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Die Agena Oberstufe

Als im Jahre 1957 die ersten Starts in den Weltraum erfolgten, verfügten die USA zwar über einige Raketen die potentielle Trägerraketen waren (Die Mittelstreckenraketen Jupiter und Thor und die neu entwickelte Vanguard Trägerrakete), jedoch über keine Oberstufen für diese Raketen, die es erlaubten die Nutzlast rasch zu steigern. In einem ersten Schritt startete man die verfügbaren Trägerraketen mit den Oberstufen die man für die Vanguard Rakete entwickelt hatte: Der Able und der Altair.

Die US Air Force griff jedoch bald auf eine Entwicklung aus ihren eigenen Reihen zurück. Es war die Agena Oberstufe, welche seit 1955 von der Air Force entwickelt wurde. Unter der Bezeichnung Projekt W117L hatte im Oktober 1956 die Firma Lockheed den Auftrag bekommen ein raketenangetriebene Satellitensystem für Fotoaufklärungszwecke zu entwickeln. Lockheed hatte sich durch die Entwicklung von gesteuerten Sprengköpfen für den B-58 Hustler Bomber qualifiziert. Dieses Projekt wurde als Corona bekannt, die schon in der Entwicklung befindende Stufe jedoch als RM-81 in das Arsenal der US Air Force übernommen und als Agena Oberstufe im Weltraum eingesetzt.

Die Agena Oberstufe verwandte die Treibstoffkombination UDMH als Brennstoff und 98 % Salpetersäure als Oxidator. Beide Substanzen sind gut lagerfähig und entzünden sich spontan. (Schließlich konnte man eine Lenkwaffe nicht erst vor dem Einsatz befüllen). Das bedeutete, dass die Oberstufe mehrmals gezündet werden konnte, sowohl um höhere Orbits zu erreichen wie auch für Freiflugphasen. Trennte man sie vom Satelliten nicht ab, so konnte man sie auch zu Kurskorrekturen nutzen.

Das Haupttriebwerk ist schwenkbar aufgehängt und kann so den Kurs in der Nick- und Gierachse ändern. Für Kontrolle der Rotationsachse gab es kleinere Triebwerke an der Seite. Sie arbeiten mit Kaltgas aus einem unter Druck stehenden zusätzlichen Tank.

Die Agena A

Die Agena Stufe wurde rasch hintereinander in drei Versionen eingesetzt. Die ursprüngliche A-Version hatte vergleichsweise kleine Tanks, die bei der B Version gestreckt wurden. Die A-Version verwandte ein Triebwerk vom Typ XLR81-BA-5 (Bell Model 8048) mit 68.9 kN Schub und einer Brenndauer von 120 Sekunden. Hier war das Triebwerk noch nicht wiederstartbar. Der spezifische Impuls lag hier mit 2707 m/s nicht sehr hoch. Diese Stufe war nur schnell an den Weltraumeinsatz adaptiert worden. So war das Expansionsverhältnis von 10 angepasst an den Betrieb bei 1 Bar Bodendruck und verschenkte im Betrieb im Weltraum wertvolle Energie.

Das Triebwerk war in 2 Achsen schwenkbar und verwendete eine einstufige Gasturbine mit einer separaten Turbopumpe für Oxidator und Brennstoff. Stickstoff in 2 Druckflaschen wurde genutzt um die Tanks unter Druck zu setzen.

Die Agena A Oberstufe wurde schon 1 Jahr nach dem ersten Satellitenstart eingesetzt. Es gab innerhalb von zwei Jahren 20 Starts, die meisten (16) auf der Thor zum Start der ersten Aufklärungssatelliten Discoverer, die später als KH-1 bezeichnet wurden, als das Programm nicht mehr öffentlich publik gemacht wurde. Nach weniger als 2 Jahren löste sie aber die B Version ab. Die 20 Starts gehörten zu nur drei Nutzlasten: Alle Starts auf der Thor den Aufklärungssatelliten Discoverer, die 4 Starts auf der Atlas zu jeweils 2 Midas und 2 Samos Satelliten. Die Samos Satelliten waren wie Discoverer Aufklärungssatelliten, jedoch deutlich schwerer. Auch heute wurde der Geheimhaltungsstatus dieses Programms nicht aufgehoben, so dass man nicht viel mehr über die Satelliten weiß. MIDAS war der erste Versuch Raketen beim Start zu orten. Schon damals zeigte sich eine Trennung von zivilen und militärischem Programm. Zivile Nutzlasten nutzen auf der Thor die damals der Agena unterlegene Delta Oberstufe und man entwickelte für die Atlas die Centaur. Die Agena A wurde nur für militärische Nutzlasten eingesetzt.

