Eine Alternative zur ESC-B

Wie sicherlich bekannt ist, wird die ESC-B nicht so schnell kommen. Bei der letzten Ministerratskonferenz der ESA wurde zwar als Ziel die Erhöhung der Nutzlast um 1.5 t beschlossen, jedoch keinen Zeitrahmen angegeben und vor allem nicht die ESC-B Entwicklung wieder aufgenommen.

Auch Arianespace rechnet nicht so schnell, damit, dass die ESC-B bald kommt. Vor einem Monat gab es den bislang größten Auftrag an EADS über 35 Ariane 5 – alle in der ECA Version. Da noch 13 vom aktuellen Los auf den Start warten, dürfte bei 7 Starts pro Jahr dieses Los bis Mitte 2017 reichen.

Okay, die ESC-B kommt also bestimmt nicht vor 2016 – wie sonst könnte man die Nutzlast erhöhen? Mein Ansatzpunkt wäre eine "ESC-A Mark II".Es gibt hier zwei Punkte die ich für denkbar halte:

• Reduktion des Trockengewichts
• Erhöhung der Treibstoffzuladung durch mehr Triebwerke

Kommen wir mal zum ersten. Hier sehe ich einen sehr wichtigen Ansatzpunkt. Nach meiner Ansicht hat die ESC-A eine deutlich zu hohe Trockenmasse. Sie wird bei Arianespace und ESA mit 4.4-4.5 t angegeben, bei der DLR mit 3.3-3.4 t. Ich denke die Differenz kommt dadurch, dass bei den ESA und Arianespace Angaben die VEB (0,95 t) noch mit hinzuaddiert wurde. Wenn 4.5 t für die Stufe gelten würden, dann wäre das eine sehr schlecht designte Stufe. Doch auch so schneidet sie im Vergleich zur H-10 (mit demselben Treibwerk) schlecht ab:

	H-10-III	ESC-A
Startgewicht:	13100 kg	17900 kg
Trockengewicht:	1360 kg	3400 kg
Treibstoffzuladung:	11700 kg	14600 kg

Für 25 % mehr Treibstoffzuladung stieg das Trockengewicht um 250 %.Würde man nur die Tanks verlängern, so müsste eigentlich die Trockenmasse gering ansteigen. So nahm die letzte Version der H-10 etwa 4.5 t mehr Treibstoff als die H-8 auf, wog aber nur 210 kg mehr. So gesehen hätte man bei einer "modifizierten" H-10 also eher eine Trockenmasse von rund 1.6 t erwartet – und nicht eine von 3.4 t.

Würde die ESC-A trocken nur 1.6 t wiegen, so wäre die GTO Nutzlast um 1.8 t höher, weil die Stufe mit in den Orbit gelangt.

Nun gibt es natürlich gute Gründe, warum sie schwerer ist. Das erste ist die strukturelle Belastung. Die Struktur wiegt um so mehr je schwerer die Nutzlast ist, weil sie deren Last (die ja bei der Ariane bis zu 4.6 mal dem Eigengewicht betragen kann) aufnehmen muss. Stufen werden daher auf eine maximale Nutzlast ausgelegt. Die H-10 war auf 5 t ausgelegt und die ESC-A muss auf 21 t ausgelegt sein, wenn sie das ATV transportieren soll. 1 t mehr Nutzlast bedeuten eine um 30-40 kg schwerere Struktur. So dürfte die Leermasse der ESC-A alleine durch die um 16 t schwere Nutzlast um rund 500-600 kg höher sein als bei der H-10.

Das erklärt aber nicht die um 1800 kg höhere Leermasse. Thilo Kranz von der DLR erklärte mir dies mit der "kompakten" Stufenbauweise, die keine Änderung an den Startanlagen erforderte. Das Schnittbilde ESC-A zeigt, dass diese keine integralen Tanks hat. Das macht eine zusätzliche Struktur rund um die Tanks nötig um die Kräfte an die EPC zu übertragen. Das kompakte Design zeigt sich darin, dass das Triebwerk und der Hälfte des Sauerstofftanks sich unterhalb der Trennebene des Stufenadapters befinden. Da wir gelernt haben, das Strukturen schwerer werden, wenn sie mehr Lasten tragen müssen, dann ist das natürlich eine suboptimale Lösung, denn diese Konstruktion macht mehr verstärkte Elemente an der Wand nötig. Natürlich müssen auch Tanks dicker werden, wenn sie größere Lasten tragen, doch hier nimmt der Innendruck der Tanks uns viel Arbeit ab.

