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Space Launch System SLS

Anders als die Ares I lebt das Referenzdesign der Ares V weiter. Im Januar 2011 wurde als Nachfolge der Ares V das Space Launch System SLS vorgeschlagen. Das SLS ist in der ersten Ausbaustufe eine Nummer kleiner als die Ares V. Die erste Version soll 70 bis 100 t in einen Erdorbit befördern. Es soll erweiterbar auf eine Nutzlast von 130 t, also die der Saturn V sein. Ein weiterer Unterschied ist, dass vorgesehen ist, damit die nun in MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle) umgetaufte Orion zu starten, während bei der Ares V kein bemannter Einsatz geplant war. Der Beschluss der Entwicklung war ein Unikum, denn anders als das Orion-Raumschiff, an dem die NASA festhalten dürfte, und das nur in MPCV umgetauft wurde (Multi-Purpose-Crew-Vehicle), war die SLS kein Vorschlag der NASA. Der Senat bewilligte 2010 eine erste Studie über 58 Millionen Dollar, Die NASA beantragte für 2012 ein Budget von 1,5 Milliarden Dollar. Sie bekam aber 1,9 Milliarden vom Kongress, mit der Auflage innerhalb von 60 Tagen die Entwicklung der SLS zu starten. Kritiker des Systems bezeichnen es daher schon als „Senate Launch System“. 2011 und 2012 investierte die NASA rund 3,04 Milliarden Dollar in das SLS. In den nächsten Jahren sind pro Jahr weitere 1.340 bis 1.430 Millionen pro Jahr vorgesehen, knapp die Hälfte des „Exploration Systems“ Budgets.

Die SLS soll in zwei Ausbaustufen erfolgen. Das Design der ersten Version ist noch nicht vollständig definiert, bei der zweiten Stufe laufen noch die Ausschreibungen für Konzepte. Die SLS in der ersten Stufe 11,7 Milliarden Dollar in der Entwicklung kosten. Eine erweiterte Version soll bis 2030 zur Verfügung stehen und dann (nach inoffiziellen NASA Schätzungen) rund 41 Milliarden Dollar kosten. Die Herausforderung ist, dass üblicherweise bei Projekten es eine parabelförmige Kurve bei den Kosten gibt, sie also zuerst auf einen Höchststand steigen um danach abzufallen. Die NASA muss nun mit einem konstanten Budget auskommen, dass sie nicht überschreiten darf.

Die erste Version des SLS basiert noch mehr als die letzte Version der Ares V auf der Space Shuttle Technologie. Kritiker meinen man habe im Prinzip die Restbestände des Shuttleprogrammes nun noch einer Nutzung zugeführt. Das SLS setzt in der ersten Version die 5-Segment SRB der Ares I ein, nicht die größeren der Ares V. Diese 5-Segmentbooster wurden auch schon für das Shuttleprogramm vorgeschlagen. Damit sind die Entwicklungskosten überschaubar. Drei Tests sind schon erfolgt. Es gab über 750 Änderungen an den Boostern. Der erste Test einer Qualifikationseinheit ist für 2013 geplant. Eine Bergung ist nach den Abbildungen nicht geplant. Sie gehen 331 s nach dem Start auf dem Atlantik nieder.

Die Zentralstufe hat anders als bei der Ares V wieder den Durchmesser des Space Shuttle Tanks und setzt auch fünf RS-25 Triebwerke (die SSME des Space Shuttles ein). Das ist eine Rückbesinnung auf die ersten Ares V Entwürfe, die genau diese Konfiguration vorhersahen. Sie hat getrennte Tanks für Flüssigen Wasserstoff (unten) und flüssigen Sauerstoff (oben). Das erlaubt es an der strukturell verstärkten Zwischentanksektion die obere Befestigung der Booster anzubringen. Der Sauerstofftank ist durch Stringer verstärkt, der Wasserstofftank nicht. Boeing ist Hauptkontraktor für die Zentralstufe und die Avionik.

