TSTO

Ein TSTO-Fahrzeug ist ein Startsystem, das die Orbitalgeschwindigkeit mit zwei verschiedenen Antriebsstufen erreicht, die nacheinander zünden und sich dann trennen. Die erste Stufe zündet am Boden, brennt bis ihr Treibstoff aufgebraucht ist, und fällt dann ab. Die zweite Stufe zündet dann in der oberen Atmosphäre oder nahe dem All und beschleunigt die Nutzlast auf Orbitalgeschwindigkeit, etwa 7,8 Kilometer pro Sekunde in niedriger Erdumlaufbahn. Dieses zweistufige Design unterscheidet sich von SSTO-Konzepten (Single-Stage-to-Orbit), die die ganze Aufgabe mit einem Triebwerkssatz bewältigen, oder von dreistufigen Systemen für schwerere Nutzlasten oder Mondmissionen.

Der Reiz der TSTO-Architektur liegt in der technischen Machbarkeit. Durch das Abstoßen der ersten Stufe nach Erfüllung ihrer Aufgabe spart das Fahrzeug Masse, und die zweite Stufe benötigt weniger Treibstoff für die restliche Strecke, als eine einzelne Stufe zum Mitschleppen ihres eigenen toten Gewichts bräuchte. Die meisten heute eingesetzten Orbitalraketen sind TSTO oder TSTO-Varianten: die Space Shuttle Orbital Orbiter wurde von zwei Feststoffraketen und einem externen Tank getragen (ein Hybrid-Ansatz), SpaceX Falcon 9 ist TSTO, und ältere Fahrzeuge wie die Systeme mit Space Shuttle Main Engine (SSME) verwendeten TSTO-Prinzipien.

Stufenauftrennung und Trennmechanik

Die Schnittstelle zwischen den Stufen ist entscheidend. Mechanische Klammern oder Sprengbolzen halten die Stufen während des Brandes der ersten Stufe zusammen. Sobald der Motor der ersten Stufe abschaltet, bestätigen Sensoren, dass die zweite Stufe eine stabile Fluglage erreicht hat und die redundante Zündreihenfolge einsatzbereit ist. Die Bolzen zünden, federgestützte Trenntriebwerke drücken die Stufen auseinander, und der Motor der zweiten Stufe zündet. Erfolgt die Trennung zu spät oder unsymmetrisch, kann die aufsteigende zweite Stufe die herabfallende erste Stufe treffen. Falls die Zündung innerhalb des Trennfensters ausfällt, fällt die zweite Stufe mit der ersten ab oder stürzt ins Meer.

Bei Wartung und Vorbereitung erfordern TSTO-Fahrzeuge gestaffelte Tests: Die Triebwerke und Treibstoffsysteme der ersten Stufe werden unabhängig überprüft, dann die Triebwerke und Avionik der zweiten Stufe, und schließlich werden integrierte Systeme getestet. Lecks, Sensorausfälle oder Ventilklemmen in einer Stufe können den Start verzögern. Der Trennmechanismus selbst ist ein häufiger Inspektionspunkt, da festsitzende Bolzen oder korrodierte Kontakte an Trennsensoren zu Flugfehlern geführt haben.

Der Begriff TSTO entstand in den 1960er Jahren, als Luft- und Raumfahrtingenieure verschiedene Routen ins All modellierten. Er bleibt Standard in der Spezifikation und Beschaffung von Trägersystemen, weil er eine grundlegende architektonische Entscheidung beschreibt, die Kosten, Risiko und Leistung antreibt. Ein TSTO-Fahrzeug wird niemals so einfach sein wie ein theoretisches SSTO, benötigt aber auch nicht die exotischen Werkstoffe oder Treibstoffdichten, die SSTO-Konzepte erfordern.