Ariane 5: Man hätte es besser machen können

Ein neuer Blog in der Reihe, "Wir wissen ja alles besser". Bekanntlicherweise ist man nun schon seit über 10 Jahren am werkeln, bei der Vergrößerung der Nutzlast der Ariane 5. Das wäre auch einfacher gegangen. Zuerst einmal was waren die Designgründe für die erste Version der Ariane 5 – die Ariane 5 G?

  • Sie sollte 10 % billiger als eine Ariane 4 in der Produktion sein
  • Sie sollte sowohl 40 % mehr Nutzlast in den GTO Orbit wie auch 18 t in den LEO Orbit befördern (für Hermes)
  • Die Sicherheit musste für bemannte Einsätze recht hoch sein: 99 % für LEO Missionen und 98.5 % für GTO Missionen (mit dritter stufe)

Das waren schwer zu vereinbarende Forderungen. Wie hat man sie umgesetzt?

  • Sicherheit: Die Feststoffbooster gelten als sicherer als Triebwerke mit flüssigen Triebstoffen. Sie werden erst gezündet wenn das Triebwerk der ersten Stufe hochgelaufen sind. Auch damit ist eine Fehlerquelle ausgeschaltet, denn die meisten Probleme mit einem Triebwerk mit flüssigen Treibstoff gibt es bei der Zündung. Weiterhin gibt es nur ein Triebwerk in der Zentralstufe – also Reduktion der Fehlerquellen.
  • Kostenreduktion: Feststofftriebwerke sind billiger als Stufen mit flüssigen Treibstoffen. Auch ein einzelnes Triebwerk in der Zentralstufe ist preiswerter als mehrere
  • Nutzlast für LEO und GTO: Ohne Oberstufe erreicht die zweistufige Kombination einen LEO Orbit mit einer Oberstufe einen GTO Orbit.

So der Gedanke, doch wie hat man es umgesetzt? Es wurden einige Fehler gemacht. Die Gelder für Ariane 5 wurden locker gemacht, damit Hermes damit gestartet werden kann. Die Rakete wurde daher für Hermes optimiert, mit der Zusatzoption auch GTO Nutzlasten zu starten. Ein nachträglich besonders intelligenter Gedanke war es die Oberstufe EPS innerhalb der VEB einzuhängen. Die VEB nimmt die Nutzlast auf und gibt die Lasten an die EPC weiter. Wenn die Oberstufe innerhalb der VEB befestigt wird benötigt man nur eine dieser Strukturen egal ob Erdorbit oder GTO Missionen und da die EPS+Nutzlast fast dasselbe wiegen wie eine die LEO Nutzlast, konnte man sie auch auf diese Belastung auslegen.

Nur: So ist keine kryogene Oberstufe möglich, da der Platz begrenzt ist. verwendet wurde eine Stufe mit lagerfähigen Treibstoffen, die natürlich so die GTO Nutzlast herabsetzt. Weiterhin ist sie recht klein (11 t Masse gegenüber 170 t der Zentralstufe).

Der größere Fehler war es aber den Schub des Vulcain 1 auf das absolut Minimale zu begrenzen. Das verringert zwar Produktions- und Enwicklungskosten, aber damit sind die Möglichkeiten eine schwerere und leistungsfähigere Oberstufe zu transportieren sehr begrenzt. Konkret: Nach Abtrennen der Feststoffbooster beträgt die Beschleunigung nur noch 0.75 G. Dieser Wert scheint konstant bleiben zu müssen, denn auch bei der Ariane 5 ECB wird dieser Wert erreicht und diese Version muss bei LEO Missionen Treibstoff weglassen um eine Maximalmasse von 40.7 t (Treibstoff+Nutzlast) nicht zu überschreiten. Rückwirkend hätte man wohl am besten gleich das Vulcain 2 oder 3 entwickeln können, nur denke ich hätte die ESA dann auch gleich die Treibstoffaufteilung der EPC geändert, wodurch man dieselbe Misere wieder hätte.

So war es klar, dass der Ausbau der Ariane 5 teuer werden würde. Die Aufgabe war es, den Spezialträger für LEO Transporte in einen für GTO Transporte umzuwandeln. Es gab natürlich einige Möglichkeiten hier und da einige Hundert Kilos einzusparen, wie z.B. die Übernahme der Sylda von Ariane 4. Aber die große Nutzlaständerung kann man nur mit einer leistungsfähigeren Oberstufe erhalten.

Beschlossen wurde das Vulcain 2 – Es war teuer in der Enzwicklung und bracht trotzdem nur 200 kN mehr Schub. Anstatt diese 20 t nun aber voll in eine kryogene Oberstufe (32 t Startmasse, 5.3 t Leermasse, extrapoliert von der ESC-A) zu stecken hat man die Aufteilung des Treibstoffs in der EPC verändert und hier 18 t mehr mitgeführt. Die erste Variante wäre besser gewesen, und ergibt eine Nutzlast von 10.9 anstatt 9.6 t GTO, wegen des günstigeren Stufenteilers.

Eine Alternative wäre es gewesen, gleich ein deutlich schubstärkeres Triebwerk einzuführen, schon 2002 fand man in der ESA Broschüre die Forderung nach dem Vulcain 3, einem Triebwerk der 1500-1700 kN Klasse für den weiteren Ausbau. Anstatt den Zwischenschritt über das Vulcain 2 zu gehen. 1700 kN wären ungefähr das Optimum: Es würde erlauben eine größere Stufe im Bereich 30-40 t mitzuführen (bei noch größeren Stufen nimmt die Nutzlast kaum noch zu) und in der Zentralstufe mehr Treibstoff mitzuführen. Zuerst hätte man die ESC-A darauf eingesetzt und dann später die ESC-B.

