Ariane 5 – sinnvolle Upgrades

So ich hoffe ihr seid alle gut in den April gekommen und nicht auf meinen plumpen Aprilscherz mit SpaceX reingefallen. Sorry, aber ich bin nicht sehr fantasievoll in solchen Dingen. Nachdem die ESA nun ja schon die Ariane 6 plant, will ich mal als Gegenakzent skizzieren, was mit der Ariane 5 möglich ist. Einiges davon ist auch Thema des nächsten Buches und dort ausführlicher dargestellt. Ich will dies im folgenden durch einige eigene Bemerkungen ergänzen. Thema sollte sein: Wie weit kann die Nutzlast der Ariane 5 noch sinnvoll und preiswert erhöht werden?

Neues Vulcain 3 Triebwerk

Snecma und ESA haben zusammen untersucht wie ein Vulcain Mark III aussehen sollte. Ziel ist es nicht nur die Nutzlast zu steigern, sondern auch die Produktionskosten. Das Vulcain ist schon immer der wunde Punkt der Ariane 5 gewesen. Zum einen ist es der teuerste Teil der Rakete. Schon ein Vulcain 1 kostete rund 15 Millionen Euro in der Fertigung. Zum anderen wurde Ariane 5 während der Planungen immer schwerer und die Zentralstufe stieg im Gewicht von 130 auf 170 t, während der Schub des Vulcains gleich blieb. Daraus resultieren hohe Gravitationsverluste – bedingt zum einen durch die längere Zeit die Orbithöhe zu erreichen und zum anderen durch die geringe Beschleunigung nach Wegfallen der Booster. Der Hauptnutzen des Vulcains 2 ist daher durch einen höheren Schub diese zu reduzieren, der spezifische Impuls ist weitgehend gleich geblieben. Folgende Optionen wurden untersucht:

  • MC 1500G: Leichtes Upgrade des Vulcain 2 auf 1.500 kN Schub mit überschaubaren Entwicklungskosten: 700 kg mehr Nutzlast
  • MC 1700G: Neues Triebwerk mit höherem spezifischen Impuls und 1.700 kN Schub: 1.500 kg mehr Nutzlast
  • MC 2000: Sechs verschiedene Typen von Triebwerken mit 2.000 kN Schub: Zwischen 1.000 und 3.400 kN mehr Nutzlast.

ESA/SNECMA schlugen das MC 1500G vor, wahrscheinlich wegen der geringsten Entwicklungskosten. Ich würde das MC 1700G bevorzugen. Es liegt nahe des Schuboptimums und offeriert mehr Möglichkeiten eine schwerere Oberstufe zu transportieren. Zudem ist der Gewinn an Nutzlast deutlich höher. Jeder der MC 2000 Typen hat irgendwelche Nachteile. Der wohl leistungsstärkste wäre ein Triebwerk mit „staged Combustion“ Prinzip. Dies wurde jedoch bei der Vulcain Entwicklung untersucht und wegen zu hoher Kosten verworfen. Ich kenne auch kein LOX/LH2 Triebwerk mit diesem Prinzip, das preiswert wäre. Wenn dann wäre es sicher eine Option für ein mehrfach verwendbares Raumgefährt, aber nicht für Ariane.

Das macht schon mal 1.500 kg mehr Nutzlast

EAP Booster

Es gibt zahlreiche Optionen an den EAP Boostern etwas zu machen, doch weil sie die erste Stufe stellen, bringen die meisten fast keine Nutzlast – um 100 kg mehr Nutzlast zu generieren müsste das Leergewicht um 1300 kg sinken. Sinnvoll scheint nur der radikalste Schritt zu sein: Der bei der Vega Entwicklung schon mit einkalkulierte Schritt die Booster aus CFK-Werkstoffen zu fertigen. Fiat Avio hat die Fabrik schon dafür ausgelegt und die erste Stufe der Vega hat nicht zufälligerweise 3 m Durchmesser…. Ein CFK-EAP hätte einige Vorteile:

