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Dnepr Trägerrakete

DneprDie Abrüstungsverhandlungen zwischen der GUS und den USA haben Seit Ende der achtziger Jahre sehr viele Raketen auf beiden Seiten freigesetzt. Diese werden nun zumindest zum Teil als Raumfahrtträger eingesetzt. Zum Teil deswegen, weil es so viele sind, alleine die USA verfügten über 1000 Minuteman Raketen! Die meisten Raketen wurden allerdings verschrottet. Es gibt allerdings zwei unterschiedliche Ansätze in Ost und West. In den USA werden vor allem die Stufen in neuen Raketen verwendet (Taurus, Athena), seltener ganze Raketen (Minotaur). In Russland wird die ganze Rakete verwendet und evt. um eine Oberstufe ergänzt.

Wie schon zu Beginn des Weltraumzeitalters sind die Sowjets im Vorteil: Ihre Raketen sind größer. Amerikanische Interkontinentalraketen wiegen zwischen 30 und 65 t, russische zwischen 60 und 210 t. Damit sind größere Nutzlasten möglich. Bei der Dnepr handelt es sich um die größte je gebaute Interkontinentalrakete. Sehr groß ist daher auch ihre Nutzlast.

Dnepr StartDie Dnepr

Unter den konvertierten Interkontinentalraketen ist die Dnepr die leistungsfähigste. Sie stammt von der russischen Interkontinentalrakete RS-36M (NATO Bezeichnung SS-18 "Satan") ab und wiegt 211 t bei 34 m Höhe und 3 m Durchmesser. Damit kann diese Raketen Nutzlasten von bis zu 4 t in den Orbit transportieren und liegt in ihrer Leistung etwa zwischen einer Titan 2 und einer Delta 2. Verwendet wird als Treibstoff in allen Stufen die Kombination Stickstofftetroxid / UDMH. Sie war die größte je gebaute Interkontinentalrakete die auch stationiert wurde. (Die Proton war auch einmal als ICBM konzipiert, jedoch kam es nie zu einer Stationierung und sie wurde nur als Trägerrakete eingesetzt).

Die Dnepr wäre damit in einer Klasse in der sie sowohl den etablierten russischen Trägerraketen wie Sojus und Zyklon, aber auch amerikanischen Raketen Konkurrenz machen könnte: Zum Beispiel für schwere Erderkundungssatelliten oder Mehrfachstarts von kleineren Mobilfunksatelliten wie Globalstar und Iridium.

Die RS-36 Entwicklung begann im Jahre 1969. Die Rakete sollte die SS-9 ablösen (RS-16, als Trägerrakete Tsyklon eingesetzt. Die Entwicklung dauerte von 1969 bis 1972 und die Stationierung erfolgte ab 1975. Es gab 6 Versionen mit einem Sprengkopf von 20 MT (8.5 t Gewicht) oder bis zu 10 Einzelsprengköpfen. Die USA gaben der Rakete den Codenamen "Satan", weil man befürchtete, dass der Sprengkopf von 20 MT Sprengkraft die Minuteman Silos knacken könnte. Die SS-18 war eine typische Erstschlagwaffe und führte zur Entwicklung der MX Rakete, welche in mobilen Basen stationiert wurde. Die Startmasse der verschiedenen Varianten lag zwischen 183 und 209.6 t. Durch die Erhöhung der Startmasse und verbesserte Triebwerke konnte die "Wurfmasse", also das Gewicht der Sprengköpfe mit Steuerung von 5800 auf 8800 kg gesteigert werden.

Es gab 6 Modifikationen und eine Untermodifikationen. Neben Leistung der Stufen unterscheiden sich diese auch in der Zahl und Größe der Sprengköpfe. 1991 wurde die letzte Modifikation stationiert. 1997 gab es zwei stationierte Versionen mit 186 einsatzbereiten Raketen.

