KARI erreicht beim zweiten Testflug der inländischen Nuri-Rakete die Umlaufbahn

Das Korean Aerospace Research Institute (KARI) hat seinen zweiten Start der Korea Space Launch Vehicle (KSLV)-II-Rakete, auch bekannt als Nuri, durchgeführt. Dies war Nuris Rückkehr zum Flug, nachdem sie bei ihrer vorherigen Mission fast die Umlaufbahn erreicht hatte. Die Rakete startete am 21. Juni um 16:00 Uhr koreanischer Zeit (07:00 UTC) vom Launch Complex-2 (LC-2) im Naro Space Center.

Dieser Start war Nuris zweiter Demonstrationsflug und KARIs insgesamt fünfter Orbitalstartversuch. Auf diesem Flug beförderte Nuri einen 1,2 Tonnen schweren Simulator, den 162,5 kg schweren Performance Verification Satellite (PVSAT), vier CubeSats und eine CubeSat-Attrappe erfolgreich in die Umlaufbahn.

Übersicht über Raketen und Nutzlast:

Nuri ist Südkoreas Orbitalträgerrakete der zweiten Generation. Die Rakete ist die erste im Land gebaute Rakete des Landes, die die Umlaufbahn erreicht. Südkoreas erste Orbitalrakete war die KSLV-I, auch bekannt als Naro-1.

Naro-1 war ein gemeinsam von Südkorea und Russland entwickeltes Kleinsatelliten-Orbitalstartsystem. Die erste Stufe war ein modifiziertes in Russland gebautes Universal Rocket Module (URM)-1 mit einem RP-1/LOX RD-151-Triebwerk. Die zweite Stufe nutzte einen in Südkorea gebauten Feststoffraketenmotor. Mit zwei Stufen könnte die Rakete mit 144 mT, 2,9 Metern Durchmesser und 33 Metern Höhe eine Nutzlast von 100 kg in die erdnahe Umlaufbahn (LEO) befördern.

Start von Naro-1 (Bildnachweis: KARI)

Naro-1 absolvierte seinen ersten Flug am 25. August 2009 mit der Raumsonde STSat-2A. Kurz nach dem Abschalten der ersten Stufe gelang es dem Flug nicht, die Umlaufbahn zu erreichen, da sich die Nutzlastverkleidung nicht trennte. Aufgrund der zusätzlichen Masse der Verkleidung erreichte die zweite Stufe nicht die Umlaufgeschwindigkeit.

Der zweite Start von Naro-1 erfolgte knapp ein Jahr später, am 10. Juni 2010. Bei dieser Mission versuchte die Rakete, den Satelliten STSat-2B in die Umlaufbahn zu bringen. Doch 137 Sekunden nach dem Start ging die Trägerrakete verloren. Die Ursache des Scheiterns ist noch umstritten.

Zweieinhalb Jahre später erreichte der dritte und letzte Naro-1 mit dem Satelliten STSat-2C erfolgreich die Umlaufbahn. Als erste Rakete Südkoreas, die die Umlaufbahn erreichte, war sie das elfte und jüngste Land, das die Umlaufbahn erreichte. Nach diesem Flug wurde Naro-1 zugunsten einer größeren, im Inland entwickelten Trägerrakete ausgemustert.

Nuri ist eine dreistufige Rakete, die 1.500 kg in eine sonnensynchrone Umlaufbahn (SSO) befördern kann. Die erste Stufe wird von vier Jet-A/LOX KRE-075-Triebwerken angetrieben. Jeder Motor erzeugt im Vakuum 735 kN Schub bei 298 Sekunden spezifischem Impuls. Insgesamt erzeugen die vier Triebwerke 2.942 kN Schub und brennen 127 Sekunden lang. Diese Bühne hat einen Durchmesser von 3,5 Metern und ist 21,6 Meter hoch.

Die zweite Stufe wird von einem vakuumoptimierten Jet-A/LOX KRE-075-Motor angetrieben. Dieses vakuumoptimierte Triebwerk erzeugt 788 kN Schub mit einem spezifischen Impuls von 315,4 Sekunden. Während des Fluges brennt diese Stufe 148 Sekunden lang. Im Vergleich zur ersten Stufe ist die zweite Stufe mit einem Durchmesser von 2,6 Metern kleiner und 13,6 Meter hoch.

Nuris dritte Stufe ist die kleinste und letzte Stufe der Rakete. Die Bühne wird von einem einzelnen Jet-A/LOX KRE-007-Vakuummotor angetrieben. Dieser Motor erzeugt 68,7 kN Schub mit einem spezifischen Impuls von 325 Sekunden. Während eines Starts brennt diese Stufe etwa 500 Sekunden lang und bringt ihre Nutzlast(en) in die vorgesehene Umlaufbahn.

