Ariane 5 Erweiterungen

Im November tagt wieder der Ministerrat, der über de finanziellen Mittel der ESA beschließt. Beim letzten Treffen in Berlin beschloss man die Entwicklung einer neuen Oberstufe einzufrieren – also nicht einzustellen, aber auch nicht fortzuführen. Die Mittel sollten einem Rettungsplan für die Ariane 5 zugute kommen. Nun ist Ariane 5 wieder in sicherem Fahrwasser, die letzten 25 Starts waren allesamt erfolgreich. Es wäre also Zeit die Entwicklung wieder aufzunehmen. Das hat der frühere Arianespace Chef Frederick D’Allest auch kürzlich in einem Interview gefordert. Eine gute Gelegenheit die möglichen Ariane 5 Erweiterungen aufzuzeigen.

Heute transportiert die Ariane 5 mit der ESC-A Oberstufe 9600 kg in den GTO Orbit – das sind die Angaben für die Einzelnutzlast. Davon geht noch der Adapter ab und bei einem Doppelstart auch von der Hülle, welche den unteren Satelliten umgibt.

Die ESC-B Oberstufe hat ein schubstärkeres Triebwerk – 180 kN anstatt 66 kN. Daher kann sie mehr Treibstoff transportieren und sie nutzt den Treibstoff etwas besser aus. Die ESC-B Oberstufe wird 24.4 t anstatt 14.9 t Treibstoff einsetzen und 11.5 t in den geostationären Orbit und 23 t zur ISS transportieren. Ein weiterer Vorteil des ESC-B ist, das sie wiederzündbar ist. Sie kann also die EPS und ESC-A Oberstufe ersetzen.

Doch ist dies das Ende? Nein. Derzeit wird die Vega entwickelt und bei ihr kommen neue Technologien zum Einsatz wie z.B. große Gehäuse aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Bei der Vega ist die erste Stufe noch 95 t schwer, doch man hofft, das man diese Technik auch auf die 3 mal schwereren Ariane 5 Booster übertragen zu können. Diese würden dann nur noch 27 t anstatt 38.4 t wiegen und 10 t mehr Treibstoff transportieren können. Das bringt weitere 1000 kg Nutzlast.

Eine weitere Möglichkeit wäre ein schubstärkeres Vulcain 3 Triebwerk. Das Vulcain 2 Triebwerk hat 1350 kN Schub – mehr als das Vulcain 1. Doch immer noch weniger, als alleine die EPC beim Start wiegt. Das limitiert die Zuladung. So muss die ESC-B z.B. für ISS Missionen wieder 7 t Treibstoff ablassen, weil die Nutzlast dann höher ist.

Mehr Schub würde es erlauben, mehr Treibstoff in der EPC / und oder Oberstufe transportieren. Selbst wenn man die Stufen gleich groß lässt, kann man die Gravitationsverluste minimieren, die dadurch entstehen, dass die Rakete erst ihre Bahnhöhe erreichen muss. Je langer sie dazu braucht desto höher sind sie. Sie sind bei der Ariane 5 recht hoch und ein schubstärkeres Triebwerk könnte sie senken. Ein Vulcain 3 soll weiterhin billiger zu produzieren sein und einfacher aufgebaut. Der Schub wird wohl zwischen 1500 und 1700 kN liegen – je höher, desto mehr Optionen hat man für einen weiteren Ausbau. Ein Vulcain 3 würde weitere 1.5 t Nutzlast bringen.

Ariane 5 könnte so bis 2020 auf 14-15 t GTO Nutzlast oder 27 t zur ISS gesteigert werden.

Warum nimmt man nicht mehr Booster? Das ist eine Frage die ich immer wieder gestellt bekomme. Zwar sind die Booster sehr preiswert und eine Anpassung um mehr als zwei Booster einzusetzen wäre einfach. Aber sie haben einen Haken: Sie sorgen schon heute für einen hohen Beschleunigungspeak:

Ariane 5 Beschleunigung

Wie zu sehen, gibt es schon mit zwei Boostern eine Spitzenbeschleunigung von 4.3 G, die je nach Nutzlast bei der ESC-A auf 4.55 G ansteigen kann. Davon entfallen etwa 0.7 g auf die EPC, der Rest auf die beiden Booster. Mehr Booster würden diese Beschleunigungsspitze noch weiter erhöhen. Etwa 5.5 G ist das Maximum was heute für kommerzielle Nutzlasten üblich ist. Schon ein dritter Booster würde diese Grenze überschreiten.