  • Leergewicht: 27 anstatt 37,5 t
  • Treibstoff: 251 anstatt 241 t
  • Brennkammerdruck: 90 anstatt 64 Bar
  • Neue Treibstoffmischung HTPB 1912 anstatt HTPB 1614 (etwas höherer spezifischer Impuls)
  • Höherer spezifischer Impuls durch längere Düsen, höheren Brennkammerdruck

Insgesamt würde so die Nutzlast um 1.750 kg steigen. Ohne Anpassungen an der Rakete ist diese aber nicht voll nutzbar, so steigt die aerodynamische Belastung um 30 % was eine veränderte Aufstiegsbahn notwendig macht. Realistischerweise kostet das wieder etwas Nutzlast und es bleiben noch 1.000 bis 1.500 kg übrig. Ich rechne mit 1.250 kg.

Das sind dann schon 2.750 kg mehr Nutzlast

ESC-B / EPC

Beim Vinci könnte durch Steigerung des Brennkammerdrucks der Schub leicht auf 200 kN angehoben werden. Die Reserven sind in den Turbopumpen vorhanden, deren geforderte Leistungsdaten zwischen 2002 und 2008 reduziert wurden. Wie viel dies bringt hat die ESA offengelassen. Denkbar wäre nach ESA auch die Nutzung unterkühlter Treibstoffe, die ein etwas höhere Dichten aufweisen. Auch hier wurde offen gelassen was es bringt. Ich habe selbst einmal berechnet und bin zu 1.300 kg mehr Nutzlast gekommen, 500 kg durch mehr Treibstoff in der ESC-B und 800 kg durch mehr Treibstoff in der EPC. Das erscheint mir etwas optimistisch zumal die ESA nur die Möglichkeit bei der EPC ansetzte. Also rechnen wir mal mit 800 kg mehr Nutzlast

Zusammen sind dies 3.550 kg Nutzlast

So komme ich zu fast dem gleichen Ergebnis wie die ESA, die für eine Ariane 5 mit allen Änderungen rund 14-15 t GTO Nutzlast (mit MC 1500G Triebwerk!) errechnet hat. Mit dem MC-1700G komme ich auf 14.950 kg (bei 11.200 kg Vorgabe für die ESC-B). (13.950 kg mit dem MC 1500G). Das deckt sich recht gut mit den ESA Angaben.

Tune me up!

So nun kommen wir zum spekulativen Teil: Wie viel Nutzlast ist möglich? Sicher wenn man zwei Vulcain 2 in die Erststufe einbaut, sechs Booster ansetzt wird es mehr – entsprechende Pläne für eine 50 t Ariane gibt es ja von EADS. Doch ich will das Tunen weitführen in der Form wie bisher – keine entscheidenden Änderungen. Dreh und Angelpunkt ist für mich die Oberstufe und VEB.

Die ESC-B Oberstufe wiegt leer 6.250 kg. (bei 27.500 kg Treibstoffzuladung ) – das ist (Negativ)Rekord! Leider ist offen ob dies die Gesamtmasse der Oberstufe mit Stufenadapter ist oder ohne, bei dem es z.B. bei der ESC-A rund 1.245 kg Unterschied gibt. (4.545 kg zu 3.300 kg). Ich habe daher die Forderung der ESA nach 11.200 kg Nutzlast mit der ESC-B unter Verwendung der bisherigen EPC/EAP genommen und berechnet wie schwer die ESC-B sein darf um dieselbe Endgeschwindigkeit wie die ESC-A mit 9.600 kg Nutzlast zu erreichen. Ich komme auf eine Gesamtmasse von 7.350 kg. Bei einer VEB von 950 kg korrespondiert dies tatsächlich recht gut mit der angegeben Trockenmasse von 6.250 kg.