Aufgrund ihrer Natur als Erstschlagwaffe wurde im START-II Abkommen vereinbart, die meisten SS-18 abzubauen. Die letzten RS-36M wurden im August 1991 stationiert. Insgesamt wurden 308 Raketen stationiert. Davon müssen 108 bis Januar 2001 abgebaut werden und weitere 154 bis Januar 2003. So bleiben nur noch 46 stationierte Raketen. Auch diese müssen bis 2007 abgebaut werden. International Space Company Kosmotras, die Firma welche die Dnepr vermarktet, rechnet mit 150 ausgemusterten SS-18 Interkontinentalraketen, die als Trägerraketen eingesetzt werden könnten.

Bis 2002 wurde die Zahl der SS-18 auf 150 reduziert, (von 308).Es wird damit gerechnet, dass die Rakete etwa 25 Jahre im Einsatz bleibt. Das bedeutet, dass ab 2010 bis etwa 2013 die restlichen 150 Raketen ausgemustert werden und dann ebenfalls für Starts zur Verfügung stehen.

Dnepr StartDie RS-36 ist eine zweistufige Interkontinentalrakete. Die gesamte Rakete hat eine Länge von 34 m bei einem durchgängigen Durchmesser von 3.0 m. Die Startmasse beträgt 211 t. Sie sollte einen maximal 8.8 t schweren Sprengkopf über eine Distanz von 11.500 km transportieren.

Die Stufen

Die Dnepr setzt die RS-36M weitgehend unverändert ein, lediglich die dritte Stufe erhält eine neue Software. Änderungen gibt es in den Adaptern für die Satelliten.

Die erste Stufe hat eine Länge von 22.3 t und einen Durchmesser von 3.0 m. Sie wird von vier Triebwerken des Typs RD-264 abgetrieben. Jedes Triebwerk hat eine eigene Brennkammer, das ist bei russischen Trägern selten der Fall. Die Triebwerke arbeiten nach dem Hauptstromverfahren und nutzen den Treibstoff damit sehr effektiv. Der Bodenschub beträgt 4160 kN (1040 kN pro Triebwerk), der Vakuumschub 4530 kN. Die Startmasse lässt sich aus den verfügbaren Zahlen auf 161.52 t abschätzen. Der hohe Startschub führt schon zu einer Anfangsbeschleunigung von 2.0 G, die sich auf 7.5 G steigert. Das ist ein Manko, da die meisten anderen Träger nur 5 bis 5,5 g erreichen oder sogar Maßnahmen ergreifen um die Maximalbeschleunigung zu begrenzen. So reduzieren die Altas V und Falcon 9 "v1.1" z.B. den Schub von Triebwerken um die Beschleunigung unterhalb von 5 g zu halten.

Die zweite Stufe hat bei 7.0 m Länge einen Durchmesser von 3.0 m. Sie wiegt 41.1 t und verfügt über ein Triebwerk des Typs RD-228, welches nach dem Hauptstromverfahren arbeitet und mit 4 Brennkammern 760 kN Schub liefert. Die Lageregelung erfolgt durch vier Verniertriebwerke, welche die Turbopumpe und den Gasgenerator des RD-228 nutzen, aber nach dem Nebenstromverfahren arbeiten.

Die Dnepr verwendet die ersten beiden Stufen unverändert. Die dritte Stufe ST-3 wurde von den MIRV Versionen der Rakete übernommen. Diese ist wesentlich kleiner als die zweite Stufe und wiegt lediglich 4266 kg, wovon 1910 kg Treibstoff sind. Sie ist nur 1.0 m lang bei 3.0 m Durchmesser. Der Schub des Triebwerks RD-869 beträgt nur 18.6 kN. Sie steht ab 2005 zur Verfügung. Durch die hohe Leermasse des MIRV Kopfes ist die Nutzlast der Dnepr für eine Rakete dieser Größe recht gering. Ohne diese ST-3 Stufe würde die Rakete wegen der kurzen Brennzeit der ersten beiden Stufen jedoch nur Bahnen erreichen derer erdnächster Punkt, das Perigäum in niedriger Höhe von etwa 150-200 km Höhe liegt.

