EELV - en billigere bærerakett

Av Øyvind Guldbrandsen

Å få brakt satellitter opp i bane er en kostbar fornøyelse, noe ikke minst det amerikanske forsvaret med sine spesielle behov lenge har vært klar over. For å gjøre noe med dette etterlyste det amerikanske luftforsvaret, som har ansvaret for oppskytingen av praktisk talt alle USAs militære satellitter, i 1995 forslag til en ny klasse bæreraketter. Rakettene, betegnet Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV), skal etter planen redusere oppskytingskostnadene med 25-50 % i forhold til dagens nivå.

Dette skulle bli mulig blant annet ved å benytte av samme type rakettrinn i varierende konfigurasjoner til de forskjellige oppskytingene, samt gjennom en rekke effektiviseringer innen produksjon og klargjøring av rakettene. Helt nye oppskytingskonsepter, som gjenbrukbare ett-trinn-til-bane-fartøyer, ble ansett å være for usikre og ligge for langt frem i tid til at USAF ville satse på noe slikt, til tross for et potensiale for enda lavere oppskytingskostnader - når nå den tid måtte komme at noe slikt blir operativt.

I dag fordeles de fleste av USAs militære satellittoppskytinger på Delta-, Atlas- og Titan-rakettene, som hver igjen kommer i flere versjoner. Utviklingen av de første versjonene i alle disse rakettfamiliene ble startet allerede på 1950-tallet (Delta gikk da under navnet Thor). Romfergene ble benyttet til et titalls militære oppskytinger på 1980- og begynnelsen av 1990-tallet, men det foreligger ingen planer å benytte dem til militære ferder flere ganger, hvis man ser bort fra den planlagte radartopografiferden i september 1999, som er et samarbeid mellom NASA og det amerikanske forsvarsdepartementet.

Etter planen skal EELV-rakettene benyttes til å skyte opp praktisk talt samtlige amerikanske militære satellitter, uansett baner og vektklasser, med unntak av de absolutt minste, hvor raketter som Pegasus skal benyttes. EELV skal debutere litt etter århundreskiftet, og planlegges å bli benyttet frem til om lag 2020. Da utviklingen av EELV ble lagt ut på anbud, regnet luftforsvaret med å ha behov for opptil 200 oppskytinger av militære nyttelaster i løpet av denne perioden. En EELV-familie skulle bestå av en lettløft-, en mediumløft-og en tungløftversjon, med spesifikasjoner som i utgangspunktet var nyttelastkapasiteter på 1,3-18,6 tonn til lav polbane og opptil 6,8 tonn til geostasjonær bane. Alle EELV-rakettene skal kunne skytes opp fra både Cape Canaveral i Florida og Vandenberg i California. Sistnevnte oppskytingssted benyttes som regel til oppskytinger til tilnærmet polbane, hvorfra satellittene over tid vil fly over alle områder av Jorden.

Flere forslag

I desember 1996 valgte luftforsvaret forslagene fra de konkurrerende selskapene Lockheed Martin og McDonnell Douglas som finalistene til EELV. Firmaene fikk 60 millioner dollar hver for nærmere studier av sine konsepter. De tapende EELV-forslagene kom fra Alliant Techsystems, som baserte konseptet på sin SRMU-faststoffmotor utviklet for Titan 4B, og Boeing, som foreslo å benytte et trinn med to gjenbrukbare romfergehovedmotorer, påspent et etter behov varierende antall mellomstore faststoffmotorer.

Planen var at den endelige vinneren skulle velges våren 1998. Men i oktober 1997 godkjente forsvarsminister William Cohen et forslag om at begge EELV-finalistkonseptene skulle utvikles og produseres parallelt. Men de to finalistene, som nå bestod av Lockheed Martin og Boeing, ettersom Boeing våren 1997 kjøpte opp McDonnell Douglas, skulle «bare» få 500 millioner dollar hver for å utvikle EELV. Opprinnelig planla luftforsvaret å tildele vinneren 1,3 milliarder dollar til dette formålet. Årsaken til denne plutselige «gjerrigheten» var at det etter hvert ble klart at Lockheed Martin og Boeing ville tjene betraktelig mer på benytte EELV-rakettene sine til kommersielle oppskytinger enn først antatt. Verken Boeing eller Lockheed Martin har da heller avslått tilbudet fra USAF, selv om hvert selskap nå vil måtte legge ut om lag én milliard dollar av egne midler til utviklingen av EELV. Med to konkurrerende EELV-familier håper Pentagon at de lettere kan holde oppskytingsprisene nede, og at nyttelaster i mindre grad blir stående i kø på bakken dersom et uhell rammer en av rakettfamiliene.