Die Agena B

Die Agena A wurde nur sehr kurz eingesetzt. Schon nach einem 21 Monaten wurde sie von der B Version ersetzt. Bei der B Version nutzte man den Umstand aus, dass die Stufe nun nicht wie bei der Nutzung als Waffe des B-58 Bombers gegen die Erdbeschleunigung arbeiten musste, sondern die Trägerrakete sie schon fast in einen Orbit gebracht hatte. Sie benötigte nicht so viel Schub oder anders herum gesagt, derselbe Schub konnte eine größere Raketenstufe noch in den Orbit befördern. Man verlängerte daher die Tanks für den Treibstoff erheblich. Dies verdoppelte die Treibstoffmenge. Als Triebwerk wurde das verbesserte XLR81-BA-7 (Bell Model 8081) eingesetzt. Der Schub stieg leicht auf 71.2 kN und der spezifische Impuls auf 2795 m/s durch eine längere Düse, die das Expansionsverhältnis von 10 auf 45 erhöhte, und nun an den Betrieb im Vakuum angepasst war. Die gesamte Stufe war leichter gebaut, so das die Leermasse trotz verdoppelter Startmasse kaum anstieg. Die Anpassung geschah über eine einfache, aber effektive Verlängerung der Düse: Bis zum Entspannungsverhältnis von 13 war es eine glockenförmige Düse, die regenerativ gekühlt wurde. An diesen Teil schloss sich eine kegelstumpförmige Verlängerung aus Titan an, die nicht aktiv gekühlt wurde. Wie die Agena A war diese Stufe noch nicht wiederzündbar.

Eine Agena C Version mit nochmals verdoppelter Tanklänge (und damit etwa 14 t Startmasse) wurde angedacht, jedoch nie gebaut - Schade denn die späteren Versionen der Atlas, Thor und Titan hätten eine so schwere Oberstufe transportieren können und die Nutzlast wäre beträchtlich angestiegen.

Die Agena B wurde erheblich länger als die Agena A eingesetzt von 1960 bis 1966. Während die Agena A bald nach dem Indienststellung der Agena B ausgemustert wurde, arbeiteten Agena B und D über vier Jahre lang parallel.

Die Agena B wurde wieder vorwiegend auf der Thor eingesetzt, daneben auch auf der Atlas. Bei beiden Raketen überwogen die ursprünglichen Versionen der Interkontinentalraketen ohne Anpassungen wie die bei der Atlas erfolgte Standardisierung und bei der Thor die Verstärkung mit Boostern. Dies weist darauf hin, dass man die Agena B nutzte um alte ausgemusterte Raketen zu verfeuern und die neu produzierten Raketen mit der moderneren Agena D bestückte.

Neben den militärischen Nutzlasten (wie bei Agena A vor allem Satelliten des KH und Midas Programms) transportierte nun auch die Agena B zivile Nutzlasten, wobei die NASA die Raketen von der Air Force starten ließ und erst nach dem Start ging die Kontrolle auf die NASA über (das führte beim Versagen der Atlas-Agena B bei einigen Ranger Mondsonden zu gegenseitigen Schuldzuweisungen). Die NASA musste die Agena B nutzen, weil sie selbst damals keine so leistungsfähige Oberstufe im Arsenal hatte. Die Centaur lag Jahre hinter der Entwicklung zurück und wurde erst Mitte 1966 operationell und die Delta war der Agena B unterlegen. So transportieren Atlas Agena die 9 Ranger Mondsonden, die ersten beide Mariner Raumsonden, aber auch Erdsatelliten wie Nimbus, Echo und OGO. Insgesamt 76 Starts der Agena B fanden statt, davon 29 mit der Atlas, ein deutlich höherer Anteil als bei der Agena A.

Die Agena D

Bei der D Version wurde das nochmals verbesserte Triebwerk Bell 8096 eingesetzt. Während der Schub gegenüber dem Bell 8081 mit 71.2 kN gleich blieb, stieg der spezifische Impuls durch Erhöhung des Brennkammerdruckes von 10 auf 35 Bar auf 2943 m/s an. Das Entspannungsverhältnis blieb bei 45.

Vor allem war diese Version aber standardisiert. Die Agena D kam inzwischen auf 3 Trägerraketen, der Thor, Atlas und Titan zum Einsatz und beförderte viele verschiedene Nutzlasten. Das machte bei der Agena A und B jeweils eine Anpassung an die Trägerrakete und Nutzlast notwendig. Die D Version hatte einen standardisierten Anschluss sowohl für die Nutzlast wie auch an die Trägerrakete. Auf diese mussten nun nur noch passende Adapter gesetzt werden, die Stufe jedoch musste nicht angepasst werden. Das Leergewicht der Stufe sank durch diese und andere Maßnahmen um 200 kg.

Die Tanks waren aus Aluminium in Integralbauweise  gefertigt. Der Brennstofftank hatte ein Volumen von 2149 l, der Salpetersäuretank hatte ein Volumen von 2786 l. Beide Tanks waren durch einen gemeinsamen Zwischenboden getrennt. Am Ende jedes Tanks war vor der Tankleitung ein "Sumpf" indem sich die Treibstoffe sammelten. Dieser Sumpf hatte bei dem UDMH Tank 7 l Volumen und bei dem Salpetersäuretank 15.7 l Volumen. Neben dem Triebwerk 8096 welches für 2 Starts ausgelegt war (ausreichend für Planetensonden oder Starts in den geostationären Orbit) gab es auch das Modell 8247 für militärische Satelliten. Das 8096 hatte kleine Feststoffraketen zur Vorbeschleunigung der Treibstoffe. Das 8247 veränderte den Sumpf so, dass dort durch Oberflächenspannung Treibstoff gebunden wurde und dieser zum Starten der Triebwerke genutzt werden konnte. In Tests waren bis zu 14 Zündungen möglich.

