Was ist die Oberstufe einer Rakete? Ist es oben auf der Rakete? Klicken Sie hier, um mehr über das „Space Shuttle“ zu erfahren

Die Oberstufe einer Rakete ist ein Gerät, von dem wir oft hören. Die Hauptarbeitsposition der Oberstufe liegt im Weltraum oberhalb der Kármán-Linie, ihre Mission ist jedoch nicht die Anwendung im Weltraum, sondern das Senden künstlicher Satelliten oder anderer Raumfahrzeuge in die vorgegebene Arbeitsumlaufbahn. Obwohl viele Oberstufen nicht wie Raketenstufen aussehen, werden derartige Produkte dennoch von Raketenherstellern entwickelt und verwendet.

Raketenoberstufen klingen nach einer großen Kategorie, es gibt sie jedoch in den unterschiedlichsten Formen und Größen. Einige sehen aus wie die Stufen einer Trägerrakete, während andere einfach wie ein runder Kuchen mit einer Düse aussehen. Manche sind mehrere Stockwerke hoch, andere haben etwa die Größe eines menschlichen Körpers. Was sind seine Eigenschaften?

Die Centaur-Oberstufe ähnelt optisch der Raketenstufe.

Wozu dient die Raketenoberstufe?

Der Zweck der Oberstufe besteht hauptsächlich darin, die Leistung und Missionsanpassungsfähigkeit des Basisstufenfahrzeugs, also der Trägerrakete, zu verbessern. Im Vergleich zum herkömmlichen Startmodus wird die kombinierte Startmethode einer Grundstufenrakete + Oberstufe verwendet. Oberstufe und Satellit werden zunächst gemeinsam in eine niedrige Umlaufbahn gebracht, anschließend trennt sich die Rakete. Die Oberstufe befördert den Satelliten in eine mittlere oder hohe Arbeitsumlaufbahn oder andere Umlaufbahnen, was den Flugvorgang der Trägerrakete vereinfacht und den Druck der Bodenmessung und -steuerung verringert.

Die Oberstufe der Electron-Rakete trennt sich von der zweiten Stufe

Auch bei interstellaren Erkundungsaktivitäten werden Oberstufen benötigt, um Sonden oder Raumfahrzeugen den Transfer von der Erdumlaufbahn in die interstellare Umlaufbahn zu ermöglichen. Während des Apollo-Programms wurde der Mondlandekomplex mithilfe einer großen Oberstufe in die Mondumlaufbahn gebracht.

Russland stellt ein kombiniertes Modell der Fregate-Oberstufe und des Mars-Rovers aus

Durch den Einsatz der Oberstufe können zudem die Möglichkeiten der Trägerrakete voll ausgenutzt werden, um neben dem Hauptsatelliten auch einige Zusatznutzlasten und Kleinsatelliten zu transportieren. Dies ist insbesondere für große und mittelgroße Trägerraketen wichtig. Durch den Einsatz der Oberstufe ist es einfacher, mehrere Satelliten mit einer Rakete zu starten, was die Starteffizienz effektiv verbessert und die Anzahl der Starts reduziert. Dies ist heute von großem Wert, da Startaktivitäten immer häufiger werden und die Startplätze auf Hochtouren laufen. Die Oberstufe selbst kann auch einige Testgeräte für die Weltraumtechnologie tragen, um ihren Wert voll unter Beweis zu stellen.

Was ist der Unterschied zwischen der Oberstufe und der Trägerrakete?

Die Oberstufe ist im Grunde eine komplette Trägerrakete, einschließlich der kompletten Antriebs-, Lenk-, Navigations- und Steuerungs-, Wärmeregelungs-, Mess- und Steuerungs- sowie Struktursysteme. Anders als bei Trägerraketen ist die Hauptflugumgebung der Oberstufe die obere Erdatmosphäre und der Weltraum. Draußen herrscht grundsätzlich kein Luftdruck, aber eine relativ raue Strahlungsumgebung. Eine solche Umgebung führt dazu, dass die Konstruktionsmerkmale der Subsysteme der Oberstufe und der Trägerrakete unterschiedlich sind.

Das Triebwerk der Oberstufe kann eine Niederdruckbrennkammer und eine Düse mit einem optimalen Vakuumexpansionsverhältnis verwenden. Die Oberstufe wird im Allgemeinen für den Eintritt in die Umlaufbahn verwendet, beispielsweise in die Erdumlaufbahn oder in die interplanetare Umlaufbahn. Ihre Betriebszeit kann daher nur wenige Stunden oder mehrere Tage betragen. Einige Oberstufen müssen über einen langen Zeitraum mit Satelliten verbunden sein, um ihnen umfassende Orbitalmanöver zu ermöglichen, was Flüge von mehreren Monaten erfordern kann.

Davon hängt die Kraftstoffauswahl des Antriebssystems ab. Die kurzzeitig arbeitende Oberstufe kann kryogene und feste Brennstoffe verwenden. Beispielsweise verwendet der Centaur einen Flüssigwasserstoff-Expander-Zyklusmotor und die Oberstufe HM7B der Ariane 5ECA verwendet eine von einem Gasgenerator angetriebene Turbopumpe. Feststoffgetriebene Oberstufentriebwerke haben die einfachste Struktur, wie etwa die von China entwickelte Oberstufe EPKM und die Oberstufe CZ-2C/FP.