Mit der Nutzlastverkleidung ist die Rakete 47,2 Meter hoch, hat einen Durchmesser von 3,5 Metern und eine Masse von 200 mT.

Die Motoren auf Nuri nutzen jeweils einen Gasgeneratorkreislauf, um ihre Turbopumpe anzutreiben. Jedes Triebwerk wurde am Boden getestet, um den Flug an Bord von Nuri vorzubereiten. Um das KRE-075-Triebwerk sowie mehrere Elemente der Nuri-Rakete zu qualifizieren, startete KARI am 28. November 2018 das KSLV-II Test Launch Vehicle (KSLV-II TLV).

Die kleine suborbitale Trägerrakete startete erfolgreich in den Flug und erreichte einen Höhepunkt in 209 Kilometern Höhe. Ihr einzelnes KRE-075-Triebwerk brannte 151 Sekunden lang. Nach diesem Testflug qualifizierte KARI später das KRE-007-Triebwerk für den Flug. Nach mehreren Testkampagnen war die erste Nuri-Rakete bereit für ihren Jungfernstart.

Nach einem relativ reibungslosen Countdown – abgesehen von einer einstündigen Verzögerung für zusätzliche Überprüfungen der Rakete – startete Nuri am 21. Oktober um 08:00 UTC von LC-2 zu seinem ersten Orbitversuch. Nach dem Start hat das Fahrzeug die meisten seiner Flugmeilensteine ​​erfolgreich bestanden. Die erste und zweite Stufe verliefen perfekt, wobei sich die Verkleidung wie geplant trennte.

Die dritte Stufe zündete und leistete bei einer Nennbrenndauer von 521 Sekunden 475 Sekunden lang eine gute Leistung. Ein vorzeitiges Abschalten des Triebwerks 475 Sekunden nach Beginn des Fluges führte dazu, dass die Bühne knapp unter der Orbitalgeschwindigkeit landete. Sein 1,5-mT-Massensimulator trennte sich dennoch erfolgreich von der dritten Stufe und erreichte seine Zielhöhe von 700 km.

Nach einer umfassenden Prüfung der während des Fluges gesammelten Daten wurden einige ungewöhnliche Ereignisse entdeckt. Bei T+ 36 Sekunden wurden in der Trägerstruktur des Tanks der dritten Stufe und im Nutzlastadapter Vibrationen festgestellt, die außerhalb des Nennwerts lagen. Dann begann Helium aus dem Heliumtank der dritten Stufe auszutreten, was den Druck im LOX-Tank erhöhte.

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32 Sekunden später begann der Druck im LOX-Tank der dritten Stufe zu sinken und die Oberflächentemperatur der oberen Hälfte des Tanks sank stark. Schließlich, bei T+115,8 Sekunden nach Beginn des Fluges, begann der Druck im Heliumtank zu sinken und der Druck im LOX-Tank stieg erneut an. Trotz der Erhöhung und Verringerung des LOX-Tankdrucks der dritten Stufe war die Stufe noch einige Zeit betriebsfähig.

Im Dezember 2021 wurde die Ursache des Ausfalls bekannt gegeben. Aufgrund der zunehmenden Beschleunigung während des Fluges – und damit auch des zunehmenden Auftriebs aller Komponenten im LOX-Tank – versagte ein Anker für den LOX-Heliumtank der dritten Stufe. Aufgrund des Versagens des Ankers löste sich der Heliumtank und begann, sich um den LOX-Tank herum zu bewegen. Durch die Bewegung des Heliumtanks wurden die Tanks beschädigt und Risse verursacht, die zu weiteren Helium- und LOX-Austritten führten.

Schließlich wurde die Leckage so schwerwiegend, dass das KRE-007-Triebwerk nicht mehr mit LOX versorgt werden konnte. Da dem Triebwerk kein LOX zugeführt wurde, kam es zu einer vorzeitigen Abschaltung des Triebwerks, wodurch der Flug beendet wurde.

Nach Abschluss der Untersuchungen wurden Änderungen am Anker vorgenommen, um den während des Fluges beobachteten erhöhten Auftrieb auszugleichen. Der zweite Flug von Nuri wurde vom 19. Mai 2022 auf Mitte Juni 2022 verschoben, um diese Änderungen am Fahrzeug umzusetzen.

Basierend auf den Erkenntnissen aus dem ersten Flug beförderte der zweite Flug fünf aktive und zwei passive Nutzlasten. Die größte Nutzlast an Bord von Nuri war der 1,2-mT-Massensimulator. Dieser Massensimulator ähnelt dem 1,5-mT-Simulator, der auf Nuris erstem Flug zu sehen war. Auf der Oberseite befand sich jedoch ein Nutzlastadapter für den PVSAT.