Lockheed Martins Atlas 5

Lockheed Martin har kalt sin EELV for Atlas 5. Litt merkelig kanskje, ettersom det så vidt vites aldri har vært snakk om noen Atlas 4. Atlas 1 ble for øvrig introdusert i 1990 som en lett modifisert arvtaker til arbeidshesten Atlas/Centaur. Dette ble gjort i forbindelse med at Atlas-programmet da ble fullstendig kommersialisert. Atlas 2, som finnes i versjoner med og uten faststoffmotorer, debuterte året etter, og er i skrivende stund (mai 1999) den eneste operative Atlas/Centaur-raketten. Den første oppskytingen av en Atlas 3 (tidligere kjent som Atlas 2AR) planlegges å finne sted sommeren 1999. Siden slutten av 1950-tallet er rundt 500 Atlas-oppskytinger - med eller uten Centaur eller andre øvretrinn- foretatt.

Atlas 5-konseptet er basert på en såkalt Common Booster Core (CBC), det vil si et kjernetrinn som på flere måter er en videreutvikling av Atlas 3. I likhet med Atlas 3s førstetrinn vil CBC være drevet av rakettmotoren RD-180. Etter de opprinnelige planene skulle videreutviklede versjoner av det hypergolske Agena og det kryogeniske Centaur benyttes som øvre trinn i henholdsvis lettløftversjonen og medium- og tungløftversjonene. (Hypergolsk: Drivstoffkomponentene tenner ved kontakt med hverandre, og kan som regel lagres i drivstofftankene over et meget langt tidsrom. Kryogenisk: Drivstoffet må kjøles ned svært mye for å holdes flytende. Dette er teknisk komplisert, men Centaurs drivstoffkombinasjon hydrogen/oksygen er svært effektiv). De første versjonene av begge disse øvretrinnene ble introdusert i første halvdel av 1960-tallet. Førstetrinnet i tungløftversjonen av Atlas 5 - Atlas 5 Heavy - vil bestå av tre sammenbuntede CBC-kjernetrinn. De to mindre versjonene skulle ha ett CBC-kjernetrinn hver som førstetrinn.

Rakettmotoren RD-180 forbrenner kerosen og flytende oksygen, og har en skyvekraft på 390 tonn. Den er foreløpig visstnok den eneste ikke-gjenbrukbare rakettmotoren som man kan regulere skyvekraften på underveis, noe som oppgis å ville gi mer fleksibilitet under oppskyting av varierende nyttelaster til ulike baner. Utviklingen av RD-180 har vært delt mellom russiske Energomasj og amerikanske Pratt & Whitney. Motoren er en «halv» versjon (to i stedet for fire brennkamre og dyser) av RD-170, som ble utviklet i Sovjetunionen til Energija/Buran-programmet, men som nå bare brukes i Zenit-bærerakettene. RD-180 bygges for tiden av Energomasj i Kimsk i Russland, men det er et krav at RD-180-motorene som skal brukes til militære EELV-oppskytinger skal bygges i USA. Dette vil Pratt & Whitney ta seg av ved en fabrikk i Florida. Til kommersielle Atlas 3- og Atlas 5-oppskytinger vil man imidlertid benytte rimeligere, russisk-produserte RD-180-motorer. Testavfyringsproblemer med RD-180 er for øvrig hovedårsaken til at at den første Atlas 3-oppskytingen er blitt forsinket i flere måneder.

Nyttelastkapasiteten til Atlas 5 var opprinnelig som følger: 3890 kg til LEO (lav jordbane) og 1840 kg til GTO (geostasjonær overføringsbane) for den minst kraftige versjonen, 7300 kg til LEO og 3850 kg til GTO for mediumversjonen og 18 600 kg til LEO og 6100 kg til GTO for tungløftversjonen.

Boeings Delta 4

Boeing har døpt sitt EELV-konsept Delta 4. Delta-raketter, som altså tidligere ble produsert av McDonnell Douglas, har vært brukt til oppskytinger av hundrevis av satellitter og romsonder siden rundt 1960, men opprinnelig med betydelig mindre kraftige versjoner enn nå. Et utall forskjellige Delta-versjoner har vært benyttet. Arvtakeren Delta 2 ble introdusert i siste halvdel av 1980-tallet, og finnes i en håndfull varianter. Delta 2 regnes som en av Vestens mest pålitelige bæreraketter. Den første Delta 3-oppskytingen, som fant sted i august 1998, endte derimot som fyrverkeri etter få kilometers flukt. Delta 3-oppskyting nummer to fant sted 5. mai norsk tid, men nyttelasten kom inn i feil bane.