Das RS-25E, eine neue Version des RS-25 wird einen neuen Triebwerkskontroller erhalten, der schon für das Space Shuttle Programm vorgesehen war, aber nach Columbia nicht mehr zum Einsatz kam. Leistungsfähigere Mikroprozessoren sollen viel früher als bisher Auffälligkeiten in den Betriebsparametern erkennen und das Triebwerk vor einem katastrophalen Ereignis abschalten. Derselbe Kontroller kommt auch beim J-2X zum Einsatz. Die Verbindungen zu den Treibstoffleistungen werden vereinfacht und die Düse ebenfalls. Eine „Low Cost“ Verbrennungskammer soll das Triebwerk ebenfalls verbilligen. Schließlich ist nun nicht mehr die Wiederverwendung und ein Betrieb über 30.000 s gefordert. Dafür hat es einen höheren Schub von 111% des Normallevels. Das ist der höchste bei Serienexemplaren bei Tests verifizierte Schub. 16 alte RS-25 stehen für die ersten Testflüge zur Verfügung.

Die anfängliche Konfiguration kommt noch ohne Oberstufe aus. Sie setzt bei bemannten Missionen die Nutzlast mit der Oberstufe auf einer suborbitalen Bahn mit einem Apogäum von 240 km aus. Für unbemannte Missionen wird eine elliptische Umlaufbahn mit einem Apogäum von 1806 km angestrebt. Hier wird eine Nutzlastverkleidung von 8,38 m Durchmesser eingesetzt. Bemannte Missionen nutzen dagegen einen Fluchtturm der nach Ausbrennen der Feststoffbooster abgetrennt wird.

Die Block I Version sollte anfangs noch mit drei RS-25 auskommen. 2012 wurde das Konzept so abgewandelt, dass es vier Triebwerke sind. Sie ist auf eine Zuverlässigkeit von 0,999 ausgelegt.

Die Oberstufe wird erst danach entwickelt werden. Die Rückbesinnung auf die RS-25 hat zwar den Vorteil, dass die Rakete nun „man rated“ ist, was die Ares V nicht war. Nur die kleine Variante ist allerdings für bemannte Flüge vorgesehen. Kritiker halten sie für unnötig teuer.

Die zweite Version (Block II) soll neue Booster einsetzen, wobei hier noch offen ist ob diese flüssige Treibstoffe einsetzen oder Feststoffbooster mit der aktuellen Technologie (höherer Brennkammerdruck, CFK-Werkstoffe für niedrigere Leermassen und Treibstoffmischungen mit höherem Aluminiumanteil und mehr Energie). Bis zum Frühjahr 2015 läuft eine 30 Monate dauernde mit 200 Millionen Dollar dotierte Ausschreibung für die Boosterentwicklung. Nach Ansicht der NASA könnte der Booster bis 2020 einsatzbereit sein. Die zweite Version soll mindestens 130 t Nutzlast aufweisen. Die Booster alleine sollen die Nutzlast von 70 t auf 105 t anheben, die Oberstufe dann auf 130 t.

Die Oberstufe sollte zwei Triebwerke vom Typ J-2X einsetzen. Zwei Triebwerke sind vorgesehen. Der Wasserstofftank hat eine Länge von 11,15 m und einen Durchmesser von 8,5 m. Das Volumen beträgt 495 m³ und er nimmt 32,5 t Wasserstoff auf. Er wiegt nur 4,2 t. Bei dem nominalen Mischungsverhältnis von 5,5 zu 1 resultiert so eine Treibstoffzuladung von 211,25 t.

Die Zentralstufe soll nun fünf RD-25 aufweisen. Das fünfte Triebwerk ist möglich, weil durch die mitgeführte Oberstufe die Spitzenbeschleunigung kleiner ist. Bei Block I erreicht sie 5,0 g zum Brennschluss der Zentralstufe. Auch ist an eine größere Nutzlastverkleidung gedacht. Sie weist einen Durchmesser von 10,06 anstatt 8,38 m auf.

An Vorschlägen gab es bisher folgende:

• Boostern mit flüssigen Treibstoffen mit einem noch zu entwickelten LOX/RP-1 Triebwerk der 9 MN Schubklasse.

• Von Dynetics wird der Einsatz der F-1 oder F-1A Treibwerke der Saturn 5 vorgeschlagen. Je zwei Stück würden einen Startschub von 13.400 bzw. 16.000 kN aufweisen. Jeder Booster hätte einen Durchmesser von 5,49 m und wäre so lang wie ein SRB. Diese Booster würde die Nutzlast auf 150 t anheben. Dynetics, die Rocketdyne übernommen haben, erhielt einen hohen „Score“ in einer ersten Beurteilung des Vorschlags. Die NASA hat zumindest die Turbopumpe eines F-1 aus dem Museum geholt und erneut getestet.

