Auf dem Weg zur Super Ariane Teil 1 – ESA Studien

´Wie angekündigt, nun in mehreren Teilen mein Vorschlag für den Ausbau der Ariane 5 zu einer „Super Ariane“. Ich will in diesem Teil zusammenfassen, was sich die ESA und Industrie an Gedanken gemacht hat für die Leistungssteigerung der Ariane, ohne ein komplett neues Trägersystem zu entwickeln. Am Wochenende wird dann ein Gastblog von Michel Van erscheinen. Ich hoffe das wird eine Dauereinrichtung. Vielleicht klärt mich auch Ruhri in einem Gastblog über die so epochal wichtige Grundlagenforschung an Bord der ISS auf. Ich warte auch noch darauf, dass jemand den Fehler in der Grafik im letzten Blog entdeckt. Ich dachte nicht, dass er so schwer zu finden ist.

Übersicht über die ESA Vorschläge

Im folgenden eine Zusammenfassung verschiedener ESA Untersuchungen, die zusammen mit der Industrie erarbeitet wurden. Die Maxime dabei war die Nutzlast der Ariane 5 zu steigern, ohne die Architektur des Trägers radikal zu verändern, wie dies z.B. mehr Triebwerke, verlängerte Stufen oder mehrere Feststoffbooster bedeuten würden.

EPC

Seit Ariane konzipiert wurde, leidet sie unter einem Manko: Dem geringen Schub des Haupttriebwerkes. Das verursacht Gravitationsverluste, die Ariane 5 muss also eine deutlich höhere Geschwindigkeit erreichen um in einen Orbit zu gelangen, als das Vorgängermodell. Beim Abtrennen der Booster geht z.B. die Beschleunigung auf 0,75 g zurück – weniger als die Erdbeschleunigung. So steigerte schon die Einführung des Vulcain 2 (1350 anstatt 1145 kN Schub) die Nutzlast um 1.150 kg. Innerhalb eines bestimmten Bereiches bringen jeweils 10 kN mehr Schub rund 80 kg mehr Nutzlast. Auf der anderen Seite kann auch über den spezifischen Impuls nachgedacht werden, auch wenn das Vulcain 2 schon einen sehr hohen Wert aufweist. Auch hier bringen 10 m/s mehr rund 80 kg mehr Nutzlast.

Dieser Zusammenhang gilt natürlich nicht für sehr große Triebwerke. Bei rund 1800 kN Schub erreicht die Ariane 5 eine Beschleunigung von 1 g bei der Abtrennung. Wesentlich größere Triebwerke steigern dann die Nutzlast nicht mehr so stark, auch weil natürlich dann das Trockengewicht der Stufe ebenfalls mit ansteigt. Der zweite Fokus den Arianespace und Industrie (SNECMA) im Blick haben, sind die Produktionskosten. Das Vulcain 2 ist die teuerste Einzelkomponente an der Ariane 5. So sollen auch die Produktionskosten gesenkt werden. Wenn diese stark sinken, so kann auch auf Leistung verzichtet werden. SNECMA und ESA haben drei Klassen von Triebwerken untersucht:

• MC 1500 G: Ein Triebwerk der 1500 kN Klasse. Es hat einen etwas geringeren spezifischen Impuls als das Vulcain 2 im Vakuum, aber einen höheren am Boden. Es ist deutlich einfacher gebaut als das Vulcain 2 und verspricht daher 30 % geringere Produktionskosten. Dafür steigt die Nutzlast nur um 700 kg (bei gleichem spezifischen Impuls wären es 1200 kg gewesen). Eine nach Abtrennung der Booster ausfahrbare Düse könnte weitere 400 kg liefern, doch dann würden die Produktionskosten wieder ansteigen. SNECMA favorisierte diese Lösung.
• MC 1700 G: Ein Triebwerk mit 1700 kN Schub. Bei ihm ist der Schub und der spezifische Impuls gegenüber dem Vulcain 2 gesteigert. Es verspricht 1800 kg mehr Nutzlast bei 15 % geringeren Produktionskosten. Da sich seit der Studie von SNCMA die Rahmenbedingungen geändert haben (unter anderem liegen die Oberstufen in der erreichten Nutzlast unter den Planungen und auch die Einführung wird sich verzögern( sollte eventuell dieses Triebwerke eher in Betracht gezogen werden. So ist meiner Meinung nach dieses Triebwerk der aussichtsreichste Kandidat, da es sowohl mehr Nutzlast offeriert wie auch geringere Produktionskosten
• Sechs verschiedene Typen der 2000 kN Klasse. Die einzelnen Triebwerken unterscheiden sich in der Technologie. Neben fünf verschiedenen Nebenstromverfahren ist darunter auch eines im Hauptstromverfahren. Die Nebenstromtriebwerke versprechen nicht mehr Nutzlast als das MC 1700 G (1000-1900 kg) und keine größeren Kosteneinsparungen (16-23 %). Lediglich das MC 2000 E Triebwerk mit dem Hauptstromverfahren offeriert 3.400 kg mehr Nutzlast, allerdings ohne Senkung der Produktionskosten. Da diese Technologie bei anderen Triebwerken (Space Shuttle, LE-7) sehr teuer war, halte ich persönlich es zu riskant ein solches Triebwerk zu entwickeln. Mittlerweile schlägt EADS auch als Antrieb einer wiederverwendbaren Rakete vor, wo die Kosten nicht so wesentlich sind wie die Performance.

Booster

Am meisten bringt eine neue Technologie bei den Boostern. Das klingt widersprüchlich, weil sie als erste Stufe sehr viel leistungsfähiger werden, müssen um die Nutzlast zu steigern. Auf der anderen Seite sind die Booster der technologisch veraltetste Teil. Die Vega wird die Technologie der CFK Werkstoffe bei großen Boostern erproben. Die Fertigungsanlagen sind schon für die Ariane 5 ausgelegt. CFK Werkstoffe versprechen eine Reduktion der Leermasse von 38,5 auf 27 t. Sie erlauben einen höheren Brennkammerdruck und damit können auch die Düsen verlängert werden. Zusammen mit einer neuen Treibstoffmischung steigt so der spezifische Impuls um 40 m/s. In der Summe versprechen CFK Booster so 1.750 kg mehr Nutzlast. Leider gehen diese mit höheren Belastungen einher. So steigt die dynamische Belastung in der Aufstiegsbahn um 0,48 Bar oder 30 %. Dadurch muss diese angepasst werden. Trotzdem bleibt dann noch eine Nutzlast von 1000-1500 kg.

ESC-B Oberstufe

Die ESC-B Oberstufe ist der neueste Teil der Rakete. Optimierungen sind daher nicht in großen Maße möglich. Vorgeschlagen wurde eine Erhöhung des Schubs des Vinci Triebwerks von 180 auf 200 kN. Der Effekt ist, dass bei gleicher Treibstoffmenge die Brenndauer um 70 Sek sinkt. Da die Rakete Oberstufe während des Betriebs laufend Höhe gewinnt verliert sie an Geschwindigkeit und verrichtet Hubarbeit. Die Reduktion der Brenndauer von 1100 Sekunden bei der EPS auf 950 Sekunden bei der ESC-A hat diese schon reduziert. Eine Erhöhung des Schubs des Vinci Triebwerks könnte diese weiter reduzieren. Der Gewinn an Nutzlast wurde nicht präzisiert, dürfte jedoch nur in Bereich von einigen Hundert Kilogramm liegen

Zusammenfassung

Beim Umsetzung aller Optionen kann die Nutzlast der Ariane 5 auf 14-15 t in den GTO Orbit und rund 27 t zur ISS gesteigert werden. Dies ist mehr als doppelt so viel wie die erste Version aufwies – zumindest für den GTO Orbit. Für die ISS Versorgung ergibt sich immer noch eine Steigerung um 50 %.Soll mehr Nutzlast erhalten werden, so müssen die bisherigen Stufen und Booster revidiert werden.