Derzeit gibt es bei der ESA einige Ideen für die Nutzlaststeigerung. Einige Vorschläge schließen sich gegenseitig aus, weil dann strukturelle Limits ins Spiel kommen. Doch derzeit wird diskutiert:

  • Ersatz der Booster durch Graphitepoxidgehäuse: Reduktion der Leermasse bringt etwa 1000-1500 kg mehr Nutzlast
  • Einführung des Vulcain 3: 1000-1500 kg mehr Nutzlast
  • Einführung der ESC-B: 1900 kg mehr Nutzlast
  • Schubsteigerung der ESC-B auf 200 kN: einige Hundert Kilo mehr Nutzlast

Maximal könnte die Ariane 5 so auf etwa 14-15 t GTO Nutzlast und maximal 27 t LEO Nutzlast gebracht werden. Das wäre so dass Maximum was aus dem bestehenden Träger herausgeholt werden könnte. Das Ariane 5 eine für LEO Nutzlast optimierte Rakete ist sieht man auch daran, dass die LEO Nutzlast nur um 50 % steigt, während es bei der GTO Nutzlast über 100 % sind.

Was gibt es sonst noch? Es läuft noch die Umfrage über die Gliedrung des nächsten Buchs und da ich den Blog nach wie vor den Blog auch als Webseite führe (wegen des bequemeren Editierens), bin ich nun bei der 100sten Seite angekommen. In nicht ganz 3 Jahren sind es 517 Blogs geworden, also rund einer alle 2 Tage. Und noch gesucht werden ja Jingles für die Parteien. Nun ist mir einer für die FDP eingefallen:


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{democracy:3}

6 thoughts on “Ariane 5: Man hätte es besser machen können

  1. Solche Meldungen gibt es immer wieder. Es gibt auch die gegenteillige Meinung. So meint z.B. Volker Schmidt (ATV Projektleiter bei dem DLR), dass die Space Shuttles nach 2010 nicht ausgemustert werden. Für beides gibt es keine Indzien. Was gesichert ist, ist dass die Zulieferverträge mit den Shuttles gekündigt sind und die NASA die ISS bis 2016/7 in den langfristigen Planungen drinn hat. Wie lange die Station betrieben werden muss um nicht gegen Verträge mit ESA und JAXA zu verstoßen dürfte bei diesen in Erfahrung zu bringen sein. Bei der dezeitigen NAA Politik würde ich mir aber keinen Kopf machen was in 6 oder 8 Jahren los ist. Derzeit scheint ja schon die mittelfristige Planung in der Schwbe zu sein.

  2. Das Problem ist bei Feststoffboostern nicht so neu. Es ist eigentlich immer gegeben. Bei denen sinkt der Schub nicht plötzlich auf 0 ab, sondern sie haben noch einen kleinen Restschub, denn man auch bei den SRB des Space Shuttles an der Flamme sehen kann.
    Das ist kein Problem wenn die Booster an einer Zentrakstufe sitzen, die schon brennt. Andernfalls muss man Vorsorge treffen, dass es nicht zu einer Kollission kommt. Bei der Titan wurde dies gemacht indem die Core 1 vor dem Ausbrennen der Booster gezündet wurde, oder man trennt sie mit Retroraketen sauber gegen die Flugrichtung ab.

    An und für sich wundern mich die Probleme bei der Ares. Feststofftriebwerke werden nun ja schon seit ein paar Jahrzehnten eingesetzt. Das Wernher von Braun Resentiments gegen sie hatte ist ja bekannt – nur gab es damals auch kaum Erfahrungen mit großen Boostern. Inzwischen sind 40 Jahre ins Land gegegangen mit über 100 Shuttle Starts und einigen Starts mehr von Titan, Ariane 5 und H-2. Sehr komisch was da beid er NASA so abläuft….

  3. WTF ? (Entschuldigung für den Kraftausdruck)

    aber ARES I wird zu Falcon I !!!!

    Erst Probleme mit Schub also noch Segment drauf
    dann kam Probleme mit Schweren POGO in ersten 5 Minuten
    dann das POGO die Crew zu Tode schüttle kann.
    und Probleme stabile Flug Lage kommt hinzu
    das ARES I bei abheben die Startrampe rammt kann.
    http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_US/projet%20constellation/2008%20ares%201%20drift.jpg
    und jetzt diese Problem mit der stufen Trennung wie bei Falcon 1

    na auf den Teststart in 2011 bin ich gespannt…

    Apropo Space X
    die Falcon 5 wurde nach Cape Kennedy geliefert und schon mal aufgestellt.
    aber aus irgendwelche Grunde verzögert sich der Start seit 2 Monate.

  4. Ja der Start der Falcon 9 (nicht 5) scheint irgendwann mal statt zufinden. Nach der Startseite von SpaceX ist sie ja schon im letzten Quartal gestartet. Hauptsache es gibt alle paar Wochen Bilder. Dafür scheinen sie ja die Triebwerkstests nach genau 2 Testläufen mit 300 s Dauer eingestellt zu haben (zum Vergleich, weil ich Zahl erst gestern geschrieben habe: Vulcain: 238 Testläufe mit 87000 Sekunden).

    Die Ares I Entwicklung läuft kräftig schief. Einen Feststoffbooster verlängert man nicht so einfach um ein Segment, das bedeutet eine gravierende Veränderung in den Spezifikationen. So war es klar, dass die Ares I so aufwendiger werden würde und vor allem der Booster komplett neu qualifiziert werden musste. Aber wie ich schon mal schrieb: Die NASA Politik ist inzwischen nicht mehr nachzuvollziehen.

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