Dann klappts auch mit der Ares…

Ares ist derzeit in der Diskussion: Einige Jahre nach Beschluss für die heutige Konfiguration propagieren noch immer Lockheed und Boeing ihre Raketen als Alternative: Es käme billiger und ginge schneller. Auch DIRECT propagiert eine Alternative unter der Verwendung schon bewährter Technologie – diesmal rekrutieren sich die Befürworter aus den eigenen NASA Reihen. Gleichzeitig gibt es Probleme mit den Vibrationen der Booster bei der Ares I+V. Zeit für einen Eintrag in der Rubrik „Gut das wir es besser wissen“. Also wie hätte ich Ares durchgeführt? Fangen wir mit der Ares I an. Diese soll sind 25 t zur ISS befördern. Brauche ich dazu eine neue Rakete? Nein, dazu hätte man die Heavy Versionen der Delta und Atlas nehmen können. Die NASA hat diese Konfigurationen auch untersucht, meinte aber sie wären zu teuer in der Entwicklung und Betrieb und vor allem nicht sicher genug. Das LOC Risiko (Loss of Crew) wurde mit 1:1000 beziffert. Ares I soll bei 1:2000 liegen. Beginnen wir mit dem letzten: Wie gut ist die NASA im Berechnen des LOC Risikos? Vor dem Verlust der Columbia lag es nach NASA Angaben bei 1:424. Danach revidierte man es zu 1:80. Nach Challenger lag es bei 1:26. Wie hoch es vorher war, wissen wir nicht, aber ich wette die NASA bezifferte es nicht zu 1:26, sonst hätte sie sicher keine Astronauten fliegen lassen. Also stellen wir fest: Im Berechnen dieses Risikos hat sich die NASA also zweimal gravierend geirrt und dies bei Raumfahrzeugen, die über Jahre oder gar Jahrzehnte im Einsatz waren.

Ist vor allem eine neu konstruierte Trägerrakete per se sicherer als eine schon vorhandene und flugerprobte? Wenn ich mir die bisher verfügbaren Typen ansehe, so würde ich dies verneinen. Vor allem aber sehe ich Sicherheit bei einem bemannten Raumfahrzeug nur bedingt als Funktion einer Trägerrakete. Das man sich 100 % auf diese verlassen hat, war der Fehler beim Space Shuttle. Natürlich sollte eine Trägerrakete eine gewisse Zuverlässigkeit aufweisen. Das wesentliche ist es aber ein Versagen rechtzeitig zu erkennen. Die Zeiten wo Triebwerke von einem Augenblick zum anderen explodierten, sind doch längst vorbei. Ein Triebwerk verliert Leistung oder es kommt auch zum Brand, aber dann ist dies diagnostizierbar und die Kapsel kann abgesprengt werden. Ich halte daher eine Rakete wie die Delta IV Heavy ohne jegliche Feststoffbooster für sicherer als eine mit einem wie die Ares I.

Das die Ares nicht billiger wird, wissen wir ja schon. Wie sollte sie denn auch? Um es mal extrem zu formulieren: Bei der Delta IV Heavy hätte es gereicht, erheblich mehr Sensoren einzubauen und ein Computersystem um Anomalien zu erkennen, dazu müsste man den Startturm für bemannte Einsätze umbauen – aber das war schon. Bei der Ares I muss der SRB komplette neu qualifiziert werden (Feststofftriebwerke kann man nicht einfach wie Tanks bei Raketen mit flüssigen Treibstoffen verlängern – die verändern ihr komplettes Verhalten, liefern mehr Schub und eventuell andere Brennkammerdrücke). und die zweite Stufe musste erst noch erfunden werden. Wie sollte das billiger sein, als eine Modifikation einer vorhandenen Trägerrakete? Nur mal um eine Zahl in den Raum zu werfen: Die Ares I Entwicklung wird mittlerweile auf 16.6 Milliarden Dollar geschätzt. Das ist erheblich mehr als die gesamte Entwicklung der Ariane 5, inklusive der Weiterentwicklung zur ESC-B und Zuschüssen zur Produktion bzw. nach den beiden Fehlstarts der Ariane 5 und Ariane 5 ECA. Und das war eine komplett neue Trägerrakete mit insgesamt drei verschiedenen Oberstufen.

