Auf dem Weg zur Super Ariane – Teil 3

So, nachdem gerade der Upload des 321 MB PostScript des Buchs läuft (erstmals musste ich die Auflösung auf 1200 dpi reduzieren, weil es sonst zu groß gewesen wäre) kann ich mich an den nächsten Blogeintrag wagen. Erst mal habe ich genug vom Bücherschreiben, zumal auch nach dem Hype im Juli/August die Umsätze sehr lau sind, vor allem merke ich aber das 392 Seiten doch etwas viel sind. Bücher mit der Hälfte wären wohl besser und wahrscheinlich greifen dann auch mehr Leute zu (weils auch billiger wird). Aber auf weniger hätte ich kaum 99 US Trägerraketen untergebracht und es sollte ja auch ein besseres Buch werden als das Konkurrenzwerk von Eugen Reichl. Ich denke in 2-3 Wochen kann man es käuflich erwerben. Wenn es soweit ist, erfährt man natürlich hier. Ich hoffe Kevin hat neben seinen Plänen für hochfliegende Ballonfahrten auch noch etwas Zeit für das Manuskript von Band 2, das er gerade zum Korrekturlesen hat, sodass dieser auch noch vor Weihnachten erscheint.

So nun zur Erweiterung der Ariane 5

Die bisherigen Pläne gingen von den bisherigen Stufen aus, nur Optimierung bei verschiedenen Parametern. Trotzdem konnte so die Nutzlast der ESC-B auf rund 13.6-14.2 t gesteigert werden – ohne Vulcain 3 und neue CFK-Booster. Ich will auch diese in den folgenden Überlegungen nicht einbeziehen, da es zu wenige Daten über sie gibt und ich vor allem eine weitere kostenintensive Triebwerksentwicklung für nicht wirtschaftlich halte (zumindest nicht für die ESA. SBNECMA mag da anderer Meinung sein).

Mehr Booster

Lange Zeit habe ich die Boosterzahl nicht geändert, obwohl dies bei anderen Typen gang und gäbe isst. Der Grund liegt in dem hohen Schub der jetzt schon eine Spitzengbeschleunigung von 4,8 g ergibt. Drei oder Vier Booster ergeben dann noch einen höheren Schub. Das kann dazu führen, dass Nutzlasten nicht transportiert werden können, weil die Belastungen zu hoch sind (dazu kommen natürlich auch noch die induzierten Vibrationen). Doch mittlerweile gibt es sowohl bei der ESA Präsentationen mit dem Vorschlag von mehr Boostern wie auch bei EADS – für eine Mondmission. Dabei halte ich eine sechs oder acht Booster Konfiguration für die beste.

Warum?

Wenn mehr als fünf Booster an der EPC angebracht werden, dann reicht der Schub aus, um zwei Booster erst später zu zünden. Eine Ariane 5 ECB wiegt rund 800 t beim Start, mit vier weiteren Boostern kommt sie auf 1924 t. Der Startschub von vier Boostern und dem Vulcain 2 beträgt 24880 kN – genug um mit 12.5 m/s zu beschleunigen. Mehr hatte Ariane 44L auch nicht. Die Spitzenbeschleunigung ist dann während die ersten vier Booster brennen sogar geringer als bei der derzeitigen Ariane 5. (das gilt auch bei acht Boostern, bei denen sechs zuerst zünden – Beschleunigung 14,8 m/s anstatt 16.2 m/s heute). Nur später ist sie leicht höher – Ariane 5 ist durch die erste Brennzeit um rund 39 t leichter geworden, weil das Vulcain 2 schon soviel Treibstoff verbrannt hat. Aber es ist kein gravierender Anstieg (von 41.4 auf 45 m/s).

Der zweite Hauptvorteil ist dass die kombinierte Brennzeit der beiden Booster ausriechen müsste um die Ariane 5 auf Orbithöhe zu bringen – damit sinken die bisher sehr hohen Gravitationsverluste ab. Sie sind größer als bei der Ariane 4, diese hatte bei der letzten Version Ariane 44L noch Verluste von 1317 m/s (berechnet mit Vakuumimpulsen und separaten Stufen). Bei der ersten Ariane 5 waren es 2409 m/s und die ESC-A hat in der derzeitigen Version immerhin noch 2324 m/s. Würden sie nur auf 1500 m/s sinken, so wäre die Nutzlast alleine dadurch um etwa ein Viertel angestiegen.

Die Frage ob es sich finanziell lohnt ist schwer zu beantworten. Ich habe keine genauen Zahlen über die Kosten der Booster, aber aus dem deutschen und italienischen Anteil an Ariane, dem Auftrag an MT Aerospace (Hersteller der Boosterhülsen, aber auch Tankteilen der Ariane) kann man abschätzen, dass es wohl zwischen 20 und maximal 30 % der Produktionskosten sind. Sechs Booster würden diese also um 40-60 % und acht um 60-90 % erhöhen.

Beim Einsatz der schon besprochenen Booster mit längerer Brennzeit als später gezündetes Paar und hier mit einem höheren spezifischen Impuls (Anpassung der Düse an den Vakuum Betrieb) komme ich auf eine Nutzlast von fast 33 t bei Einsatz der optimierten ESC-B. Dabei habe ich schon eine Verstärkung von 3 t bei der EPC für die höheren Schubkräfte mit einkalkuliert. Bei acht Boostern sind es 38 t. Zu ähnlichen Zahlen ist auch EADS gekommen die eine Ariane 5 Version mit sechs Boostern und einer Oberstufe mit zwei Vinci Triebwerken für 50 t in den LEO-Orbit gut halten.