Das ist also keine Lösung, doch könnte man bei dem Redesign der Booster natürlich über eine Veränderung des Schubprofils nachdenken oder eine längere Brennzeit. Ein dritter Booster könnte so noch unter 5.5 G Peak erreichen und würde nach meinen Berechnungen etwa 2 t mehr Nutzlast bringen.

Nur wenn man sehr viele Booster einsetzt (z.b sechs) hat man eine zweite Option: Vier am Boden zünden, die anderen zwei nach dem Ausbrennen. Das würde dann auch die Gravitationsverluste stark senken, ohne ein Vulcain 3, weil dann die Brenndauer auf 260 Sekunden ansteigt. Die Nutzlast läge dann bei 24-25 t in den GTO Orbit, also weitaus höher als heute und dieser Träger ist sicherlich nicht einer für die nächste Zukunft.

Es dürfte wahrscheinlicher sein, dass man wenn man jemals die 14-15 t Version angeht diese als letzte Ariane 5 auslegt und dann wieder einen neuen Träger konzipiert. Der Fokus liegt heute auf Ideen, zumindest die erste Stufe wiederzuverwenden, und dann hier keine Feststoffbooster sondern Methan/Kerosin oder Wasserstoff als Treibstoff einzusetzen. Das würde zwar nicht mehr Nutzlast bringen, aber die Kosten drücken. Die Doppelstartfähigkeit der Ariane 5 ist heute der Preisvorteil, vielleicht reicht in 15 Jahren der Transport eines Satelliten mit einem günstigeren Träger.

3 thoughts on “Ariane 5 Erweiterungen

  1. Ja,… zwischen den Zeichen zu lesen ist in China obligatorisch doch gibt es eine Vielzahl von Internetforen wo (fast, und auf eigene Gefahr…LOL) alles (un-?)mögliche über chin. Raumfahrt, Rüstung und Technologie gepostet wird. (..das Gerücht über franz. Technologietransfer bzgl. des Vulcain ist exakt dort aufgetaucht!)

    Wäre China in der Lage ein Triebwerk der Vulcain-Klasse erfolgreich indigen zu entwickeln oder deutet gerade der momentane Fortschritt nicht doch darauf hin, dass Paris hier ´Nachhilfe´ geleistet hat?? Sarkozy’s Verhalten gegenüber China ist doch insgesamt geradezu bizarr: Zunächst macht er dicke Sprüche ganz auf Uncle Sams ´Poodle´ Linie und sülzt sich einen Ast über Menschenrechte und als die Sache nach dem Fackellaufskandal plötzlich heikel wurde und in China eine Kampagne zum Boykott franz. Produkte und Firmen (insbesonere des Handelsgiganten Carrefour) losging, klappte er total zusammen und kam auf ganz breiter Schleimspur zur großen Olympiashow nach Beijing gekrochen. Solche Witzfiguren schaden in der Tat dem Ansehen Europas…LOL

    Mit der freien Presse in Europa ist bekanntermassen nicht mehr viel los und insbesondere in Frankreich wäre mit Verweis auf die nationale Sicherheit ein geheimer Deal mit China sicherlich auf Jahre hinaus unter der Decke zu halten. Allerdings wäre in einem solchen Fall wahrscheinlich auch Berlin mit im Boot aber solche Dinge liest man natürlich nicht in der FAZ oder der Süddeutschen…

    Was ist Ihre Meinung als Experte, lieber Herr Leitenberger: Kann China überhaupt ohne Hilfe ein Vulcain-Klasse Triebwerk entwickeln und wie ´fortschrittlich´ sind die momentan in der CZ-2/3/4 Serie genutzten Engines eigentlich? (…mir wurde bisher nur Konfuses darüber erzählt: von ´ganz ordentlich, nicht viel anders als die der frühen Ariane Versionen der 80’er´ bis zu ´voll Antik, kaum besser als die V-2 und schlechter als der russische 50’er Jahre Standard´.)

