Atlas V

Die Atlas V ist der neuste Vertreter der Atlas-Raketen. Geboren aus dem EELV-Programm der USAF ist es einer der Stützen für den Start von US-Militärsatelliten und Raumsonden der NASA.

24.08.2002/17.04.2011 Ein Beitrag von Daniel Maurat und Michael Stein

Geschichte

Die Geschichte der Atlas V begann mit dem Ende der Titan. Da vor allem die Titan IV extrem teuer und unzuverlässig wurde, suchte die US Air Force (USAF) eine Alternative zur altgedienten Titan. Im Jahr 1994 startete die USAF einen Wettbewerb für eine neue, flexible, nicht wiederverwendbare Rakete, die deutlich billiger sein sollte als die mit bis zu 350 Mio $ exorbitant teure Titan IV. Diese Auschreibung wurde EELV für “Evolved Expendable Launch Vehicle” (Erweiterbare, nicht wiederverwendbare Trägerrakete) genannt. Sie sollte, ähnlich wie die europäische Ariane 4, ein breites Spektrum an Nutzlasten bedienen können und somit auch wieder kommerzielle US-Nutzlasten starten, die vor allem mit der europäischen Ariane 5 und der russischen Proton gestartet wurden, aber auch schwerere NASA-Nutzlasten sollten gestartet werden können. Bis dahin hatte man viele Raumsonden vor allem mit der Delta II gestartet, deren Nutzlastkapazität zu wüschen übrig ließ, wohingegen das Space Shuttle und die Titan IV zu teuer waren und ein Start mit einer ausländischen Rakete nicht zur Diskussion stand. Außerdem sollte die neue Rakete genügend Nutzlastkapazität haben, um die Titan 4 abzulösen. Die US-Industrie antwortete schnell: McDonnel Douglas mit einer Weiterentwicklung der Delta, die spätere Delta IV, sowie Lockheed Martin mit einer verbesserten Variante der Atlas, die später zur Atlas V wurde. Aber auch Boeing beteiligte sich mit einer Rakete, welche die Haupttriebwerke des Space Shuttles nutzen sollte, sowie Alliant Technoligies. Nachdem aber McDonnel Douglas von Boeing übernommen wurde, bot Boeing anstelle ihres eigenen Konzeptes nun die Delta IV ihres ehemaligen Konkurrenten an. Es sollten zwei Träger ausgewählt werden, und die Wahl fiel auf die Delta IV und die Atlas V, wobei die Delta IV mehr Aufträge von der USAF, nämlich 19 für die Delta IV im Gegensatz zu neun für die Atlas V, erhielt.

Doch kam es zum Skandal bei den Ausschreibungen: es kam ans Licht, dass Boeing Industriespionage bei Lockheed Martin betrieben hatte, um so sensible Daten der Atlas V herauszufinden und ihr Angebot zu optimieren. Die US Air Force handelte und gab sieben Aufträge an Lockheed Martin, womit sich die Auftragslage für die Atlas V schlagartig verbesserte. Seit dem 21. August 2002 war die Atlas V schließlich im operationellen Einsatz.

Technik

Die Atlas V ist nach der Philosophie eines EELV eine modular aufgebaute Rakete. Hierzu gibt es folgende Raketenstufen zur Auswahl:

• Die Feststoffbooster (SRB für Solid Rocket Booster) werden je nach Version an die Atlas V montiert. Insgesamt kann eine Atlas V fünf SRBs aufnehmen, die dann zusätzlichen Startschub liefern. Jeder von Aerojet gebauter Booster ist 20,4 m lang, hat einen Durchmesser von 1,55 m und wiegt voll betankt 93 t. Als Treibstoff benutzt der aus Aluminium bestehende Booster den meistens in Feststofftriebwerken verwendeten Treibstoff HTPB. Jeder einzelne Booster brennt für 93 Sekunden und wird dann von der Rakete abgeworfen. Das Besondere an den Boostern ist, dass sie so aufgebaut sind, dass ein imaginär verlängerter Schubstrahl durch den Schwerpunkt der Rakete gehen würde, weswegen man nicht, wie so häufig bei Boostern, nur zwei, drei, vier oder neun Booster, sondern auch andere Boosterkonfigrationen nutzen kann.
• Die Hauptstufe, der Common Core Booster (CCB, engl. allgemeine Kernstufe), ist, wie die Booster, eine Neuentwicklung eigens für die Atlas V. Sie nutzt wieder das RD-180-Triebwerk aus Russland, das schon in der Atlas III sowie abgeändert als RD-170 auch in der Zenit und der Energija genutzt wurde bzw. wird. Ein CCB ist 32,50 m lang, hat einen Durchmesser von 3,80 m und wiegt voll betankt 308,8 t. Eine Besonderheit ist, dass die Tanks nicht, wie bei allen Atlas-Versionen zuvor, durch Druckbeaufschlagung stabilisiert werden müssen, sondern massiv genug sind. Sie nutzt wie oben genannt ein russisches Energomash RD-180-Triebwerk mit zwei Brennkammern, welches einen Schub von 3.830 kN für 253 Sekunden Brenndauer erzeugt. Das Triebwerk nutzt die altbewähren Triebstoffe des Atlas-Programms, nämlich Kerosin als Brennstoff und LOX (flüssiger Sauerstoff) als Oxidator.
• Die Centaur-Oberstufe, die schon seit über 40 Jahren im Atlas-Programm genutzt wird, wurde von der Atlas IIIB übernommen. Sie ist 11,70 m, hat einen Durchmesser von 3,05 m und wiegt voll betankt 22,8 t. Sie hat entweder ein einzelnes oder zwei Triebwerke vom Typ Pratt & Whitney RL-10A-4-2, das einzeln einen Schub von 99,2 kN für 894 Sekunden Brenndauer erzeugt. Als Treibstoff nutzt man LOX und LH2 (flüssiger Wasserstoff), die schon im gesamten Centaur-Programm genutzt wurden. Die Centaur D3B gibt es in zwei verschiedenen Varianten: Die SEC (Single Engine Centaur für Einzeltriebwerk-Centaur) besitzt nur ein RL-10-Triebwerk, die DEC (Dual Engine Centaur für Doppeltriebwerk-Centaur) zwei Triebwerke. Die DEC wird nur für sehr schwere Nutzlasten in einen niedrigen Erdorbit (LEO) verwendet, wobei die SEC für die restlichen Missionsprofile genutzt werden kann.

Die Atlas V vereinigt im Namen drei Hauptversionen: die Atlas V400-er Serie, die Atlas V500-er Serie sowie die Atlas VHLV (Heavy Lauch Vehicle für Schwerlastträger). Nun die Unterschiede zwischen den Versionen:

• Die 400-er Serie nutzt eine Nutzlastverkleidung von 4 m Durchmesser, der Standard der Atlas III. Sie sitzt auf der Centaur und wird einige Sekunden nach der Abtrennung der ersten Stufe abgesprengt. Maximal sind drei Zusatzbooster möglich.
• Die 500-er Serie nutzt dahingegen eine neue Nutzlastverkleidung von 5 m Durchmesser, der Standard des Hauptkonkurrenten der Atlas V außerhalb der USA: der Ariane 5. Diese Nutzlastverkleidung, gebaut von der Schweizer Firma Contraves (die übrigens auch die Nutzlastverkleidung der Ariane 5 herstellt) umfasst auch die Centaur, weswegen die 23 m lange Nutzlastverkleidung nur zur Hälfte für die Nutzlast zur Verfügung steht. Sie wird noch während der Brennphase der ersten Stufe abgetrennt. Maximal können fünf Zusatzbooster mitgeführt werden.
• Das HLV ist in etwa vergleichbar mit der Delta IV Heavy: drei CCBs werden zusammengeschraubt, wobei die beiden äußeren als Booster dienen. Beim Start wird das Triebwerk des mittleren CCB gedrosselt, wodurch es weniger Treibstoff verbraucht als die beiden äußeren. Diese werden somit auch zuerst abgetrennt und der mittlere CCB brennt noch einige Zeit mit vollem Schub weiter. Als Nutzlastverkleidung verwendet man wieder die 5-m-Version der 500-er Serie

Zunächst war geplant, eine weitere Oberstufe für kleine Nutzlasten zu entwickeln. Diese wurde Agena 2000 genannt und sollte auf einer der erfolgreichsten Raketenstufen der USA, der Agena, basieren. Doch die Stufe wurde schließlich gestrichen, da diese Nutzlastkategorien von anderen Trägern abgedeckt werden können.