Es stehen zwei Nutzlastverkleidungen von 5.25 und 6.11 m Länge zur Verfügung. Der Durchmesser beträgt bei beiden Typen 3.0 m. Nutzbar sind für den Satelliten 4.31 m und 5.11 m Länge. Dies ist für eine Nutzlast dieser Größe eine kleine Verkleidung. Die Telemetriedaten werden mit 512 KBit/sec zum Boden gesandt. Es ist möglich mehrere Satelliten gleichzeitig zu starten und Sekundärnutzlasten (10-400 kg) mitzuführen. Dies ermöglicht der MIRV Bus, der ursprünglich Atomsprengköpfe auf unterschiedliche Bahnen aussetzen sollte.

Vermarktet wird die Dnepr von ISC Kosmotras, einem 1997 gegründeten Joint Venture aus russischen und ukrainischen Firmen sowie der Republik Kasachstan, welche die Startanlagen in Baikonur stellt.

Der Start

Start der DneprDer Start der Dnepr ist sehr ungewöhnlich. Zum einen wird die Rakete aus einem Silo aus gestartet. Dazu zündet ein Feststoffmotor, der die Rakete aus dem Silo heraushebt. In 20 m Höhe wird er abgeworfen und die Hauptstufe gezündet. (Siehe obiges Bild) Die ersten beiden Stufen arbeiten wie bei anderen Raketen normal. Jedoch verfügt die Dnepr über einen zusätzlichen Gasshield, der unter der Nutzlastverkleidung sitzt. Die Nutzlastverkleidung wird kurz nach Zündung der zweiten Stufe abgeworfen. Das Abwerfen des "Gas Shields" geschieht erst nach Zündung der dritten Stufe. Dazu wird diese zuerst auf ein Drittel ihrer Leistung hochgefahren, dreht sich um 180 Grad, trennt dann "Gas Shield" ab (in einem Stück, anstatt zwei Hälften abzusprengen) , dreht sich erneut um 180 Grad und wird dann auf volle Leistung hochgefahren. Dieses Flugregime wird nur beim Einsatz der dritten Stufe angewandt. Die zweistufige Variante hat keinen Gasshield.

Es gibt im Kosmodrom Baikonur 3 nutzbare Silos für den Start. Es sind damit bis zu 25 Starts pro Jahr durchführbar. Ein Start ist innerhalb von 21 Monaten nach Vertragsunterzeichnung möglich. Beim Start von Baikonur aus sind Orbits mit Inklinationen von 50.5, 64.5, 87.3 und 98.0 Grad Neigung sind möglich.

Bislang gab es einen suborbitalen Testflug 1998 und ab 1999 5 orbitale Einsätze. Die Rakete absolvierte als Interkontinentalrakete aber schon 157 Testflüge mit einer Zuverlässigkeit von 97 %. Die Dnepr offeriert eine sehr hohe Nutzlastmasse von 3800 kg für einen 50.5 Grad geneigten 400 km Orbit. Durch die leer relativ schwere zweite Oberstufe nimmt die Nutzlastmasse dann aber relativ schnell ab. Bei einem 800 km hohen Orbit liegt die Nutzlastmasse bei nur noch 500 kg. Ab 2005 soll die neue Oberstufe ST-3 die Nutzlasten deutlich anheben. Für den 400 km Orbit beträgt die Nutzlast mit dieser Oberstufe nur 2000 kg, da ihre Leermasse sehr hoch ist. Doch bei höheren Orbits als 500 km Höhe ist die Nutzlast mit der Oberstufe ST-3 höher. Sie liegt bei 800 km Höhe bei 1800 kg und bei 1400 km immer noch bei 1600 kg.

