Eine Oberstufe für die SLS

In meiner Astronomiezeitschrift „Sterne und Weltraum“ kam ein Beitrag, der sich mit der Nutzung der Schwerlastraketen SLS und Starship für wissenschaftliche Missionen beschäftigt. Dabei wird auch eine Kickstufe erwähnt, die die SLS bekommen soll. Genaueres wird nicht geschrieben, es scheint es auch nicht belastbare Informationen zu geben. Die Kickstufe soll 16 t zum Jupiter, 6 t zu Neptun und 1 t ins interstellare Medium bringen können.

Angesichts der Finanzen der NASA, die bei der SLS ja schon zu der langen Entwicklungszeit und hohen Kosten geführt haben, denke ich, gibt es nur eine Option: Eine Stufe auf Basis des RL10 Triebwerks. Das wird ja jetzt schon bei der aktuellen Oberstufe, der ICPS (eigentlich eine Delta 4 Zweitstufe) eingesetzt und das RL10 soll bei der EDS dann in einem Viererbündel zum Einsatz kommen. Nun gibt es ja schon Stufen mit diesem Triebwerk, nämlich:

• Delta 4 Zweitstufe 4 m Version.
• Delta 4 Zweitstufe 5 m Version.
• Atlas V Centaur SEC
• Titan Centaur G

In der Entwicklung ist die Centaur der Vulcan – eine noch größere Stufe auf Basis des Rl10 (ACES) scheint wohl nicht zu kommen und bei der OmegA war ebenfalls eine Stufe mit diesem Triebwerk vorgesehen. Da es schon entwickelte Stufen gibt und angesichts der Masse der EDS von etwa 150 t eine weitere stufe wohl im Bereich 20 bis 40 t liegen würde, scheint es logisch das die NASA nichts neues entwickelt, sondern diese Stufen nimmt, die zwischen 23 und 31 t wiegen.

Ich habe mal alle vier Optionen durchgespielt, sogar eine mehr, nämlich eine Atlas Centaur mit zwei RL10 Triebwerken, normal ist in der Regel eines (SEC -Single Engine Centaur). Allerdings wird sich die Stufe schon bei Zündung auf einer Fluchtbahn befinden, entfernt sich also laufend von der Erde. Die Fluchtgeschwindigkeit ist von der Entfernung abhängig. Da für die Sonnenumlaufbahn der Überschuss von der Fluchtgeschwindigkeit wichtig ist und dieseim Quadrat in die Berechnung eingeht, ist dies von Bedeutung. Zwei Triebwerke halbieren die Brennzeit, dieser Effekt bedeutet einen Brennschluss in geringerer Distanz und damit höherem Überschuss. Das kann den Nachteil eines Mehrgerichts durch das zweite Triebwerk kompensieren.

Ansonsten würde ich tippen, da die Triebwerke in etwa gleichen spezifischen Impuls haben, das die beste Oberstufe, die mit dem kleinsten Leergewicht ist, das wäre die SEC Centaur, die Centaur mit einem Triebwerk. Als kleine Anpassung habe ich mir erlaubt bei der Centaur G der Titan IV die modernen RL10C Triebwerke einzusetzen, da ihre RL10-3-3A nicht mehr gebaut werden.

Die Nutzlastangaben in dem erwähnten Artikel sind für mich etwas verwirrend. Die Nutzlast zu Jupiter ist noch relativ klar zu Umreißen. Da man in eine Umlaufbahn eintreten will, wird es die Bahn mit der minimalen Energie sein. Andres sieht es bei Neptun und der interstellaren Bahn aus. Neptun auf einer Minimalenergiebahn zu Erreichen würde über 30 Jahre benötigen. So viel Zeit hat man nicht. Bei tolerierbaren acht bis 12 Jahren Dauer muss man aber erheblich schneller starten, je kürzer, desto höher muss die Startgeschwinbdigkeit sein. Dasselbe gilt für die interstellare Mission. Um das Sonnensystem zu verlassen, braucht man mindestens 16,7 km/s. Bei der Geschwindigkeit braucht man über 35 Jahre um 10 Milliarden Km Distanz zu erreichen. Steigert man dies nur auf 17 km/s, so sind es nur 29 Jahre und bei 20 km/s sind es weniger als 14 Jahre. Auch hier ist also die Tonne Nutzlast nicht repräsentativ, weil man nicht weiß welche Distanz in welcher Zeit erreicht werden soll.

Vor allem würde man beide Ziele nicht direkt, sondern über Jupiter erreichen, dazu später im Blog noch mehr. Hier erst mal die wesentlichen Eckdaten für einen Jupiter-Transferkurs mit einem c₃ von 83 km²/s².