Delta 4 er basert på et helt nytt kjernetrinn drevet av flytende hydrogen og flytende oksygen. Hvert kjernetrinn benytter en enkelt RS-68-rakettmotor. Denne har 93 % færre deler enn romfergens hovedmotor (SSME). Til gjengjeld utnytter RS-68 drivstoffet noe mindre effektivt enn normalt for hydrogen-/oksygen-rakettmotorer: Spesifikk impuls ligger på 414 s, mot rundt 445 s for SSME. Men de betydelig lavere produksjonskostnadene for RS-68 vil bidra til å redusere den endelige prisen per masseenhet nyttelast i bane. Skyvekraften til RS-68 er på 295 tonn ved havoverflaten og 380 tonn i vakuum, 50 % mer enn SSME. RS-68 produseres av Rocketdyne.

Som øvre trinn skulle Delta 4 benytte Delta 2s øvre trinn i lettløftversjonen og et kryogenisk trinn, omtrent likt det øvre trinnet som er utviklet til Delta 3, i medium- og tungløftversjonene. På samme måte som med Atlas 5 skulle etter de opprinnelige planene ett kjernetrinn benyttes som førstetrinn i lettløft- og mediumløftutgaven, mens førstetrinnet i tungløftversjonen skal bestå av tre sammenbuntede kjernetrinn.

Delta 4-rakettene er ganske store ettersom de benytter flytende hydrogen og oksygen også i de nederste trinnene. Flytende hydrogen har meget lav tetthet og tar mange ganger så stor plass per vektenhet sammenlignet med andre drivstofftyper. Hvert av Delta 4s kjernetrinn vil ha en diameter på fem meter. Tungløftversjonen vil ha en høyde på totalt 68,6 m.

Boeing bygger en helt ny fabrikk ved Decatur i Alabama for å produsere Delta 4s kjernetrinn. Trinnene vil bli fraktet med skip til Cape Canaveral eller Vandenberg. I sistnevnte tilfelle må de bringes gjennom Panama-kanalen, en tur på til sammen tre til fire uker.

Planlagt fordeling så langt

I oktober 1998 bestemte luftforsvaret seg for hvordan de 28 første EELV-oppskytingene, planlagt å finne sted i budsjettårene 2002 til 2006, skulle fordeles. Hele 19 av oppskytingene ble tildelt Boeing, hvorav to med selskapets kraftigste versjon (begge i 2003). Lockheed Martin, som i denne runden ble ansett som «taperen», skal ta seg av de øvrige ni oppskytingene, den første i 2003. Overraskende var det at ingen av oppskytingene vil være med Atlas 5 Heavy, det vil si Lockheed Martins kraftigste EELV-versjon. Med sine Titan 4-raketter har Lockheed Martin lenge vært enerådende i USA når det gjelder oppskyting av de tyngste militære nyttelastene med engangsbæreraketter. Lockheed Martin foreslo for øvrig overfor luftforsvaret å utvikle en rimelig, kommersiell variant av den meget kostbare Titan 4-raketten i stedet for den kraftigste EELV-utgaven, men oppnådde ikke annet enn å gjøre militærsjefene sure.

Boeing fikk etter sigende flest oppskytinger siden de var billigst. Målet på «6000 dollar per pund nyttelast i bane» (om lag 100 000 kroner per kg) ble riktignok ikke nådd med Delta 4, men det var visstnok ikke lang unna. Dette tilsvarer rundt 60 % av dagens priser.

Nyttelastene på disse første 28 oppskytingene vil blant annet være 10 Navstar GPS-satellitter, tre geostasjonære SBIRS-satellitter (den forsinkelsestruede etterfølgeren til DSP, som registrerer og varsler om oppskytinger av missiler rundt om på kloden) samt diverse kommunikasjonssatellitter. For tre av oppskytingene er nyttelasten hemmelig. Dette dreier seg sannsynligvis om såkalte spionsatellitter, det vil si rekognoseringssatellitter med visuelle, infrarøde og/eller radarinstrumenter, samt elektroniske avlyttingssatellitter.

Boeing vil motta 1,38 milliarder dollar for sine 19 oppskytinger, mens Lockheed Martin tildeles 650 millioner dollar for sine ni. De 2 x 500 millioner dollarene til utviklingen av EELV-familiene kommer i tillegg. Luftforsvaret regner med at EELV-programmet vil kutte oppskytingskostnadene med mellom fem og ti milliarder dollar mellom 2002 og 2020.

Kommersielle versjoner

I løpet av 1998 bestemte både Lockheed Martin og Boeing seg for å la være å utvikle den svakeste versjonen av EELV. Man hadde funnet ut at man ville spare mer i utviklingskostnader enn hva de ekstra kostnadene ved å i stedet benytte mediumversjonen til de minste EELV-nyttelastene ville bli. Utviklingsarbeidet av Agena 2000, som skulle benyttes som øvre trinn i Lockheed Martins minste versjon (som ikke heter Atlas 5 Light, siden navnet Atlas 5 ble introdusert etter at Lockheed Martins minste EELV ble droppet), ble imidlertid bare satt på sparebluss i stedet for å avsluttes helt etter denne beslutningen.