• Aerojet schlägt dagegen vor, die NK-33 Triebwerke in den USA zu produzieren und für Booster zu verwenden. Da sie nur etwa 1.500 kN Bodenschub haben benötigt man aber sehr viele für einen Booster – acht NK-33 entsprächen dem Schub von zwei F-1.

• ATK setzt dagegen neuartige, leichtgewichtige Feststoffbooster.

5 Vorschläge gab es insgesamt. Das zeigt auch, warum der Senat das Programm gebilligt hat, denn das Auslaufen des Space Shuttle Programms bedeutet den Verlust von tausenden von Jobs und diese werden mit dem SLS erhalten. Nun versucht jeder gerade das Produkt zu platzieren das er produziert oder für das er die Rechte hat. Dynetics eben das F-1 und Aerojet die NK-33.

Die Oberstufe sollte ersten Entwurf (Block 1A) zwei Triebwerke vom Typ J-2X einsetzen. Der Wasserstofftank hat eine Länge von 11,15 m und einen Durchmesser von 8,5 m. Das Volumen beträgt 495 m³. Er nimmt 32,5 t Wasserstoff auf. Er wiegt nur 4,2 t. Beim nominalen Mischungsverhältnis von 5,5 zu 1 resultiert so eine Treibstoffzuladung von 211,25 t. Nachdem das J-2X das Qualfikationsprogramm durchlaufen hatte beendete die NASA die Entwicklung aus Budgetgründen.

Stattdessen gibt es nun zwei neue Oberstufen: Die Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS) ist eine angepasste Delta 4 DCSS. Die Anpassungen der ICPS sollen 150 Mill. Dollar kosten. Sie wird 2021 im Block 1B Konzept von einer Exploration Upper Stage (EUS) abgelöst werden. Auch diese setzt kein J-2X ein, stattdessen vier RL10C. Diese Stufe hat einen 8,38 m großen Wasserstofftank, der Sauerstofftank 5,5 m Durchmesser. Die Zwischentanksektionen und Heckstruktur bestehen aus CFK-Werkstoffen. Boeing hat einen 5,5-Tank aus CFK-Werkstoffen hergestellt der 20% leichter und 30% billiger ist als ein Metalltank. Er könnte als Sauerstofftank eingesetzt werden. Da vier RL10 einen kleineren Schub als ein J-2X haben wird sie nur 128,3 t Treibstoff aufnehmen. Die EUS ist noch in einer frühen Designphase, es gibt noch keine Mittel für die Entwicklung. So wird auch der Einsatz der europäischen Vinci Triebwerk der Ariane 6 erwogen. Sie haben einen höheren Schub, sodass zwei anstatt vier Triebwerke ausreichen. Zudem könnte man hier kosten sparen indem die ESA die Entwicklung zahlt und man so den Betrieb der ISS ab 2020 kompensieren kann. Bis 2018 erfolgte das durch die ATV, danach durch Servicemodule für die Orion. Eine bisher nicht öffentlich genannte Alternative wäre das BE-3 von Blue Origin das 490 bis 630 kN Schub hat und auf 670 kN gesteigert werden soll. Da es schubstärker ist würde es eine größere Stufe ermöglichen und so die Nutzlast steigern.

Vor 2017 wird es keinen Testflug einer unbemannten Version geben, vor 2021 keinen bemannten Start. Block II liegt sogar in einer noch unbestimmten Zukunft. Auch später wird es zu wenigen Einsätzen kommen. Maximal zweimal pro Jahr könnte die SLS starten – zu wenig zur eine bemannte Marsmission die mindestens fünf Starts der erweiterten Version erfordert. Die NASA plant sogar nur einen bemannten Flug alle zwei Jahre. Kritiker des Systems argumentieren, dass die Augustine Kommission festgestellt hatte, dass man nur eine Trägerrakete mit einer Nutzlast von 40 bis 60 t benötigt, um „Exploration“ zu betreiben. Anstatt einem Flug einer Schwerlastrakete wäre es einfacher, mehrere kleine Raketen mit Treibstoffdepots zu starten. Sowohl Atlas V, wie auch Delta 4, könnten soweit aufgerüstet werden, dass sie in dieser Nutzlastklasse lägen. Auch die Flüge wären billiger, da es Synergien mit der schon etablierten Serienproduktion gäbe.

