Delta IV Rakete

Entwicklung und Versionen der Delta-IV-Rakete

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.

Zur Zeit 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

RS-68-Triebwerk auf dem Teststand

GEM-60-Feststoffbooster beim Transport

Die Schubdüse des RL-10B-2-Triebwerkes im ausgefahrenen Zustand während eines Tests (vgl. Bild oben)

Eine Delta IV Medium+ 4,2 auf der Startrampe 37 in Cape Canaveral, mit dem Wettersatellit GOES-N

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 kann und somit als ein einstufiger Träger dienen könnte (dies hat in der Praxis jedoch keinen Sinn, da nicht wirtschaftlich).

Hauptstufe

Die erste Stufe der Rakete, der Common Booster Core (CBC), ist im Gegensatz zu allen früheren Delta-Versionen eine komplette Neuentwicklung. 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 Tank für flüssigen Wasserstoff, oben einen 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 6.696 kg, hat beim Start einen spezifischen Impuls von 3.580 Ns/kg bzw. 365 s (im Vakuum 4.022 Ns/kg bzw. 410 s) und entwickelt beim Abheben einen Schub von 2.891 kN (im Vakuum 3.312 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^[1]. 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.

Oberstufe

Zweite Stufe einer Delta IV der Medium-Variante

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 4.532 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 Kohlefaser-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 1.125 s.

Infrastruktur

Die Startkomplexe für die Delta IV sind sowohl auf derCape Canaveral AFS als auch auf der Vandenberg AFB vorhanden. In Cape Canaveral wird die Rakete in Orbits mit Neigungswinkeln von 42° bis 110° von der Rampe LC-37B gestartet, die bereits in den 1960ern für unbemannte Saturn-I- und Saturn-IB-Starts verwendet wurden. In Vandenberg hebt die Rakete vom Startkomplex SLC-6 ab, die ehemals für Starts des MOL-Programms errichtet wurde und später als Startrampe für den Space Shuttle dienen sollte. Von Vandenberg aus sind Bahnneigungen von 151° bis 210° verfügbar. Der Zusammenbau und die Vorbereitung der Rakete erfolgen horizontal in einer Montagehalle (HIF – Horizontal Integration Facility), vor dem Start wird sie mit Hilfe des FPE (Fixed Pad Erector) auf der Startrampe vertikal aufgerichtet. Die Montage der Feststoffbooster und der Nutzlast erfolgt vertikal auf der Startrampe. Die Rakete wird in Alabama gefertigt und mit dem Schiff Delta Mariner zum Startort transportiert.

Am 25. Juni 2003 wurde bekannt, dass Boeing Einblick in vertrauliche Akten seines Konkurrenten Lockheed Martin hatte und dessen Preiskalkulation kannte. Als Folge wurden Boeing im Juli 2003 von 20 bereits georderten Flügen sieben entzogen und Lockheed Martin zugesprochen. Auch fiel das Vorrecht als einzige Firma von Vandenberg aus Satelliten in den Orbit zu bringen.

Delta IV Medium

Erststart der Delta IV Medium mit einem Eutelsat-Satelliten (Cape Canaveral, November 2002)

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 transporttierenden 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 verschiede 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 8.120 kg für eine niedrige Umlaufbahn und bei 4.210 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 5.845 kg. Der Erststart dieser Version fand am 20. November 2002 statt und war zugleich der erste Start einer Delta IV überhaupt.

• 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 7.980 kg für einen niedrigen Orbit und 4.640 kg für einen Geotransfer-Orbit. Bisher (Stand: Ende 2005) 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 6.565 kg für einen Geotransfer-Orbit. Diese Version soll 2006 zum ersten Mal starten (Stand: Ende 2005).

Delta IV Heavy

Delta IV Heavy beim Start (Cape Canaveral, 2007)

Um schwere Spionagesatelliten zu starten und dabei die teuere 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 und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, um die bis zu 1 Milliarde Dollar teuren Militärsatelliten starten zu können.

Technik

Die Delta IV Heavy besteht aus drei CBCs, wobei ein CBC die Zentralstufe bildet und die anderen zwei rechts und links davon angeordnet sind. Die zweite Stufe wird von einem RL-10B2-Triebwerk angetrieben und trägt eine Nutzlastverkleidung mit 5 m Durchmesser. Beim Start werden alle drei CBCs gleichzeitig gezündet, wobei die Rakete sehr langsam aufsteigt und etwa 15 s braucht, um den Startturm zu passieren. Nach einiger Zeit wird das RS-68-Triebwerk der Zentralstufe auf 60 % des Schubes heruntergeregelt, wogegen die Triebwerke der beiden zusätzlichen CBCs mit 102 % des Schubes weiterarbeiten. Damit wird erreicht, dass der Treibstoff der zusätzlichen CBCs schneller zu Ende geht, so dass sie nach etwa 4 Minuten Flug leer sind und abgeworfen werden können. Danach wird die Nutzlast von der Zentralstufe weiterbeschleunigt, bis auch sie komplett ausgebrannt ist. Anschließend übernimmt die zweite Stufe die Beschleunigung, um die Nutzlast auf die Zielumlaufbahn zu bringen.