PVSAT ist ein Testsatellit zur Überprüfung der im Inland gebauten Satellitenhardware sowie der Flugleistung von Nuri. Der Satellit ist relativ klein, etwa 0,93 x 0,9 x 0,89 Meter groß und wiegt 162,5 kg. Für den Antrieb des Raumfahrzeugs werden Solarzellen verwendet. Der Satellit ist mit fünf im Inland hergestellten Komponenten ausgestattet, die im Weltraum getestet werden sollen.

Modelle des PVSAT (rechts) und des Massensimulators (links, mit oben montiertem PVSAT). Beachten Sie die fünf CubeSat-Schächte auf PVSAT. (Bildnachweis: KARI)

Erstens handelt es sich um einen ein Kilogramm schweren elektrisch beheizten thermoelektrischen Generator (ETG), der mithilfe von Temperaturunterschieden Strom erzeugt. Diese Technologie könnte für Programme zur Monderkundung und -entwicklung eingesetzt werden. Ein weiteres Instrument ist ein neun Kilogramm schweres Control Moment Gyroskop (CMG), das als Aktuator für die Lageregelung bei hoher Geschwindigkeit fungiert. Mit dem CMG soll die Gyroskop-Technologie für zukünftige Missionen getestet werden.

Als redundante Antenne kommt eine 400 g schwere hemisphärische S-Band-Antenne zum Einsatz. Diese Antenne wird verwendet, um die Leistung einer S-Band-Antenne für Telemetrie-/Befehlsübertragungen zu testen. Auf dem Raumschiff wird ein Videokamerasystem (VCS) eingesetzt. Das VCS wird verwendet, um den Auswurf der CubeSats aufzuzeichnen, der vom Raumschiff aus erfolgen wird. Die erfassten Daten und Videos werden über die S-Band-Antenne zurück zur Erde übertragen.

Auf dem Satelliten befinden sich fünf CubeSat-Bereitsteller, von denen vier von der Universität gebaute CubeSats enthalten. Der größte Cubesat ist der 6U STEP Cube Lab-II mit einer Masse von 9,6 kg. Dieser CubeSat ist mit einer optischen Mittelinfrarot-/Infrarotkamera ausgestattet und stellt Koreas erste elektrooptische Multiband-Erdbeobachtungsmission im mittleren Infrarot dar. Der zweitgrößte ist der 3U SNUGLITE-II mit einer Masse von 3,8 kg. Dieser CubeSat wird als Amateurfunksatellit für den Bildungsbereich mit einem GPS-Empfänger verwendet.

Als nächstes folgt die 3U-Multispektralbildgebung zur Überwachung von Aerosolen durch Nanosatelliten (MIMAN) mit einem Gewicht von 3,7 kg. MIMAN wird multispektrale Bildgebung zur Überwachung von Aerosolen verwenden. Repeater Arrangement & Disaster Early View (RANDEV) ist der vierte und letzte aktive CubeSat. Dieser 3U/3,2 kg große CubeSat wird verwendet, um Bilder potenzieller Gefahren durch Vulkane, Küsten und Wolken zu sammeln.

Der letzte CubeSat auf PVSAT war ein 3U-Dummy-Satellit.

Nuri steht auf LC-2 vor seinem Jungfernstart. (Bildnachweis: KARI)

PVSAT wurde Anfang Juni auf dem 1,3-mT-Massensimulator montiert. Bald darauf wurden die Nutzlasten in der Nutzlastverkleidung eingekapselt. Nachdem die Nutzlasten eingekapselt waren, wurden die dritte Stufe und die Nutzlasten übertragen, um sie in den Rest der Rakete zu integrieren. Bis zum 12. Juni waren alle Vorbereitungen für den Start abgeschlossen.

Start:

Die letzten Startvorbereitungen beginnen am Tag vor dem Start mit Nuris Transfer zum Startplatz. Von der Montagehalle aus bewegt sich das Fahrzeug mit 1,5 km/h über eine Strecke von 1,8 Kilometern. Diese Fahrt dauerte etwa eine Stunde und 20 Minuten. Nach der Ankunft bei LC-2 begann die Rakete um ca. 10:00 Uhr koreanischer Zeit vertikal anzuheben.

Im Laufe des Tages wurden Verbindungen zur Startrampe und zur Rakete hergestellt. Elektrische, TVC-, Kommunikations- und Hydraulikprüfungen werden ebenfalls durchgeführt. Die letzten Vorbereitungen sind gegen 21:00 Uhr koreanischer Zeit abgeschlossen.

