Die Vega: sinnvolle Erweiterungen

Wie bei jeder anderen Trägerrakete, hat sich die ESA auch bei der Vega Gedanken gemacht wie man sie weiter entwickeln kann, ähnlich wie dies schon bei Ariane 1-4 und 5 geschah. Die Vorstöße Italiens 2008 eine erste Finanzierung zu bekommen scheiterten, und 2012 wird man es sicher nicht versuchen, steht schließlich noch immer nicht fest wo der Kurs bei der größeren Schwester Ariane 5 gehen soll.

Ich will an dieser Stelle gar nicht alle Pläne durchkauen sondern nur die Essenz. Es gibt prinzipiell zwei Ansätze. Der eine ist es die ersten Stufen zu vergrößern von 80 auf 100 und 23 auf 40 t Treibstoffzuladung. Der zweite ist es das AVUM und/oder die Z9 Stufe zu ersetzen. Das letztere wurde z.B. von der DLR in zwei Studien (VENUS I und II) untersucht und man kam in Venus I zum Schluss, dass eine kryogene Stufe problematisch wird, wegen der Höhe des Trägers und Spitzenbeschleunigung und der Nutzlastgewinn klein oder nicht gegeben ist. Das liegt an den hohen strukturellen Faktoren die EADS Astrium für eine kryogene Stufe errechnete. Bei der Venus II hat man sich auf lagerfähige Stufen konzentriert und da kann ein kleiner Nutzlastgewinn resultieren, dafür müsste aber eine komplette Stufe und ein neues Triebwerk entwickelt werden.

Deutschland war ja bei der Entwicklung der ESA nicht dabei. Offiziell weil man den Markt nicht sieht. Inoffiziell bin ich bei der Recherche zu meinem Buch drauf gestoßen, dass der damalige DLR-Direktor Volker Liebig in einem Vortrag schrieb, dass die Vega der Rockot Konkurrenz macht, die rein zufällig von EADS Astrium Bremen vermarktet wird. Inzwischen hat er das Dokument wohl löschen lassen, aber ich habe es noch auf der Festplatte. Volker Liebig arbeitet inzwischen übrigens bei der ESA und hat Astrium LV Bremen sprich der Rockot schon die Startaufträge für SWARM und Sentinel 2A/3A zukommen lassen. Die letzten beiden vier Tage vor dem Start der Vega.

Allerdings ist die Rockot deutlich teurer geworden, und 2018 erreichen die Raketen das Ende ihrer Lebensdauer. Nun überlegt man beim DLR laut, ob man vielleicht doch noch was tun könnte. Die Pläne sind aber nicht sehr überzeugend. Die eigenen Studien zeigen, dass der Nutzlastgewinn minimal ist. Etwa 10% gegenüber der normalen Vega. Dafür müsste man eine neue Stufe konstruieren oder ein neues AVUM. Beides mit neuen Triebwerken. Das ist bei lagerfähigen Treibstoffen nicht verwunderlich: Die Z9A Stufe hat fast den spezifischen Impuls von lagerfähigen Treibstoffen, liegt aber beim Voll-/Leermasseverhältnis von fast 13 erheblich besser als alle Alternativen die diskutiert wurden. So wird das recht teuer, wird aber nicht viel bringen.

Das einzige Argument für diese Anstrengungen ist die Europäisierung der Rakete. Das Haupttriebwerk kommt ja von KB Junschnoje aus der Ukraine. Die Frage ist natürlich warum das nur bei der Vega gilt, nicht aber wenn man komplette russische Raketen bestellt, da ist dann die Abhängigkeit nicht gegeben? Eine einfache Lösung ist es die Triebwerke auf Vorrat zu kaufen, so wie es Lockheed-Martin beim RD-180 kauft. LM hat immer einen Vorrat für 5 Jahre. Das zweite wäre es einfach das AVUM leicht umzubauen. So kann man das 2,5 kN Triebwerk auch durch zwei Satellitenantriebe von je 0,5 kN Schub ersetzen – je einen pro Tankpaar. Diese brennen etwas länger, doch diese Zeit steht zur Verfügung.

Die Frage ist auch, ob die Vega erweitert werden muss. Mit 1.500 kg in den SSO liegt sie im oberen Bereich der Träger. Rockot und Dnepr als bisher größte genutzte Träger für ESA Nutzlasten liegen darunter. Die US-Träger ebenso. Lediglich chinesische Träger und die PSLV sind etwas besser, doch wurden die von Europa bisher nicht genutzt. Sie reicht also aus. Die meisten geplanten Nutzlasten kommen nicht mal ansatzweise an die Maximalnutzlast heran. Daher wenn man sie erweitern will, dann mit einfachen Schritten.

