Delta IV

 

 

Raketenfamilie der NASA

 

 

 

 

Delta IV – Raketenfamilie der NASA

 

Die Raketenfamilie Delta IV stellt die modernsten Versionen der seit 1960 startenden Delta-Raketen dar. Delta IV entstand im Rahmen des EELV-Programms (Evolved Expendable Launch Vehicles) der USAF zur Entwicklung von modularen Raketentypen, die sowohl die leichten Delta II, die mittelschweren Atlas II und Atlas III als auch die schweren Titan IV ersetzen sollten.

Die Delta-IV-Familie wurde von Boeing entwickelt und steht nun in direkter Konkurrenz zu der ebenfalls im Rahmen des EELV-Programms entstandenen Atlas-V-Raketenfamilie von Lockheed Martin.

Im Gegensatz zu Delta II und III, die allesamt auf der Delta I als Erststufe aufbauten (wenngleich diese ständig weiter modifiziert wurde), wurde für die Delta IV eine völlig neue Erststufe entworfen, die von einem ebenfalls neuentwickelten Raketentriebwerk RS-68 von Rocketdyne angetrieben wird.

Die Erststufe erhielt den Namen Common Booster Core und bildet die Grundlage für alle Versionen der Delta IV. Abhängig von der Anzahl der CBCs kann zwischen den Versionen Delta IV Medium und Delta IV Heavy unterschieden werden.

Zurzeit werden von Boeing fünf verschiedene Versionen der Delta-IV-Reihe angeboten, vier davon sind in der Medium-Klasse und eine ist die Heavy-Variante. Der Erststart einer Medium-Variante fand am 20. November 2002 statt und der Erststart der Heavy-Version am 21. Dezember 2004.

 

Technik der Delta IV

 

Delta IV - Raketentriebwerk

Die Delta IV ist eine zweistufige Rakete, deren beide Stufen mit der hochenergetischen Treibstoffmischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff (LOX/LH2) betrieben werden.

Sie ist momentan auch die einzige Rakete weltweit, die mit einem LOX/LH2-Haupttriebwerk in der ersten Stufe ohne die Hilfe von Feststoffboostern von der Erde abheben kann.

(vgl. dazu im Gegensatz die europäische Ariane 5 und japanische H-II)

Berechnungen ergeben sogar, dass die erste Stufe der Delta IV theoretisch ohne die Hilfe der zweiten Stufe eine kleine Nutzlast in eine Erdumlaufbahn befördern und somit als ein einstufiger Träger dienen könnte.

Dies hat in der Praxis jedoch keine Bedeutung, da es unwirtschaftlich ist.

Delta IV – Hauptstufe

 

Die erste Stufe der Rakete, der Common Booster Core (CBC), wurde, im Gegensatz zu allen früheren Delta-Versionen, komplett neu entwickelt. Sie bildet die Grundlage aller Delta-IV-Versionen, wobei die schwere Heavy-Variante gleich drei CBCs nutzt (mehr dazu im Delta-IV-Heavy-Abschnitt). Das CBC ist 40,9 m hoch mit einem Durchmesser von 4,88 m und wiegt unbetankt etwa 24,5 Tonnen. Die Stufe enthält unten einen rührreibgeschweißten Tank für flüssigen Wasserstoff, oben einen rührreibgeschweißten Tank für flüssigen Sauerstoff und wird von einem RS-68-Triebwerk angetrieben.

Das in der ersten Stufe der Delta-IV-Rakete eingesetzte RS-68-Triebwerk wurde von der US-Firma Rocketdyne entwickelt. RS-68 entstand mit dem Ziel, das Triebwerk gegenüber dem Space-Shuttle-Haupttriebwerk SSME erheblich zu vereinfachen, um es günstiger herstellen zu können. Dafür wurde weitgehend auf die Effizienz des Triebwerks verzichtet. So wurden z. B. günstigere Herstellungsmethoden angewandt, und es wurde eine ablative Kühlung (Siehe auch: ablativer Hitzeschild) der Schubdüse verwendet.

Durch diese Maßnahmen stieg die Masse des Triebwerks, die Herstellungskosten sanken jedoch erheblich. Das Triebwerk hat eine Masse von 6696 kg, hat beim Start einen spezifischen Impuls von 3580 Ns/kg bzw. 365 s (im Vakuum 4022 Ns/kg bzw. 410 s) und entwickelt beim Abheben einen Schub von 2891 kN (im Vakuum 3312 kN), womit es das stärkste LOX/LH2-Triebwerk weltweit ist. Die Leistung des Triebwerks kann von minimal 60 % bis maximal 102 % des Nominalschubs geregelt werden.

Ein RS-68 kostet circa 14 Millionen US-Dollar. Bei dem Triebwerk handelt es sich um die erste Neuentwicklung eines großen Raketentriebwerkes in den USA seit dem SSME vor über 20 Jahren.