Die Startanlage (Michael Stein, August 2002)

Der Vermarkter der Atlas V, das amerikanisch-russische Joint Venture International Launch Services, hat zur Steigerung der Konkurrenzfähigkeit seiner neuesten Rakete auch die Abläufe in der Produktion sowie beim Zusammenbau und der unmittelbaren Startvorbereitung optimiert. So setzen sich die vielen verschiedenen Versionen der Atlas 5 aus einer geringen Anzahl standardisierter Komponenten zusammen, um die Produktionsabläufe möglichst einfach zu halten.

Der Atlas-Produzent Lockheed Martin hat zudem eine komplett neue Startanlage auf dem Gelände des amerikanischen Weltraumbahnhofs Cape Canaveral entstehen lassen. Zu diesem Zweck wurden zwei gigantische Turmkonstruktionen auf der in den 1960er Jahre errichteten Anlage Complex 41 (von der aus unter anderem auch die Viking– und Voyager-Missionen gestartet wurden) im Jahr 1999 gesprengt, um Platz für die moderne Atlas 5-Startanlage zu machen. Die um die alte Startplattform angeordneten vier großen Blitzschutzmasten sowie große Teile der Abgasschächte und Betonfundamente wurden jedoch stehen gelassen, da sie weiterhin Verwendung finden.

Das so genannte “Clean Pad”-Konzept sieht als wesentliche Neuerung (zumindest für amerikanische Verhältnisse, bei der Ariane 5 wird dies bereits praktiziert) keine Montage der Rakete auf der Startplattform vor, wie es bisher üblicherweise praktiziert worden ist. Somit entfallen die früher notwendigen gigantischen Montage- und Servicetürme auf den Startanlagen, da die Rakete vollständig montiert erst wenige Stunden vor dem Starttermin auf einer mobilen Startplattform zur Startanlage gerollt wird. Dieses Konzept soll vor allem schnellere Turn-Around-Zeiten zwischen den einzelnen Startterminen als bisher ermöglichen, zumal eine weniger komplexe Startanlage auch weniger störungsanfällig ist: Maximal fünfzehn Atlas 5-Starts pro Jahr sollen von dem neuen Complex 41 aus möglich sein.

Um dieses Ziel zu erreichen wurden die Abläufe im Vorfeld eines Starts grundlegend geändert. Zunächst werden die Common Core Booster sowie die Centaur-Oberstufen im klimatisierten Atlas 5 Spaceflight Operations Center (ASOC) gelagert, wo gleichzeitig auch erste Tests dieser Komponenten durchgeführt werden können. Beim ASOC handelt es sich um ein rund 6,5 Kilometer von der Startplattform entferntes Gebäude, das ursprünglich für die Montage von Feststoffboostern der Titan 4-Raketen gebaut worden ist und nun vollständig umgebaut und erweitert wurde. Bis zu sechs Atlas 5-Raketen können hier lagern, bevor erste und zweite Stufe zur Montage transportiert werden. Gleichzeitig ist im ASOC das Startkontrollzentrum untergebracht, von dem aus der gesamte Startvorgang überwacht und gesteuert wird. Auch Räume für Gäste und Kunden, die den Start verfolgen möchten, sind hier untergebracht.

In der 89 Meter hohen Vertical Integration Facility (VIF) werden die vom ASOC kommenden Raketenstufen montiert. Zu diesem Zweck wird die mobile Startplattform in das gut einen halben Kilometer vom Startpunkt entfernte, neu errichtete Montagegebäude gefahren, wo dann ein 60-Tonnen-Kran die einzelnen Segmente der Atlas 5 aufeinander setzt. Von sieben verschiedenen Arbeitsplattformen aus kann jeder Punkt der Rakete erreicht werden. Auch die Feststoffbooster werden in der VIF an die erste Stufe der Rakete montiert. Die bereits mit Treibstoff betankten Satelliten werden hier in die Nutzlastverkleidung eingekapselt und anschließend auf die Rakete montiert, bevor ausführliche Tests des gesamten Trägersystems durchgeführt werden.

