The Big Dump Solid Booster

Nachdem ich mal das Thema schon mal aufgegriffen habe, heute eine zweite Sichtweise auf die Idee der „billigen“ Trägerrakete. Am einfachsten geht dies natürlich mit festen Antrieben.

Sie haben eine Reihe von Vorteilen:

• Sie haben einen sehr einfachen Aufbau und dadurch das Potential preiswert gefertigt zu werden
• Es werden keine teuren und anfälligen bewegliche Teile gebraucht, wodurch sie sehr zuverlässig sind
• Das erlaubt es eine Rakete aus vielen Feststoffboostern zu bauen, bei Flüssigen Stufen hat man beim Bündeln ja immer das Problem, das mehr Triebwerke auch eine niedrigere Zuverlässigkeit und höhere Ausfallwahrscheinlichkeit bedeuten.

Man sollte aber auch nicht verschweigen, dass Feststoffraketen sehr teuer sein sollten. In den achtziger Jahren war die IUS Oberstufe teurer als eine Centaur. Warum? Sie sollte die Eigenschaft einer flüssigen Oberstufe haben – ausgehend vom LEO sollten zwei Stufen einen präzisen GEO Orbit erreichen, dabei musste sie dreiachsenstabilisiert sein, auch während des Betriebs.

Heute haben wir Feststoffraketen wie die Taurus XL die teuer sind als manche Rakete mit flüssigen Treibstoffen. Neben den niedrigen Produktionsziffern ist ein Grund, dass diese sehr weiter entwickelt sind, bewegliche Düsen haben (nicht ganz einfach, sie bestehen aus übereinanderliegenden Schichten von Metall und Elastomeren, die gegen den Brennkammerdruck bewegt werden müssen und das wird dann teuer. Dann braucht man noch Hydraulik, Pnumatik oder Motoren um die Düsen zu bewegen.

Wie wird eine Feststoffrakete billig?

Wir haben eine einfache Konstruktion, z.B. ein Stahlgehäuse das entweder aus einem Segment besteht oder wenn es mehrere Segmente sind, eine einfache Verbindung. Bei den neuen Ariane 5 Boostern sind die Segmente teilweise verschweißt.  Leichtgewichtige Materialen wie CFK-Werkstofe kann man untersuchen, wenn sie die Produktionskosten reduzieren sind sie eine Alternative, ad hoc kann ich dies nicht entscheiden. Bewegliche Düsen scheiden aus, sie machen sie teuer. Stattdessen sollte entweder bei Oberstufen ein System von Hydrazintreibwerken die Lageregelung übernehmen. Bei den unteren Stufen plädiere ich für das veraltete, aber einfache System eines Stickstoftetroxiddruckgastanks, der Treibstoff in die Düse einspritzt und durch Sekundärinjektion den Schubvektor beeinflusst. So wurde es bei der Titan 3C gemacht. Dann können Feststoffbooster preiswert sein: Die Titan 34D Booster kosteten 6,29 Millionen Dollar pro Stück (1982), die Castor 4 rund 1 Million Dollar (1998). Umgerechnet auf das heute 15 Millionen Dollar und 1,41 Millionen Dollar – für eine 251 und 11 t schwere Stufe.

Die NASA hat derzeit bei kleinen Nutzlasten keine richtig preiswerte Trägerrakete. Die billigste ist noch die Minotaur mit 17 Millionen Dollar Kosten und nur 550 kg Nutzlast. Bei 1-2 t Nutzlast liegt eine Taurus XL schon über 50 Millionen Dollar. Rein rechnerisch würde eine Rakete aus 19 Castor IV Boostern fast 2 t Nutzlast transportieren (Anordnung: Eine in der Mitte, sechs in einem ersten Ring und 12 in einem zweiten Ring. Zündung: 15:3:1). Sie wäre mit Herstellungskosten von 28,5 Millionen Dollar nur halb so teuer wie eine Taurus XL. Dabei ist dies nicht einmal die technisch optimale Lösung (die letzte Stufe ist zu groß – so gelangen neben 2 t Nutzlast auch eine 1,5 t schwere ausgebrannte Stufe in den Orbit. Immerhin zeigt dies wie man hier die Serienbauweise ideal einsetzen kann. Durch weitere Booster in einem äußeren Ring wäre so die Rakete sogar begrenzt an die geforderte Nutzlast anpassbar.

Eine technisch bessere Lösung bietet sich bei Boostern an, die aus mehreren Segmenten bestehen. Dann kann man z.B. die Oberstufe aus einem Segment bestehen, die zweite aus vier Segmenten und die erste aus 4 x 4 Segmenten. Anpassungen müsste es geben, so muss die Düse bei weniger Segmenten verengt werden, allerdings steigt so auch das Flächenverhältnis und der spezifische Impuls an.

Basierend auf dem Titan 3C Booster wäre eine mögliche Kombination z.B. 280 / 60 / 12,5 t schwer. Bei einem spezifischen Impuls von 2.600 m/s bei der ersten Stufe und 2.750 bei den beiden oberen kommt man immerhin auf 3.300 kg Nutzlast. Wäre er doppelt so teuer wie ein einzelner Booster, so wären das 30 Millionen bei 3,3 t Nutzlast. Auch hier ist die Leermasse der letzten Stufe mit 1.750 kg recht hoch, weshalb wohl eine vierstufige Bauweise angebracht wäre.

Wie groß kann man bauen? Am Boden getestet, jedoch nie geflogen sind die AJ-260 Booster. Dies waren Feststoffbooster von 260″ Durchmesser (660 cm: Die SRB haben nur 374 cm Durchmesser). Jeder Booster wog 842,3 t, davon 768 t (nutzbar: 746.114 kg Treibstoff). Diese Booster hatten einen mittleren Schub von 17.695 kN im Vakuum, bei einer Brennzeit von 114 Sekunden. Der Maximalschub betrug sogar 22,2 MN. Sie wurden 1966/7 getestet. Der Motor war 24,4 m hoch. Der mittlere spezifische Impuls betrug 2186 m/s, bei einem Brennkammerdruck von 41 bar. Nehmen wir eine heutige Treibstoffmischung und einen höheren Brennkammerdruck von etwa 60 bar an, so ist er vergleichbar mit heutigen Boostern. Das Voll/Leermasseverhältnis liegt sogar etwas günstiger. Vier dieser Booster als erste Stufe, ein weiterer als zweite Stufe und ein Titan 3C Booster würden rund 55 bis 60 t in die Umlaufbahn befördern.

Das Grundproblem des Big Dump Solid Boosters ist der niedrige spezifische Impuls und der hohe Strukturfaktor. Er eignet sich daher vor allem für erdnahe Umlaufbahnen. Relativ schwierig wird das erreichen kreisförmiger hoher Umlaufbahnen. Die dafür notwendige Aufstiegsbahn ist eine mit einem hohen Apogäum, das ist energetisch bei kurzen Brennzeiten sehr ungünstig. Die Abhilfe ist die Ausrüstung der Steuerung mit einem kleinen Vorrat an flüssigen Treibstoff und einem kleinen Triebwerk, z.B. einem Satellitenapogäumsmotor. Der Feststoffantrieb muss dann nur eine elliptische Umlaufbahn erreichen die stabil ist. Dann steht viel Zeit zur Verfügung um sie zu zirkularisieren. Das könnte auch der Satellit übernehmen, doch das ist heute eher ungewöhnlich. Sowohl Antares wie auch Vega und Athena nutzen diese Strategie, bei der Pegasus steht sie als Option zur Verfügung.