Können Raketen von Flugzeugen aus gestartet werden? Pegasus-Rakete, der Pionier der luftgestarteten Raketen

Das Pegasus-Programm begann im Frühjahr 1987 und wurde von der damaligen Orbital Sciences Corporation und der Hercules Aerospace Corporation ohne staatliche Förderung selbstfinanziert entwickelt. Während der frühen Entwicklungsflugtests und der ersten Flüge stellte die NASA jedoch ein aus einem B-52-Bomber umgebautes Testflugzeug zur Verfügung und deckte damit auch einen Teil der Kosten. Darüber hinaus leisteten die ersten beiden Kunden, Orbital Communications Constellation und Earth Observation Constellation, Anzahlungen.

Am 5. April 1990 übernahm der NASA-Testpilot und ehemalige Astronaut Gordon Fullerton das Kommando über das Trägerflugzeug, um den ersten Start der Pegasus-Rakete durchzuführen. Der erste Kunde der Pegasus-Rakete war die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Damals unterzeichnete die DARPA fünf Startabsichten, doch nur eine wurde tatsächlich umgesetzt, die anderen vier wurden der US Air Force übergeben.

1994 kaufte die Orbital Sciences Corporation ein ausgemustertes Verkehrsflugzeug vom Typ Lockheed L-1011 und nannte es „Stargazer“ als Hommage an die USS Stargazer in „Star Trek: The Next Generation“.

Im Jahr 1993 veröffentlichte die NASA eine Ausschreibung für einen Small Expendable Launch Vehicle Service (SELVS), der eine etwas bessere Leistung als der ursprüngliche Pegasus aufweisen sollte. Im Jahr 1994 entwickelten Orbital Sciences Corporation und Hercules die XL-Version, um die Anforderungen der NASA zu erfüllen. Die erste und zweite Stufe des Pegasus XL wurden verlängert, die dritte Stufe blieb jedoch unverändert. Die Flugbetriebsverfahren bleiben dieselben und die Flügel des Stargazer wurden verstärkt, um größere Raketen tragen zu können, was ihn zum aktuellen Hauptmodell macht.

Pegasus erhielt in den USA sehr gute Kritiken. Das von Antonio Elias geleitete Entwicklungsteam erhielt 1991 vom damaligen US-Präsidenten Bush die National Medal of Technology.

Der ursprüngliche Startpreis von Pegasus betrug 6 Millionen US-Dollar und es gab keine Oberstufe mit einem Hydrazin-unterstützten Antriebssystem (HAPS). Der Preis für nachfolgende Pegasus XL-Starts stieg erheblich. Die Ionospheric Connection Probe (ICON)-Mission der NASA wurde mit dieser Rakete gestartet. Der Gesamtbetrag des Vertrags belief sich auf 56,3 Millionen US-Dollar und umfasste „feste Kosten für Startdienste, Raumfahrzeugverarbeitung, Nutzlastintegration, Verfolgung, Daten und Telemetrie sowie andere Anforderungen für die Startunterstützung“. Der Start erfolgte am 11. Oktober 2019.

In seiner 44-Start-Geschichte verzeichnete Pegasus drei Missionsfehler (STEP-1, STEP-2 und HETI/SAC-B), zwei Teilfehler (USAFMicrosat und STEP-2), gefolgt von 30 aufeinanderfolgenden erfolgreichen Flügen mit einer Gesamterfolgsrate von 89 %. Der erste Teilfehler am 17. Juli 1991 führte dazu, dass sieben Mikrosatelliten der US-Luftwaffe nicht in ihre vorgesehenen Umlaufbahnen gelangten. Der Ausfall am 4. November 1996 führte zum Verlust des Gamma-Ray Burst Identification Satellite.

Raketenstruktur

Der größte Unterschied zwischen Pegasus und bodengestützten Raketen besteht darin, dass es Flügel hat. Es hat nicht nur Hauptflügel, sondern auch Heckflügel. Die Heckbaugruppe besteht aus einer Heckschürze, einem horizontalen Heck, einem einzelnen vertikalen Heck und einem Servo. Die Heckflügelbaugruppe besteht aus einem herkömmlichen Strukturrahmen und einer Spannhaut aus Aluminium, und die rotierende Welle des Heckflügels besteht aus einer Titanlegierung.