Stufe	Vollmasse	Leermasse	Schub	Spez. Impuls	Nutzlast	Brennschlussdistanz
Atlas SEC Centaur	23.073 kg	2.247 kg	99,2 kN	4.415 m/s	14.000 kg	6.103 km
Atlas DEC Centaur	23.288 kg	2.458 kg	198,4 kN	4.415 m/s	15.000 kg	2.758 km
Delta 4 4 m DCSS	23.170 kg	2.750 kg	110 kN	4.516 m/s	14.500 kg	5.300 km
Delta 4 5 m DCSS	30.710 kg	3.490 kg	110 kN	4.516 m/s	14.300 kg	6.236 km
Titan Centaur G	23.923 kg	2.775 kg	220 kN	4.520 m/s	15.000 kg	2.360 km

Alle Versionen liegen eng beieinander. Zwischen 14 und 15 t Nutzlast bei einem c₃ von 83 km²/s². Zu Jupiter kommt man schon mit 81 km²/s², dann liegen die besten Versionen tatsächlich bei 16 t Nutzlast. So spricht viel dafür das eine dieser Stufen die geplante Kickstufe ist.

Alternative Swing-By

Was der Artikel allerdings völlig verschweigt ist, das wir schon lange keine Sonde mehr ins äußere Sonnensystem ohne Swing-By entsenden. Die vorletzten so entsandten Roboter waren die beiden Voyagers. Bei Galileo gab es eine lange Zitterpartie, bis man eine Startmöglichkeit fand, die einen direkten Start der über 2 t schweren Sonde ermöglichte – sie dürfte aber dann nicht genutzt werden. Seitdem gab es nur New Horizons, die zumindest Jupiter direkt erreichte – sie gelangte aber auch nicht ohne Swing-By zu Pluto. Die nächste US-Sonde zu Jupiter, Europa Clipper, wiegt nur 6 t, keine 16 t, sie startet auf einer Falcon Heavy, die mit 70 t Musk-Nutzlast immerhin die halbe Nutzlast einer SLS hat, trotzdem benötigt auch diese Swing-Bys um zu Jupiter zu gelangen. Mindestens eines ist geplant, die Route aber noch nicht genau ausgearbeitet. Es können auch zwei oder drei sein.

Swing-Bys vor allem mehrere Vorbeiflüge sind ohne Werkzeuge nicht genau berechenbar. Es gibt aber eine Ausnahme, das sind besondere Erd-Swing-Bys.

Um zu Jupiter zu gelangen, braucht man rund 9 km/s relativ zur Sonne. Das korrespondiert mit rund 14,2 km/s Geschwindigkeit aus einer niedrigen Erdumlaufbahn. Ein Erdvorbeiflug ist gut für eine Geschwindigkeitssteigerung von 4 km/s. Wenn man also eine Bahn erreichen kann, die nur 5 km/s Geschwindigkeitssteigerung relativ zur Sonne benötigt, genügt genau ein Vorbeiflug an der Erde, um die Sonde zu Jupiter zu entsenden. Und eine einfach zu berechnende Bahn gibt es tatsächlich. Entsendet man eine Sonde auf eine Sonnenumlaufbahn mit einem Aphel von 326 Millionen km Distanz, so muss man sie um 5,09 km/s beschleunigen. Die Distanz ist nicht zufällig gewählt, denn diese Umlaufbahn hat eine Umlaufdauer von genau zwei Jahren. In zwei Jahren hat die Erde zweimal die Sonne umrundet und die Sonde die Sonne einmal. Sie treffen an genau dem Startpunkt wieder aufeinander. Die Erde kann sie um weitere 4 km/s beschleunigen und sie erreicht Jupiter. Genau das hat man beim letzten Erdvorbeiflug von Galileo gemacht. Der Preis ist, dass sich die Reisezeit zu Jupiter um diese zwei Jahre verlängert, auf maximal 4,25 Jahre. Bei den anderen Planeten mit noch längeren Reisedauern sind die zwei Jahre mehr noch weniger Anteil an der gesamten Reisezeit. Für diese Bahn benötigt man nur 121,1 anstatt 14,2 km/s relativ zur Erdoberfläche was in etwa mit der doppelten Nutzlast korrespondiert und schon reicht eine Falcon Heavy, Vulcan Centaur Heavy oder New Glenn für den Transport aus.