På den annen side er det senere dukket opp planer for flere EELV-versjoner som skal fylle kapasitetsmellomrommet mellom medium- og tungløftversjonene. I praksis dreier det seg om mediumversjonen påspent et varierende antall faststoffmotorer. Boeing har kalt sine tre (foreløpig) ekstraversjoner «Delta 4 Medium+(4,2)», «-(5,2)» og «-(5,4)». Det første tallet i parentesen angir nyttelastdekslets diameter i meter, det andre tallet antall fastoffmotorer påspent førstetrinnet. Nyttelastkapasiteten vil være på henholdsvis 5760 kg, 4850 kg (siden det bredere dekslet har større masse) og 6670 kg til geostasjonær overføringsbane. Delta 4 Medium, det vil si den originale versjonen, uten faststoffmotorer, skal ha en kapasitet på 4200 kg til GTO med 4-meters dekslet, for øvrig det samme nyttelastdekslet som Delta 3 benytter. De kraftigere versjonene vil om nødvendig benytte Titan 4-rakettens 5-meters nyttelastdeksel i stedet for Delta 3-dekslet.

Lockheed Martin planlegger også å feste faststoffmotorer på sine Atlas 5 Medium-raketter. Antallet oppgis å skulle variere fra «én til fem». Litt underlige tall kanskje; det spørs om man ikke da også har telt med motoren på kjernetrinnet, slik at antall påspente motorer egenlig vil være mellom null og fire. Ekstramotorene skal øke nyttelastkapasiteten til mellom 5200 og 8100 kg til GTO. Versjonen med flest motorer skal også kunne plassere 18 000 kg i lav jordbane. Hvis de siste tallene er riktige, kan man jo spørre seg om hva som da er vitsen med å utvikle tungløftversjonen med tre kjernetrinn, som vil ha praktisk talt samme kapasitet. Det er for øvrig også blitt snakket om muligheten for kommersielle EELV-raketter med to kjernetrinn.

Disse «ekstraversjonene» er primært tiltenkt kommersielle oppskytinger, men vil sannsynligvis også bli benyttet til militære oppskytinger der dette er hensiktsmessig. De første kommersielle EELV-oppskytingene er planlagt å finne sted allerede i 2001, året før de første militære EELV-oppskytingene. Delta 4 Medium vil ha omtrent samme nyttelastkapasitet som Delta 3, som derfor kommer til å fases ut etter hvert som Delta 4 blir operativ. Produksjonen av Delta 2-raketter kommer imidlertid til å fortsette så lenge det er etterspørsel etter dem, noe Boeing regner med at det vil være i mange år ennå.

Tekst til illustrasjoner brukt i artikkelen

Lockheed Martin bygger en ny rampe ved oppskytingskompleks 41 (i sentrum av bildet) på Cape Canaveral for sine EELV-raketter, kalt Atlas 5. Nye bygninger for vertikal montering av rakettene befinner seg oppe til venstre. (Lockheed Martin)

De tre opprinnelige medlemmene i Lockheed Martins EELV-familie. I likhet med Boeing vil Lockheed Martin utvikle et standard kjernetrinn som skal brukes ett eller tre om gangen som førstetrinn i alle versjonene. Utviklingen av versjonen til venstre, med et Agena 2000 øvretrinn, er senere blitt droppet. Ingen oppskytingskontrakter som benytter tungløftversjonen (i midten) er foreløpig inngått. Denne og mediumversjonen (til høyre) vil benytte Centaur som øvre trinn, med nyttelastdeksler fra henholdsvis Titan 4 og Atlas 2/3. (Lockheed Martin)

Boeings EELV/Delta 4 vil monteres sammen ved Cape Canaveral etter at trinnene har ankommet fra den nye Delta 4-fabrikken i Alabama. Bildet viser det kryogeniske andretrinnet, som er av omtrent samme type som det som benyttes i Delta 3, idet det monteres oppå det kryogeniske førstetrinnet i horisontal stilling. (Boeing)

Delta 4 vil først reises til vertikal stilling ute på oppskytingsrampen. (Boeing)

Deretter plasseres nyttelasten, ferdig innkapslet i nyttelastdekslet, oppå raketten. (Boeing)

Forberedelsene til å skyte opp tungløftversjonen av Delta 4 skal kunne gjøres unna i løpet av 30 døgn, hvorav 8-10 døgn ute på rampen. Cape Canaveral-oppskytingene vil foregå fra en ombygd rampe ved oppskytingskompleks 37, som på 1960-tallet ble brukt til å skyte opp Saturn 1- og 1B-rakettene. (Boeing)