Eine vergrößerte Hauptstufe

Dass die JAXA mit relativ kleinen Finanzmitteln aus der H-2A die H-2B entwickeln konnte und diese dabei sogar billiger in der Herstellung geworden ist, hat mich dazu gebracht mal über eine Erststufe mit zwei Vulcain Triebwerken nachzudenken. Natürlich kann diese schwerer sein. Doch wie schwer? Es gibt zwei Nebenbedingungen: Die Rakete muss noch abheben können. Das unterste Level ist dafür ein Schub/Gewicht Verhältnis von 1.2. Für die sechs Booster Version ergibt sich dann eine Startmasse von 2196 t, bei maximal 50 t Nutzlast also rund 427 t für die Rakete mit Oberstufen.

Die zweite Bedingung: Nach Abtrennung von den Boostern nach 270 s soll auch die Beschleunigung 1.0 g betragen. (Heute übrigens nur 0.75 g) Da bis dahin 167,4 t Treibstoff verbraucht wurden und der Schub eines Vulcain 1360 kN beträgt darf sie beim Start nach diesem Kriterium nicht mehr als 441 t (mit Nutzlast und Oberstufen) wiegen, wenn dies erfüllt sein soll. Dieses Kriterium ist strenger also wende ich es an. Es ist klar, dass natürlich dann auch die Oberstufe vergrößert werden muss. Ich gehe hier einfach mal von der doppelten Masse der ESC-B aus, also 69 t. Es soll eine Stufe mit zwei Vinci Triebwerken sein, dass ergibt dann eine recht einfache Rechnung. Das lässt dann noch 350 t für eine neue EPC übrig. Wenn man deren Durchmesser auf 7,35 m vergrößert erhält man dieselbe Höhe. Bei einer linear gleichen Vergrößerung der Leermasse erhält man so eine Rakete mit einer Nutzlast von 43 t (sechs Booster) bzw. 50 t (acht Booster) in GTO. Letztere befördert übrigens schon 39 t zum Mond.

Die Ariane 5 Mondrakete

Zum Schluss noch ein größeres Kaliber. Die CNES machte mal in den 90 er Jahren eine Studie für eine Ariane 5 Mondrakete. Diese setzte 4 Booster ein, eine Zentralstufe mit 5 Vulcain 1 Triebwerken und einem Vulcain als Oberstufe. Sie konnte bei einer Startmasse von 1874 t etwa 90 t in eine LEO Umlaufbahn oder 35 t zum Mond befördern. An diese will anknüpfen. Wenn die Rakete nach Abtrennung der Booster mit minimal 1,0 g beschleunigen soll darf sie ohne Booster beim Start maximal 880 t wiegen. 100 t Nutzlast abgezogen und das Gewicht auf Zentralstufe und Oberstufe verteilt führt zu zwei Stufen von 150 und 630 t Gewicht. Sie würde 42 t zum Mond befördern können – bei einer fast gleichen Startmasse von 1904 t. Mit einer zusätzlichen 69 t schweren Oberstufe mit zwei Vinci Triebwerken wären sogar 50 t möglich. Nimmt man nun sechs oder acht Booster zum Start und baut vielleicht noch ein sechstes Vulcain in die erste Stufe ein und vergrößert diese noch etwas, dann ist man schnell bei der Nutzlast der Ares V, nur bei geringerer Startmasse. Aber das ist eine andere Baustelle…

Im Aufsatz denn ich aus diesen drei Teilen basteln werde, finden sie dann auch noch die Datenblätter zu den Raketen.

So, inzwischen ist es Sonntag, das Buch im Druck (erstmals auch in den USA, England und Kanada erhältlich). Wie ich gerade festgestellt hat scannt ja Google auch die Books obwohl sie das bestreiten (Für Autoren gibt es eine Seite wo man Ansprüche melden kann und das gelten das Buch „Was ist drin“ und Band 1 über die europäischen Trägerraketen als nicht gescannt, sie sind es nach Google Books aber).

2 thoughts on “Auf dem Weg zur Super Ariane – Teil 3

  1. 8 Booster? Da wird es langsam eng an der Ariane 5.

    Aber wenn für 8 Booster Platz ist, warum dann nicht gleich 9, dann könnte man gleich 3 Booster erst später zünden und hätte bis zur erst Abtrennung auch kleinere Beschleunigungskräfte zur Folge.

    Aber das brachte mich auf eine ganz andere Frage: Warum gibt es eigentlich keine Rakete, die mit 3 Boostern startet? Gibt es dafür einen tieferen Grund? (Oder gibt es sie doch?)

    Klar, eine Rakete die für 2 und 4 Booster ausgelegt ist, ist aus Symmetriegründen flexibler als eine für nur 3. Aber auch Raketen die für 6 Booster ausgelegt sind starten eigentlich immer nur mit 2, 4 oder 6, obwohl einem Start mit 3 Boostern eigentlich nichts im Wege stehen sollte.

    Ist das Zufall? Mag man die 3 in der Raumfahrt nicht? 😉

  2. 3-6 Kombinationen sind auch möglich. Bei der derzeitigen Ariane können aus geometrischen Gründen maximal 10 Booster angebracht werden, berücksichtigt man dass die Düsen geschwenkt werden müssen und mein Vorschlag bei dem zweiten Paar größere Düsen hat wirds mit 9 schnon knapp.

    Wenn Du 29,90 Euro für das in wenigen Tagen erscheinende Buch ausgeben würdest, dann stellst Du fest dass es auch Raketen mit 3 Boostern gibt – Einfach mal bei der TAT Agena, Delta E-M, 0X00 und 7000 er Serie nachschauen…

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.