Ariane 5 „light“

Ich habe vor den Aufsatz „Super Ariane“ neu zu schreiben, weil er ja schon ein paar Jahre alt ist und nicht mehr dem neuesten Stand entspricht. Ich will das mal im Blog schrittweise machen. Heute – das gehört noch nicht dazu – außer der Reihe Idden über eine „Ariane 5 Light“. Auf die Idee hat mich EADS gebracht das eine wiederverwendbare Ariane ohne Booster und mit nur 6 t Nutzlast vor etwas einem Jahr vorschug. Natürlich braucht man für diese neue Rakete ein neues Triebwerk, dass dann erst noch entwickelt werden muss – zumindest nach den Ideen von EADS ….

Geht’s nicht einfacher. Hier mal ein Vorschlag einer Alternative, nicht als Ersatz für die Ariane 5, sondern nur als Gedankenexperiment. Ziel : Wiederverwendung wo es möglich ist, aber trotzdem hohe GTO Nutzlast. Mein Ansatz: Verwendung von dem was schon existiert. Zuerst einmal – braucht man ein neues Triebwerk? Nein! Das Vulcain ist für 6000 Sekunden Betriebszeit qualifiziert, das sind 10 Zündungen. Damit kann man schon 90 % der Herstellungskosten sparen und ist längst in einem Bereich, wo die Wartung teurer ist als der prozentuale Herstellungsanteil pro Flug. Das von EADS geplante Triebwerk wäre schubstärker (2500 kN Klasse) und 25 mal wiederverwendbar – aber lohnen sich dafür die Investitionen? Wenn die Rakete dann billiger wird, wer profitiert davon – EADS oder der Steuerzahler, der die Rakete finanzierte?

Muss man die ganze Stufe wiederverwenden? Ich sage nein, denn welchen Sinn soll es machen, die Tanks wiederzuverwenden? Hier ist die Gefahr groß, das Haarrisse entstehen, die übersehen werden. Dazu kommt, dass diese leicht gebaut sind und bei einem Wiedereintritt dann deutlich steifer und damit schwerer sein müssen. Mein Vorschlag: Nur die Triebwerke werden geborgen. Dazu wird nach Brennschluss der Schubrahmen abgesprengt. An Ihm befindet sich ein Gleiter mit einer Dreiecksflügelform von rund 10 m Länge und 10 m Diameter. (50 m Fläche) Er soll nochmals so viel wiegen wie die Triebwerke. Die Triebwerke fliegen dann eine Kurve, landen nicht am Startplatz was sehr aufwendig ist, sondern in Brasilien, was relativ einfach ist, wenn man einen Teil der kinetischen Energie nutzt, um sich etwas quer zur Flugbahn zu bewegen, dann liegt Brasilien nur etwas südlich des Flugpflads. Grob geschätzt soll der Gleiter genauso viel wie die Triebwerke wiegen. Es kommt nicht auf jedes Kilo an, da es nur die erste von zwei Stufen ist.

Allerdings reicht ein Triebwerk nicht aus, um die EPC mit Oberstufe zu starten. Dazu müssen es mindestens drei Vulcain 2 sein. Bei einem Bodenschub von 961 kN und einer Anfangsbeschleunigung von 1.25 g können sie 234.8 t anheben. Bei einer schon 188.3 t schweren normalen EPC (ohne Gleiter und zwei weitere Vulcain Triebwerke lässt dies wenig Spielraum für eine große Oberstufe. Da diese nun den Hauptteil der Beschleunigung aufbringen muss, ist hier eine leistungsfähige und große Oberstufe gefordert. Basis können die Vinci Triebwerke sein. Da die Abtrennung bei niedriger Geschwindigkeit stattfindet, muss der Schub höher sein. Ich habe zwei Vinci angesetzt. Eine normale Oberstufe, nicht mit den strukturell verstärkten Tanks, die wegen der EAP Booster bei der Ariane 5 nötig sind, erreicht ein Treibstoff/Leergewicht Verhältnis von 1:10 (ohne Triebwerk), dazu kommen noch zwei Vinci Triebwerke. Insgesamt ist so bei 234.8 t Startmasse eine Oberstufe mit 36 t Startmasse und 4.6 t Leermasse möglich.

