Die neue Proton

Vor zwei Jahren hat ILS angekündigt eine neue Version der Proton in Dienst zu stellen. ILS ist in einer schlechten Lage: die Proton hatte in den letzten Jahren viele Fehlstarts sowohl im Modell M das für kommerzielle wie russische Starts genutzt wie auch von Russland exklusiv genutzten Variante mit Block DM3.

Solange ILS die einzige Konkurrenz zu Arianespace war, bekam die Firma trotzdem genügend Aufträge. Es gab ja keine Alternative. Mit dem Ansteigen der Startrate von SpaceX blieben die aber weitestgehend aus. Noch schlimmer: Anders als Arianespace befördert die Proton nur einen Satelliten. Das setzte sie bei nicht voll ausgenutzter Nutzlast unter Kostendruck. ILS musste schon die Kosten für einen Start bei kleineren Satelliten senken. Da die Rakete aber in der Herstellung immer gleich viel kostet auf die Dauer ein teures Zugeständnis.

So wurde im März 2017 die Proton M und Proton Light aus der Taufe gehoben. Bei der Proton Medium sollte die zweite Stufe wegfallen, bei der Proton Light zusätzlich noch zwei der Booster. Die Nutzlast sinkt so von 6,3 auf 5 bzw. 3,5 t.

Das Konzept wurde inzwischen revidiert, anstatt der dritten wird bei der Proton Medium die zweite Stufe weggelassen, was bei vier Triebwerken wohl ein größeres Einsparpotenzial ist und die Light-Variante wurde gestrichen. Derzeit laufen Verhandlungen mit einem Flottenbetreiber über 5 Starts dieser Mediumvariante die durch eine Stufe weniger wohl kostengünstiger sein wird.

ILS ist nach 12 erfolgreichen Starts der Proton seit 2015 zuversichtlich, dass die Aufträge wieder hereinkommen, wenn es 15 Starts in Folge sind und ab 20 Starts ohne Patzer in Folge sieht man dann keinen Wettbewerbsnachteil der Proton mehr. Mal sehen ob sie dahin kommen. Bei den letzten Fehlstarts war es ja ein bunter Mix. Zum Teil waren es Fehler die es schon immer gab, aber wohl nur selten zuschlugen, wie bei der dritten Stufe. Zum Teil waren es aber auch Fertigungs- und Qualitätssicherungsfehler die vor allem bei russischen Starts zuschlugen.

ILS hat sich nun auf die Proton eingestellt, anders machen die Investitionen in eine neue Variante keinen Sinn. Vor zehn Jahren sah ILS und Russland die Proton noch als Auslaufmodell, das bald von der Angara 5 abgelöst wird. Nominell mit etwas höherer Nutzlast und preiswerter in der Fertigung tut sich bei der neuen russischen Rakete und auch dem Ausbau des neuen Kosmodroms Wostotschny in den letzten Jahren nicht sehr viel. Gerade mal zwei Starts der Sojus gab es in drei Planeten. Die Rampe für die Angara ist noch gar nicht eingeweiht worden. Gerade ILS bräuchte die Angara und das Kosmodrom. Der Start von Baikonur aus ist energetisch ungünstig. Bei der hohen Bahnneigung von 51,7 Grad braucht ein Satellit etwa 2.500 m/s um in den GEO zu erreichen. Beim Start vom Cape Canaveral aus sind es 1.800 m/s und beim Starts vom CSG aus 1.500 m/s. Beim Start von Echostar 21 wurde ein CCAF-Kompatibler Orbit angestrebt: 30,5 Grad × 2.300 × 35.786 km mit 1.780 m/s Differenzgeschwindigkeit. Das dauert Stunden, weil die Breeze-M Oberstufe einen so kleinen Schub hat. Vor allem aber kostet es Nutzlast. Denn die Breeze-M muss die Differenzgeschwindigkeit von rund 800 m/s ja aufbringen.

Insgesamt ist der Markt ja in Bewegung. So gibt es nun mehr und mehr Satelliten mit Ionentriebwerken und damit sehen auch die Betreiber der Satelliten die Situation anders. Früher war ein Argument gegen Ionentriebwerke, das sie Monate brauchen um den Endorbit zu erreichen. Das wird heute eher gegenüber den ersparten Startpreis gegengerechnet.

