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Die Pegasus und Pegasus XL Trägerraketen

Die Vorgeschichte der Pegasus

Schema PegasusDie allererste der seit 1990 neu in Dienst gestellten Trägerraketen war die Pegasus. Es war die erste neue entwickelte Trägerrakete seit über 20 Jahren, nach der Saturn 5, die im Jahre 1967 ihren Testflug hatte.

Warum erst nach 23 Jahren eine Neuentwicklung? Nun nach dem Challenger Unglück wurde 1986 das Starten von Raketen privatisiert. Bisher bestellte die NASA und das DoD (Verteidigungsministerium) die Raketen beim Hersteller und startete diese auf ihren eigenen Startanlagen. Kommerzielle Satelliten mussten gegen Erstattung der Kosten von der NASA gestartet werden. Firmen konnten selbst bei Nachfrage keine Raketen starten, so das nur das gebaut wurde, was die NASA orderte. Nun konnten die Firmen ihre Raketen selbst vermarkten und mieteten die Startanlagen von der NASA.

Das alte System war nicht förderlich für die Entwicklung neuer Raketen, diese finanzierte der Staat. Keine Firma wäre auf die Idee gekommen selbst eine Rakete zu entwickeln, denn das bedeutet Kosten und die NASA orderte ja sowieso die alten Raketen. Dabei gab es eine große Lücke im Arsenal der US Raketen. Zwischen der Scout mit 200 kg Nutzlast und der Delta 69xx Serie mit 4500 kg Nutzlast gab es nur noch die Atlas E, von der noch einige ausgemusterte Interkontinentalraketen für militärische Nutzlasten genutzt wurden, aber auch diese liefen Anfang der neunziger Jahre aus. Grund dafür war, das alle Raketen - mit Ausnahme der Scout - ihre Nutzlast steigerten und Varianten mit schwächeren Oberstufen wegfielen.

Zündung!Der Grundgedanke der Pegasus war in Konkurrenz zur Scout zu treten. Diese Feststoffträgerrakete transportiere max. 220 kg mit 4 Stufen. Die Pegasus sollte diese Nutzlast übertreffen und preiswerter werden. Ersteres war relativ einfach möglich, da die Scout die Technik Anfang der sechziger Jahre einsetzte. Inzwischen war es möglich Feststofftriebwerke leichter zu bauen und mit höherem spezifischen Impuls. So kam die Pegasus auch mit 3 anstatt 4 Stufen aus. Die Entwicklung startete 1987. Nach nur 3 Jahren fand der erste Start statt, bis jedoch die Startfrequenz anstieg dauerte es einige Jahre. Finanziert konnte die Entwicklung werden, weil die Air Force eine Rakete für geplante Satelliten von 300-400 kg Gewicht brauchte und so einige Startaufträge für die Pegasus vergab. Sie stellte auch die B-52, mit der die ersten Pegasus gestartet wurden.

Um die Kosten zu senken verzichtet man auf eine Startanlage und startete die Rakete von einem Flugzeug aus. Zuerst war es eine B-52, später eine L-1011, welche auch die schwerere XL Version transportieren konnte. Der Start in 12000 m Höhe bei Mach 0.8 -0.9 hat mehrere Vorteile :

Die Pegasus

Orion 50 ZweitstufeAlle 3 Stufen der Pegasus stammen von Hercules, vermarktet wird die Rakete von der Firma OSC. Die erste Stufe verfügt über Flügel zur Stabilisierung (nach dem Abwurf vom Flugzeug) und eine feste Düse, die beiden oberen Stufen haben eine bewegliche Düse mit der die Rakete gesteuert werden kann. Eine optionale vierte Stufe HAPS arbeitet flüssigkeitsbetrieben mit Hydrazin als monergolen Treibstoff. Die dient vor allem der Feinkorrektur der Bahn, da der Einschuss mittels Feststofftriebwerken nicht sehr genau ist. Die Nutzlast steigt dadurch leicht an, der Platz sinkt aber, da die Nutzlast mit der HAPS ihren Raum teilen muss.

Die Pegasus ist eine 19 t schwere, 15.5 m lange und max. 1.27 breite Rakete. Die erste Stufe Orion 50S hat eine Masse von 14 t und brennt 72.3 Sekunden lang. Sie verfügt über 484.9 kN Schub. Die Länge beträgt 8.88 m und der Durchmesser 1.27 m. Der zentrale Flügel hat eine Spannweite von 670 cm. Dazu kommen 3 Finnen ur Stabilisierung am Ende mit 154 cm Länge. Mit Bewegung der Finnen wird die Rakete gesteuert, solange sie in der Atmosphäre ist. Danach hat sie eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie dadurch stabilisiert wird. Die erste Stufe fährt ein festes Programm ab und bringt die Rakete auf Höhe.