Nun zur Ares V. Das Gesamtkonzept halte ich für gut. Aber die Details nicht. Die erste Stufe mit den RS-68 ist eine gute Wahl, vor allem weil es zu den schubstarken Triebwerken kaum Alternativen gibt. Über den Einsatz von SRB kann man geteilter Meinung sein. Wahrscheinlich ist es günstiger, als eine sonst nötige dreistufige Lösung um zum Mond zu kommen. Aber: Auch hier das gleiche: Warum zweimal 5,5 Segment Booster anstatt dreimal die normalen 4 Segment Booster? Dann wäre auch hier keine Neuqualifikation nötig.

Zu der Oberstufe: Hier gab es die Diskussion um den Einsatz des SSME oder des J-2S. Das SSME ist fast doppelt so schubstark und hat einen höheren spezifischen Impuls. Es wurde über Jahrzehnte verbessert und es gibt davon noch etliche: Es wurden 49 Flugexemplare gebaut. Sechs gingen mit zwei Orbitern verloren: So hätte die NASA ohne Probleme 43 Flüge mit je einem Triebwerk pro Oberstufe durchführen können. Die Bedenken gegen das SSME war, dass sie nicht für den erneuten Start im Flug ausgelegt sind, wie es bei der dritten Stufe notwendig ist. Für die erste Stufe sollten sie zu teuer sein. Umgekehrt wird das J-2S auch weitgehend modifiziert werden. Vergleichen mit dem Originalen bekommt es eine neue Turbopumpe und eine verlängerte Düse. So gesehen scheint es ein Patt zu sein. Ich persönlich würde wohl eher das SSME bevorzugen, weil es schon über 375 mal geflogen ist und leistungsfähiger ist. Inzwischen erwägt man wieder den Wechsel zum SSME, weil die höheren Produktionskosten wohl geringer sind als die entwicklungskosten der 5 Segment Booster. (Warum übrigens die Produktionskosten angeführt werden verwundert mich – wie schon gesagt 43 Triebwerke müssten davon noch existieren)

In jedem Falle hätte ich bei der heutigen Konfiguration darauf geachtet, die Entwicklungskosten zu minimieren. Es wird von Ares I und V wahrscheinlich nur wenige Flüge geben. Die Saturn V flogen schließlich auch nur 13 mal. Selbst wenn jeder Start ein bisschen teurer wird, spart man das locker bei den Entwicklungskosten ein. Also wenn ich die jetzige Konzeption nehme warum dann nicht so:

  • Ares I: 4 Segment SRB + Oberstufe mit 2 x J-2S und ca. 240 t Gewicht
  • Ares V: 3 x 4-Segement SRB, 6 x RS-68 Stufe und 2 x J-2S Oberstufe mit 240 t Gewicht.

Die Oberstufe ist durch zwei Triebwerke groß genug um auch auf der Ares V eingesetzt zu werden und durch ihre erhöhte Performance erlaubt sie es bei der Ares I nur einen 4-Segment SRB einzusetzen. Das hat folgende Vorteile:

  • Die derzeitige Ares Linie verwendet zwei unterschiedliche SRB (5,5 und 5 Segment SRB) die beide neu entwickelt werden müssen – das entfällt nun vollständig.
  • Anstatt zweier Oberstufen für die Ares I und V braucht man nur eine.

In der Summe muss man also nur zwei Stufen anstatt fünf Stufen neu entwickeln.

Klingt für mich logisch, aber ich bin ja auch nur einfacher Ingenieur und Naturwissenschaftler und beherrsche nicht die höhere NASA Mathematik, die für Normalsterbliche so schwer zu durchschauen ist.

5 thoughts on “Dann klappts auch mit der Ares…

  1. Ich muss noch etwas anmerken: Die NASA erwägt nicht, das J2-X gegen das SSME auszutauschen. Der Entwicklungsvertrag für das J2-X wurde schon ausgegeben. Die NASA erwägt, das SSME anstelle des RS-68 an der Ares V Zentralstufe einzusetzen (die dann wieder auf 8.4 m Durchmesser reduziert werden würde). Es gibt anscheinend Probleme mit der Überhitzung des ablativ gekühlten RS-68. Am Schubgerüst der mit zwei Feststofftriebwerken und 5 RS-68 ausgestatteten Ares V würden ziemlich hohe Temperaturen herrschen, wahrscheinlich zu hoch für das RS-68. Einige Ingenieure in der NASA denken, dass das regenerativ gekühlte SSME hier Abhilfe schaffen könnte.