Bei einer VEB von 0.5 t Gewicht und einem Verlust von 1.700 m/s ist so eine Nutzlast von 5.5 t möglich:

Ariane 5L
Nutzlast: 5500 kg in einen GTO Orbit
Startmasse: 240.700 kg
Stufe 1
Triebwerke: 3 x Vulcain 2
Schub 3 x 961 kN Boden, 3 x 1350 kN Vakuum
Startmasse: 202.600 kg
Trockenmasse 28.300 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4256 m/s (Vakuum)
Brennzeit: 180 s
Stufe 2
Triebwerke: 2 x Vinci
Schub 2 x 180 kN Vakuum
Startmasse: 36.100 kg
Trockenmasse: 4.100 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4560 m/s
Brenndauer: 405 s
VEB 500 kg
Nutzlastverkleding 1750 kg (Ariane 5 kurz)

Diese Rakete wäre teilweise wiederverwendbar. Eigentlich nur die Triebwerke der ersten Stufe. Ich glaube nicht, dass sie wirtschaftlich wäre, vor allem weil die Nutzlast klein ist. Große Satelliten scheiden aus. Ich habe daher weitere Alternativen untersucht. Die erste war der Einbau von vier Vulcain Triebwerken in der ersten Stufe. Das erlaubt es die Oberstufe zu vergrößern. Es geht nicht unbegrenzt: Aus der Erfahrung mit anderen Trägern sollte bei einer zweistufigen Rakete die Oberstufe noch eine Beschleunigung von mindestens 2/3 G aufweisen. Das sind bei 360 kN Schub von zwei Vincis maximal 56 t Gewicht. Zieht man die Nutzlast ab, so bleiben noch rund 49 t. Eine Simulation zeigt, dass eine so große Stufe gar nicht so stark die Nutzlast anhebt. Es wird ein Maximum von rund 5800 kg bei einer rund 45 t schweren Stufe erreicht. Diese rund 300 kg mehr lohnen den Aufwand nicht.

Die zweite von mir untersuchte Konfiguration ist der Einsatz der preiswerten und schubstarken Ariane 4 PAP Booster. Wenn vier dieser Booster an die erste Stufe montiert werden, resultieren eine Reihe von positiven Effekten:

  • Die Anfangsbeschleunigung steigt an – und damit die Gravitationsverluste (hier angesetzt: 1600 m/s, Ariane 4 PAP liegt noch deutlich darunter)
  • Es ist möglich die erste Stufe und Oberstufe zu vergrößern, da vier PAP rund 2600 kN Startschub bringen und erst nach 42 Sekunden die drei Vulcain Triebwerke genügend Schub haben müssen um die Rakete weiter zu beschleunigen. In 42 Sekunden konsumieren die Triebwerke aber rund 36 t Treibstoff – das macht eine größere Rakete möglich. Die erste Stufe kann nun 211 t wiegen und die zweite Stufe die anvisierten 49 t wiegen. Es resultiert folgende Rakete:
Ariane 5L PAP
Nutzlast: 7300 kg in einen GTO Orbit
Startmasse: 310.500 kg
Nutzlasthülle 1.500 kg
Stufe 1
Triebwerke: 3 x Vulcain 2
Schub 3 x 961 kN Boden, 3 x 1350 kN Vakuum
Startmasse: 211.000 kg
Trockenmasse 29.000 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4256 m/s (Vakuum)
Brennzeit: 191 s
Stufe 2
Triebwerke: 2 x Vinci
Schub 2 x 180 kN Vakuum
Startmasse: 49.000 kg
Trockenmasse: 5.300 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4560 m/s
Brenndauer: 553 s
VEB 500 kg
Nutzlastverkleidung 1750 kg (Ariane 5 kurz)

