Ariane 4 XL und XXL

Nehmen wir mal an (Ich nehme immer gerne an), wir hätten die Ariane 5 nicht entwickelt – Wäre nicht auch die Ariane 4 weiter entwickelbar gewesen, um den steigenden Satellitenmassen nachzukommen? Ja natürlich! An dieser Stelle mal wieder ein Beitrag in der Rubrik „Gut das wir es besser wissen!“. Um die Nutzlast zu erhöhen ist es bei der Ariane 4 nötig vor allem die beiden oberen Stufen zu vergrößern. Zum einen weil sie bei der Berechnung des Voll/Leermasseverhältnisses wichtiger für die Nutzlast sind, zum zweiten weil die Stufen einen höheren spezifischen Impuls aufweisen. So brachten 2 t mehr Treibstoff in der dritten Stufe rund 300 kg mehr Nutzlast, für 1200 kg mehr Nutzlast mussten in der ersten Stufe zwei Booster mit rund 90 t Startgewicht angebracht werden. Da die bisherige Entwicklung vor allem die untere Stufe (wozu man die Booster hinzuzählen muss) erhöhten, sollte dies eine deutliche Nutzlaststeigerung bringen.

Um größere Oberstufen zu transportieren, muss mehr Schub vorhanden sein. Der erste Vorschlag den ich habe, wurde schon bei der Konzeption der Ariane 4 gemacht: Der Einbau eines fünften Triebwerks in die erste Stufe. Dieses liefert rund 700 kN Schub. Bei einer Mindestbeschleunigung von 1.2 g entspricht dies rund 60 t. Die Oberstufen können also rund 60 t mehr wiegen. Derzeit wiegen sie zusammen rund 51 t. Das entspricht also einer Verdopplung des Gewichts. Geschickterweise entspricht dies genau dem Verhältnis (3.80/2.60)². 3.80 m das ist der Durchmesser der ersten Stufe, 2.60 m das ist der Durchmesser der zweiten und dritten Stufe. Würde man die bisherige Gestalt bei Beibehaltung der Länge auf durchgehend 3.80 m Durchmesser erweitern, so  erhält man folgende Rakete:

 

Typenblatt Ariane 4 XL

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
3.80 m
544.000 kg

Einsatzzeitraum:
Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

7500 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25
2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
4 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
4 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L77

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
3,80 m
84.200 kg (max.)
7,200 kg
2 x Viking VB
2 x 798 kN (Vakuum)
140 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H25

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
3,80 m
28.100 kg
2,600 kg
2 x HM-7B
2 x 64.8 kN (Vakuum)
860 s
LOX/LH2
4373 m/s

VEB

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:

Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:

Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

(Ich mache mal Gebrauch von den Typenblättern, die ich für das aktuelle Buch eingeführt habe eventuell werde ich diese auch ins Web übernehmen). Die zweite und dritte Stufe sind 58.8 t schwerer, das passt also ideal zum erhöhten Schub. Nötig ist dann allerdings auch jeweils ein zweites Triebwerk in diesen beiden Stufen. Die Nutzlast beträgt 7500 kg, das sind 2600 kg mehr als bei der Ariane 43L bei einer nur 13 % höheren Startmasse. Also eine echte Verbesserung (52  % mehr Nutzlast bei nur 13 % höherer Startmasse).

Geht noch mehr? Natürlich. Wer sagt denn, das es nur 4 Booster sein müssen? Technisch können 8 Booster an eine Ariane 4 angeflanscht werden. So viele gehen auf einen Kreis mit einem Radius von 6.03 m (2.21 + 3.81 m Durchmesser von Booster und Hauptstufe) Die 4 weiteren Booster haben mehr Treibstoff. Vor allem aber liefern sie mehr Schub und erlauben so eine Vergrößerung der oberen Stufen. Jeder Booster wiegt rund 45 t, liefert aber 70 t Schub. Bei einer Beschleunigung von 1.2 g erlaubt jeder Booster also die Vergrößerung der oberen Stufen um rund 15 t. 4 Booster also um 60 t. Eine Vergrößerung des Durchmessers der zweiten und dritten Stufe auf 4.7 m würde ziemlich genau die zusätzlichen 60 t ergeben. Man erhält dann folgendes Typenblatt

Typenblatt Ariane 4 XXL

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
4,70 m
779.100 kg

Einsatzzeitraum:

Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

12100 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25

2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
8 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
8 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L117

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
4,70 m
128.800 kg (max.)
11.000 kg
3 x Viking VB
3 x 798 kN (Vakuum)
142 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H40

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
4,70 m
43.800 kg
4,000 kg
3 x HM-7B
3 x 64.8 kN (Vakuum)
895 s
LOX/LH2
4373 m/s

VEB

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:
Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:
Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

Wie sich zeigt: Bei nahezu gleicher Startmasse wie eine Ariane 5 ECA transportiert diese Version 12.1 t in den GTO Orbit (zugegeben sehr optimistisch, da die VEB gleich groß blieb, aber mehr als die ESC-A wird es in jedem Fall sein) Einsetzen könnte man dann natürlich auch größere Nutzlastverkleidungen von 4.70 m Durchmesser. Diese wird frühzeitig abgeworfen und beeinflusst die Nutzlast kaum.

