Mein Alternativvorschlag zur Ariane 6 – Teil 2

So, im heutigen zweiten Teil geht es um die Raketen die man aus dieser Grundkonzeption konstruieren kann. Den ersten Teil findet ihr hier. Und den ganzen Artikel hier.

Bei einer angenommenen Höhe von 10 und 19 m ergeben sich folgende Raketen: (mit 300 kg VEB und 1000 kg Nutzlastverkleidung). Zielgeschwindigkeit: 9400 m/s (1.600 m/s für verschiedene Verluste) komme ich auf folgende Typen:

Basisversionen ohne Booster
Ariane I-I 2.640 kg 31,74 m Höhe
Ariane I-II 4.060 kg 34,63 m Höhe
Ariane II-I 5.020 kg 37,09 m Höhe
Ariane II-II 7.160 kg 39,98 m Höhe
Ariane II-III 8.640 kg 42,87 m Höhe
Ariane III-I 6.840 kg 42,44 m Höhe
Ariane III-II 9.640 kg 45,33 m Höhe
Ariane III-III 11.570 kg 48,22 m Höhe

Die 5 m Nutzlastverkleidung erhöht die Länge dann um 9 m, ist aber nur bei den Boosterversionen (siehe unten) für höhere Nutzlasten sinnvoll.

Man sieht schon nicht alle Möglichkeiten sind gleich gut. So ist die III-I Konfiguration schlechter als die II-III Kombination. Im allgemeinen sind die mit den leistungsstärkeren Oberstufen besser alsgrößere Erststufen. Die kleinste Version kann wegen des Schubs der Erststufe nicht die größte Oberstufe transportieren (Nebenbedingung: Startbeschleunigung nicht unter 12 m/s). Immerhin sieben Konfigurationen bleiben die schon den Nutzlastbereich der Vega bis zur Sojus 2-1B abdecken. In die GTO Bahn transportiert die letzte Version 4.220 kg, mehr als die Sojus.

Doch das war erst der Anfang. Anders als Ariane 5 kann man die Rakete durch Booster erweitern.

Wenn wir nur folgende Randbedingungen vorsehen:

  • zwei oder vier Booster
  • symmetrische Anbringung
  • Maximal neun Triebwerke

dann gibt es schon folgende Boostervariationen:

  • I-Erststufe: 2 × I-Booster, 2 × II Booster, 2 × II-Booster + 2 × I-Booster, 4 × II-Booster
  • II-Erststufe: 2 × I-Booster, 2 × II-Booster, 2 × II-Booster + 2 × I-Booster
  • III-Erststufe: 2 × I-Booster, 2 × II-Booster, 2 × II-Booster + 2 × I-Booster

Dies kann man dann noch mit den drei Oberstufen kombinieren und kommt so auf 30 Kombinationen.

Damit nicht genug. Da das zentrale Triebwerk beim Start gezündet wird, kann man mehr Treibstoff zuladen. Die I-er Version die Treibstoffmenge der II-er Version und die II-Version die Treibstoffmenge der III-Version. Bei der III-er Version kann man ein Triebwerk weglassen. Das macht weitere 6 Versionen.

Ab einer bestimmten Boosterzahl ist der Schub auch so groß, dass man die Zentralstufe nach ihnen zünden kann. Das verbessert das Stufenverhältnis und macht aus der zweistufigen eine dreistufige Rakete. Viel Nutzlast bringt diese Option aber nur bei sehr hohen Geschwindigkeitsanforderungen. (GTO oder noch mehr). Denkbar wäre auch, wenn das Triebwerk im Schub senkbar ist, die Booster vor der Zentralstufe abzutrennen und so die Spitzenbeschleunigung zu reduzieren.

Mit einer asynchronen Schubauslegung (siehe Space Shuttle, Atlas V 601, also heute schon Stand der Technik gibt es noch viel mehr Varianten. Ich will aus Platzgründen aber nur obige besprechen.