Hier muss man ansetzen: 7.350 kg Trockengewischt von VEB und ESC-B sind zu viel!

Schweifen wir mal zu einer vergleichbaren Stufe, der zweiten Stufe der Delta 4 mit 5,00 m Durchmesser und dem RL-10B2 Triebwerk. Diese hat mit 27,2 t Treibstoffzuladung fast genauso viel Treibstoff an Bord, wiegt aber nur 3.640 kg leer. Das Vinci Triebwerk wiegt 550 kg, das RL-10B2 nur 310 kg. Rechnet man noch einen Puffer für das Schubgerüst dazu, dann wäre für die ESC-B bei gleicher Technologie also eine Trockenmasse von rund 4.000 kg angemessen – 2.250 kg weniger oder 2.250 kg mehr Nutzlast – mehr als ein neues Vulcain 3 bringt, mehr als komplett neue Booster bringen, nur durch einen Strukturfaktor der bei einer so großen Stufe angemessen ist. Wenn Astrium Bremen es nicht hinbekommt (ihre Vorschläge für Oberstufen der Vega hatten auch 25-29 % Strukturgewicht und senkten dadurch die Nutzlast ab….) dann sollte die ESA eben einen anderen Hersteller auswählen, vielleicht MT Aerospace die auch Strukturen entwickeln, oder der Auftrag wandert nach Frankreich, wo man bei der EPC zeugt dass leichtgewichtige Strukturen möglich sind. Blamabel für Deutschland aber immer noch besser eine konkurrenzfähige Rakete als eine die der Technik hinterherhinkt. Selbst wenn man ein Vibrationsdämpfungssystem in den Stufenadapter einbauen muss (die NASA Lösung bei der Ares I) bleibt noch ein Plus – 100 kg mehr in der EPC korrelieren nur mit 30 kg weniger Nutzlast.

Dabei rede ich nicht von modernster Technik: Die Stufe der Delta ist weder innendruckstabilisiert, noch nutzt sie Li-Al Legierungen. Der erste Effekt ist schwer bezifferbar, aber Li-AL Legierungen (2195 vs. 2219) sind 25 % leichter bei gleicher Beanspruchungswerten. Nimmt man an, dass die Treibstoffranks rund 2/3 der Masse ausmachen, dann können von den 4000 kg so nochmals 750 kg eingespart werden – schon sind es 3.000 kg mehr Nutzlast!

Zuletzt noch zur VEB. Die VEB ist ein Relikt der Ariane Entwicklung. Bei Ariane 1-4 vermittelte sie als strukturelles Element zwischen 2,60 m Drittstufendurchmesser und dem Durchmesser der Nutzlasthülle von 3,20 bzw. 4,00 m. Bei der Ariane 5G übertrug sie die Lasten der EPS auf die Struktur, die dadurch 400 kg leichter sein konnte. Sie wurde auch schon leichter und wiegt bei der Ariane 5 ESC-A nur noch 950 anstatt 1.500 kg bei der Generic Variante. Trotzdem entfallen davon noch 480 kg auf die reine Struktur und nur der Rest auf Elektronik, Batterien, Lageregelungssystem und Triebwerke. Bei den meisten anderen Stufen ist dies in der letzten Stufe integriert – auch bei der ESC-B gäbe es genügen Platz in dem oberen Kreisring, weil der LH2 Tank einen sphärischen Dom hat, also in der Mitte höher ist als am Rand. Wird dies gemacht und die VEB komplett eingespart so denke ich können nochmals 400 kg Nutzlast hinzugewonnen werden: Die kombinierte ESC-B/VEB wöge dann nur noch 3.800 kg anstatt 7.200 kg – in der gleichen Größenordnung wie die zweite Stufe der Delta IV, die auch einen integrierten Bordcomputer in der Stufe hat.