Für feinere Kurskorrekturen gab es ein sekundäres Antriebssystem, das zusätzlich installiert werden kann. Es wurde für Gemini entwickelt und besteht aus zwei Triebwerken mit 889 und 71 N Schub. Das kleinere Triebwerk kann 90 mal gezündet werden bis zu einer Gesamtdauer von 150 Sekunden. Das größere 20 mal bis zu einer Gesamtdauer von 50 Sekunden. Das System wiegt 57.3 kg trocken und 137.8 kg mit Treibstoff und hat einen Gesamtimpuls von 178000 N. Das reicht aus um die Geschwindigkeit einer leeren Agena D mit 1100 kg Nutzlast um 100 m/s zu ändern. Dies entspricht in etwa dem Geschwindigkeitsbedarf eines Satelliten in einer 400 km hohen Bahn pro Jahr.

Die Agena hatte 3 Feststofftriebwerke integriert. Eines von 2180 N Schub und einer Brennzeit von 0.925 Sekunden wurde gezündet bei der Stufentrennung um die Rakete von der Trägerrakete zu entfernen. Eine zweite mit 610 N Schub und 15.9 Sekunden Brennzeit wurde nach dem Abtrennen der Nutzlast gezündet und brachte die Agena auf einen anderen Kurs um eine Kollision mit der Nutzlast oder einem Aufschlag auf Mars oder Venus zu verhindern. Eine dritte Feststoffrakete von 170 N Schub und 0.75 Sekunden Brennzeit kam nur bei spinnstabilisierten Satelliten zum Einsatz und brachte die Agena D mit der Nutzlast vor der Abtrennung in eine Rotation um die Längsachse.

Es gab mehrere Batterien mit einer Kapazität von 340, 966 und 10700 Wattstunden für die Stromversorgung von Elektronik und Sendern sowie dem Antriebssystem. Während einer typischen Mission verbrauchte die Rakete in der ersten Stunde 531 Watt. Die Batterie mit der kleinsten Kapazität kam vor allem bei NASA Flügen zum Anwendungen die keine Wiederzündung oder nur kurze Freiflugphasen erforderten. Die mittlere war die Standardbatterie und wurde bei den militärischen Missionen eingesetzt. Die große Batterie kam für Kopplungsversionen mit Gemini Missionen zum Einsatz. Hinsichtlich ihres Gewichtes verhielten sich die Batterien wie 1:1.75:7. Die Bordspannungen lagen bei 28 V Gleichstrom und 400 Hz Wechselstrom bei 115 V. Die Batterien waren für eine Lebensdauer von 30 Tagen ausgelegt. Längere Missionen erforderten meist auch eine weitere Stickstoffflasche von 36 l Inhalt. Mit dem Stickstoffdruckgas wurde die Stufe während antriebsloser Zeiten räumlich stabilisiert.

Die Agena D besaß einen eigenen Autopiloten. Inputsensoren waren 3 Gyroskope in allen 3 Raumachse, ein Horizontsensor und ein Beschleunigungsmesser. Ein Sequencer mit 24 Ereignissen diente zur Programmsteuerung. 8 dieser Ereignisse standen für das Flugprogramm zur Verfügung, der Rest wurde für interne Abläufe benötigt. Die Genauigkeit des Sequenzers lag bei 0.15-0.27 Sekunden bei einer Standardprogrammdauer von 6000 Sekunden. Zeitbasis für den Sequencer (eine Art Zeitschaltuhr) war die Abtrennung von der Trägerrakete.

85 Meßwerte der Agena wurden zum Boden übertragen, davon 43 in einer Rate von 5 Meßwerten pro Sekunde, 5 mit 60 Meßwerten pro Sekunde. Die Kommunikation mit dem Boden erfolgte im FM mit 2 W Sendeleistung bei 244.3 MHz und im VHF Band mit 10 W Sendeleistung. Zur Bahnverfolgung gab es einen C-Band Radar Sender. Er empfing kodierte Signale vom Boden bei 5630 MHz und antwortete mit kodierten Antworten bei 5555 MHz mit 200 Watt Leistung. Die Antwort bestandaus unterschiedlichen Pulszahlen von 0-1600 Pulsen pro Sekunde, abhängig vom Eingangssignal und der Anzahl der Bodenstationen die man empfing,

Ein Sicherheitssystem bewirkte die Zerstörung der Stufe vom Start bis zur Abtrennung von der Trägerrakete. Es wurde entweder vom Selbstzerstörungssystem der Trägerrakete aktiviert oder automatisch, wenn die Abtrennung vor dem Zeitpunkt erfolgte der als minimale Brennschlusszeit vor der Mission angegeben wurde. Das System wird automatisch abgeschaltet, wenn die Trägerrakete Brennschluss meldet. Zwei Zünder sprengen die Tankwände durch und bewirken so eine Vermischung der selbstentzündenden Treibstoffe.