Die zweite Stufe Orion 50 hat eine Masse von 3.4 t und brennt 71.4 Sekunden lang. Sie verfügt über ein Triebwerk mit 118.2 kN Schub. Die Düse ist für Kurskorrekturen um 3 Grad schwenkbar. Die Stufe hat eine Länge von 2.65 m bei einem Durchmesser von 1.27 m. Die dritte Stufe Orion 38 hat eine Masse von 896 kg bei einer Länge von 1.34 m und einem Durchmesser von 0.97 m. Ihr Feststoffantrieb brennt 68.5 Sekunden und liefert 36 kN Schub. Auch hier ist die Düse um 3 Grad für Kurskorrekturen schwenkbar.

Orion 38 DrittstufeDie Verkleidung wiegt 89 kg und hat einen Durchmesser von 1.27 m. Für Nutzlasten sind maximal 116.8 cm Durchmesser und 2.12 m Höhe nutzbar. Sie wird während des Betriebs der zweiten Stufe in etwa 110 km Höhe in zwei Hälften abgesprengt.

Die Nutzlast der Pegasus liegt zwischen 270 und 410 kg, abhängig von der Inklination und Bahnhöhe. Alle Starts der Pegasus klappten, allerdings kam es bei vielen zu beträchtlichen Abweichungen in der Bahn, die teilweise auch durch das HAPS System nicht ausgeglichen wurde, so strandeten einige Satelliten auf nutzlosen Bahnen. Nach Einführung der Pegasus XL Version fanden nur noch wenige Starts der Standard Version statt, der letzte im Jahre 2000.

Der Start einer Pegasus. Die Rakete wird mit einem Passagierflugzeug auf 11900 m Höhe gebracht. Mögliche Startpunkte sind Cape Canaveral, Vandenberg, Wallops Island und das Kwalalein Atoll. Diese decken alle Inklinationen zwischen 0 und 130 Grad ab. Dort wird die Rakete abgeworfen und das Flugzeug dreht ab. 5 Sekunden nach dem Abwurf zündet der Erststufenmotor und bringt die Rakete in 72 Sekunden auf 63.4 km Höhe und 2522 m/s Geschwindigkeit. Die Aufgabe der ersten Stufe ist es vor allem Höhe zu gewinnen. Die zweite Stufe zündet nach einer Freiflugphase von 22 Sekunden in 87.4 km Höhe. 15 Sekunden später wird nach 110 Sekunden Flugzeit in 108 km Höhe die Nutzlastverkleidung abgesprengt. 169 Sekunden nach dem Start ist auch Sie ausgebrannt. Die Rakete hat nun eine Höhe 216 km Höhe erreicht und eine Geschwindigkeit von 5432 m/s. Nun schließt sich eine Freiflugphase an, deren Länge sich an der Orbithöhe orientiert. Erst wenn die dritte Stufe mit der Nutzlast die Höhe des Zielorbits erreicht hat wird diese gezündet und zirkularisiert dann die Bahn. Bei einer Bahn 400 nm Höhe (741 km) beträgt die Freiflugphase z.B. 422 Sekunden.

Abwurf der PegasusDas Modul HASP wird eingesetzt, wenn der Orbit präzise eingehalten werden muss. Feststofftriebwerke sind schwer abschaltbar. Eine Pegasus hat daher Abweichungen in der Orbithöhe beim Apogäum von ± 90 km und beim Perigäum von ± 19 km. Raketen mit flüssigen Treibstoffen kommen hier auf Werte von 1-3 km beim Perigäum und 10 km beim Apogäum. HASP kann die Werte auf ± 15 km beim Apogäum und Perigäum senken. HASP senkt aber die Nutzlastmasse wieder etwas ab und benötigt neben der Nutzlast auch Platz unter der Verkleidung.

Die Pegasus profitierte von geänderten politischen Rahmenbedingungen. In den neunziger Jahren wurde propagiert teure Missionen durch kleinere zu ersetzen. Bei den Planetensonden erlangte das Discovery Programm sehr große Bekanntheit. Aber entsprechende Ansätze gab es auch bei Satelliten. Hier wurden nun "Small Explorers" gebaut. Nach einigen Fehlschlägen ist die Startrate Anfang des neuen Jahrtausends wieder gesunken, da man nun zwar auch kleinere Satelliten startet, aber nicht mehr so viele wie früher. Der Startpreis einer Pegasus stieg dabei laufend von 7 auf 11 Millionen USD an, was die Rakete im Vergleich zu den beiden nächst größeren Modellen Taurus und Athena recht teuer macht. Auch dies dürfte ein Grund für die Einführung der Pegasus XL gewesen sein, die für den fast gleichen Startpreis ein Drittel mehr Nutzlast transportiert.