Der lohn sind 3.400 kg mehr Nutzlast -mehr als alle anderen Maßnahmen zusammen erbringen. Das beste: Dies ist heute noch möglich! Die ESA muss nur nicht das Design von Astrium akzeptieren. Als die DLR eine Venus II Studie in Auftrag gab, weil die erste Studie so hohe Strukturmassen aufwies, war plötzlich bei Astrium es auch möglich CFK Werkstoffe einzusetzen und plötzlich geht das was vorher unmöglich erschien….

Zusammengefasst: (Ausgegangen von der ESA Forderung von 11.200 kg für eine Ariane 5 ESC-B):

+ 1.250 kg neue EAP

+ 1.500 kg Vulcain Mark III

+ 800 kg unterkühlte EPC Treibstoffe

+ 3.400 kg neue ESC-B/VEB

macht….

18.150 kg in GTO – vielleicht eine optimistische Angabe, da man wohl das eine oder andere nicht umsetzen wird, oder es sich gegenseitig ausschließt und beeinflusst. (Auf der anderen Seite rechne ich mit den Mindestforderungen der ESA und die 400 kg die Veränderungen an der EPC/EAP bis Ende 2010 für die Ariane 5 ECA bringen sollen wurden außen vorgelassen). Ich denke aber eine leichtgewichtige ESC-B/VEB, die die Nutzlast alleine auf 14-15 t anhebt, sollte möglich sein. Aber vielleicht will das ja auch keiner. Es muss ja noch Argumente für eine Ariane 6 geben, und die fallen um so leichter je näher die an der Ariane 5 liegt (würde man eine Ariane 5 mit 18 t Nutzlast durch eine Ariane 6 mit 3-8 t Nutzlast ersetzen? Ich glaube nicht).

Ansonsten war ich fleißig und habe für meinen Urlaub (11-25.4) für alle zwei Tage kurze Ausschnitte aus meinem neuen ATV Buch online gestellt, die zusammen über Sojus, Progress und MPLM informieren. Ich hoffe das hält die Leser bei Stange. Sie erscheinen alle ungeraden Tage im Blog. Vielleicht füllen Thomas und Kevin, die direkten Zugang zum Blog haben den Rest noch mit einigen ihrer Aufsätze.

3 thoughts on “Ariane 5 – sinnvolle Upgrades

  1. Eine Ariane 6 mit 3 Tonnen Nutzlast könnte man schon gegenüber einer Ariane 5 mit 18 Tonnen Nutzlast rechtfertigen … Zum Beispiel mit einem um 90% niedrigeren Preis. (Wie EADS so eine Rakete für 20-25 Millionen Euro bauen kann, ist natürlich eine ganz andere Frage.)

  2. Das beste Upgrade ist wahrscheinlich gar kein Upgrade. Das beginnt schon damit, dass keine Nutzlast im Bereich von 18t GTO existiert. Es sei denn, man geht zu Dreifachstarts von Kommunikationssatelliten über, was aber zusätzliches Strukturgewicht von geschätzt 1,5 t mit sich bringt und die Zahl der Starts weiter reduziert, so dass Kunden teilweise länger warten müssen und Startkomplex sowie Produktionsanlagen schlechter ausgelastet werden.

    Weiterhin war bei der Ariane V bisher praktisch jedes Upgrade auch mit Fehlern verbunden: VEB (Steuersoftware), Vulcain-I (Rotation), EPS (Verbrennungsinstabilitäten) und Vulcain-II (Lochbrennen) sorgten für hässliche Fehlstarts. Seitdem die Ariane V ESC-A unverändert fliegt, gab es keine Fehlschläge mehr. Zuverlässigkeit ist aber das allerwichtigste Vermarktungsargument für kommerzielle Satellitenstarts.

    Bemühungen sollten also in Richtung auf eine Reduktion der Kosten gehen, um für den Fall, dass SpaceX ihr Baby tatsächlich erst in die Luft und dann in den Orbit kriegen, mit der Falcon 9 konkurrieren zu können.

    Kai

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