Die Agena Oberstufe wurde nach wie vor vornehmlich vom US Verteidigungsministerium DoD eingesetzt, auch wenn einige Starts für die NASA erfolgten.

Prominenteste NASA Nutzlasten waren die Raumsonden Mariner 3-5 und Lunar Orbiter. Daneben startete die Agena D auch einige OGO und ATS Satelliten. Dies endete im Jahre 1967 als die Centaur verfügbar waren. Es waren im Vergleich zu der großen Zahl der Flüge jedoch wenige Einsätze und sie betrafen fast ausschließlich die Atlas Version. Es gab keine zivilen Flüge auf der Titan und nur wenige auf der Thor. wie die Starts der Ranger Mondsonden und Mariner 1-5 Sonden. Nach Verfügbarkeit der Atlas Centaur. Bekannt wurde die Agena auch als Ziel für Gemini Raumschiffe, die mit ihr koppelten und den Kurs änderten.

Der Anteil der Thor Starts nahm weiter ab und lag nun unter 50 %, dafür kam diese Stufe nun auch der Titan zum Einsatz und dies noch lange, nachdem der letzte Start auf der Thor und Atlas erfolgt waren. Die Agena D wurde 27 Jahre lang unverändert produziert und eingesetzt. Das aus kam erst als die Air Force die KH-8 Serien auslaufen ließ, diese Satelliten waren über 15 Jahre die einzigen Nutzlasten welche die Agena D auf der Titan transportierte.

Die Agena als Shuttle Oberstufe

Der Space Shuttle erreicht nur erdnahe Umlaufbahnen, er kann keine Satelliten in geostationäre Umlaufbahnen befördern. Daher hat man frühzeitig nach einer Beförderungsmöglichkeit gesucht. Am besten in das Space Shuttle Konzept hätte eine wiederbefüllbare Oberstufe, der Space Tug gepasst. Doch für diese Entwicklung gab es kein Geld. Im Jahre 1974 untersuchte man ob man nicht existierende Oberstufen wie die Transtage oder Agena einsetzen könnte. Gegenüber Feststoffantrieben hätten diese den Vorteil, dass man für geostationäre Bahnen nur eine Stufe anstatt zwei bräuchte.

Eine für den Shuttle angepasste Agena hätte folgende Änderungen beinhaltet:

• Ersatz der Salpetersäure durch HDA, ein Gemisch von 44 % Stickstofftetroxid in Salpetersäure gelöst.
• Ersatz des unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH) durch Monomethylhydrazin (MMH()
• Verlängerung des MMH Tanks um 21.6 cm, wegen veränderter Mischungsverhältnisse
• neuer DF224 Bordcomputer
• verlängerte Düse mit einem Entspannungsverhältnis von 1:150
• optionaler, abwerfbarer Zusatztank für direkte GEO Mission

Mit einem Zusatztank hätte die Agena 1769 kg direkt in den GEO Orbit transportieren können. Das ist die Leistungsklasse einer Titan 3C.  Die Länge der Agena steigt von 6.31 m auf 7.93 m bei einem Durchmesser von weiterhin 1.52 m. Dies erlaubt es die neue Agena auch auf der Titan einzusetzen. Lediglich die Option mit Zusatztanks bleibt dem Shuttle vorbehalten. Diese hat einen maximalen Durchmesser von 4.58 m.

Eine Besonderheit der Shuttle Agena war, dass sie als "Reuseable" also wiederverwendbar eingestuft wurde. Selbst bei Geosynchronen Missionen sollte die Stufe wieder zurückkehren. Die neuen Treibstoffe und die verlängerte Düse steigern den spezifischen Impuls deutlich von 2943 auf 3180 m/s. Mit Zusatztanks wäre die Startmasse auf 25400 kg geklettert. Die Leermasse beträgt in einer Basic Version 1322 kg. In einer verbesserten Version mit einer moderneren Steuerung und Fähigkeit zu mehr als 3 Zündungen pro Flug 1383 kg. Ohne Zusatztanks wiegt eine Shuttle Agena  leer 854 kg bei einer Treibstoffzuladung von 6697 kg. Dazu kommt noch Hardware um die Stufe in der Shuttle Ladebucht zu verankern und auszusetzen. Das Startgewicht ohne Nutzlast beträgt dann bei der Standard Agena 8427 kg und der Agena mit Zusatztanks 27453 kg.

Nutzlasten können bis zu 12.2 m lang sein. Es wäre auch möglich gewesen die Agena als Service Stufe zu verwenden. Sie hätte dazu Satelliten angesteuert und dort "Komponenten" ausgetauscht. (In der Praxis wird man eigentlich nur Satelliten auftanken können, doch schon dies wäre ein enormer Fortschritt gewesen) oder Satelliten zur Reparatur zurückführen.