Ohne dritte Stufe würde die Nutzlast auf eine Bahn mit einem sehr niedrigen erdnahen Punkt gelangen und müsste durch einen eigenen Antrieb diese nach einem halben Umlauf zirkularisieren. Die Nutzlast würde dann aber wesentlich höher liegen bei 4750 kg. Bislang hat man diese Option nicht ausgenutzt.

Abnahme der Nutzlast ohne OberstufeFür Missionen mit noch höheren Geschwindigkeiten ist geplant eine weitere Stufe die Space Tug Stufe mitzuführen, die in ihrer Masse zwischen der derzeitigen dritten und der zweiten Stufe liegt.

Es gibt zwei Versionen: Den ST-1 mit einem kleinen flüssigen Triebwerk und dem ST-3 mit einem zusätzlichen Feststoffmotor zum Flüssigtriebwerk hinzu.

Typische Nutzlastmassen einer vierstufigen Dnepr wären:

Die Kombination ST-1 / ST-3 soll ab 2007 zur Verfügung stehen. Damit hat die Dnepr primär zwei Anwendungsprofile, in denen sie wenig Konkurrenz auf dem Markt hat. Zum einen der Transport von 2-3 t schweren Satelliten in erdnahe Orbits. Zum anderen der Einsatz für leichte Planetensonden oder kleinere Satelliten in den geostationären Orbit. Von Vorteil ist auch der sehr geringe Startpreis, der auf 10-13 Millionen USD geschätzt wird und in der gleichen Größenordnung wie eine Rockot (maximale Nutzlast 1800 kg) und einer Pegasus XL (460 kg) liegt. Bildet man den Quotienten Kosten/kg Nutzlast, so ist die Dnepr bei den günstigsten verfügbaren Trägern. Anders bei anderen russischen Trägern fand der russische Anbieter ISC Kosmotras keinen westlichen Kooperationspartner zur Vermarktung der Dnepr.

Die Genauigkeit mit der ein Orbit erreicht wird liegt bei 4 km in der Höhe und 0.05 Grad in der Inklination. Baikonur hat weil Land überflogen wird den Nachteil, dass nur bestimmte Bahnneigungen möglich sind ohne die Zivilbevölkerung zu gefährden. Dies sind 50.5, 64.3, 87.3 und 98.4 Grad Bahnneigung.

Die Vermarktung der Dnepr verlief zuerst zäh, machte dann aber ab 2002 deutliche Fortschritte. Flug 3+4 beförderten 6 bzw. 8 Kleinsatelliten in einen Orbit. Die Dnepr ist vorgesehen für den Start des deutschen Radarsatelliten Terrasat X. Ein anderer Start gilt der ersten kommerziellen Mondsonde Trailblazer 1. (Sofern diese gebaut wird, dies ist noch offen). Insgesamt 5 Starts sind bis 2007 gebucht. ISC Kosmotras erwartet, dass die SS-18 Raketen die eingelagert wurden, bis zum Jahre 2016-2020 eingesetzt werden können. Seit dem Erstflug findet pro Jahr etwa ein Start pro Jahr statt.

Der siebte Start am 27.7.2006 scheiterte, als die erste Stufe sich nach 86 Sekunden vorzeitig abschaltete und die Rakete mit der Nutzlast (insgesamt 13 Satelliten) 26 km südlich des Startgeländes aufschlug. Hauptnutzlast war BelKa, der erste Satellit von Weissrussland für die fotografische Erkundung der Erde mit einer 2.5 m auflösenden Kamera. Er wog 750 kg. Danach erhob Kasachstan Ansprüche für die Kosten der Bergung der Trümmer und weitere Ausfälle durch Verseuchung des Bodens mit dem Treibstoff.