Langlebige Oberstufentriebwerke verwenden hypergolische Treibstoffe, wie beispielsweise das klassische Agena sowie die zweite Stufe von Delta-K oder Ariane 5ES, die alle eine Kombination aus UDMH und Salpetersäure verwenden. Durch die direkte Kraftstoffversorgung mit Hochdruckgas können die Verbrennungsanforderungen des Motors erfüllt werden, ohne dass eine Turbopumpe erforderlich ist. Dies bedingt auch, dass die Gestaltungsideen der Kraftstoffversorgung sehr unterschiedlich sind.

Die Oberstufe der Agena B ist im Museum ausgestellt

Mit Ausnahme der mit Feststoffen betriebenen Oberstufe müssen alle anderen über eine Abschaltung und einen Neustart im Orbit nachdenken. Dies wirft Fragen der Treibstoffverwaltung und der Kraftstoffzufuhr während längerer Aufenthalte im Orbit auf. Zudem muss das Problem gelöst werden, wie verhindert werden kann, dass dem Treibstoff Gas beigemischt wird. Darüber hinaus sind die Temperaturbedingungen im Weltraum strenger als in der Atmosphäre und Faktoren wie die tiefe Kälte des Weltraumhintergrunds, die Sonneneinstrahlung, die Infrarotstrahlung der Erde und die Reflexion der Erde müssen berücksichtigt werden. Die Eigenwärmeabstrahlung und Wärmestrahlung des Motors während des Betriebs sowie die Wärmerückgewinnung nach dem Abschalten haben komplexe Auswirkungen auf den Motor selbst und das Kraftstoffversorgungssystem. Daher gelten für die Hauptkomponenten des Motors strenge Anforderungen an die Temperaturregelung.

Ist es besser, stabiler oder wendiger zu sein?

Die Lageregelung der Oberstufe umfasst zwei Aspekte: Lagestabilisierung und Lagemanöver. Ersteres ist ein Prozess zur Beibehaltung der bestehenden Haltung, Letzteres ist ein Umleitungsprozess. Einige Oberstufen verwenden spinstabilisierte Steuerungssysteme, die meisten nutzen jedoch mittlerweile eine Dreiachsenstabilisierung. Nach Untersuchungen einheimischer Wissenschaftler sollten bei der Entwicklung der Lageregelung der oberen Stufe die folgenden vier Faktoren berücksichtigt werden. Die erste besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen minimalem Treibstoffverbrauch und kürzester Steuerzeit zu finden und die beste Option zu wählen. Der zweite Aspekt ist die Auslegung und Optimierung der Lageregelungstriebwerke. Es sollten weder zu viele noch zu wenige davon vorhanden sein und sie sollten sowohl eine präzise Steuerung als auch eine vereinfachte Struktur gewährleisten. Die dritte ist die Selbstreparaturtechnologie. Bei Ausfall eines Triebwerks oder eines Teils kann die Flugmission durch die Koordination anderer Triebwerke fortgesetzt werden. Der vierte Faktor betrifft das Einbringen mehrerer Satelliten in die Umlaufbahn. Nach der Abtrennung einiger Satelliten ändern sich die Massenverteilungseigenschaften der Oberstufe und der verbleibenden Satelliten und der Lageregelungsmodus muss neu eingerichtet werden. Dies ist heute besonders wichtig, da kleine Satelliten beliebt sind.

Bei der Oberstufe muss die aerodynamische Form im Allgemeinen nicht berücksichtigt werden, daher verfügen weder die Oberstufen der russischen Fregate noch der chinesischen Expeditionsserie über Verkleidungen. Allerdings müssen einige große Oberstufen oben auf der Trägerrakete installiert werden, wodurch die Außenhülle freigelegt wird und sie die gesamte Atmosphäre durchqueren. Daher verwenden sie auch eine längere zylindrische Außenfläche, die genauso aussieht wie die Raketenstufe.

Fregate-Oberstufe startet OneWeb-Satelliten

Bis heute hat der Mensch über 20 Arten von Oberstufen entwickelt, aber nicht mehr als 10 davon sind im Einsatz. Mit der Normalisierung des Startmodus für mehrere Satelliten, insbesondere angesichts der zunehmenden Dimensionierung der Konstellationskonstruktionen und der zunehmenden Typenvielfalt, wird die Oberstufe bei zukünftigen Weltraumstartaktivitäten eine größere Rolle spielen.

Heutige Raketenoberstufen sind für Weltraumtransportmissionen zu mehreren Sternen und unterschiedlichen Umlaufbahnen zuständig. Mit Blick auf die Zukunft könnte sich die Oberstufe zu einem weiteren Raumfahrzeug neuen Konzepts entwickeln, nämlich einem Weltraumschlepper.

China beherrscht derzeit die Technologie zur Entwicklung der Oberstufe vollständig und hat bereits erfolgreiche Flüge durchgeführt. Mit der Weiterentwicklung der interstellaren Exploration, der bemannten Raumfahrt und der kommerziellen Raumfahrt kann sich die Oberstufe in zwei Richtungen entwickeln: groß und klein. Große Oberstufen werden für den Start interstellarer Sonden und großer bemannter Raumfahrteinrichtungen verwendet, während kleine Oberstufen für den Start kleiner Satelliten und die Bereitstellung von Konstellationen eingesetzt werden. Es wird eine der wichtigsten Trägerraketen für die kommerzielle Raumfahrt werden.