Wie klein kann eine Minirakete sein?

Heute morgen gelang der zweite Teststart der Minirakete Elektron. Glückwunsch zum Erreichen des Orbits. Ich wünsche dem Unternehmen viel Erfolg. Sie sind ja ein ziemliches Wagnis eingegangen. Die Nutzlast ist so klein, das die Elektron praktisch nur für den Cubesat und Minisatellitenmarkt (bis maximal 100 kg) nutzbar ist. Sie haben ja schon einige gebuchte Start, doch der langfristige Geschäftserfolg hängt davon ab, ob dieser Trend anhält und ob nicht die schon etablierten Firmen den Markt bedienen. Vor allem Indien, aber auch Russland bieten ja mehr Fluggelegenheiten an, während man in den USA und Europa doch sehr zurückhaltend ist.

Es hat ja beim zweiten Anlauf geklappt, wobei schon beim ersten die Schuld nicht an der Rakete sondern einer abgerissenen Datenverbindung bei der Bodenstation lag. Dabei ist die Rakete sogar noch innovativ – sie kommt ohne Gasgenerator aus. Alle Turbopumpen werden elektrisch angetrieben. Dabei kommt die Elektron nicht aus einem klassischen Raketenland, wo selbst Multimilliardäre mit ihren ersten Raketen grandios scheiterten. Die Elektron wird für einige Monate die kleinste Trägerrakete der Welt sein. Dann steht der zweite Testflug der SS-520 an, einer umgebauten japanischen Höhenforschungsrakete an. Auch bei ihr war der erste Testflug nicht erfolgreich. Ihr Nutzlast von 20 kg ist nochmals deutlich kleiner.

Ich nehme den erfolgreichen Testflug mal zum Anlass aufzuzeigen, wie klein eine Minirakete sein kann. Ich hatte das Konzept einer Minirakete ja schon mal skizziert. Wahrscheinlich hat man das in Japan gelesen denn die SS-520 sieht mir doch nach einer Kopie meines Konzepts aus. Wenn man eine noch kleinere Nutzlast als etwa 20 bis 50 kg erreichen will wird es aber schwierig. Es gibt zwei Hindernisse für eine Minirakete:

• Kleine Stufen haben einen ungünstigeren Strukturfaktor als große stufen
• Avionik, Steuerung, Telemetrie, und Lagekontrolle sind nicht beliebig verkleinerbar

Fangen wir mit dem ersten an. Bei Stufen mit flüssigen Treibstoffen nimmt das Voll-/Leergewichtsverhältnis ab. Das liegt an zwei Faktoren. Kleine Triebwerke haben ein ungünstigeres Schub-/Gewichtsverhältnis. Triebwerke um 1.000 kN Schub können eines von 100 erreichen, ein 400 N Triebwerk nur noch eines von 10. Bei den Tanks ist es so, dass die Dicke der Wände proportional zum Tankdruck ist. Bei druck-geförderten Tanks wie auch „normalen“ ergibt sich so ein konstanter Strukturfaktor – bei großen Raketen. Je stärker man aber die Rakete verkleinert, desto dünner müssten auch die Wände werden und irgendwann erreichen sie eine minimale Dicke, bei der dann andere Faktoren keine weitere Gewichtsreduktion mehr zulassen. Die Atlas Tanks waren so dünn, das sie ohne Innendruck kollabieren würden, was auch mehrmals vorkam. Also auch hier ist es naturgemäß vorgegeben, dass kleinere Stufen schwerer werden.

Bei Feststoffstufen ist es etwas günstiger. Sie stehen von vorneherein unter hohem Druck. Die Wanddicke ist daher höher. Doch auch hier gilt: sehr kleine Stufen haben ein hohes Leergicht, verglichen mit der Startmasse. Jedoch einen günstigeren Strukturfaktor als kleine Stufen mit flüssigem Treibstoff. Schaut man sich ATK‘s Produktkatalog an so wird das deutlich, kleiner die Stufe desto kleiner der Treibstoffanteil an der Startmasse. Aber auch hier gibt es Ausnahmen. Das TE-M-500 kommt mit nur 1,72 kg Treibstoff auf einen Treibstoffanteil von 87%, ansonsten haben alle Triebwerke mit unter 30 kg Treibstoff einen von kleiner als 0,8. Der leichteste Antrieb der >=0,9 erreicht ist der TE-M-251 mit 115 kg Treibstoff. Der TE-M-711/3 erreicht sogar 0,95 – ein Voll/Leermasseverhältnis von 20 das auch großen Stufen oft nicht erreichen.