Der letzte Schritt vor dem eigentlichen Start ist dann die Fahrt der (fast schon) startbereiten Rakete auf der mobilen Startplattform zum Startpunkt. Diesen rund 550 Meter langen Weg legt die mobile Startplattform auf Schienen zurück, gezogen von zwei so genannten Trackmobiles. Die Plattform versorgt die Rakete mit Treibstoff und Strom und stellt die Datenverbindung zum Startkontrollzentrum her. Der bis zur Spitze 56 Meter messende Turm auf der Startplattform dient dem Windschutz für die Rakete nach Verlassen des VIF, außerdem werden durch ihn Treibstoffleitungen zur Centaur-Oberstufe sowie Leitungen mit klimatisierter Luft zur Nutzlast in der Raketenspitze geführt. Nach etwa einer halben Stunde hat die Plattform den Startpunkt erreicht, wo sie abgesenkt und auf dem Betonfundament gesichert wird. Nach der Ankunft der mobilen Startplattform beim Startpunkt werden die erste Stufe der Rakete sowie die Centaur-Oberstufe automatisch auf mögliche Lecks hin getestet und anschließend betankt. Danach ist die Atlas 5 startbereit.

Zudem gibt es für die Atlas V in Vandenberg eine weitere Startrampe, nämlich SLC 3E. Diese wurde schon vorher für das Atlas-Programm genutzt und für die Atlas V umgebaut. Man nutzte im Grunde genommen die vorherigen Startanlagen und kein System wie in Cape Canaveral, die Rakete wird, wie bei den Anfängen der Raumfahrt, auf der Startrampe aufgebaut.

Nachdem Boeing beschloss, ihre Raumkapsel CST-100 mit der Atlas V zu starten, muss nun auch die Startanlage in Cape Canaveral überarbeitet werden. Vor allem heißt das, dass Anlagen gebaut werden müssen, um den Crewzugang zur Rakete zu gewährleisten sowie Notfallanlagen im Falle einer Evakuierung der Kapsel.

Starts

Insgesamt (Stand: Juli 2013) startete die Atlas V 39 Mal, der Jungfernflug fand am 23. August 2002 mit einer Atlas V 401 von Cape Canaveral aus statt. Seit diesem wurden von 18 verschiedenen Versionen insgesamt acht genutzt:

• Atlas V 401: 18 Starts
• Atlas V 411: drei Starts
• Atlas V 421: drei Starts
• Atlas V 431: zwei Starts
• Atlas V 501: vier Starts
• Atlas V 521: zwei Starts
• Atlas V 531: zwei Starts
• Atlas V 541: ein Start
• Atlas V 551: vier Starts

Bisher wurden aber folgende Versionen nicht benutzt: Atlas V 402, Atlas V 412, Atlas V 422, Atlas V 432, Atlas V 502, Atlas V 511, Atlas V 512, Atlas V 522, Atlas V 532, Atlas V 542, Atlas V 552, Atlas V Heavy SEC und Atlas V Heavy DEC.

Die Atlas V startete zunächst noch einige kommerzielle Nutzlasten, wie den Kommunikationssatelliten Astra 1KR, doch nachdem sich Boeing und Lockheed Martin darauf einigten, die Starts von Atlas V und Delta IV gemeinsam mittels der United Launch Alliance (ULA) zu vertreiben, wurden keine oder nur noch wenige kommerzielle Starts angeboten und man spezialisierte sich für Starts für die USAF. Zudem orderte die NASA auch einige Träger, wobei heutzutage sie so etwas wie ein “Standartträger” für schwerere NASA-Nutzlasten und -Sonden ist. So startete man am 12. August 2005 die Raumsonden Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) mit einer Atlas V 401, am 19. Januar 2011 die Plutosonde New Horizons mit einer Atlas V 551, wobei man zusätzlich eine Star 48BOberstufe nutzte, um die nur 500 kg schwere Sonde mit etwa 42.000 km/h zum bisher schnellsten von Menschen gebauten Objekt zu machen. Weitere NASA-Sonden, die mit einer Atlas V gestartet wurden, sind LRO/LCROSS (18. Juni 2009 mit einer Atlas V 401), das Solarobservatorium SDO (11. Februar 2010 mit einer Atlas V 401) und die Jupitersonde Juno(5. August 2011 mit einer Atlas V 551). Zudem soll 2011 der Rover Curiosity mit einer Atlas V 541 zum Mars starten. Doch wurden vor allem Militärsatelliten gestartet, unter anderem auch die zwei Mini-Shuttles X-37B OTV-1 und OTV-2 jeweils mit einer Atlas V 501.