Diese Rakete kann die derzeit größten Kommunikationssatelliten transportieren. Ich glaube dass die Doppelstartfähigkeit nicht mehr so wichtig ist wie noch zu Ariane 4 Zeiten. Verschiedene Äußerungen von Le Gall unterstreichen dies. Da es nun wesentlich weniger Nutzlasten gibt ist es schwieriger zwei Satelliten zu finden, die zum gleichen Startfenster (trotz Erhöhung der Startrate finden weniger Flüge als noch mit der Ariane 4 statt) verfügbar sind und auch versicherungstechnisch ist es ungünstig: Zwar ist Ariane 5 seit 5 Jahren ohne Fehlstart (im Gegensatz zu seinen Konkurrenten), aber durch den Transport von zwei Satelliten ist der möglich Schaden höher, so dass eine Ariane 5 nur wenige Prozentpunkte preiswerter als eine Proton ist. Das dürfte auch der Grund für die EADS Initiative gewesen sein.

Wie könnte es ablaufen? Die Ariane 5 Light startet normal zu einer GTO Bahn. Die vier PAP sind nach 42 Sekunden ausgebrannt, die zentrale Stufe arbeitet noch weiter bis die Rakete eine Geschwindigkeit von 4842 m/s erreicht. Danach werden zuerst die Triebwerke mit dem Schubrahmen und dem Gleiter abgetrennt und dann die Rest EPC von der Oberstufe, die dann einen Orbit erreicht. Aerodynamisch steuert der Gleiter mit Hilfe des Quer und Höhenruders dann einen Flugplatz in Brasilien an und landet dort – das ist kein Problem. Die Space Shuttles machen das seit 30 Jahren. Unterstützt könnte er werden indem man die Restgase im Schubrahmen (Druckgas für die Pneumatik, Helium für den Tankdruck) durch Düsen entlässt und so kleinere Kurskorrekturen durchführt. Dafür extra Treibstoff mitzuführen ist nicht nötig, das ist nur bei den Konzepten „Zurück zum Startort“ nötig, weil dafür praktisch die Vorwärtsbewegung Richtung Süd-Ost in eine Rückwärtsbewegung Richtung Nord-West umgedreht werden muss. Nach einer Inspektion wird dann ein neuer Tank anmontiert und das ganze geht von Vorne los.

Ob es billiger wird, das ist schwer zu beantworten. Denn das preiswerteste bei der Ariane 5 sind ja die großen Feststoffbooster. Auf der anderen Seite kostet ein Vulcain Triebwerk alleine auch rund 15 Millionen Euro in der Fertigung.

8 thoughts on “Ariane 5 „light“

  1. Ariane Light ist ne gute Idee !
    der tank ist das billigste in Konstruktion als Weg damit

    Leider liegt das Problem in Ruckkehrstufe mit Triebwerke
    als reiner Antriebsloser Gleiter, Schaft es nicht nach Brasilen
    es muss ein Düsentriebwerk rein, was Die masse hoch treibt

    paradoxerweise gibt eine Alternative wenn
    die Rakete kurz vor erreichen des Orbit stufen Trennung macht
    480 Sekunden nach Start.
    dann fliegt der Gleiter einen halben Erdorbit weiter vor wiedereintritt
    den weg zu Kourou hupft der Gleiter auf der Erdatmosphäre
    sprich Sänger und Dyna soar prinzip
    den restliche weg bremst Gleiter bis zur Landebahn von Kourou.

    hier entspricht Gleiter ein Lifting Body (X-24, HL-10 etc)
    der mit Gleitschirm für den lande Anflug verwende