Vor allem aber wird man die anderen Planeten nicht direkt anfliegen. Jupiter und Neptun haben eine gemeinsame Periode von 12,4 Jahren. Alle 12 bis 13 Jahre kann man also Neptun über Jupiter erreichen. Es gibt dann zwei Jahre, in denen man Neptun erreichen kann. Da eine Neptunmission eine teure Flagship-Mission ist, die man lange planen wird, wird man sicher eines dieser Startfenster nutzen und das folgende Jahr in dem Jupiter immer noch die Sonde zu Neptun umlenken kann, als Reserve für eine Verzögerung bereithalten.

Das gleiche gilt für interstellare Missionen. Da die Magnetosphäre unserer Sonne symmetrisch ist – sie hat in Bewegungsrichtung einen Bugschock und gegen die Bewegungsrichtung einen langgestreckten Schweif – gibt es im Prinzip für jede Zone eine Umlenkmöglichkeit über Jupiter pro halber Periode, also knapp alle 6 Jahre. Auch hier reden wir über Missionen die sicher lange geplant werden. Um in 10 Jahren über Jupiter (direkter Transfer) zu Neptun zu kommen braucht man ein c3 von mindestens 92,2 km/s. Beim direkten Start auf eine Hyperbel sind es 171,5 km²/s², das entspricht 14,6 und 17,1 km/s relativ zur Erdoberfläche – durchaus ein deutlicher Unterschied der die Nutzlast von 15 auf 7 t absinken lässt. Immerhin nahe an dem angegeben Wert. Aber da diese Tatsache allgemein ist, würde auch eine Nutzlast die mit einer Atlas, Vulcan oder Falcon gestartet wird entsprechend absinken und dann ist bald eine solche Rakete eine Alternative zur SLS, wenn man den Umweg über Jupiter nimmt.

In der Praxis erreicht man also Jupiter über die Erde und über Jupiter dann Uranus, Neptun oder eine interstellare Bahn, wobei ich allerdings keine Mission in eine interstellare Bahn kenne die auch nur vorgeschlagen ist. Missionen zu Uranus und Neptun sind zumindest mal vorgeschlagen, aber auch nicht geplant oder gar genehmigt und finanziert.

Interessanter dürften Missionen zu Saturn sein. Seit langem wird ein Enceladus Orbiter vorgeschlagen. Der muss, weil es im Saturnsystem nur Titan als Gravitationshilfe gibt, relativ viel Geschwindigkeit chemisch abbauen und so über 2,8 km/s chemisch vernichten. Bei nur 750 kg Trockenmasse, wiegt er so beim Start über 2,2 t. Trotzdem wäre er durch mehrere Swing-Bys problemlos mit einer Atlas V oder Falcon 9 startbar, da er beim Start auf nur auf 11,7 km/s, das ist in etwa die Geschwindigkeit die man auch zum Mars benötigt, beschleunigt werden muss. Mehrere Titanmissionen wurden vorgeschlagen, die jedoch ein geringeres dV Budget haben – direkte Landesonden können ohne Eintritt in den Orbit landen, Orbiter können durch Aerobraking viel Geschwindigkeit vernichten, bevor sie in eine Umlaufbahn eintreten. Die einzige andere Mission ins äußere Sonnensystem, der Io Vulcanic Observer die vorgeschlagen wurde, kommt mit einer Atlas 401 aus. Ehrlich gesagt, ich kenne keine Sonde die 14 oder 16 t wiegt. Europa Clipper wird mit 6,1 t die bisher schwerste US-Sonde sein und die Zahl der Sonden, die mehr als 3 t beim Start wogen, kann man an zwei Händen abzählen. Die 6,1 t kann aber schon eine SLS mit der derzeitigen kleinen ICPS Stufe transportieren (theoretisch etwa 6,9 t), mit der kommenden EUS-Oberstufe wären es sogar fast 10 t. Kurz es fehlen für diese „Kickstufe“ die Nutzlasten.

Wenn schon SLS, dann sehe ich bessere Einsatzmöglichkeiten. Mein Vorschlag wäre eine Art Super-JWST. Ein Teleskop, das aus sieben Einzelspiegeln besteht, die nach dem Start ausgeklappt werden. Jeder Spiegel könnte maximal so groß wie die Nutzlastverkleidung sein, also rund 7 m. Zusammen bilden sie eine Art Blütenblatt – ein Spiegel in der Mitte, sechs in einem Kreis herum. Zusammen würden sie ein 21 m Teleskop ergeben, mehr als dreimal größer als das JWST. Es hätte die dreifache Auflösung, das neunfache Lichtsammelvermögen. Und die SLS wäre stark genug, rund 40 t in einen Librationspunkt zu befördern, das JWST wog nur 6,35 t.