Vorschlag 1: Eine zusätzliche Zefiro 16 Stufe

Die beiden Oberstufen wurden aus der von 1998-2000 in drei Testzündungen erprobte Zefiro 16 Stufe abgeleitet, indem diese verlängert und verkürzt wurde. Wenn man deren Qualifikation nachholt und sie dann als zusätzliche Stufe zwischen der Z23 und Z9A einfügt, dann resultiert ein Nutzlastgewinn von rund 500 kg oder einem Drittel auf 2.000 kg. Gleichzeitig sinken die Spitzenbeschleunigungen, die heute bei der Z9A Stufe auftreten. Die Stufe würde die Rakete um rund 5 m verlängern. Es ist zu prüfen ob dies mit der aerodynamischen Belastung noch vereinbar ist. Doch auch die P100 Stufe würde die Rakete verlängern, sodass ich hier keine großen Probleme sehe.

Vorschlag 2: zusätzliche Z23 Booster

Eine schon angedachte Erweiterung ist es einfach die erste Stufe um zwei oder vier Booster zu ergänzen, die aus der zweiten Stufe bestehen. Dies hat den Vorteil, dass keine neuen Entwicklungskosten entstehen und deren Produktionszahlen ansteigen. Der Nachteil ist, dass die Z23 Stufe eine kurze Brennzeit hat und so eine sehr hohe Beschleunigungsspitze entsteht. Schon zwei Booster steigern diese um 60%. Bei vier sind es 120%. Daher sollte man diese Lösung fast schon zwingend mit der Z16 Stufe kombinieren um durch diese zusätzliche Masse die Spitzenbeschleunigung abzumildern.

Eine zweite Lösung ist ein anderes Profil, z.B. die Brennzeit von 72 auf 110 s (die der ersten Stufe) anheben und somit die Spitzenbeschleunigung abzusenken.

Was bringt es?

Basierend auf den bekannten Stufendaten und der Annahme, dass die derselbe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll, komme ich auf folgende Nutzlasten:

Rakete Nutzlast SSO 700 km
Vega 1.500 kg (Referenz)
Vega + Zefiro 16 1.960 kg
Vega + 2 x Zefiro 23 Booster 2.210 kg
Vega + 2 x Zefiro 23 Booster + Zefiro 16 2.770 kg
Vega + 4 x Zefiro 23 Booster 2.850 kg
Vega + 4 x Zefiro 23 Booster + Zefiro 16 3.510 kg

Die Zahlen sind konservativ, so ist nicht berücksichtigt, dass die Vega durch den Einsatz der Z9A Stufe 60 kg mehr Nutzlast aufweisen wird, aber deren Stufendaten wurden schon in der Berechnung verwendet.

Ich persönlich würde den Einsatz der Zefiro 16 Stufe befürworten. Sie ist der Schritt mit den geringsten Risiken. Weiterhin senkt sie die Spitzenbelastung für die Nutzlast und erhöht sie nicht wie die anderen Alternativen. Sie ist zudem effizient: eine um 12,5% höhere Startmasse korreliert mit 33% mehr Nutzlast. Also wenn man mehr Nutzlast braucht, dann ist dies wohl die einfachste Möglichkeit. Ob man so viel braucht, damit es gleich 3,5 t werden (die Sojus liegt bei 4,9 bis 5,4 t in den SSO) muss diskutiert werden. Bisher gibt es nicht die Nutzlasten dieser Klasse innerhalb Europas.

Die Zukunft der Vega hängt vor allem davon ab, dass sie nicht nur von der ESA sondern auch anderen europäischen Staaten genutzt wird. Deutschland war bisher der beste Kunde russischer Startservices. Das verwundert nicht, gab es schon in den neunzigern Skandale, als die Telekom lieber ihre Satelliten mit der Delta startete als der Ariane. Geiz ist eben auch bei der DLR geil, zumindest was Träger angeht. Was bemannte Raumfahrt und teure Frachttransporter ansieht, da zählt das Argument weitaus weniger. Frankreich hat gerade im Dezember den ersten Pleiades Satelliten gestartet – mit 1.000 kg Gewicht wäre er genau in der Nutzlastklasse der Vega. er startete auf der Sojus, denn was die Rockot für die DLR ist, ist die Sojus für Frankreich. Die CNES hat ja sogar den Startplatz für die Sojus in Kourou finanziert (55% der Gesamtkosten kamen von der CNES).

Und das ist das Hauptproblem der Vega – Stichwort Europa der nationalen Eigenmächtigkeiten

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