Doch musste das sein? Kugeltanks verschwenden auch Platz. Die Höhe der ESC-A wird mit 4.57 m angegeben. Das ist kompakt. Andererseits: Die Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff von knapp unter 5:1 nimmt ein Volumen von rund 48 m³ ein. Ein zylindrischer Tank hat bei 5.4 m Durchmesser auch nur 2.1 m Höhe. So gesehen wäre eine Lösung mit Integraltanks auch nicht viel länger. Selbst wenn die Startrampe dann für einige Monate blockiert wäre: Von 2003 bis 2004, als die Evolution Variante am Boden bleiben musste, hätte man genügend Zeit dafür gehabt. Auch heute müsste man die Verschiebung von Starts durch Baumaßnahmen mit der dauerhaften Möglichkeit mehr Nutzlast zu transportieren vergleichen – meiner Meinung nach zählt das zweite.

Bei einer Konstruktion in Integralbauweise sollte die ESC-A also etwa 2.0 t leer wiegen. Noch mehr Nutzlast wäre möglich wenn man darauf verzichtet mit der Oberstufe erdnahe Transporte durchzuführen und stattdessen wie EPS dafür einsetzt, die für den ISS Orbit die nahezu gleiche Nutzlast hat. Dann könnte die maximale Nutzlast auf 13 t begrenzt werden – und das Strukturgewicht würde auf 1.7 t sinken.

Die nächste Einsparung betrifft die VEB. Traditionell ist die VEB bei der Ariane über der Oberstufe. Dieser Ring von 1.1 m Höhe nimmt die Elektronik auf und hat Hydrazin zur genauen Ausrichtung der Nutzlast nach dem Brennschluss und Deorbitieren der Stufe. Doch der Großteil des Gewichts entfällt auf Struktur. Die Elektronik ist bei vielen anderen Typen direkt an der Stufe angebracht und auf der Stufe ist dann auch der Nutzlastadapter angebracht. Das reduziert die Strukturmasse beträchtlich. Das Hydrazin kann durch Wasserstoffkaltgas ersetzt werden und die H-10 auch eigene Düsen zur Lageregelung. Es sollte so möglich sein durch Einsparung der VEB und direkten Montage der Systeme auf die ESC-A von den 950 kg, welche die VEB wiegt weitere 400 kg einzusparen. Das würde dann die Trockenmasse von 4400 kg (VEB+ESC-A) auf rund 2200 kg (modifizierte ESC-A) senken – und Voila – schon haben wir 2200 kg mehr Nutzlast (12.8 t anstatt 9.6 t im Einzelstart).

Wie kommt man zu noch mehr Nutzlast?

Nun indem man mehr Treibstoff mitführt. Die ESC-B soll 28.2 t Treibstoff mitführen. Damit dies möglich ist, hat sie aber auch ein Treibwerk mit 180 anstatt 65 kN Schub. Doch wer bitte sagt, dass dies auch bei der ESC-A so sein muss? Die Centaur setzt auch 2 Triebwerke ein. Was sollte uns hindern 2 Triebwerke einzusetzen? Dann steigt der Schub auf 130 kN – nicht genug für 28.2 t Treibstoff, aber eine Stufe mit 22.3 t Treibstoff (Trockenmasse dann 3.0 t). Bei einer Simulation ergibt sich aber nur eine unbedeutende Nutzlaststeigerung von 12.8 auf 12.9 t. Der Gewinn durch die ESC-B kommt also nicht so sehr, durch mehr Treibstoff, als vielmehr durch den höheren spezifischen Impuls von 4560 anstatt 4365 m/s.

Es gibt also noch Möglichkeiten zur Optimierung. Das gilt übrigens auch für die ESC-B. Wie der Rest der Welt kenne ich deren Daten nicht (ich habe zwar welche gefunden, aber die sind sehr optimistisch mit nur 3910 kg Leermasse und stammen von 2004). Nimmt man an, dass die ESC-B dieselbe Endgeschwindigkeit wie die ESC-A erreichen muss, so kann man deren Leermasse berechnen. Bei 28.2 t Treibstoffzuladung und einem spezifischen Impuls von 4560 m/s, bei 11.5 t Nutzlast resultiert eine Vollmasse von 34.6 t und eine Leermasse von 6.3 t (mit VEB).  Das sieht auch nach Einsparpotential bei dieser Stufe aus. Die Abbildungen der Stufe zeigen übrigens auch kugelförmige, nicht integrale Tanks. So bleibt die Hoffnung, dass man bei der ESC-A es wenigstens richtig macht – bei 28.2 t Treibstoff sollte Sie eine Leermasse von 3.3 t aufweisen, mit einer 1 t schweren VEB wären es dann 4.3 t – das wären dann auch 13.5 anstatt 11.5 t Nutzlast in GTO.