Das brachte ILS auf eine andere Idee. Die Breeze M entstand ursprünglich aus der Breeze-K die auf der Rockot eingesetzt wird. Diese Stufe wiederum basiert auf dem bei Phobos 1 und 2 eingeführten Traktorblock für Raumsonden, der in einer anderen Konfiguration auch in der Fregat genutzt wird. Diese Stufe ist prinzipiell für einen Betrieb über Monate ausgelegt, auch wenn sie in der Praxis maximal zwei Tage (bei SSGTO-Missionen) aktiv ist. 1999 brachte man den im Erdorbit gestrandeten Asiasat 3A über einen Mondkurs doch noch in den GEO. Ein Team bei ILS hat nun eine Strategie ausgearbeitet den Mond regulär für Bahnmanöver zu nutzen. Drei Profile werden derzeit mit potenziellen Kunden diskutiert:

• Fast-Transfer: Die Breeze M bringt den Kommunikationssatelliten auf einen Vorbeiflugkurs am Mond. Er wird nach 4 Tagen passiert und senkt die Bahnneigung ab und hebt das Perigäum an. Danach wird die Breeze abgetrennt und der Satellit muss beim Passieren des Perigäums die Bahn zirkularisieren oder zumindest soweit absenken, dass die Bahn vom Mond nicht mehr gestört wird. Diese Strategie ermöglicht bei einem Vorbeiflug am Mond Bahnen mit einem ΔV von rund 1800 m/s, etwa so viel wie beim Start vom CCAF aus. Das Perigäum liegt unterhalb des GEO und die Bahnneigung bei 10 bis 15 Grad. Dafür ist die Mission in 9 Tagen beendet.
• Long-Transfer: Es sind zwei Vorbeiflüge am Mond nötig, da einer alleine nicht die Geschwindigkeit soweit anhebt. Die Missionsdauer ist daher um einen Monat länger. Nach dem zweiten Vorbeiflug wird ein Orbit mit 0 bis 6 Grad Bahnneigung und einem Apogäum in 450.000 bis 520.000 km Distanz erreicht. Das ΔV für einen GEO ist sehr günstig, es sind nur 1100 bis 1200 m/s. Also weniger als beim Start vom CSG aus, was die Lebensdauer eines Satelliten um mehrere Jahre bis zu einem Jahrzehnt verlängern kann. Dafür dauert dieses Szenario typisch 40 Tage.
• Full-Service: Das grundsätzliche Problem der beiden obigen Strategien ist, dass heutige Kommunikationssatelliten nur ein schubschwaches Triebwerk haben. Der Schub beträgt typisch 400 bis 500 N bei 6 t Gewicht. So ergeben sich lange Betriebsdauern in denen der Abstand sich laufend ändert. Heute lösen das Satelliten dahingehend, dass sie nicht einmal ihr Triebwerk zünden, sondern viele Male. Mindestens dreimal, bis zu siebenmal kam schon vor. Bei einer normalen GTO-Bahn mit Umlaufszeiten von 10 bis 24 Stunden kein Problem, bei den Transferbahnen nach dem Mondtransfers sind es aber 10 Tage pro Umlauf. Als letzte Option wird daher angeboten, das auch die Breeze den Satelliten in den GEO bringt. Ihr Triebwerk ist schubstark genug. Zudem hat der Betreiber nicht das Problem das er seinen Kommunikationssatelliten bis in Mondentfernung kontaktieren muss, immerhin zehnmal weiter von der Erde entfernt als im operativen Betrieb.

Meiner Meinung nach klingt der Full-Service zwar auf den ersten Blick für den Satellitenbetreiber am günstigsten, muss er doch seine Planungen für die Inbetriebnahme nicht anpassen. Er hat in dieser konservativen Branche, aber einen gravierenden Nachteil: Der Satellit kann dann nur noch von der Proton gestartet werden. Der Betreiber müsste einen Großteil des internen Treibstoffs weglassen und nur noch den übrige lassen den der Satellit später für Lageregelung und Orbit-Konstanthalten benötigt. Das ist eine Lösung. Dann könnte er auch woanders gestartet werden. Radikaler wäre es, gleich kleinere Tanks zu nehmen, Heliumdruckgas wegzulassen und auf das Haupttriebwerk zu verzichten. Da Antriebssysteme eine hohe Trockenmasse haben macht das alleine einige Hundert Kilo Gewicht aus.