Die Vorbereitungen für den Starttag beginnen um 9:00 Uhr (T-7 Stunden) koreanischer Zeit mit Inspektionen der Startrampe und der Raketen. Bei T-5 Stunden und 30 Minuten sind die Kontrollen der Treibstofftanks abgeschlossen. Zwei Stunden später wird das Bodenpersonal von der Plattform evakuiert, um mit dem Auftanken zu beginnen. T-2 Stunden vor dem Start beginnt die Treibladung.

Die Treibstoffladung war nach T-1 Stunden und 20 Minuten beendet. Zur Stunde T-1 wurde der Startstand in seine horizontale Startposition gebracht. 30 Minuten vor dem Start sind die letzten System-Checkouts und die Go/No-Go-Umfrage abgeschlossen. Die automatischen Startvorgänge (PLO) beginnen 10 Minuten vor dem Start.

Nuri hebt zu seinem Jungfernflug ab. (Bildnachweis: KARI)

Bei T-0 zünden die Triebwerke der ersten Stufe und das Fahrzeug hebt ab. Kurz nach dem Abheben beginnt das Fahrzeug mit einem Nickmanöver, um seinen Startazimut von 170 Grad zu erreichen. Knapp eine Minute nach Beginn des Fluges erreicht das Fahrzeug Mach 1.

Nachdem der Treibstoff aufgebraucht ist, schaltet sich die erste Stufe etwa zwei Minuten und sieben Sekunden nach Beginn des Fluges ab. In schneller Folge trennt sich die erste Stufe von der zweiten Stufe und der Motor der zweiten Stufe zündet.

Nach fast vier Minuten nach Beginn des Fluges trennt sich die Nutzlastverkleidung, wodurch die Nutzlasten dem Weltraum ausgesetzt werden. 34 Sekunden später schaltet die zweite Stufe ihren Motor ab und trennt sich von der dritten Stufe. Kurz darauf zündete die dritte Stufe und führte ein Dogleg-Manöver durch, um einen neuen Azimut von 191 Grad zu erreichen.

Ungefähr 13 Minuten nach dem Start wird die dritte Stufe abgeschaltet. Nuri erreichte erfolgreich eine kreisförmige Umlaufbahn von 700 km mit einer Neigung von 98,2 Grad und einer Umlaufgeschwindigkeit von 7,5 km/s. 100 Sekunden nach der Triebwerksabschaltung trennt sich der PVSAT von der Rakete. Dann neigte sich die Bühne um 90 Grad und – 70 Sekunden nach der Trennung von PVSAT – trennte sich der Massensimulator.

42 Minuten nach dem Start beginnt der PVSAT mit der Kommunikation mit Bodenstationen. Nachdem überprüft wurde, dass der Satellit funktionsfähig ist, wird er ab dem 23. Juni alle zwei Tage mit dem Einsatz der CubeSats beginnen. Am 23. Juni wird sich das STEP Cube Lab-II als erstes trennen und seine einjährige Mission beginnen. Zwei Tage später wird sich RANDEV trennen und seine sechsmonatige Mission beginnen. Als nächstes startet am 27. Juni der Satellit SNUGLITE-II seine einjährige Mission. Schließlich wird sich die MIMAN am 29. Juni trennen und ihre sechsmonatige Mission beginnen.

Nach diesem Start stehen KARI einige arbeitsreiche Monate bevor. Am 2. August (EDT) wird eine SpaceX Falcon 9 den Mondorbiter Danuri von KARI starten. Diese Falcon 9 wird über einen flugerprobten Booster verfügen und den Mondorbiter auf eine Reise zum Mond schicken.

Danuri in der Endbearbeitung vor seiner Auslieferung. (Bildnachweis: KARI)

KARI wird außerdem damit beginnen, Nuri auf seinen dritten Start vorzubereiten. Dieser dritte Start wird voraussichtlich im Januar 2023 stattfinden und wahrscheinlich NextSat 2 mit sich führen. Im Anschluss an diese Mission sind für Nuri mehrere Starts für mehrere Jahre bis 2027 geplant.

Mit Nuri wird KARI die gewonnenen Erkenntnisse nutzen, um das vorläufig benannte KSLV-III zu entwickeln. KSLV-III wird KARIs Rakete der nächsten Generation sein und etwa 3,5 mT in eine geostationäre Transferbahn befördern. Diese zweistufige Rakete wird in der ersten Stufe fünf 100-Tonnen-Schub-RP-1/LOX-Triebwerke und in der zweiten Stufe zwei 10-Tonnen-Schub-RP-1/LOX-Triebwerke verwenden. Für die Rakete wurden viele Ideen vorgeschlagen, darunter die Landung der ersten Stufe ähnlich der Falcon 9. Der Start dieser Rakete wird für die 2030er Jahre erwartet.

(Hauptfoto: Nuri hebt zu seinem zweiten Flug ab und ist der erste, der erfolgreich die Umlaufbahn erreicht. Bildnachweis: KARI)