Die Entwicklung der Agena für den Shuttle sollte 194.6 Millionen USD (1973 Preisbasis) kosten. Die Flugkosten wären dann durch die Wiedernutzung der Stufe relativ gering. 93 Flüge mit 10 Exemplaren sollten 232.9 Millionen USD kosten, also ein Flug lediglich 2.5 Millionen USD. Die Agena hätte man noch weiter steigern können, wobei die Nutzlast vor allem für Hochgeschwindigkeitsmissionen ansteigt. Dazu hätte man den Oxidator durch Stickstofftetroxid ersetzt. Dies bringt nicht nur eine leichte Verbesserung des spezifischen Impulses auf 3197 m/s, sondern verringert das Leergewicht weil man nun auf Aluminiumlegierungen für die Tanks ausweichen kann. Aluminium wird durch die Säure angegriffen, weshalb die bisherigen Tanks der Agena aus Edelstahl bestehen.

Warum wurde nichts daraus ? Die NASA wollte zum einen Entwicklungskosten sparen und da waren die Feststoffoberstufen PAM-D und PAM-A preiswerter. Es kam auch niemals dazu, dass Satelliten so gebaut wurden, dass man sie wiederauftanken hätte können. Zudem war die Agena schwer. Mit Nutzlast an der Grenze der maximalen Nutzlastmasse des Shuttles. Als man diese während der Entwicklung zurücknehmen musste wäre die Agena zu schwer gewesen.

Einsatzhistorie

Verschiedene militärische Satelliten sind eng mit der Agena Oberstufe verbunden. Bei einigen frühen Typen des KH (Key Hole) Programms war diese Stufe sogar fest mit dem Satelliten verbunden und ermöglichte das Verändern des Orbits. Im Laufe der Zeit wanderte die Stufe auch von einer Trägerrakete zur nächsten. Dies hatte ihren Grund darin, dass alle Satelliten des Keyhole Programms von KH-1 bis zu KH-8 fest mit der Agena Oberstufe verbunden waren und in dem Maße wie diese Satelliten schwerer wurden, musste man größere Trägerraketen einsetzen.

So fanden die ersten Starts auf der Thor statt, doch schon am 25.5.1972 fand der letzte Start einer Thor-Agena statt. Die Atlas wurde kurz nach der Thor mit der Agena Oberstufe ausgerüstet. Hier fand der letzte Start einer Atlas Agena am 27.6.1978 statt. Der erste Einsatz auf der Titan war erst am 29.6.1966, doch hier wurde die Agena bis zum 12.2.1987 eingesetzt. Welche Bedeutung diese Nutzlast für die Agena hatte wird daran deutlich, dass von 318 Starts der Agena A-D von denen man die Nutzlast kennt insgesamt 195 auf die Satelliten des Keyhole Programms entfallen, also fast zwei Drittel.

Mit dem Wegfall dieser Satelliten war auch die Agena Oberstufe überflüssig geworden. Trotzdem hat diese Stufe über fast 28 Jahre lang die meisten Starts aller Oberstufen der NASA durchgeführt. Die Centaur als ebenfalls prominente und auch auf drei Trägern eingesetzte Oberstufe hat bis zum 31.12.2004, also in 41 Jahren des Einsatzes lediglich 141 Flüge absolviert, weniger als die Hälfte der 365 Agena Starts. Dabei erwies sich die Agena als zuverlässiges "Arbeitspferd": Die meisten Fehlstarts beruhten auf Versagen der Trägerrakete und nicht der Agena.

Die Verbindung der Agena mit den Spionagesatelliten des Keyhole Programmes hatte wahrscheinlich auch technische Gründe. Zumindest bei den Satelliten KH 1-4 (Programm Corona), KH-5 (Argon) und KH-6 (Lanyard) war die Agena fest mit dem Satelliten verbunden und diente im Orbit für Veränderungen der Bahn. Vieles spricht dafür, dass dies auch beim KH-8 (Gambit) Programm war, bei dem die Agena bis zu letzt eingesetzt wurde. Für die Konstruktion der Satelliten bedeutete dies eine große Vereinfachung, denn man konnte auf ein eigenes Steuertriebwerk verzichten und zudem Treibstoffreste der Agena effizient nutzen.

Bücher des Autors über Trägerraketen

Wie man an dem Umfang der Website sieht, sind Trägerraketen eines meiner Hauptinteressen. Es gibt inzwischen eine Reihe von Büchern von mir, auch weil ich in den letzten Jahren aufgrund neuer Träger oder weiterer Informationen über alte Projekte die Bücher neu aufgelegt habe. Sie finden eine Gesamtübersicht aller Bücher von mir bei Amazon und hier beim Verlag.

Ich beschränke mich in diesem Abschnitt auf die aktuellen Werke. Für die in Europa entwickelten Trägerraketen gibt es von mir zwei Werke:

Europäische Trägerraketen 1 behandelt die Vergangenheit (also bei Drucklegung): Das sind die nationalen Raketen Diamant, OTRAG und Black Arrow und die europäischen Träger Ariane 1 bis 4 und Europarakete.

Europäische Trägerraketen 2 behandelt die zur Drucklegung 2015 aktuellen Träger: Ariane 5, Vega und die damaligen Pläne für Vega C und Ariane 6.

Wer sich nur für einen der in den beiden besprochenen Träger interessiert, findet auch jeweils eine Monografie, die inhaltlich identisch mit dem Kapitel in den Sammelbänden ist, nur eben als Auskopplung.