Unterschieden werden 3 Versionen:

pegasus.jpeg
Start einer Pegasus von einer B-52 aus.

Pegasus

Erststart: 5.4.1990, letzter Start 9.10.2000
Starts 10, Fehlstarts 0, Fehlerhafte Orbits: 3
Startpreis 11 Mill. USD, Nutzlast 375 kg in einen 200 km Orbit 38°.

Stufe 1: Orion 50S2863
Vollmasse 14020 kg, Leermasse 1868 kg
(Ohne Flügel 13242 kg./ 1088 kg)
Schub 486,7 kN über 72.3 sec.
Spezifischer Impuls: 2895 m/s (Vakuum)
Länge 9.39 m, Durchmesser 1.27 m

Stufe 2: Orion 50
Vollmasse 3370 kg, Leermasse 345 kg
Schub 122.8 kN über 71.4 sec.
Spezifischer Impuls: 2863 m/s
Länge 2.31 m, Durchmesser 1.27 m

Stufe 3: Orion 38
Vollmasse 985 kg Leermasse 203 kg
Schub 40.32 kN über 64.6 sec.
Spezifischer Impuls 2873 m/s
Länge 2.08 m, Durchmesser 0.97 m

Stufe 4: HAPS
Vollmasse 90 kg, Leermasse 17 kg
Schub 0.667 kN über 241 sec
spezifischer Impuls: 2200 m/s
Länge 0.3 m, Durchmesser 0.97 m.

Die folgende Tabelle informiert über alle Starts der Pegasus Standardversion

Erfolg Datum Nutzlast Trägerrakete
x 05.04.1990 Pegsat Pegasus
x 17.07.1991 Microsat 1 Pegasus/HAPS
x 09.02.1993 Orbcomm OXP-1 Pegasus
x 25.04.1993 Alexis Pegasus
x 19.05.1994 STEP M2 Pegasus/HAPS
x 03.08.1994 APEX Pegasus
x 03.04.1995 Orbcomm F1 Pegasus H
x 17.05.1996 MSTI 3 Pegasus H
x 23.10.1998 SCD-2 Pegasus H
x 09.10.2000 HETE 2 Pegasus H

Pegasus XL

Pegasus XL mit L1011Mit der Lockheed L-1011 als Trägerflugzeug war es möglich eine schwere Rakete zu transportieren und so die Nutzlast zu steigern. Dazu wurden die Massen von erster Stufe um 24 % und die in der zweiten Stufe um 30 % angehoben. Die dritte Stufe liefert 3 % mehr Schub. Die Nutzlast für einen 200 km Orbit von Wallops aus steigt so von 375 auf 460 kg. Allerdings hat die Pegasus ein strukturelles Limit von 454 kg.

Die neue erste Stufe Orion 50 S XL hat nun eine Länge von 10.27 m bei 1.28 m Durchmesser. Der Schub beträgt 726 kN bei einer Brennzeit von 68.6 kg. Gegenüber der 14020 kg schweren Orion 50 Stufe der Pegasus ist diese Stufe mit 17934 kg um fast 3.9 t schwerer. Dieselbe Steigerung gilt für die zweite Stufe Orion 50S XL. Ihr Antrieb liefert nun 196 kN Schub über 68.6 Sekunden. Die zweite Stufe hat eine Länge von 3.11 m bei 1.28 m Durchmesser. Ihre Masse beträgt nun 4341 kg, etwa 1 t schwerer als die Orion 50 S Stufe der Pegasus.

Die dritte Stufe ist nur gering in ihrer Leistung gesteigert worden. Der spezifische Impuls stieg von 2817 auf 2840 m/s an, wodurch sich die Brennzeit bei gleichem Schub um 1 Sekunde erhöhte. Die Masse blieb aber weitgehend gleich.

Obgleich die Pegasus XL nicht zuverlässiger als ihre normale Variante ist und 3 Fehlstarts hinnehmen musste, stiegen mit Einführung dieses Modells die Startfrequenz rasch an. Grund waren vor allem die Serie kleinerer NASA Satelliten die preiswert gestartet werden sollten, nachdem man Mitte der neunziger Jahre die Maxime "cheaper, smaller, better" ausgegeben hatte.

Mit der Pegasus XL hat sich OSC nun einen festen Platz bei kleinen Nutzlasten erobert und kann auf gefüllte Auftragsbücher und ein eingeführtes Raketenmodell hinweisen. Die Pegasus XL startet mittlerweile nicht nur Satelliten sondern auch Urnen mit der Asche von Verstorbenen in den Orbit.