Die Delta IV Heavy ist 71 m hoch und wiegt beim Start 717 t. Ihre drei gebündelten CBCs entwickeln einen Gesamtschub von 8.847 kN. Die Nutzlastkapazität wird mit 23.000 kg für eine niedrige Umlaufbahn und mit 13.130 kg für einen Geotransfer-Orbit angegeben. Außerdem bringt die Rakete etwa 10.000 kg auf eine Mondtransferbahn und etwa 8.000 kg auf eine Marstransferbahn. Damit ist Delta IV Heavy nach dem Space Shuttle die zur Zeit stärkste im Einsatz stehende US-Rakete (die Mondrakete Saturn V war weitaus schwerer und stärker, wird jedoch nicht mehr hergestellt) und übertrifft in ihren Leistungsdaten sowohl die neueste Europa-Rakete Ariane 5 ECA als auch den russischen Schwerlastträger Proton-M (die zukünftige Angara-A5 soll mit 24.500 kg eine höhere Nutzlastkapazität für den niedrigen Orbit als Delta IV Heavy haben). Von ihrem Hauptkonkurrenten, der geplanten Heavy-Variante der Atlas-V-Rakete, wird die Nutzlastkapazität der Delta IV Heavy geringfügig überboten: Atlas V Heavy kann bis zu 25.000 kg in eine niedrige Umlaufbahn und bis 13.600 kg in einen Geotransfer-Orbit befördern.

Erstflug

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 liegt. 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 im Nachhinein ein Bilden 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 worden sind.

Ausblick

Delta-IV-Familie mit einer hypothetischen zukünftigen Heavy-Variante mit sieben Common Booster Cores

Da der Satellitenstartmarkt sich zur Zeit 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 soll ausschließlich für Startaufträge der US Regierung tätig sein. ULA hat praktisch ein Monopol, da alle US Ausschreibungen für Satellitentransporte eine US Firma zur Bedingung haben. Andere US Anbieter verfügen 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.

Sollten aber im nächsten Jahrzehnt bemannte Mond- und Marsmissionen anlaufen, wie vom ehemaligen US-Präsidenten George W. Bush im Januar 2004 angekündigt, werden dafür sehr schwere Trägerraketen benötigt, so dass Boeing bereits jetzt 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 abgeleitetes Trägersystem (Ares-Raketenfamilie) gewählt hat, sind die Chancen einer Realisierung stärkerer Delta-IV-Varianten gering.

Startliste

Stand: 18. Januar 2009

Datum und Uhrzeit UTC	Typ	Ser.-Nr.	Startplatz	Nutzlast	Art der Nutzlast	Orbit¹	Anmerkungen
20. November 2002	Delta IV Medium+ (4,2)	D-293	CC SLC-37B	Eutelsat W5	Kommerzieller Kommunikationssatellit	GTO	Erfolg
11. März 2003	Delta IV Medium	D-296	CC SLC-37B	DSCS-3 A3	Militärischer Kommunikationssatellit	GTO	Erfolg
29. August 2003	Delta IV Medium	D-301	CC SLC-37B	DSCS-3 B6	Militärischer Kommunikationssatellit	GTO	Erfolg
21. Dezember 2004	Delta IV Heavy	D-310	CC SLC-37B	DemoSat, 3CS 1, 3CS 2	Dummy-Satellit und Experimentalsatelliten	Bahn dicht unterhalb des GSO geplant	Teilerfolg: Aufgrund eines Raketenfehlers eine niedrigere Umlaufbahn als vorgesehen erreicht, Experimentalsatelliten verglüht
24. Mai 2006	Delta IV Medium+ (4,2)	D-315	CC SLC-37B	GOES-N	Wettersatellit	GTO mit hohem Perigäum	Erfolg, erster Start für die NASA und NOAA
28. Juni 2006 03:33	Delta IV Medium+ (4,2)	D-317	VAFB SLC-6	NRO-L-22	Spionagesatellit des NRO mit SBIRS-HEO-Frühwarnkomponente	HEO (Molnija-Orbit)	Erfolg, erster Start von Vandenberg
4. November 2006 13:53	Delta IV Medium	D-320	VAFB SLC-6	DMSP 5D3-F17	Militärischer Wettersatellit auf polarer Umlaufbahn	SSO	Erfolg
11. November 2007 01:50	Delta IV Heavy	D-329	CC SLC-37B	DSP 23	Satellit zur Frühwarnung vor Raketenstarts	GSO	Erfolg, Zweiter Start der Delta IV Heavy
18. Januar 2009 02:47 Uhr	Delta IV Heavy	D-337	CC SLC-37B	NRO-L-26	Spionagesatellit mit 350 Fuß Antenne für Abhörzwecke[2] des NRO	GSO[3]	Vermutlich ein Erfolg. Details wurden aber geheim gehalten.

• ¹ NICHT zwangsläufig der Zielorbit der Nutzlast - sondern die Bahn auf der die Nutzlast von der Oberstufe ausgesetzt wurde.

Geplante Starts

Stand der Liste: 18. Januar 2009

Datum und Uhrzeit UTC	Typ	Ser.-Nr.	Startplatz	Nutzlast	Art der Nutzlast	Orbit¹	Anmerkungen
28. April 2009	Delta IV Medium+ (4,2)	?	CC SLC-37B	GOES-O	Wettersatellit	GTO mit hohem Perigäum	Geplant
?	Delta IV Medium+	?	VAFB SLC-6	NRO-L-25	Spionagesatellit des NRO	HEO (Molnija-Orbit)	Geplant

• ¹ NICHT zwangsläufig der Zielorbit der Nutzlast - sondern die Bahn auf der die Nutzlast von der Oberstufe ausgesetzt werden soll.

Weblinks

• Ausführliche Beschreibung der Delta-III- und -IV-Raketen von Bernd Leitenberger
• Delta-IV-Seite von Gunter Krebs (englisch)

Quellen

1. ↑ Space.com: NASA Eyes Alternative to Shuttle Main Engine for Heavylift
2. ↑ http://www.spaceflightnow.com/delta/d337/
3. ↑ http://www.spaceflightnow.com/delta/d337/

US-amerikanische Trägerraketen

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Verwendete Raketenstufen: Agena · Castor · Centaur · EDS · IUS · PAM

(Siehe auch: Liste der Raketentypen)