Zur Steigerung der Nutzlastkapazität kann die erste Stufe durch mehrere GEM-60-Feststoffbooster verstärkt werden, die eine vergrößerte Version der GEM-46-Booster der Delta III darstellen. Die Booster mit einem Gehäuse aus Verbundwerkstoffen und einem Durchmesser von 1,55 m werden bei Alliant Techsystems gebaut und verfügen über bewegliche Schubdüsen, die dem RS-68-Haupttriebwerk bei der Steuerung der Rakete helfen. Am 29. Juni 2012 startete erstmals eine Rakete mit den schubgesteigerten RS-68A-Triebwerken in ihren CBCs.

 

Delta IV – Zweite Raketenstufe

 

Die zweite Stufe der Delta IV wurde weitgehend aus der Delta III übernommen und wird von einem Triebwerk RL-10B-2 von Pratt & Whitney angetrieben. Das Triebwerk erzeugt einen Schub von 110 kN, hat einen spezifischen Impuls von 4532 Ns/kg bzw. 462 s und ist eine Variante des RL-10-Triebwerks der Centaur-Oberstufe, das zudem über eine ausfahrbare Schubdüse verfügt.

Dadurch lässt sich die Stufe leichter in die Rakete integrieren, bietet aber trotzdem nach der Stufentrennung und anschließendem Ausfahren der Düse auf die volle Länge eine gesteigerte Leistungsfähigkeit. Die aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen bestehende Schubdüse wird bei SEP in Frankreich gefertigt.

Die Stufe unterscheidet sich von der Centaur auch dadurch, dass ihre Tanks die Stabilität auch ohne eine Druckbeaufschlagung wahren, was bei der Centaur nicht der Fall ist.

Die Stufe ist für alle Versionen der Raketenfamilie praktisch identisch und unterscheidet sich lediglich im Durchmesser und in der Treibstoffkapazität. So gibt es die kleinere Stufe mit durchgehend 4 m Durchmesser, 20.410 kg Treibstoffzuladung und etwa 850 s Gesamtbrennzeit sowie die größere Stufe, deren Sauerstofftank um etwa 0,5 m verlängert ist und deren Wasserstofftank einen Durchmesser von 5 m aufweist. Diese Variante der Stufe kann 27.200 kg Treibstoff aufnehmen und erlaubt eine Gesamtbrennzeit von über 1125 s.

Delta IV - Zweite Stufe

Delta IV Medium-Reihe

 

Eine Delta IV der Medium-Reihe besteht aus einer CBC-Erststufe mit dem RS-68-Triebwerk und der zweiten Stufe mit dem RL-10B2-Triebwerk. Dabei werden in Abhängigkeit von der zu transportierenden Nutzlast verschiedene Nutzlastverkleidungen verwendet.

Außerdem können zur Steigerung der Nutzlastkapazität kleine Feststoffbooster (GEM-60) an die erste Stufe der Rakete angebracht werden. Durch die Variationen der Nutzlastverkleidungen und der Anzahl der Feststoffbooster entstehen insgesamt vier verschiedene Medium-Versionen, mit deren Hilfe Nutzlasten unterschiedlicher Masse und Durchmessers flexibel gestartet werden können.

Die einzelnen Versionen der Medium-Reihe sind:

  • Delta IV Medium – besitzt eine Nutzlastverkleidung von 4 m Durchmesser und keine Feststoffbooster. Die Nutzlastkapazität liegt bei 8120 kg für eine niedrige Umlaufbahn und bei 4210 kg für einen Geotransfer-Orbit. Der Erststart fand am 11. März 2003 statt.

 

  • Delta IV Medium+ (4,2) – unterscheidet sich von der Medium-Grundversion nur durch zwei zusätzliche GEM-60-Booster, womit die Nutzlastkapazität für einen niedrigen Orbit auf 10.430 kg steigt und für einen Geotransfer-Orbit auf 5845 kg. Der Erststart dieser Version fand am 20. November 2002 statt und war zugleich der erste Start einer Delta IV überhaupt.
Delta IV Medium Rakete
  • Delta IV Medium+ (5,2) – unterscheidet sich von der Delta Medium+ (4,2) durch eine Nutzlastverkleidung von 5 m Durchmesser und eine etwas höhere Treibstoffkapazität der zweiten Stufe. Aufgrund der schwereren Nutzlastverkleidung sinkt die Nutzlastkapazität im Vergleich zur Medium+ (4,2) auf 7980 kg für einen niedrigen Orbit und 4640 kg für einen Geotransfer-Orbit. Bisher (Stand: Dezember 2009) wurde diese Version der Rakete nicht eingesetzt.