Schematische Darstellung der Struktur der Pegasus-Rakete

Da es sich bei Pegasus um eine Feststoffrakete handelt, ist das Problem der mangelnden Genauigkeit unvermeidlich. Feststoffraketentriebwerke weisen eine Schubexzentrizität auf, das heißt, es besteht ein seitlicher Versatz und ein Richtungsabweichungswinkel zwischen dem Schub und der Raketenachse. Bei Flüssigkeitsmotoren ist diese Situation viel weniger schwerwiegend. Die Pegasus-Oberstufe ist darauf ausgelegt, diese Abweichung zu korrigieren. Wenn der Benutzer keine hohen Anforderungen an die Präzision stellt und keine HAPS-Oberstufe einrichtet, wird die dreistufige Rakete die Mission abschließen und Satellit und Rakete werden sich 10 Minuten nach der Trennung vom Trägerflugzeug trennen. Wenn es mit einer HAPS-Oberstufe ausgestattet ist, wird es den Satelliten in seine endgültige Umlaufbahn bringen.

Pegasus XL-Flugverfahren ohne HAPS

Pegasus XL-Rakete verfügt über HAPS-Flugprogramm

Während des Fluges wird die Fluglage der Rakete durch ein Kaltluft-Schubvektor-Kontrollsystem geregelt. Der Pfeil ist mit einem Flüssigstickstofftank ausgestattet, der durch das Sprühen von flüssigem Stickstoff ein Steuerdrehmoment erzeugt.

Flexible Wahl des Startorts

Die Pegasus-Rakete demonstriert voll und ganz die Vorteile luftgestarteter Raketen, nämlich die flexible Wahl von Startort und Startrichtung und sogar die flexible Wahl des Abhebeorts des Flugzeugs.

Der Hauptstützpunkt für Raketenträger ist die Vandenberg Air Force Base, die Umlaufbahnen zwischen 70° und 130° erreichen kann, darunter polare Umlaufbahnen und stark geneigte Umlaufbahnen. Wenn ein größerer Neigungswinkel erforderlich ist, sind zusätzliche Analysen und Abstimmungen mit dem Bereichsmanagement erforderlich. Wenn Sie einen geringeren Neigungswinkel erreichen möchten, können Sie dies tun, indem Sie die Flugbahn der Rakete in der Luft drastisch ändern. Dies verbraucht jedoch viel Treibstoff und führt zu einer Verringerung der Tragfähigkeit. Ebenso können bei Starts vom Luftwaffenstützpunkt Vandenberg besondere Sicherheitsanforderungen für die Abwurfzone gelten, die bestimmte Neigungswinkel unmöglich machen. Das Gute ist, dass beim Start hier lokale Mess-, Steuerungs-, Tracking- und Kommunikationseinrichtungen genutzt werden können.

Pegasus kann auch von anderen Standorten aus gestartet werden, darunter vom Wallops Field Air Force Base (WFF), der East Coast Air Force Base (ER) und dem Reagan Test Site (RTS). Bei einem Start von der Ostküste müssen entsprechende Einrichtungen der NASA oder das Testgelände der US Air Force an der Ostküste genutzt werden.

Optionale Startplätze für Pegasus

Wenn Sie einen Satelliten in eine äquatoriale Umlaufbahn bringen möchten, können Sie vom Testgelände des Kwajalein-Atolls starten. Gemäß dem zwischen der Orbital Sciences Corporation und dem Testgelände unterzeichneten Vertrag können die Einrichtungen während des Startfensters zunächst zur Missionsunterstützung für Pegasus-Starts genutzt werden.

Im Allgemeinen ist es für Weltraumstarts erforderlich, dass Satelliten- und Raketenhersteller ihre Produkte jeweils zum Startplatz schicken, wo sie vor dem Abheben verarbeitet und zusammengebaut werden. Pegasus verwendet jedoch Feststoffraketen und einen Luftstart, wodurch das Trägerflugzeug die Rakete transportieren und den Satelliten „zusammenbauen“ kann. Nach der Integration in Vandenberg wurde Pegasus 1997 auf der Stargazer-Plattform montiert und nach Madrid (Spanien) geflogen, wo es mit dem in Spanien hergestellten Satelliten MINISAT-01 kombiniert wurde. Anschließend flog es weiter nach Gran Canaria, wo es erfolgreich gestartet wurde.