Wofür die SLS genutzt werden kann ist auch offen. Neben der SLS wird nur die Orion entwickelt. Damit sind Erkundungsflüge um den Mond oder nahe Passagen an erdnahen Asteroiden möglich. Weder eine Mondlandung, noch eine Langzeitmission wie eine Marslandung ist damit durchführbar. Daher wird auch die SLS als Lösung für unbemannte Programme vorgeschlagen. Eine andere Anwendung wäre der Umbau des Wasserstofftanks der Oberstufe zu einem „Skylab II“ für vier Astronauten. Dieses könnte dann ohne die Oberstufe in einen Orbit gebracht werden./p>

Da sich schon 2012 abzeichnete, dass die Oberstufe mit dem J-2X Triebwerk noch lange auf sich warten lassen wird, plant die NASA als Zwischenlösung eine „Interim Cryogenic Propulsion Stage“, (ICPS) die RL-10B2 Triebwerke einsetzen soll. Ohne diese Stufe wäre die SLS auf Erdorbitmissionen beschränkt. Mit ihr könnte man sie für unbemannte Starts von schweren Nutzlasten wie einer Mission die Bodenproben vom Mars zur Erde bringt oder großen Weltraumobservatorien nutzen. Im Mai 2012 wurde bekannt dass dies eine Delta IV Zweitstufe sein soll, die modifiziert wird. Sie wird bei den ersten beiden Missionen EM-1 (2017) und EM-2 (2021) zum Einsatz kommen. Mit der DCSS erreicht die SLS Block I immerhin eine Nutzlast von mehr als 25 t für Mondmissionen. Sie wird von der Zentralstufe mit der Nutzlast in einen Orbit gebracht und erst dort gezündet. Ihr relativ kleiner Schub von 11 t bei einer Startmasse von 60 t ist dann kein Nachteil mehr.

Das Launchpad 39B im Kennedy Space Center wird für Starts der SLS umgebaut werden.

Obgleich an der SLS seit Einstellung der Ares I gearbeitet wird, da der Senat die Mittel dafür bereitstellte und die Arbeit zur Auflage machte, wurde die SLS "richtiges" endgültig beschlossenes NASA-Programm formal erst am 27.8.2014. Es wurde angekündigt, dass die Rakete vom Februar 2014 bis zum Jungfernflug (geplant für den November 2018) 7,021 Milliarden Dollar kosten soll. Dabei gibt die NASA ehrlich zu, dass dies ein ehrgeiziges Ziel ist und es mit heutigem Stand nur eine 70% Chance gibt diesen Termin zu halten. Man will sich damit nicht zufrieden geben. Probleme sollen adressiert werden und so die Wahrscheinlichkeit über die anfänglichen 70% gesteigert werden. Diese erste Version wird noch mit der modifizierten Delta IV DCSS angetrieben werden. Neue Booster und eine Oberstufe wären dann Bestandteil eines Erweiterungsprogramms, das nicht Bestandteil dieser Finanzierung ist.

Kurz vorher wurde bekannt das Boeing am 1.7.2014 einen 2,8 Milliarden Dollar Auftrag für Arbeiten an der Kernstufe bis 201 erhalten hat. dazu kommen noch 1.656 Millionen die seit 2007 geflossen sind (606,5 Millionen für Ares V Arbeiten und 1050 Millionen für SLS-Arbeiten). Arbeiten an der Delta IV Oberstufe und Exemplare dieser könnten weitere 307 Millionen ausmachen. ATK erhielt einen Auftrag für die Fertigung der Booster in Höhe von 1,19 Milliarden Dollar. Beide Aufträge beinhalten die Hardware für die ersten beiden Flüge.

Referenzen:
NASA Facts Space Launch System
NASA's Space Launch System Overview
Space Launch System (SLS) Program Vehicle Data Summary
Skylab II: Making a Deep Space Habitat from a Space Launch System Propellant Tank
http://www.cbsnews.com/news/nasa-finalizes-2-8-billion-boeing-contract-for-sls-rocket-stage/
http://www.spacenews.com/article/civil-space/41139nasa-boeing-finalize-28b-sls-core-stage-contract
http://www.spaceflightnow.com/news/n1408/27slscommitment/
 

* Minimaler Schub

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.

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

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