 

  • Delta IV Medium+ (5,4) – ist die stärkste Version der Medium-Reihe und unterscheidet sich von der Medium+ (5,2) durch zwei weitere GEM-60-Booster, womit die Anzahl der Booster auf insgesamt vier steigt. Die Nutzlastkapazität liegt bei 11.425 kg für eine niedrige Umlaufbahn und bei 6565 kg für einen Geotransfer-Orbit. Diese Version startete zum ersten Mal am 5. Dezember 2009 mit dem militärischen Kommunikationssatelliten WGS-3

 

Delta IV Heavy-Baureihe

 

Um schwere Spionagesatelliten zu starten und dabei die teure Titan-IV-Rakete zu ersetzen, sollte eine Schwertransportvariante der Delta IV, bekannt unter der Bezeichnung Delta IV Heavy, entwickelt werden. Diese sollte relativ günstig herzustellen und zu betreiben sein sowie eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, um die bis zu 1 Milliarde Dollar teuren Militärsatelliten starten zu können.

Erststart Delta IV Heavy

 

Der Erststart der Delta IV Heavy fand am 21. Dezember 2004, 21:50 UTC in Cape Canaveral statt, wobei sich nur eine 6 Tonnen schwere Satellitenattrappe sowie zwei von Studenten gebaute „Testsatelliten“ von jeweils 15 kg an Bord befanden.

Da Boeing für den Erststart keinen zahlenden Kunden finden konnte, kaufte die USAF den ersten Teststart der Rakete für eine Summe, die ungefähr zwischen 140 und 170 Millionen Dollar lag. Jedoch verlief der Start nicht wie geplant: Sowohl die beiden Booster als auch die Zentralstufe schalteten ihre Triebwerke etwas zu früh ab, so dass die Nutzlast in einer zu niedrigen Umlaufbahn ausgesetzt wurde.

Als Grund wurde nachträglich die Bildung von Blasen durch Kavitation im Sauerstofftank identifiziert, wodurch die Treibstoffsensoren vorzeitig meldeten, dass die Tanks leer seien. Dennoch betrachtet Boeing den Erststart als einen Erfolg, da alle Phasen des Flugs erfolgreich getestet wurden.

Delta IV Heavy - Raketenstart

Ausblick

 

Da der Satellitenstartmarkt sich zurzeit sehr langsam entwickelt, werden alle derzeit zu startenden kommerziellen Nutzlasten von den bereits existierenden Delta-IV-Medium- und -Heavy-Varianten gedeckt. Insbesondere ist die Delta IV Heavy so stark, dass für sie momentan keine kommerziellen Nutzlasten auf dem Markt zu finden sind, so dass sie nur zum Starten von schweren Spionagesatelliten genutzt werden kann.

Derzeit bietet Boeing die Delta IV nicht auf dem kommerziellen Markt an, sondern konzentriert sich auf die lukrativeren Regierungsaufträge. Im Jahre 2005 haben sich Boeing und Lockheed Martin zu dem Gemeinschaftsunternehmen United Launch Alliance (ULA) zusammengeschlossen. ULA ist hauptsächlich für Startaufträge der US-Regierung tätig.

Bis zur Zertifizierung der Falcon 9 war ULA in diesem Bereich praktisch Monopolist, da alle Ausschreibungen der US-Regierung für Satellitentransporte die Bedingung beinhalten, dass die liefernde Firma eine Firma in den USA sein muss. Andere Anbieter in den USA verfügten nicht über Raketen, die so große Nutzlasten transportieren können.

Als Folge haben sich die Startpreise für die nächste Bestellung fast verdoppelt, und die Kosten für das EELV-Programm sind um 14,44 Milliarden US-Dollar gestiegen.

Delta IV Raketenfamilie der Zukunft

Sollten aber einmal bemannte Mond- und Marsmissionen anlaufen, werden dafür sehr schwere Trägerraketen benötigt, so dass Boeing an Plänen für neue Delta-IV-Heavy-Versionen arbeitet. Durch das Anbringen von GEM-60-Feststoffboostern und weiteren Modifikationen an der bestehenden Delta-IV-Heavy-Rakete kann eine Nutzlastkapazität von etwa 50.000 kg für eine niedrige Umlaufbahn erreicht werden.

Durch die Bündelung mehrerer CBCs kann die Nutzlastkapazität noch weiter gesteigert werden, allerdings sind dafür grundlegende Überarbeitungen der Startanlagen und der Infrastruktur nötig. Eine zukünftige Delta IV Heavy mit insgesamt sieben gebündelten CBCs könnte bis zu 100.000 kg in den erdnahen Orbit bringen.

Da die NASA für ihre Pläne bemannter Mond- und Marsflüge ein vom Space Shuttle und der Saturn V abgeleitetes Trägersystem (SLS-Raketenfamilie) gewählt hat, sind die Chancen einer Realisierung stärkerer Delta-IV-Varianten gering.

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

Copyright Fotos / Grafiken v.o.n.u.v.l.n.r.: NASAU.S. Air Force  , NASAU.S. Air Force , U.S. Air ForceNicholas Shanks

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