Flugverfahren

Nachdem die Hauptkomponenten von Pegasus das Werk verlassen haben, werden sie zur Montage zum Luftwaffenstützpunkt Vandenberg transportiert. Speziell für die Pegasus-Rakete wurde ein Bereich zur Abfertigung gefährlicher Güter mit dem Spitznamen „Hot Pad“ eingerichtet.

Auf dem „Hot Pad“ gibt es eine komplette Ausrüstung zur Raketen- und Satellitenverarbeitung, darunter Bodenunterstützungsausrüstung, Ausrüstung für Montage- und Integrationstests, Ausrüstung für den Orbitaltransport und Transportfahrzeuge. Einige Geräte werden für den Transport sowie das Be- und Entladen von Raketen verwendet, andere für die Integration und Prüfung und wieder andere dienen der Umweltkontrolle von Satelliten. Die Verarbeitungsanlagen stellen die notwendige Ausrüstung zur Verfügung, um die Integration von Satellit und Rakete zu erreichen, die Verarbeitungsausrüstung des Satelliten selbst muss jedoch vom Satellitenbesitzer bereitgestellt werden.

Nachdem Satellit und Rakete zusammengefügt sind, werden eine Reihe von Testaktivitäten durchgeführt, darunter Phasentests, Flugsimulationen usw. Dies erfordert spezielle Tests des Flugcomputers der Rakete. Während des Tests muss sichergestellt werden, dass die wichtigsten Subsysteme der Rakete, einschließlich der aerodynamischen Steuerflächen, des Klimaanlagen-Steuerungssystems und des Servo-Befehlssystems, qualifiziert sind.

Der Satellit selbst sollte 30 Tage vor dem Start am Startplatz sein. Wenn der Start nicht auf der Vandenberg Air Force Base, sondern auf einem vom Benutzer ausgewählten Flughafen erfolgt, muss er 10 Tage im Voraus gestartet werden. Bevor Rakete und Satellit zusammengefügt werden, muss der Satellit selbst seine Tests abschließen. Hierzu sind einige Abstimmungsarbeiten mit dem Startplatz erforderlich und es müssen 120 Tage im Voraus Gefahrengüter und gefährliche Prozesse abgestimmt werden.

Der Start des Pegasus kann nicht einfach dadurch erfolgen, dass man ihn an ein Flugzeug hängt. Generell sollte die Montage am Trägerflugzeug drei bis vier Tage vor dem Start erfolgen und anschließend diverse mechanische und elektrische Schnittstellentests durchgeführt werden. Derzeit muss das Flugzeug für die Strom- und Gasversorgung auf Bodenfahrzeuge zurückgreifen. Manchmal wird Pyrotechnik auf Satelliten eingesetzt und kurz vor dem Start installiert. Daher wird eine Luke an der Raketenverkleidung belassen und eine Stunde vor dem Abheben des Flugzeugs installiert.

Wenn alle Tests abgeschlossen sind, trennt das Bodenfahrzeug alle Verbindungen zum Trägerflugzeug und nutzt die Leistung des Flugzeugtriebwerks, um die Rakete und den Satelliten mit Strom zu versorgen und so die Umgebung innerhalb der Verkleidung aufrechtzuerhalten. Vor dem Abheben müssen verschiedene Sicherungen an der Rakete eingeschaltet werden. Innerhalb von 10 Minuten nach dem Abheben des Flugzeugs sollte die Stromversorgung auf die Batterie am Pfeil umgeschaltet werden. 45 Sekunden vor dem Start führt die Rakete einen weiteren Selbsttest durch. Nach bestandenem Selbsttest sendet es ein Signal an den Startkontrollraum zurück. Anschließend startet der Pilot die Rakete gemäß den Anweisungen aus dem Kontrollraum.