Die Änderungen an der Breeze-M seien dagegen klein. Die Tanks sind schon gut isoliert und für einen langen Betrieb vorgesehen. Die Stufe würde ein kleines entfaltbares Solarpaneel bekommen zur Stromversorgung, dazu weitere Sender und Antennen für eine Kommunikation über größere Distanzen. Insgesamt wurde das Trockengewicht nur leicht ansteigen.

Die Nutzlast würde dagegen deutlich ansteigen. Eine Transferbahn zum Mond ist energetisch günstiger als die bisherige Bahnanpassung. Schon alleine deswegen würde die Nutzlast ansteigen. Die Geschwindigkeitsdifferenz zum GEO ist dann bei dem Long-Transfer kleiner als bei anderen Trägern, was ebenfalls Treibstoff spart. ILS nennt eine Nutzlast von 6,7 t auf einen Mondtransferkurs. Bei einem Long-transfer wären das dann äquivalent 7,6 t in einen CSG-kompatiblen Orbit oder 8,7 t für einen CCAF kompatiblen Orbit. Beim Fast-Transfer sind es 6,7 t in einen CCAF kompatiblen Orbit, das ist aber nicht günstiger als die 6,6 t die heute schon die Proton in diesen Orbit transportiert. Der Full-Service ist dagegen ungünstiger, denn die rund 2 t schwere Breeze gelangt so auch in einen GEO. Netto gelangen so nur noch 3,9 t in dem GEO, das entspricht 6,3 t in einem Orbit mit einem Δv von 1.500 m/s. Nur wenn der Satellitenhersteller das Antriebssystem einspart wird es ein Nettogewinn (rund 300 kg mehr). ILS hält es trotzdem für die bessere Lösung, vor allem für die neuen Satelliten mit Ionentriebwerken, denn diese durchquere nun nicht mehr die Van Allen Strahlungsgürtel was Solarzellen und Elektronik schädigen soll.

Bleibt noch die Frage der Startfenster – diese sollen nicht kritischer sein als sonst. Es gibt jeden Tag ein Startfenster zum Mond, das auch nicht kürzer als das in den GTO ist.

Die Pläne zeigen in welcher Bredouille ILS ist. Auf der einen Seite das Qualitätsproblem der Proton, auf der anderen Seite neue Konkurrenz durch SpaceX. Man hat sicher Hoffnungen auf das neue Kosmodrom gesetzt. Mit einer Bahnneigung von minimal 31 Grad würde das die Nutzlast der Proton für vergleichbare Umlaufbahnen deutlich anheben. Neben SpaceX als Konkurrenz für Einzelstarts hat nun eine russische Firma auch die Startplattform von Sealaunch übernommen und zwölf neue Zenit in Auftrag gegeben. Der erste Start wird 2019 erfolgen. Nominell ist die Zenit zwar um fast ein Drittel kleiner, aber der Start vom Äquator aus spart 1100 m/s gegenüber Baikonur ein, sodass die Nutzlast fast gleich hoch sind.Wenn die Zenit die neue Oberstufe Block DM3 einsetzt werden es ebenfalls einige Hundert Kilo mehr werden.

Warum ILS nicht anstatt neuer Versionen einfach einen Start vom Äquator aus anstrebt? Die Nutzlast wäre dort beträchtlich höher, rund 9 bis 10 t in den GTO. Sealaunch zeugt ja das es mit einer Plattform geht, ansonsten gäbe es genügend äquatornahe Inseln wo man einen Startplatz bauen könnte. Zumindest zwischen der Ukraine und Brasilien gab es mal die Idee die Zyklon von Alcântara aus zu starten. Das hätte man schon vor Jahrzehnten angehen können. Langfristig ist es billiger als dauernd an der Proton nachzubessern.