Wir bauen uns eine Superrakete

Ares, Saturn V, N-1, Energija – teure Träger für wenige Missionen. Geht’s nicht auch einfacher und um ein paar Milliarden billiger? Klar doch, nur verdienen dann einige Raumfahrtfirmen nicht so viel und Raumfahrtbehörden haben keine neuen, teuren Projekte am Laufen. Der Schlüssel ist das Clustern von Stufen. Ich will mal zeigen wie dies am Beispiel der Ariane 5 Technologie möglich ist.

Stufe 3: Im Inneren steckt die dritte Stufe. Es ist eine normale Ariane 5 EPC.

Stufe 2: Sie wird umgeben von sechs weiteren Ariane 5 EPC. Sie bilden die zweite Stufe

Stufe 3: An jedem dieser sechs EPC sitzen zwei Ariane 5 Booster, nur eben nicht im 180 Abstand (das ist räumlich nicht möglich, sondern an der Außenseite.

Es zünden wie bei Ariane 5 Stufe 2+3 gleichzeitig. Stufe 3 muss später zünden, außer bei Erdorbitmissionen, dafür würden zwei Stufen reichen. Die Nutzlast in diesen Orbit würde bei etwa 135/190 t (zwei/drei Stufen) liegen. Da die Ariane 5 EPC sonst am Boden gezündet wird, also nicht unter Schwerelosigkeit und nicht wiederzündbar ist, gibt es einige Anpassungen. Das erste ist, dass sie unter Beschleunigung gezündet werden muss. Entweder werden dort Vorbeschleunigungsraketen eingebaut, die das erledigen, oder die von mir favorisierte Lösung ist, dass die Zündung erfolgt solange die äußeren EPC noch brennen, z.B. nach 530 s. Dann brennen eben 10 s lang beide Stufen gleichzeitig bis die äußeren Stufen ihren Triebstoff verbraucht haben und abgetrennt werden.

Das zweite ist, das ohne Wiederzündung eine Mondbahn direkt erreicht werden muss. Erst einen Erdorbit erreichen geht nicht. Was geht sind reine Erdorbitmissionen (z.B. für Module einer Marsstation die später gemeinsam gestartet werden) oder direkte Flüge. Eine Oberstufe mit dem Vinci Triebwerk wäre zu schubschwach – man bräuchte 7-8 davon um ein Vulcain zu ersetzen.

Es gäbe allerdings noch eine kleine Tuning Möglichkeit: Da die zentrale EPC nur im Vakuum arbeitet, könnte wie beim Vinci eine Düsenverlängerung zum Einsatz kommen, die vor der Zündung ausgefahren wird. Eine Erweiterung des Expansionsverhältnisses von derzeit 62 auf 240 (wie beim Vinci) müsste den spezifischen Impuls um 150 m/s steigern (extrapoliert von den bekannten Werten für das Vinci Triebwerk). Optimaler wäre eine etwas veränderte Stufungsreihenfolge z.B. 4 – 2 -1 aber da das Vulcain 2 sehr schubschwach ist, ist dies möglich.

Trotzdem erhält man ein Rakete mit einer Nutzlast von über 70 t zum Mond, mehr als bei der Ares V. Bestehend aus Ariane 5 Komponenten kann sogar der Startpreis abgeschätzt werden. Basierend auf den Schätzungen aufgrund der publizierten Auftragshöhen (EAP: 20%, ESC-A, 20%, Rest EPC, VEB, Fairing) und einem Produktionspreis von 130 Millionen Euro pro Ariane 5, würde ein Start einer Ariane 6 „Moonrocket“ etwa 700 Millionen Euro kosten. Eventuell durch die höheren Stückzahlen der benötigten Stufen weniger. Hauptproblem dürfte her sein, dass die Ariane 5 Fertigung auf maximal 10 Träger pro Jahr ausgelegt wurde. Bei 6 normalen Starts pro Jahr wäre so eine Mondmission nur alle zwei Jahre möglich. Aber die Investitionen dafür (und vielleicht generell in eine ökonomischere Produktion), wären wohl klein im Vergleich zu den Entwicklungskosten einer neuen Rakete.

Analoges wäre auch möglich mit der Delta IV CCB oder der Atlas V. Entsprechende Vorschläge gab es ja von Boeing und Lockheed. Das Potential ist wegen fehlender Feststoffbooster etwas geringer, da die Delta IV ja schon drei CCB benötigt um zur Ariane 5 aufzuschließen.

Die Einschränkungen dieser Vorgehensweise ist, dass natürlich die Zahl der Triebwerke recht groß wird. Bei Feststoffboostern ist das noch kein so großes Problem. Sie zählen als sehr zuverlässig und die Delta setzte über 30 Jahre lang jeweils neun Booster pro Start ein, bei zwei Fehlstarts aufgrund der Booster. Schwieriger ist die Koordination von flüssigen Triebwerken und ihre Zuverlässigkeit ist auch statistisch geringer. Je höher die Anzahl ist, desto wahrscheinlicher ist ein Ausfall oder eine Fehlfunktion. Allerdings gibt es eine Reihe von Trägern die mit acht Triebwerken erfolgreich flogen – Ariane 4, Saturn I+IB. Hier sind es sechs Stück -genauso viel wie in der Proton. Ich denke das ist noch eine beherrschbare Zahl.

Rakete: Ariane 12-6-1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
4747396 71796 12000 11000 2283
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 3342000 450000 2701
2 1131600 84600 4256
3 190000 15500 4390

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