    MfG

    Max

  2. … sechs RS-68, die Ares V hat sechs RS-68, nicht fünf.

    Für das SSME würde die Rakete wieder leichter werden, etwa so wie das Ursprüngliche „CaLV“ aus der ESAS-Studie von 2005.

  3. Die 16,6 Milliarden Entwicklungskosten finde ich viel zu harmlos. Hier sind kleinere Zahlen Trumpf. Rechne die Entwicklungskosten einfach auf jeden Start der Rakete um und man kommt auf Entwicklungskosten von $166 Millionen pro Start, wenn man es auf 100 Starts bringt. Dann fliegt mit jeder Ares I eine Ariane 5 an Entwicklungskosten mit …

    Um so schlimmer, wenn es (wie zu erwarten) nur vielleicht 33 Starts werden. Dann sind es sogar $500 Millionen pro Start. Womit wir wieder bei den selben Kosten wie beim Shuttle wären, nur dass wir 1. um $16 Milliarden ärmer sind und 2. neben den 25t Nutzlast keine Nacktaffendose mit in den LEO bringen.

    Und um bei den im Hintergrund mit fliegenden Raketen zu bleiben, ich bin mir sicher, dass die Russen sich freuen würden den Amerikanern für $500 Millionen 5 Sojuskapseln und 5 Progress Transporter samt Start zur Verfügung zu stellen, wenn sie das 33 mal tun dürfen. Wenn ich die Wahl zwischen 33 Ares I irgentwann (ohne Baukosten, Missionsbegleitung etc.) und 330 Sojus Raketen auf Abruf hätte, stünden meine Prioritäten wohl fest …

    Naja, das ist eben das Resultat, wenn ein Raumfahrtprogramm zum de facto Subventionsprogramm der amerikanischen Luftfahrtindustrie verkommt (denn offiziell wird Boeing natürlich nicht subventioniert, die USA sind schließlich das Land des freien Marktes und so …) – und weil die Boeing 787 zur Zeit mit Problemen zu kämpfen hat, ist der Kapitalbedarf dort im Moment natürlich besonders hoch.

  4. Bei all den Überlegungen zu 2x 5 Segment, 2x 5.5 Segment oder 3x 4 Segment Boostern entsteht noch ein anderes Problem. Die Raupentransporter, die Wege und die Startrampe sind nicht auf das zusätzliche Gewicht ausgelegt. Alles was mehr als 10 Segmente/Rakete vorsieht würde sehr wahrscheinlich neue Crawler und Wege, eventuell sogar einen verstärkten Boden im VAB benötigen.

    Mir persönlich gefällt die Idee von DIRECT am Besten. Es erscheint mir einfach günstiger/besser 2 nicht bis ans Limit ausgewachsene, idente Raketen für eine Mondmission zu starten als 2 sehr unterschiedliche Raketen die zZ noch nicht einmal die geforderte Performance bringen und wo ich im Fall von Ares I auch nicht wirklich Wachstumspotential sehe.

    Außerdem erscheint mir das Schubverhältnis von 1. Stufe zu 2. Stufe bei Ares V sehr extrem (6x RS-68 zu 1x J2X).

  5. @Felix: Die Änderungen am Crawler und der Startrampe dürfte der kleinste Kostenpunkt bei einem 230 Millairden Constellation Programm sein. Technische Eleganz hat die NASA schon längst zum Alteisen gegeben. Wie schon gesagt: Ihr habt noch ein paar Saturn V rum stehen und die Baupläne auch noch. Baut die einfach nach. Da wusstet ihr wenigstens noch wies ging. Die konstrukteure von ihr sind ja inzwischen ledier schon alle tot….

    @tp1024: Wenn die NASA ein LOC von 1:1000 will, dann wäre wohl auch die Sojus nicht sicher genug (zwei Missionen endeten schon tödlich). Es gäbe auch noch die Alternative bemanntes ATV, die so etwa 3-4 Milliarden Euro kosten soll. Aber das ist ja kein US Anbieter.

    Inzwischen gibt es ein Monopol in den USA: Lockheed und Boeing haben sich bei den Trägerraketen zu ULA zusammen geschlossen. Ich denke das ist auch der Grund warum die COTS Verträge an SpaceX und OSC gingen – es muss wieder Konkurrenz aufgebaut werden, bis auch diese sich mit den anderen abspricht….

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