Weiter gehend, alle Raketen die es weltweit gibt, behandelnd, gehen zwei Bände:

US-Trägerraketen

und

Internationale Trägerraketen (im Sinne von allen anderen Raketen weltweit)

Auch hier habe ich 2023 begonnen, die Bände aufzusplitten, einfach weil der Umfang für eine Aktualisierung sonst weder handelbar wäre bzw. an die Seitengrenze stößt, die der Verlag setzt. Ich habe auch bei den Einzelbänden nochmals recherchiert und den Umfang erweitert. Bisher sind erschienen:

US Trägerraketen 1 mit den frühen, kleinen Trägern (Vanguard, Juno, Scout)

US Trägerraketen 2 mit der Titan-Familie

2023 wird noch die erste Auskopplung aus den internationalen Raketen über russische Träger erscheinen. Nach und nach werden alle Raketen dann in einzelnen Monografien geordnet nach Trägerfamilien oder Nationen dann aktualisiert auf den aktuellen Stand, so besprochen.

Für die Saturns gibt es noch einen Sonderband, den ersten in der Reihe über das Apolloprogramm.

Alle bisherigen Bücher sind gerichtet an Leute, die wie ich sich nicht mit oberflächlichen Informationen oder Zusammenfassung der Wikipedia zufriedengeben. Wenn sie sich nicht für Technik interessieren, sondern nette Anekdoten hören wollen, dann sind die bisherigen Bücher nichts für Sie. Für dieses Publikum gibt es das Buch „Fotosafari durch den Raketenwald“ bei dem jeder Träger genau eine Doppelseite mit einem Foto und einer Beschreibung hat. (Also etwa ein Zehntel der Seitenzahl auf den ich ihn bei den beiden obigen Bänden abhandelte). Das Buch ist anders als die anderen Bände in Farbe. Ab und an macht BOD als Print on Demand Dienstleister Mist und verschickt es nur in Schwarz-Weiß, bitte reklamieren sie dann, ich als Autor kann dies nicht beeinflussen.

Als Autor würde ich mich freuen, wenn sie direkt beim Verlag bestellen, da ich da eine etwas größere Marge erhalte. Dank Buchpreisbindung und kostenlosem Versand ist das genauso teuer wie bei Amazon, Libri und iTunes oder im Buchhandel. Über eine ehrliche Kritik würde ich mich freuen.

Alle Bücher sind auch als E-Book erschienen, üblicherweise zu ²/₃ des Preises der Printausgabe – ich würde sie gerne billiger anbieten, doch da der Gesetzgeber E-Books mit 19 Prozent Mehrwertsteuer besteuert, Bücher aber mit nur 7 Prozent, geht das leider nicht. Ein Vorteil der E-Books - neben dem einfacher recherchierbaren Text ist, das alle Abbildungen, die im Originalmanuskript in Farbe, sind auch in Farbe sind, während ich sonst - um Druckkosten zu sparen - meist auf Farbe verzichte. Sie brauchen einen pdf-fähigen Reader um die Bücher zu lesen. Sofern der Verlag nicht weiter für bestimmte Geräte (Kindle) konvertiert ist das Standardformat der E-Books ein DRM-geschütztes PDF.

Mehr über meine Bücher finden sie auf der Website Raumfahrtbuecher.de und eine Liste aller Veröffentlichungen findet sich auch bei meinem Wikipediaeintrag.

Die Agena C

Es gab keine Agena C. Es gab in der Tat Planungen für eine Agena C, mit nochmals doppelt so großen Tanks wie die Agena B/D. Sie wurde aber nie gebaut. Warum? Darum geht es in diesem Blog. Die Antwort ist komplex. Stellt man die Raketengrundgleichung auf, so ist klar, das eine weitere Vergrößerung der Tanks die Nutzlast anhebt, um so mehr je höhere Geschwindigkeiten gefordert sind. Es ist aber auch ein Beispiel, wo diese einfache Berechnung an ihre Grenzen stößt. Eine Simulation zeigt das Problem: Jede Rakete hat Verluste bis sie einen Orbit erreicht. Das kann in der Anfangsphase durch den Luftwiderstand sein, aber der Großteil sind Gravitationsverluste, so etwas schlecht aus dem englischen übersetzt "Gravity losses". Es sind auch keine echten Verluste, denn Energie kann man nicht vernichten, aber man kann sie in andere Energieformen umwandeln. In diesem Falle ist es Hubarbeit: Das Anheben eines Körpers im Gravitationsfeld erfordert Energie. Daneben zieht die Gravitationskraft an jedem Körper, sobald er von der Erdoberfläche abhebt. Die schwerere Oberstufe bedeutet nun zum einen, dass der Anteil der Beschleunigung der Erststufe, der weitere Geschwindigkeit bringt und nicht die Fallbeschleunigung kompensiert, sinkt damit die Gravitationsverluste ansteigen. Zudem arbeitet die Oberstufe durch den zusätzlichen Treibstoff selbst länger, hat im Verhältnis zur Masse einen kleineren Schub. Beides steigert ebenfalls die Gravitationsverluste. Man kommt sehr bald darauf das eine ursprüngliche Thor eine so schwere Oberstufe gar nicht tragen kann. Auch mit der Startunterstützung mit drei Castor II Boostern wird es knapp. Aber später wurden neun an die Thor montiert und durch größere Castor IV ersetzt. Diese Versionen der Thor wurden aber schon nicht mehr mit der Agena eingesetzt. Die Atlas und Titan sind schon als Raketen größer und haben zudem Drittstufen, die ähnlich schwer wären wie eine Agena C, die Centaur und Transtage. Da sollte eine Agena C eigentlich einsetzbar sein.