  2. Schön wäre es wenn sie in einem Artikel bleiben würden. China hat mit den ariane 5 Erweiterungen nichts zu tun. Das verwirrt auch andere Leser und schließlich bin ich für persöbliche Fragen auch per Mail erreichbar.

    Sofern die Daten von astronautix.com stimmen kann man einen Technologuietransfer / Klau ausschließen, denn das neue Triebwerk hat einen Schub von 500 kn, das Vulxcain 1 einen von 1150 kn und das Vulcain 2 einen von 1350 kn. Schon diese Steigerung machte eine weitgehende Neukonstruktion nötig. ein 500 kn Triebwerk wäre eine völlig andere Entwicklung (sonst würde man sich ja auch die Entwicklung von Vinci sparen und einfach das Vulcain verkleinern).

    Das zeigt auch warum ich meine informationen nicht aus Foren zu beziehen. Selbst Astronautix.com ist da problematisch: Mark Wade mischt echte Informationen mit hochgerechnten Daten. Das mache ich auch für interen Berechnungen auch (so ist die Vollmasse der ESC-B Stufe nicht bekannt, aber man kann von Daten der ESC-A sie auf 28 t berechnen, wenn man weiss das die Stufe 24.4 t Treibstoff aufnimmt) – aber das veröffentliche ich dann nicht.

    Von den anderen chiniesischen Triebwerken gibt ws von http://www.cgwic.com/ also dem Seller der Chang Zheng nur die Daten über spetifischen Impuls (die Website ist übrigens offline). Das ist recht wenig um ein Triebwerk zu beruteilen. Der spezifische impuls ist rechnt niedrig. Für Wasserstoff / Sauerstoff liegt er bei 4168-4312 im Vakuum bei Oberstufen. Mit Ausnahme des J-2 hat jedes andere Triebwerk das ich kenne einen höheren Wert. Für alte Triebwerke sind hier Werte vom 4350 normal, neuere erreichen 4450 und besser.

    Der spezifische impuls der NTO/UDMH Triebwerke liegt ebenfalls niedrig. Selbst die Ariane 1, bei dem man bewusst auf einen hohen Wert zugunsten der Zuverlässigkeit verzichtet hat einen besseren. Selbst ältere Triebwerke wie in der Titan 2 oder Zyklon aus den 60 er Jahren liegen besser.

    Werete von 2800-2900 liegen deutlich unter den 3000-3200 die heute üblich sind.

    Auch eine Laie kann dies aber abschätzen, wenn sie die Nutzlast im Vergleich zu Startmasse setzen (bei vergleichbaren Stufen, sonst vergleicht man Äpfel mit Birnen).

    Die CZ-2E transportiert bei 462 t Startmasse 3.3 t in den GTO Orbit. eine Ariane 5 bei 482 t aber 4.9 t. Das zeigt deutlich, dass deise Rakete bei fast gleicher Startmasse weniger Nutzlast aufweist.

  3. Die Ariane muss Leistung verstärkt werden !
    ab 2020 wird nicht nur China sondern auch andere Nationen und Firmen gleich starke Raketen haben.
    natürlich die China CZ-5 hat nicht die Leistung wie Ariane 5.
    wird aber sicherlich Billig auf markt geworfen.
    andere Konkurrenten sind Falcon 9 Heavy (wenn sie die Fehler beheben)

    also was machen an Ariane 5 ?
    verbesserte zweite stufe mit dem Vinci Triebwerk
    bei den jetzigen Booster ist kaum zu verbessern ( Beschleunigung 5,56 G)
    bietet Technologie der VEGA Feststoff Raketen ein Ausweg ?
    (aber dafür musste das Brennprofil /Schubprofil angepasst werden )
    langfristig müsste Feststoff durch Flüssig Treibstoff Booster ersetz werden.

    vielleicht 4xCRM Angara Booster für Ariane 5 oder zwei Delta 4 Booster ?

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