Die folgenden Jahre konnte die Dnepr weitere Starts verbuchen, auch da ihr direkter Konkurrent, die Rockot einige Fehlstarts aufweisen konnte. Bis Ende 2013 fanden 19 Starts mit nur einem Fehlstart statt.

Dnepr

Datenblatt Dnepr

Einsatzzeitraum:

Starts:
Zuverlässigkeit:

Abmessungen:

Startgewicht:

Maximale Nutzlast:

Nutzlastverkleidung:

1999 – heute

20, davon ein Fehlstart + ein suborbitaler Testflug
95 % erfolgreich (orbitale Starts)

34,40 m Länge
3,00 m Durchmesser
209.000 kg
3.800 kg in einen 400 km hohen Orbit mit 50,5 Grad Inklination (2 Stufen).
1.800 kg in einen 800 km hohen Orbit mit 50,5 Grad Inklination (3 Stufen).
1.600 kg in einen 1400 km hohen Orbit mit 50,5 Grad Inklination (3 Stufen).+

3,00 m Durchmesser, 5,25 m Länge, 500 kg Gewicht.

3,00 m Durchmesser, 6,11 m Länge, 600 kg Gewicht


Stufe 1

Stufe 2

ST-3

ST 1-1

ST 1-2

Länge:

22,30 m

5,70 m

1,00 m

0,93 m

-

Durchmesser:

3,00 m

3,00 m

3,00 m

1,69 m

-

Startgewicht:

161.250 kg

41.120 kg

4.266 kg

1.166 kg

755 kg

Trockengewicht:

13.620 kg

4.520 kg

2.356 kg

96 kg

255 kg

Schub Meereshöhe:

4.160 kN

-

-

-

-

Schub (maximal):

4.520 kN

755 kN

8,1 / 18,6 kN

47,26 kN

4,52 kN

Triebwerke:

1 × RD-264

1 × RD-228

1 × RD-869

1 × TE-M-783

1 × DU-803

Spezifischer Impuls
(Meereshöhe):

2870 m/s

-

-

-

-

Spezifischer Impuls
(Vakuum):

3119 m/s

3318 m/s

3109 m/s

2842 m/s

3163 m/s

Brenndauer:

110 s

161 s

305 / 740 s

64,6 s

350 s

Treibstoff:

NTO / UDMH

NTO / UDMH

NTO / UDMH

HTPB / Ammoniumperchlorat / Aluminium

NTO / UDMH

Verspieltes Potenzial

In einer Mail wurde ich gefragt warum die Dnepr bei wesentlich höherer Startmasse als eine Gemini-Titan, die mit denselben Treibstoffen arbeitet eine gleich große Nutzlast aufweist. Nun der Grund dafür liegt in der Benutzung der Interkontinentalrakete ohne Änderungen. Neben den maximal 3800 kg Nutzlast gelangen auch die 2356 kg des MIRV Kopfes in den Orbit. Dies ist sehr viel, vor allem wenn man bedenkt, dass der MIRV Kopf nur 1900 kg Treibstoff mitführt. Ich habe einmal durchgerechnet welche Nutzlasten mit den Oberstufen "Fregat" (eingesetzt auf der Sojus) und "Breeze"  (eingesetzt auf der Rokot) möglich wären. Beide liegen im Bereich von 6-7 t Startmasse und basieren auf demselben Triebwerk, die Leermasse ist mit 1000-1600 kg jedoch deutlich günstiger als bei dem MIRV Bus.

Veränderung Nutzlast
Dnepr 3 stufig, MIRV Bus 3800 kg
Dnepr zweistufig 4750 kg
Dnepr Breeze 5400 kg
Dnepr Fregat 6200 kg

Selbst ohne MIRV Bus ist die Nutzlast höher, allerdings sind so nur erdnahe Orbits oder elliptische Orbits möglich und der Satellit muss nach einem halben umlauf die Bahn zirkularisieren, sonst verglüht er einen halben Umlauf später, da das Perigäum sehr niedrig liegt.