Die Zahl der Triebwerke, die maximal eingesetzt werden, orientiert sich an den Erfahrungen. Ariane 4 flog mit bis zu 8 Triebwerken und konnte keinen Ausfall auffangen (hatte keine „engine-out capabilty„, trotzdem war sie sehr zuverlässig. Die letzten 70 Flüge klappten in Folge. Von 144 Starts der Ariane 1-4 mit insgesamt 814 Viking Triebwerken in der ersten Stufe und Boostern scheiterten nur zwei an diesen Triebwerken, das entspricht einem durch die Praxis abgesicherten Ausfallrisiko von 1/407. Setzt man bis zu 9 ein, so steigt es auf 1/46, was einem Verlustrisiko von 2,2% entspricht. Rechnet man noch 1,3% Versagensrisiko für die Oberstufe und andere Ursachen dazu, so ist man bei einer Zuverlässigkeit von 96,5%. Das ist kein Spitzenwert (Ariane 5 sollte 98,5% erreichen), aber einer, der akzeptabel ist, zum es ein Worst-Case Scenario ist – wenn weniger Triebwerke einsetzt werden steigt der Wert an. Nimmt man die Zuverlässigkeit des Vulcain 1 (0,9946) als Maßstab, so dürfte die Zuverlässigkeit minimal 94,7% erreichen. Das ist deutlich weniger als Ariane 5 oder Atlas V erreichen, aber noch besser als die Zenit und Proton.

Weiterhin kann man in der Rakete eine eingine-out capability vorsehen, also bei Problemen Triebwerke abschalten und sie in Kevlar einpacken, dass Explosionen die vor allem bei den Turbopumpen sich ereignen können, keine Auswirkung haben. Wichtig wäre es dann die Steuerung so auszulegen, dass sie die Triebwerke abschaltet, wenn der Treibstoff verbraucht wird und nicht nach einer festen Betriebszeit. Doch dies, zusammen mit den Sensoren war schon bei der Saturn V Standard.

Basistyp Booster Zündung Hauptstufe nach den Boostern Nutzlast (LEO)
Ariane I-I 2 × I nein 5.680 kg
Ariane I-I 2 × I, 2 × II Ja 16.710 kg
Ariane I-I 2 × II ja 12.940 kg
Ariane I-I 4 × II ja 20.800 kg
Ariane I-II 2 × I nein 8.600 kg
Ariane I-II 2 × I, 2 × II ja 20.300 kg
Ariane I-II 2 × II ja (nur bei GTO-Missionen, sonst nein) 15.900 kg
Ariane I-II 4 × II ja 24.800 kg
Ariane I-III 2 × I nein 15.000 kg
Ariane I-III 2 × I, 2 × II ja 22.300 kg
Ariane I-III 2 × II ja 15.600 kg
Ariane III-III 4 × II nein, nur ein Triebwerk 33.300 kg

Ich habe nur vom ersten Typ alle Versionen skizziert. Auch hier gibt es sinnvollere und weniger sinnvollere Kombinationen. Von den anderen Versionen habe ich dann nur noch die leistungsfähigstem mit vier Boostern, dreifacher Tanklänge aber nur einem Triebwerk (verletzt somit nicht die 9 Triebwerke-Regel) skizziert. Dieses wird mit den anderen beim Start gezündet. Bei Brennschluss der Booster ist ein Drittel des Treibstoffs verbraucht. Die Beschleunigung geht dann auf 0,7 g zurück, doch nach 109 s werden wieder 1 g erreicht – da die Rakete sehr schnell beschleunigt, hat sie zum selben Zeitpunkt wie die Ariane 5 1 g wieder erreicht. Dies ist also tolerierbar.

Die oben angegebenen Nutzlasten sind die für den LEO Orbit. In den GTO kann die leistungsfähigste Version 14.300 kg transportieren. Denkbar wären wie schon gesagt, noch zahleiche andere Variationen. So wäre auch eine Version mit zwei Oberstufen (z.B. III-Version und I-Version) denkbar. Sie steigert für GTO Missionen die maximale Nutzlast auf 16.3 t. Interessanter ist der Einsatz für höhere Geschwindigkeiten. Zum Mars steigt die maximale Nutzlast von 9 auf 10,8 t und zum Jupiter von 2,4 auf 4,1 t. Bei dem Weglassen von Triebstoff kann man auch die GEO-Nutzlast vergrößern. Dann zündet sie im Apogäum. Für den Galileo Orbit kommt man so auf eine Nutzlast von 10.800 kg (entsprechend sechs Starts der Sojus) und in den GEO Orbit sind es 8,3 t (etwa 1 t mehr verglichen mit einem im Satelliten integrierten Antrieb).

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