  2. Hallo Michael.
    Die Geschichte mit den Gleitern ist ja auf meinem Mist gewachsen und im Prinzip habt ihr beide recht – du und Bernd. Es gibt in Höhen von 30-40km ausreichend Luftdruck um bei den da anzunehmenden Geschwindigkeiten noch aerodynamisch Kursänderungen durchzuführen. Das Space Shuttle ist ein relativ mieser Gleiter und kann noch weit oberhalb dieser Höhe beim Wiedereintritt Kurven fliegen um Speed abzubauen. Dabei wird das RCS verwendet um die Lage zu ändern (für die Steuerflächen ist es doch noch zu wenig) den Rest erledigt aber die Fläche aerodynamisch.
    Kommt man man nahe an ein Orbit liegt es auf der Hand, dass eine Rückkehr zum Start via Umrundung des Planeten vorzuziehen ist – für alles dazwischen muss ausreichend Gleitfähigkeit gegeben sein um die nächste Landebahn ansteuern zu können. Optimal wär dann noch ein kleiner Hilfsantrieb um eventuell die Flugbahn etwas zu strecken – z.B. aus einem RCS oder wie Bernd vorschlägt via Druckgas – es könnte reichen einfach nur den Luftwidestand hinter dem Gleiter zu reduzieren – im Prinzip genau so wie bei einem Base-Bleed-System einer Artilleriegranate.

  3. @Michael und Martin:
    Die Idee mit den Gleitern ist sso neu nicht gerade, also die NASA verfolgt sie seit über 40 Jahren, ich mache mir auch seit einigen Jahrzehnten Gedanken dazu. Mit dem Urheberanspruch wirds also nix.

    Es gibt zwei Dinge zu unterscheiden: Will ich die Geschwindigkeit die ein Gleiter hat nutzen um die ballistische Flugbahn zu ändern oder zum Startplatz zurückzukehren. Das eine erfordert nur einen Teil der Geschwindigkeit die nach vorne gerichtet ist seitwärts zu lenken – beim Space Shuttle durchgeführt und dieses hat eine Querreichweite von 2500 km. Das zweite ist es die Geschwindigkeit in Vorwärtsrichtung umzukehren und dann noch die Distanz zum Startort zurückzulegen – das halte ich für extrem aufwendig und nicht ohne Antrieb zu machen.

    Brasilien liegt wegen seiner spitz zulaufenden Nase nicht weit weg vom Ariane 5 Flugpfad. Eione Querreichweite von einigen 100 km würde reichen. Alternativ kann man auch den Flug fortsetzen und eine lange Gleitphase einschieben und auf Ascension Island landen – und das liegt mitten im Flugpfad.

  4. Ascension Island ist Ideal !
    liegt nahe Flug bahn der Rakete und hat dazu parallele verlaufen Start Landebahn von 3 km lange.

    http://www.cnes.fr/automne_modules_files/standard/public/p1379_3c474ff33202faa021a4aee1658f9cf2position_kourou.gif

    Die NASA hatte schon Hundertfach das studiert
    für Space Shuttle Phase A in 1968 dann für Shuttle-C in 1980-1990er
    Doch es War Boeing die als erste das vor schlug Anfang der 1960er
    http://up-ship.com/blog/?p=350
    http://up-ship.com/blog/wp-content/uploads/2008/06/image17.jpg
    http://up-ship.com/blog/wp-content/uploads/2008/06/image15.jpg

  5. Mal ein paar Gedanken von mir bezüglich „Ariane 5 light“:

    Pro: Umweltfreundlichkeit. Keine Booster mit ihrer hässlichen Chemie.

    Pro: Vielleicht könnte man sogar die ganze erste Stufe weich landen lassen. Eine „Zigarre“ hat ja durchaus einen gewissen Auftrieb, wenn man mit einem Anstellwinkel fliegt. Das reicht wahrscheinlich, um kleinere Kurskorrekten vorzunehmen, so dass man tatsächlich bei Ascension ankommt. Die eigentliche Landung benötigt dann aber wahrscheinlich Fallschirme und Retroraketen.

    Pro: Die Rakete passt auch in die Lücke: Doppelt so hohe GTO-Kapazität wie die Soyuz, halb so hohe wie die „volle“ Ariane 5.

    Contra: Es stellt sich die Frage nach dem Markt. Kleine Tk-Satelliten kann man einzeln mit der Soyuz starten, große in Paaren mit der Ariane 5 und ganz große einzeln mit der Ariane 5. Somit bliebe nur eine kleine Anzahl von Raumsonden, die aufgrund des benötigten Orbits nicht mit einem „Partner“ gestartet warten können, und die zu schwer für Soyuz sind, aber die Ariane 5 nicht auslasten.

