei einem Brennkammerdruck von 200 bar einen spezifischen Impuls von 3433 m/s erreichen, weniger als 280 kg wiegen und eine Brennzeit von 600 Sekunden aufweisen. Es wäre dreimal wiederzündbar. Eine Grundvoraussetzung für geostationäre Satelliten oder um höhere kreisförmige Umlaufbahnen zu erreichen. Mit den verbesserten Triebwerken soll die Nutzlast der KSLV II 2,7 t in den SSO betragen also gegenüber dem ersten Modell verdoppelt werden. Offen ist ob auch dafür die Tanks verlängert werden.

Ergänzt man diese verbesserte Version mit vier Boostern, die jeweils ein KRE-090 Triebwerk haben, im Prinzip ein Nachbau der Zweitstufe, so erhält man die KSLV III die auch den geostationären Orbit erreichen soll.

Die Nuri ist geplant für den Start koreanischer Erdbeobachtungssatelliten wie Kompsat. Ein Start soll 30 Millionen Dollar kosten. Das wäre für eine Rakete dieser Nutzlast und Größe relativ preiswert.

Die Nutzlast der Nuri von 2,6 t in einen 300 km hohen LEO-Orbit und 1,5 t in einen 700 km hohen sonnensynchronen Orbit ist angesichts der technischen Daten der Triebwerke zu niedrig. Die Rakete ist in der Masse und dem spezifischen Impuls einer Titan 3A unterlegen, doch diese hatte eine Nutzlast von 3,8 t in einen SSO. Der Autor errechnet für das Typenblatt mit relativ konservativen Werten für die Trockenmasse eine Nutzlast von 4 t in 300 km LEO. Die Stufenlängen sind aus Diagrammen abgeschätzt, die Treibstoffmasse aus Brennzeit x spezifischen Impuls berechnet und die Trockenmasse geschätzt.

Für ersten Start wurden folgende Daten genannt:

Auffällig ist auch, dass die hohe Bahn direkt angeflogen wird, eine energetisch ungünstige Methode die auch den starken Nutzlastabfall gegenüber dem LEO erklärt. Zudem wird die Nutzlastverkleidung sehr spät abgetrennt. Typisch erfolgt die Abtrennung in rund 110 km Höhe. Da die Nutzlastverkleidung etwa 0,8 bis 1 t wiegen dürfte, senkt dies die Nutzlast ebenfalls stark ab.

Links:

http://journal.kspe.org/xml/13481/13481.pdf

https://en.yna.co.kr/view/AEN20181128008452320

https://www.dongascience.com/news.php?idx=44301

https://www.kari.re.kr/eng/sub03_04_01.do

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

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