Eine Minirakete bestehend aus den ATK-Antrieben TE-M-500, TE-M-541, TE-M-763 und TE-M-604A würde rund 250 kg wiegen bei einer Nutzlast von 2 bis 3 kg. Das ist aber nur ein Aspekt. So eine Rakete würde nicht funktionieren. Eine Rakete hat mindestens zwei weitere Aufgaben zu erfüllen:

• Sie startet senkrecht und muss einen Orbit in definierter Höhe erreichen. Sie muss also ihre Richtung gezielt ändern.
• Sie muss stabilisiert werden.

Optional gibt es noch zwei weitere Aufgaben:

• Die Rakete soll aktiv gesteuert werden, sie soll nicht nur einen x-beliebigen Orbit erreichen, sondern einen vorgegebenen, wenn möglich mit maximaler Nutzlast.
• Man möchte genaue Statusinformationen von der Rakete haben um Fehler zu finden oder sie zu optimieren.

Fangen wir mit dem ersten an. Eine Rakete startet senkrecht. Sei baut zuerst eine Vertikalgeschwindigkeit auf. Bei normalen Raketen neigt sie sich dann langsam immer mehr in die Horizontale. Das Programm muss so ausgelegt sein, dass die Vertikalgeschwindigkeit so hoch wie bei einem senkrechten Schuss der die Orbithöhe als Gipfelhöhe erreicht, die horizontale Geschwindigkeit die des Orbits entspricht und vor allem der Großteil der horizontalen Geschwindigkeit in einer Höhe erreicht wird, bei der ein stabiler Orbit resultiert. Feststoffraketen haben mit dem letzten Kriterium wegen der kurzen Brennzeit Probleme und schieben daher oft Freiflugphasen ein, so auch die Vega und Epsilon. Eine technisch einfache Lösung ist es die Rakete in einem schrägen Winkel zu starten. Dies wird auch bei der SS-520 so gemacht, ebenso bei den japanischen My. Die Rakete erhält so einen Großteil oder sogar die gesamte Vertikalgeschwindigkeit beim Betrieb der ersten Stufe, dann muss sie in die Horizontale gedreht werden. Das können zwei Raketentriebwerke mit festem Impuls durchführen, das eine induziert ein Drehmoment, das zweite stoppt es. Per Funk muss man sie nun so timen, das die zweite Zündung stattfindet, wenn die Rakete die Horizontale erreicht hat oder einen flachen Winkel.

Bei der Scout gab es ein etwas ausgeklügelteres Programm mit variablen Drehraten durch Kaltgasdrüsen, aber die Rakete absolvierte ein festes Programm das vor dem Start festgelegt war. Der Preis war das eine Scout sehr hohe Abweichungen von der Sollorbithöhe hatte, bis zu 100 km bei kreisförmigen Orbits. Ganz niedrige Orbits sind daher fast nicht möglich. Auch die erste Nutzlast der SS-520 sollte sicher nicht aus Zufall einen exzentrischen Orbit erreichen.

Das zweite ist die Stabilisierung. Es wirken ja Kräfte auf sie ein: Wind, Luftwiderstand, ungleiche Schubverteilung etc. Die einfachste Möglichkeit zur Stabilisierung ist es während der aerodynamischen Phase mit Flügeln die Rakete durch ihre Geschwindigkeit zu stabilisieren. Eine Drehung erzeugt höheren Widerstand gegenüber der Luftströmung. So wurde die A-4 mitstabilisiert, allerdings nicht als einzige Maßnahme. Das Prinzip nutzen auch Höhenforschungsraketen. Sie erreichen relativ schnell eine hohe Geschwindigkeit, denn solange die Geschwindigkeit klein ist, ist der Luftwiderstand bei einer Drehung auch klein. Später kann man eine Rakete stabilisieren indem man sie in eine rasche Rotation (50-200 U/min) bringt. Diese Maßnahme wird bei vielen Raketen angewandt vor allem bei der letzten Stufe, wenn diese nicht mehr aktiv gesteuert wird. So bei Black Arrow, Diamant, Scout, Delta. Auch dies könnten die Triebwerke für die Umlenkung der Bahn bewerkstelligen, wenn sie im schrägen Winkel angebracht sind.