Das ganze wäre noch zu optimieren, indem man eine weitere vierte Stufe einführt, z.B. die bisherige H10, und dafür die zweite und dritte Stufe etwas erleichtert: Da diese einen höheren spezifischen Impuls als die zweite Stufe hat, resultiert nun eine noch etwas höhere Nutzlast: 13.8 t

Typenblatt Ariane 4 XXL2

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
4,70 m
757.300 kg

Einsatzzeitraum:
Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

13800 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25
2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
8 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
8 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L93

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
4,53 m
100,400 kg (max.)
8.600 kg
3 x Viking VB
3 x 798 kN (Vakuum)
126 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H33

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
4,53 m
36.600 kg
3,100 kg
3 x HM-7B
3 x 64.8 kN (Vakuum)
753 s
LOX/LH2
4373 m/s

Stufe 4 H10-III

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
2,60 m
13.140 kg
1,240 kg
1 x HM-7B
1 x 64.8 kN (Vakuum)
780 s
LOX/LH2
4373 m/s

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:
Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:
Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

Verwundert? Nein normale Raketentechnik. Eine Kostenabschätzung ist natürlich nicht leicht. Aber ein paar Hausnummern: Wenn man annimmt, dass die Kosten proportional zu der anzahl der Triebwerke ist und die HM-7B Triebwerke doppelt so teuer sind wie die Viking, dann müsste die letzte Version rund 2.1 mal teurer als eine Ariane 44L sein. Allerdings ist die Nutzlast 2.8 mal höher. Netto gesehen sind die Kosten pro Kilogramm also um rund 74 % der einer Ariane 4. Selbst wenn damit nicht der Startpreis einer Ariane 5 erreicht würde (Ziel: 45 % geringere Kosten pro Nutzlast – erreicht?) – man hätte aber auch nicht die 8000 Millionen Euro Entwicklungskosten für diese eingespart und könnte die Herstellung subventionieren (bei der Ariane 5 tut man das trotz niedrigerem Startpreis ja auch mit 196 Millionen Euro pro Jahr!) Des weiteren gäbe es natürlich die Möglichkeit die Technik zu erneuern, z.B. eine dritte Stufe mit dem Vinci Triebwerk.

2 thoughts on “Ariane 4 XL und XXL

  1. es ist Ironisch
    aber das plante ESA von 1978 bis 1983 mit Ariane 5
    das ursprüngliche Konzept sah Verwendung Ariane 4 erste Stufe & Booster vor
    auch den Einbau eines Fünften Viking Triebwerk (9 Triebwerke bei Start)
    kosten günstig und Flexibilität normal Ariane 4 Starts und bei bedarf Ariane 5

    doch die Oberstufen wahren alle LOX/LH2 mit HM60 und HM10 Triebwerk
    über 4 meter ² tanks

    Konfiguration
    für Niedirge orbit 15 Tonnen
    Erste stufe L220 + 4xPAL
    Zweite Stufe H60H45 (schwanken in angaben)
    Dritte EPS wie bei heutigen Ariane 5

    Für GTO Missionen (bis zu drei GEO comsats) Ca 5,4 Tonnen
    Erste stufe L220 + 4xPAL
    Zweite Stufe H60H45
    Dritte Stufe H10

    so was ging schief ?
    zu erst gabst Befürchtung das fünfte Triebwerk in L220 massiven Pogo erzeugt
    (Vibration die Stufe zerstören kann)
    dann war das Problem mit der Baulange
    je nach Design wurde die Ariane 5 bis 70 Meter hoch !
    was Steuerung und Logistik Problem mit sich brachte
    zur guter letzt war da noch HERMES
    in 1978 ein kleiner Dyna Soar Gleiter auf der spitze eine Ariane 4
    leider wurde HERMES Frankreichs „Le Shuttle“ mit alles drum und dran
    und das Gewicht stieg auf über 20 Tonnen.
    eben so wie Raumstation Hardware wie MTFF oder Columbus Modul

    das überstieg die maximal Belastung der L220 Struktur bei weiten.
    dazu noch aerodynamische Probleme mit HERMES auf der Spitze der Ariane 5

    So wurde diese Design aufgeben und zwischen 1982 bis 1985 neue Konzepte geprüft
    so Kamm 1985 die Ariane 5 wie wir sie heute kennen
    nur festzustellen das man auf falsche Konzept setzen, als Challenger Katastrophe geschah
    HERMES musste überarbeite werden und wurde Schwerer und Komplexer
    nach 15 Jahre wurde HERMES in 2000 endgültig zu Grabe getragen von Wissenschaft Ministern Europas.

    Ariane 5 flog erst im März 2008, eine Raumstation Mission (die ATV )

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.