Delta IV

RS-68-Triebwerk auf dem Teststand

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.[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. Am 29. Juni 2012 startete erstmals eine Rakete mit den schubgesteigerten RS-68A-Triebwerken in ihren CBCs.

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 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.

Die Delta IV Medium und Delta IV Medium+ (4,2) verwenden eine Nutzlastverkleidung mit 4 Metern Durchmesser aus Verbundmaterialien. Sie ist 11,75 m hoch, von denen 6,93 m den vollen Außendurchmesser von 4 m hat. Im zylindrischen Teil hat sie 3,75 m Innendurchmesser. Den restlichen Teil der Länge nimmt die kegelförmige, oben abgerundete Spitze ein.[2]

Die Delta IV Medium+ (5,2) und Delta IV Medium+ (5,4) verwenden eine Nutzlastverkleidung mit 5 Metern Durchmesser aus Verbundmaterialien. Sie ist 14,34 m hoch, von denen 8,32 m den vollen Außendurchmesser von 5 m hat. Im zylindrischen Teil hat sie 4,57 m Innendurchmesser. Den restlichen Teil der Länge nimmt die leicht nach innen gebogene oben abgerundete Spitze ein.[2]

ULA bietet Doppelstarts an.[3] Die RUAG erhielt im Jahr 2013 einen Auftrag zur Entwicklung von Doppelstartvorrichtungen für die Atlas V und Delta IV, die ab 2018 zum Einsatz kommen sollten.[4] Bislang wurden sie jedoch nicht genutzt.

Startkomplexe für die Delta IV sind sowohl auf der Cape Canaveral Space Force Station als auch auf der Vandenberg Space Force Base 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 RocketShip 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 entfiel das Vorrecht, als einzige Firma von Vandenberg aus Satelliten in den Orbit zu bringen.

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

Eine Delta IV Heavy wird aufgestellt

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 10 Sekunden 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 8847 kN. Die Nutzlastkapazität wird mit 23.000 kg für eine niedrige Umlaufbahn und mit 13.130 kg für einen Geotransfer-Orbit angegeben. Mit den schubgesteigerten RS-68A-Triebwerken steigt die Nutzlastkapazität in den GTO weiter auf 14.220 kg.[6] Die Delta IV Heavy mit dem alten RS-68 bringt etwa 10.000 kg auf eine Mondtransferbahn und etwa 8000 kg auf eine Marstransferbahn. Damit ist Delta IV Heavy mit den neuen RS-68A-Triebwerken die derzeit zweitstärkste 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 bis 2023 geflogene europäische Rakete Ariane 5 ECA als auch den russischen Schwerlastträger Proton-M. Die Falcon Heavy bietet hingegen mit 26.700 kg eine höhere GTO-Nutzlastkapazität als die Delta IV Heavy mit RS-68,[7] ebenso die zukünftige Angara-A5 mit 24.500 kg.

Die Verbundnutzlastverkleidung ist knapp 19,1 m hoch, von denen 13,07 m den vollen Außendurchmesser von 5 m hat. Im zylindrischen Teil hat sie 4,57 m Innendurchmesser. Den restlichen Teil der Länge nimmt die leicht nach innen gebogene oben abgerundete Spitze ein.

Die Metallnutzlastverkleidung ist 19,81 m hoch, von denen 13,76 m den vollen Außendurchmesser vom 5 m hat. Im zylindrischen Teil hat sie 4,57 m Innendurchmesser. Den restlichen Teil der Länge nimmt die Spitze in Form eines oben abgerundeten Doppelkegels ein. Diese Nutzlastverkleidung spaltet sich, wenn sie abgeworfen wird, längs in drei Teile.

Wie bereits oben erwähnt sollte die Delta IV ab 2018 auch Starts mit zwei Hauptnutzlasten gleichzeitig durchführen können;[4] es fanden sich aber keine Nutzlasten, bei denen ein Doppelstart in Frage gekommen wäre.[2]

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.

Die Angaben gelten für einen typischen Flug in eine geostationäre Transferbahn (231 km × 35.902 km / 27,9°).[8]