Eine solche Low-Tech Minirakete könnte einen Orbit erreichen, allerdings mit hohem Risiko und großen Unsicherheitsfaktoren. Nehmen wir das Umlenken in der Horizontale. Wenn der Impuls der Triebwerke fest ist, also keine Flüssigkeitsrakete, die man wieder abschalten kann. Dann muss dies bei einer definierten Höhe und Geschwindigkeit erfolgen. Sonst erreicht man entweder keinen Orbit, sondern nur eine suborbitale Bahn oder den falschen Orbit. Bei der Scout lebte man mit Unsicherheitsfaktoren in der Orbithöhe. Aber wenn man nicht die momentane Geschwindigkeit und Ausrichtung weiss, dann ist das ein Glücksspiel. Daher wird man zumindest auf eine Telemetrie, die laufende Daten über die Rakete sowohl die Messwerte von Sensoren wie auch die Daten über Ort, Ausrichtung und Geschwindigkeit nicht verzichten wollen. Die Daten über Geschwindigkeit und Ort kann man durch Verfolgen der Bahn mit mindestens zwei Bodenstationen durch Triangulation gewinnen. Die Information über die Ausrichtung aber nicht. Auch bei Miniaturisierung wiegen solche Systeme mit Sendern, Batterien noch einiges. Bei der Minirakete SS-520 z.b. 52 kg. Das ist ein Vielfaches der Satellitenmasse von 20 kg. Bei der Vega wiegt das AVUM noch mehr, weshalb ich auch die Idee einer Vega-Light für blödsinnig halte, da dann die Nutzlast von 2,3 auf 0,25 t sinkt – die AVUM mit rund 500 kg Leermasse bleibt ja konstant. Die einzige Lösung ist es die Steuerung von der letzten Stufe zu trennen. Diamant, Black Arrow, Scout und Epsilon integrieren sie in die vorletzte Stufe. Die letzte wurde spinstabilisiert und war ohne aktive Steuerung. Die Avionik hatte die Aufgabe die Rakete auf eine Suborbitale Bahn zu bringen die einen Punkt hatte, bei dem man die letzte Stufe zünden konnte und diese dann den gewünschten Orbit erreicht. Da 10 kg mehr bei der vorletzten Stufe typischerweise 3 kg weniger Nutzlast entsprechen ist dies günstiger, aber man erreicht so nicht Bahnen mit präzisen Vorgaben.

Der letzte Punkt ist die aktive Kompensation von Störeinflüssen. Typischerweise indem man Triebwerke dreht oder auf andere Weise den Schubvektor beeinflusst (Strahlruder, Sekundäreinspritzung, Lageregelungstriebwerke) aber auch der Brennschluss wenn die Zielbahn erreicht wird. Das ist eigentlich nur möglich, wenn die letzte Stufe mit flüssigem Treibstoff arbeitet. Die Vega setzt das ein. Bei Black Arrow und Diamant machten das die unteren Stufen mit flüssigem Treibstoff. Bei anderen Miniraketen wie Athena oder Pegasus gibt es ein optionales System mit flüssigem Treibstoff das die Bahngenauigkeit erhöht als optionale Stufe.

Miniraketen-Fazit

Ich denke, wenn einem große Schwankungen in der Orbithöhe egal sind, wäre eine solche Low-Cost Minirakete möglich. Man würde sie schräg mit Flügeln starten, eventuell sogar von einem Flugzeug aus – das hat den Vorteil, dass Flügel schon beim Start wirksam sind, da dieser bei höherer Geschwindigkeit stattfindet. Es ging aber nicht ohne eine minimale Messeinrichtung. Diese würde man in der ersten Stufe anbringen. Sie würde die Bodenstation über Geschwindigkeit und über Neigungssensoren über die Lage informieren. An der ersten Stufe befinden sich dann mehrere Feststofftriebwerke mit festen Impulsen. Zum einen zum Versetzen der Rakete in schnelle Rotation. Zum anderen zum Kippen der Rakete. Die Bodenstation berechnet dann den Zeitpunkt, bei dem das Kippen ausgelöst wird und wann es wieder gestoppt wird. Danach wird die Minirakete in Rotation versetzt und die erste Stufe mit dem toten Gewicht der Steuerung, Flügeln und Zusatztriebwerke abgeworfen. Das findet während der sowieso nötigen Freiflugphase statt.

Die Frage ist allerdings ob es sich lohnt. ATK hat zwar einen Product-Katalog, aber ohne Preise. Ich vermute die Kosten wären verglichen mit der Nutzlast sehr hoch.