Die Transtage zeigt übrigens das Phänomen recht gut. Sie wiegt rund 5 t mehr als eine Agena D, bei fast demselben Schub. Die Titan IIIA mit Transtage hat durch die höheren Gravitationsverluste eine kleinere Nutzlast als die Titan IIIB mit der Agena.

Die Agena C

Daten für die Agena C sind nicht verfügbar. aber sie können leicht rekonstruiert werden. Denn zum Ende der Einsatzzeit suchte die USAF nach Oberstufen für das Space Shuttle, da dieses nur einen LEO erreicht. Die Agena wurde dafür untersucht, die Wahl fiel dann aber auf die neue Oberstufe IUS. Von dieser Untersuchung gibt es aber Daten und es gab auch eine Version mit Zusatztanks, die abwerfbar waren. Ich habe nun einfach die Daten dieser Agena genommen. Andere Optimierungen die vorgeschlagen wurden, wie eine längere Düse oder eine Umstellung der Treibstoffmischung auf eine mit einem höheren Energiegehalt habe ich dagegen nicht übernommen, da man die Agena D auch nicht während ihrer Einsatzzeit technisch aufrüstete.

Mit einer Umstellung auf die Mischung MMH/NTO, dem Bell 8553 und einer längeren Düse wäre der spezifische Impuls auf 3.197 m/s steigerbar gewesen und der Schub auf 71,9 kN. Aber für den Vergleich rechne ich mit den normalen Triebwerken.

Verfügbare Träger

Bei der Titan und Atlas ist es relativ einfach. Es gibt wenige Versionen. Die ursprüngliche Atlas war eine Atlas D mit Anpassungen für Oberstufen, sie wurde dann von einer standardisierten Atlas abgelöst. Relativ spät verlängerte man die Atlas, da die Triebwerke auch stärkereicher wurden. Die letzte Einsatzversion mit der Agena Oberstufe, die SLV-4A Agena wog 25 t mehr.

Die Titan II wurde mit der Agena Oberstufe zur Titan 3B. Von dieser gibt es einige Varianten, die sich in der Nutzlastverkleidung unterscheiden. Später kam dann die Titan 34B mit leicht verlängerten ersten (+14 t) und zweiten Stufen (+5 t). In beiden Fällen wurde die Agena nicht angetastet. Diese verlängerten Versionen wurden übrigens nie für Aufklärungssatelliten, sondern andere militärische und auch zivile Missionen eingesetzt. Bei der Titan gab es auch die Pläne für einen Einsatz von Algol-Stufen als Booster. Diese Erststufe der Scout wog in etwa so viel wie ein Castor IV Booster. Zwei oder Sechs Booster sollten eingesetzt werden. Diese Version habe ich daher auch mit aufgenommen.

Problematischer ist dies bei der Thor. Hier endete der Einsatz der Agena schon früh, 1972. Das letzte eingesetzte Modell war die Long Tank Thrust Augmented Thor Agena D. Diese hatte eine 70 t schwere Thor und drei Castor II Booster. Die Delta-Linie wurde dagegen bis 1991 weiter entwickelt und bis 2011 eingesetzt und hatte am Schluss eine 102 t schwere XLT-Thor mit neun GEM-40 Boostern von denen jeder dreimal so viel wie ein Castor II wog. Sinnvoll bei der Thor sind immer neun Booster. Mit dreien kann man das Mehrgrwicht der Oberstufe nicht kompensieren. Ich habe daher von den vielen Versionen, die denkbar sind, folgende genommen:

Auf den Einsatz der GEM-Booster habe ich verzichtet. Da es von keiner der Versionen eine eingesetzte Agena D-Version gibt, habe ich als Vergleich diese selbst konstruiert. Alle Nutzlastangaben sind für einen 200 km Orbit mit 28 Grad Neigung beim Start vom CCAF, berechnet mit meiner Aufstiegssimulation und auf 100 kg abgerundet.

Man sieht sehr deutlich, warum die Agena C nicht entwickelt wurde - auf der Thor macht sie bei den damaligen Versionen keinen Sinn. Erst mit den Castor IV resultiert ein deutlicher Nutzlastgewinn.

Wie sieht es bei der Atlas aus?

Nun, da die Atlas Erststufe viel größer ist als eine Thor ist der Nutzen etwas höher. Aber schon bei der Standard Atlas D gibt es nur einen kleinen Nutzlastgewinn. Die verlängerte SLV3A Atlas sieht besser aus, der Zugewinn ist aber auch bei der verlängerten Atlas überschaubar und liegt bei etwa 20 Prozent.