Nun warum macht man dies dann nicht ? Weil zum einen die Integration einer Oberstufe natürlich eine Veränderung am Gesamtsystem darstellt und dadurch erst einmal Kosten für die Integration entstehen. Zum anderen aber muss man die Oberstufen einkaufen. Die ausgemusterte Rakete kostet dagegen gar nichts. Aus dem gleichen Grunde starteten die USA ihre alten Atlas E+F Raketen über Jahrzehnte mit kleinen, preiswerten Feststoffoberstufen oder in die Satelliten integrierten Antrieben. Natürlich wäre mit einer größeren Oberstufe da mehr Nutzlast möglich gewesen, doch die Atlas Raketen waren ja schon bezahlt.

Gerechterweise muss man auch sagen, dass es momentan kaum Nutzlasten gibt die auch nur die derzeitige Kapazität ausnützen. Auch aus diesem Grund gibt es keine Erweiterungspläne. Eine Dnepr-Fregat könnte allerdings 1900 kg in einen geostationären Übergangsorbit (mit 2100 m/s Differenz zum GEO Orbit) oder 740 kg zum Mars befördern und wäre für diese Missionen eventuell interessant.

Links

Russian Spaceweb

ICS Kosmotras (Anbieter der Dnepr)

FAS Infos über die RS-36M

Startliste der Dnepr Starts

Eigene Überlegungen für eine passende Oberstufe für die Dnepr

Büchertipps

Von mir gibt es mehrere Bücher zum Thema Trägerraketen. Mein bisher umfassendstes Werk ist ein zweibändiges Lexikon über Trägerraketen mit jeweils rund 400 Seiten Umfang. Eine sehr gute, kompakte Übersicht über die Trägerraketen Russlands, Europas, Chinas, Japan Indiens und verschiedener Nationen (Brasilien, Israel, Australien, Nordkorea, Südkorea, Iran) ist das Raketenlexikon: Band 2: Internationale Trägerraketen Der dazu gehörende Band 1 (Raketenlexikon: Band 1: US Trägerraketen) behandelt die amerikanischen Trägerraketen. Jeder Band behandelt die Technik und Geschichte von rund 100 Submodellen in kompakter Form. Die grundlegende Technik eines Modells wird in einem einführenden ersten Kapitel ausführlicher besprochen. Die folgenden Kapitel beinhalten dann die Veränderungen von Subversion zu Subversion. Jeder Typ wird mit einem ausführlichen Datenblatt und einem Startfoto dokumentiert.

Für die US-Trägerraketen gibt es auch ein zweites Buch, sinnigerweise nur "US-Trägerraketen" genannt. Es entstand aus der ersten Auflage des Bandes 1 des Raketenlexikons. Während ich in diesem die Information auf die wichtigsten Daten reduziert hatte, war nun das bestreben möglichst komplett die Raketen zu schildern, sofern dies in einem Buch möglich ist (bei Trägern die von der NASA entwickelt wurden musste dank der öffentlich verfügbaren Information trotzdem gekürzt werden). Herausgekommen ist mein umfangreichstes Werk mit dem zweieinhalbfachen Textumfang des Ausgangsbandes. Dank Reduktion der Ränder, Schriftgrößen und Abstände ist der Umfang nur 75% höher. Ich denke dieses werk ist einzigartig auf dem Markt, sowohl im deutschen wie englischen Sprachbereich.

Speziell mit der Geschichte der Trägerraketenentwicklung in Europa beschäftigt sich das zweibändige Wert Europäische Trägerraketen 1+2. Band 1 behandelt die nationalen Trägerprogramme (Black Arrow und Diamant) , die glücklose Europa-Rakete und die Ariane 1-4. Band 2 die beiden aktuellen Projekte Ariane 5 und Vega. Beide Bücher sind voll mit technischen Daten, Details zur Entwicklungsgeschichte und zu den Trägern.

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

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