    Contra: Kaum Kostenersparnis pro Start im Vergleich zu einer „vollen“ Ariane 5. Es werden die beiden billigsten Ariane-5-Komponenten weggelassen, die beiden Booster. Dafür wird eine stärkere und somit teurere Oberstufe benötigt. Dass die Triebwerke der Unterstufe wiederverwendet werden, wird dadurch konterkariert, dass man nun deren 3 statt nur eines benötigt.

    Contra: Erhebliche Entwicklungskosten! Unter- und Oberstufe sind gegenüber dem bisherigen Aufbau massiv modifiziert. So gibt es andere Aerodynamik, andere Kräfteverteilung, andere Treibstoff-Flussraten, anderen Schwerpunkt usw. usf. Die gesamte Statik- und Dynamik-Berechnungen müssen erneut durchgeführt werden und die beiden Stufen entsprechend strukturell angepasst werden.

    Wie wäre es aber mit folgender Variante, die wohl einfacher zu entwickeln wäre:
    * Unverändert zwei Booster
    * Hauptstufe verkürzt, Vulcain 2 vakuum-optimiert (längere Düse), Zündung NACH Abtrennung der Booster
    * Keine weitere Oberstufe

    Die neue zweite Stufe könnte um die 100 t betankt und 9 t leer wiegen. Bei 5 t Nutzlast und 4400 m/s Vakuum-Impuls des verlängerten „Vacuum-Vulcain“ kommt ich für diese auf ein Delta-V von 8865 m/s. Die Booster (habe mit den Daten von http://www.bernd-leitenberger.de/ariane5.shtml gerechnet; aktuell sind sie wohl bereits besser) bringen nochmals 3641 m/s. In Summe also 12500 m/s, was wohl mehr als genug für GTO sein dürfte, zumal das „Untermotorisierungsproblem“ der aktuellen Ariane V mit ihren hohen gravitativen Verlusten gelöst sein sollte.

    Eher haben wir ein Übermotorisierungsproblem: Kurz vor Brennschluss kommen 135 t Schub auf 14 t Restgewicht. Ein drosselbares Vulcain könnte die Situation verbessern, benötigt aber zusätzliche Entwicklungskosten.

    Aber auch mit dieser Variante einer „Ariane 5 light“ werden die Startkosten im Vergleich zu Ariane 5 ECS-A nur leicht gesenkt. Die fehlende Oberstufe spart geschätzte 20%, die verkürzte Unterstufe nochmals geschätzte 10%.

    Aber auch für diese Rakete lohnt sich die Entwicklung wegen des fehlenden Marktes nicht, siehe oben.

    Kai

  6. @Kai: So teuer kann die neue Statik nicht sein, wenn die H2B mit einem Drittel des Entwicklungsaufwandes des „Evolution“ Programms der ESA entwickelt wurde und auch die ESC-A war als (neue) Stufe preiswert. Mit dem verlängerten Vulcain machst Du SNECMA eine Freude, die freien sich gerne für 1 Milliarde Euro dir das zu entwickeln und haben ein solches Design auch schon vorgeschlagen. Es kommt aber nur auf 4316 m/s.
    Es gibt übrigens eine technisch bessere Lösung: Ausfahrbare Düsen wie sie auch das Vinci hat. Am Boden ohne erweiterung und in der Höhe wird die dann dazu genommen – immer der optimale Impuls und Du musst die Stufe nicht so stark verkürzen.
    Das deine A-5L nicht so viel schlechter ist liegt vor allem an den erbärmlichen Leistungsdaten der ESC-B die etwa 1,5 t Nutzlast bei der derzeitigen Ariane 5 kosten. (H10: Voll 13 t, leer 1.25 t, ESC-B mit demselben Triebwerk voll 17,9t, leer 3.3 t beide Angaben ohne Stufenadapter)

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