Typische Nutzlasten für die Pegasus XL:

pegasusxl.jpegIm Vergleich zu den neuen russischen Modellen, aber auch den neuen Trägerraketen Taurus und Athena lohnt sich ein Start mit der Pegasus XL nur, wenn die Nutzlast so klein ist. Seit dem Erstflug der Pegasus ist diese um fast 100 % im Preis gestiegen. Dies dürfte der Grund sein, warum nach Einführung der Minotaur, die eine etwas höhere Nutzlast aufweist, aber bedeutend preiswerter ist, die Startrate zuerst abnahm und dann seit 2008 kein weiterer Start mehr erfolgte.

OSC bietet die Pegasus XL aber weiterhin auf ihrer Website an.

 

Pegasus XL

Erststart: 27.7.1994, letzter Start 19.10.2008
Starts 30, Fehlstarts 2, unbrauchbare Orbits 1
Startpreis anfangs 13.5 Mill. USD, zuletzt 31 Millionen Dollar.
Nutzlast 460 kg in einen 200 km Orbit 38°.

Stufe 1: Orion 50 XL
Vollmasse 17934 kg, Leermasse 2886 kg
Nur Orion 50 XL ohne Flügel: 16383 kg / 1369 kg
Schub 726 kN über 68.6 sec.
Spezifischer Impuls: 2846 m/s (Vakuum)
Länge 11.92 m, Durchmesser 1.27 m

Stufe 2: Orion 50S XL
Vollmasse 4331 kg, Leermasse 416 kg
Schub 196 kN über 69.4 sec.
Spezifischer Impuls: 2838 m/s
Länge 3.6 m, Durchmesser 1.27 m

Stufe 3: Orion 38
Vollmasse 896 kg Leermasse 126 kg
Schub 36 kN über 68.6 sec.
Spezifischer Impuls 2840 m/s
Länge 2.08 m, Durchmesser 0.97 m

Stufe 4: HAPS
Vollmasse 90 kg, Leermasse 17 kg
Schub 0.667 kN über 241 sec
spezifischer Impuls: 2210 m/s
Länge 0.3 m, Durchmesser 0.97 m

Die folgende Tabelle informiert über alle Starts der Pegasus XL Version:

Datum Nutzlast Trägernummer Startplatz Erfolg
27.06.1994 STEP M1 F6 L-1011,V RW30/12 ->
22.06.1995 STEP M3 F9 L-1011,V RW30/12 ->
09.03.1996 REX II F10 L-1011,V RW30/12 ->
02.07.1996 TOMS-EP F12 L-1011,V RW30/12 ->
21.08.1996 FAST F13 L-1011,V RW30/12 ->
04.11.1996 HETE F14 L-1011,WI RW04/22? ->
21.04.1997 Minisat-01 F15 L-1011,GANC RW03/21
01.08.1997 OrbView-2 F16 L-1011,V RW30/12 ->
29.08.1997 FORTE 019/F17 L-1011,V RW30/12 ->
22.10.1997 STEP M4 F18 L-1011,WI RW04/22? ->
23.12.1997 Orbcomm A1 F19 L-1011,WI RW04/22? ->
26.02.1998 SNOE F20 L-1011,V RW30 ->
02.04.1998 TRACE F21 L-1011,V RW30/12 ->
02.08.1998 Orbcomm B5 F22 L-1011,WI RW04/22? ->
23.09.1998 Orbcomm C1 F23 L-1011,WI RW04/22? ->
06.12.1998 SWAS F25 L-1011,V RW30/12 ->
05.03.1999 WIRE F26/M-22 L-1011,V RW30/12 ->
18.05.1999 TERRIERS F27 L-1011,V RW30/12 ->
04.12.1999 Orbcomm D2 F28 L-1011,WI RW22 ->
07.06.2000 TSX-5 F29 L-1011,V RW30/12 ->
05.02.2002 RHESSI F31 L-1011,CC RW30/12 ->
25.01.2003 SORCE F32 L-1011,CC RW30/12 ->
28.04.2003 GALEX F33 L-1011,CC RW30/12 ->
26.06.2003 Orbview-3 F34 L-1011,V RW30/12 ->
13.08.2003 SCISAT-1 F35 L-1011,V RW30/12 ->
15.04.2005 DART F36 L-1011,V RW30/12 ->
22.03.2006 ST-5 FWD F37 L-1011,V RW30/12 ->
25.04.2007 AIM F38 L-1011,V RW30/12 ->
16.04.2008 C/NOFS F39 L-1011,KMR RW06/24 -
19.10.2008 IBEX F40 L-1011,KMR RW06/24 -
Gesamt Starts Erfolge
Gesamt 30 27

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