Ausblick

Die Zukunft der Atlas V kann nicht besser sein: Die USAF hat immer noch genügend Aufträge für die Rakete und man plant, auch bemannte Flüge mit diesem Träger zu starten. Einem Konzept nach soll eine Atlas V entweder eine CST-100-Kapsel von Boeing oder einen Raumgleiter vom Typ Dream Chaser von Sierra Nevada zur Internationalen Raumstation ISS bzw. zur Bigelow-Raumstation starten. Zunächst müsste aber das RD-180-Triebwerk human-rated, also so weit verbessert werden, dass die Rakete sicher genug für einen bemannten Start ist. Dies war aber zunächst kein größeres Problem, da man für die neue russische Großrakete Rus-M, mit der unter anderem auch die neue bemannte russische Kapsel PPTS gestartet werden soll, das RD-180 in der Erststufe benutzt und dieses sowieso human-rated gemacht werden soll. Auch nachdem Rus-M auf Eis gelegt wurde, ist die Weiterentwicklung des RD-180 sicher, da es schon entsprechende Verträge gibt.

Am 5. August, also am Starttag der Raumsonde Juno mit einer Atlas V 551, beschloss die Firma Boeing (die mit Lockheed Martin die ULA betreibt), dass ihre Raumkapsel CST-100 mit einer Atlas V 412, also eine Atlas V mit einem Booster und einer DEC-Centaur, starten soll. Damit soll auch die Startanlage LC-41 in Cape Canaveral so modifiziert werden, dass auch bemannte Starts von der Startanlage möglich sein sollen. Darüber hinaus plant die Sierra Nevada Corporation (SNC), ihr Minishuttle Dream Chaser mit einer Atlas V 402 starten zu lassen.

Es gibt aber auch Konzepte, bei denen die Rakete verbessert werden soll:

• Bei der Atlas V Phase 2 wird der Durchmesser der Hauptstufe auf 5,4 m erhöht und die Centaur soll in der DEC-Ausführung geflogen werden. Die Veränderungen zur Atlas V sollen nur minimal sein. Der Nutzen dieser Rakete soll darin bestehen, bemannte Kapseln entweder zur ISS oder in den Mondübergangsorbit (28,5° Deklination) zu bringen. Die maximale Nutzlast soll 26 t betragen.
• Eine Weiterentwicklung zur Atlas V Phase 2 besteht darin, den Durchmesser der Erststufe auf 8 m zu erweitern, wobei drei Triebwerke vom Typ RD-180 in einer Stufe benutzt werden. Diese neue Erststufe wird als 8 m Core bezeichnet. Auch die Centaur bekommt einen größeren Durchmesser und vier RL-10-Triebwerke. Mit dieser Rakete sollen maximal 70 t Nutzlast möglich sein.
• Die Human Rated Atlas V entspricht der oben erwähnten Verbesserung für CST-100 und Dream Chaser, wobei man drei CCBs als Erststufe nutzen möchte.
• Bei der Atlas V Phase X handelt es sich um eine Atlas V aus 8 m Core und Wide Body Centaur, wobei zwei normale CCBs als Booster benutzt werden sollen. Maximal ist eine Nutzlast von 95 t möglich.
• Die Atlas V Phase 3A entspricht der Atlas V Phase 2 mit 5,4 m Durchmesser, wobei man vier weitere Erststufen mit 5,4 m Durchmesser als Booster verwendet. Sie ist mit einer maximalen Nutzlast von 94 t die stärkste Verbesserung der Atlas V.

– Ende –