Die Titan

Bei der Titan wiederholt sich im Wesentlichen der Befund bei der Atlas. nur mit dem Unterschied, das die Agena C in einigen Versionen eine geringere Nutzlast hat. Der Grund ist das die Zweitstufe der Titan einen Schub von 445 bzw. 476 kN hat, die Stufe ist dann einfach zu schwer.

Andere Bahnen

Es ist nach den Berechnungen offensichtlich: in den LEO bringt eine Atlas C nicht mehr Nutzlast. Ich habe nun nur jeweils eine Version genommen, bei der Thor macht nur die größte einen echten Sinn, da bei der Delta-Linie für Fluchtbahnen immer noch eine weitere Oberstufe eingesetzt wurde. Gemessen an der nun kleineren Nutzlast ist der Gewinn deutlicher: 300 bis 400 kg, nur bei der Atlas nicht.

Die Problematik

Eine Agena C st schlicht und einfach zu schwer als Oberstufe. Für die Thor sowieso. Bei der Titan und Atlas liegen dagegen jeweils unterschiedliche Bedingungen vor. Die Titan hat noch eine rund 30 t schwere Zweitstufe, da ist eine 13 t schwere Oberstufe einfach zu groß, wie dies auch der Vergleich mit der Transtage zeigt, die ja das gleiche Problem hat. Die Transtage wurde aber - nach einigen Teststarts ohne Booster nur mit Boostern (Titan 3C / 34C) eingesetzt und die kompensierten dieses Manko. Bei der Atlas gibt es zumindest bei der verlängerten Version einen Nutzlastgewinn. Dazu kommt de relativ kleine spezifische Impuls, der sich aber durch eine Veränderung des Treibstoffs anheben lässt. Bei der Titan macht es aber Sinn die zweite Stufe durch eine Agena zu ersetzen. Man erhält fast dieselbe Nutzlast, aber mit einer kleineren Oberstufe:

Das wusste man schon damals, so gab es Vorschläge die Centaur auf der Titan II (ohne Feststoffbooster) einzusetzen. Sie wiegt ähnlich viel wie eine Agena C hat aber den doppelten Schub. Trotzdem wäre in diesem Falle die zweite Stufe der Titan durch eine Centaur ersetzt worden.

Alternativen

Die offensichtlichste Alternative war schon damals bekannt: Die Agena wurde als Antrieb für einen Marschflugkörper konzipiert, der aber nie gebaut wurde. Danach wurde sie zur Oberstufe, weil damals - Anfang der militärischen Raumfahrt - es keine andere einsatzbereite Stufe gab. Während man das zivile Pendant, die Delta-Oberstufe laufend technisch aufrüstete, unterblieb dies bei der Agena. Dabei war sie besser als die Delta: Ihr Haupttriebwerk arbeitete mit einer Turbopumpe. Dadurch war der Brennkammerdruck höher und die Tanks mussten nicht unter hohem Druck stehen, was ihre Masse erhöhte. Aber die Delta bekam eine modernere Treibstoffmischung, vor allem das Ersetzen der Salpetersäure durch NTO, das wasserfreie Pendant erhöht, den spezifischen Impuls und die Dichte des Treibstoffs. Die Düse war für ein Vakuumtriebwerk recht kurz. Eine große Düse wie sie die letzten Delta-Versionen hatten, hätte mit einer optimierten Treibstoffmischung den spezifischen Impuls von 2.943 m/s auf 3.197 m/s erhöht. Daneben wäre der Schub leicht um 0,7 kN angestiegen. Diese Maßnahmen hätten die Orbitmasse (etwa 700 kg Leermasse der Agena + Nutzlast) um 8 Prozent gesteigert. Bei 2.000 bis 4.000 kg Nutzlast bei den eingesetzten Versionen entspricht das einem Plus von 200 bis 400 kg oder rund 10 Prozent der Nutzlast, ein entsprechendes Triebwerk (Bell 8133 für die Agena B und Bell 8533 für die Agena D) war auch projektiert. Ein Triebwerkstausch ist immer etwas Größeres, aber bei der Delta erfolgte dies auch mehrmals: ihre sechs Versionen kamen auf 339 Starts, die Triebwerke der Agena (drei Versionen) dagegen auf 362 Einsätze, obwohl das letzte Exemplar 30 Jahre früher, 1987 gestartet wurde.

Fazit

Die Agena C machte in den meisten Fällen keinen Sinn. Das hat man schon vor Jahrzehnten erkannt, als die Ingenieure Berechnungen mit dem Rechenschieber machten und keine Computersimulation hatten.

Referenzen:

NASA Agena D Mission Capabilities and Restraints Catalog

Reuse Agena Final Report

Robert D. Roach: The Agena Rocket Engine – Six Generations of Space Propulsion

David Field: The Agena Engine

Bob Mount: Acrobatic Agena: Prize Performer in Space

NASA TM-X65553: The Delta and Thor/Agana Launch Vehicles for Scientific and Application Satellites

NASA-CR-115485: Shuttle/Agena study. Annex A: Ascent agena configuration

Artikel zuletzt aktualisiert: 5.7.2025

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