Alternativvorschlag zur Ariane 6

Heute ein Gastblog von Niels Harksen:

Ariane 6 Alternative:

In diesem Blogeintrag möchte ich meinen Vorschlag für eine modulare Ariane 6 vorstellen. Mein Ziel bei der Erarbeitung war es, einen breiten Nutzlastbereich von der Vega bis hin zur Ariane 5 ECB und darüber hinaus abzudecken, wobei dies mit möglichst wenig verschiedenen Stufen geschehen sollte.

Ansatz:

Die Rakete besteht zum einen aus zwei Arten von Feststoffstufen, wobei die Kleinere aus einem, die Größere aus zwei Segmenten besteht. Als Oberstufe kommt dagegen eine O2/H2-Stufe zum Einsatz. Dadurch wird gewährleistet, dass für alle Bahnen eine gute Leistung erzielt wird. Da die Feststoffstufen einen hohen Schub aufweisen, ist es möglich sie auf vielfältige Weise zu stapeln oder nebeneinander anzuordnen. Somit kann ein breites Nutzlastspektrum abgedeckt werden.

Zunächst werden die einzelnen Bauteile kurz vorgestellt:

 

Feststoffstufen:

Hier habe ich mich an dem P80 Motor der Vega orientiert, was auch die Beschaffung von Daten einfacher machte. Somit steht die grundlegende Technik fest:

-das Gehäuse wir aus Verbundwerkstoffen gefertigt, wodurch dass Voll/Leermasseverhältnis gut ist und die Herstellungskosten verringert werden können,

-das Schwenken der Düse erfolgt elektrisch.

Es gibt zwei Arten von Motorgehäusen, wobei das längere Gehäuse dem kleineren mit doppeltem Mittelstück entspricht, während der obere und der untere Abschluss gleich bleibt. Gegenüber der Vega ist der Stufendurchmesser mit 3,8m höher, um die Gesamthöhe des Trägers zu verringern. Ich habe die Stufen nach ihrer gerundeten Startmasse mit P104 beziehungsweise P208 benannt. Es gibt weiterhin jeweils eine Variante mit niedrigem (N) und eine mit hohem (H) Schub, welche dann eine andere Abbrandgeometrie und eine modifizierte Treibstoffmischung verwendet. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Düsen für P104 und P208. Eventuell sind jedoch für die Stufen mit erhöhtem Schub Sonderanfertigungen vonnöten.

 

Version P104N P104H P208N P208H
Gesamtgewicht in t

104,79

104,79

208,70

208,70

Gesamthöhe in m

7,28

7,28

13,46

13,46

leer in t

8,29

8,29

15,60

15,60

trocken in t

7,79

7,79

14,70

14,70

Treibstoff in t

97,00

97,00

194,00

194,00

Schub in kN

2300,00

3300,00

4600,00

6600,00

Brenndauer in s

115,17

80,27

115,23

80,31

Spezifischer Imp. Boden in m/s

2300,00

2300,00

2300,00

2300,00

Vakuum in m/s

2745,00

2745,00

2745,00

2745,00

Motorgehäuse Masse in t

4,09

4,09

8,10

8,10

Durchmesser in m

3,80

3,80

Länge in m

5,38

5,38

10,76

10,76

Düse Masse in t

2,50

2,50

5,00

5,00

Länge (nur überstehender Teil)

1,20

1,20

2,00

2,00

Schwenk-mechanismus Masse in t

0,70

0,70

0,70

0,70

Unterteil Masse in t

0,50

0,50

0,90

0,90

Länge inkl. Düse in m

0,70

0,70

0,70

0,70

Treibstoffreste Masse in t

0,50

0,50

0,90

0,90

 

Anmerkung: Ich bin der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass die größere Stufe die doppelte Treibstoffmenge der kleineren aufnimmt, was allerdings nicht ganz stimmt, in Wirklichkeit wäre es etwas weniger. Der Schwenkmechanismus ist für beide Versionen gleich, für die kleinere Version also etwas überdimensioniert.

Zwischenstufen:

Wie schon erwähnt, können mehrere Feststoffstufen übereinander „gestapelt“ werden, es werden also verschieden stark belastbare Zwischenstufen benötigt. Diese haben neben der Verbindungsfunktion natürlich auch noch die Aufgabe der Rollkontrolle. Die mit „BoosterKlein“ beziehungsweisen „BoosterGroß“ benannten Zwischenstufen dienen zur seitlichen Befestigung, außerdem wurde zu ihnen noch ein 2m hoher Nasenkonus hinzugezählt.

 

 

Adapter max. Last

30

104+30 208+104+30 Booster 104 Booster 208
Name „SuperKlein „Klein“ „Groß“ „KoosterKlein“ „BoosterGroß“
Abkürzung SK K G BK BG
Masse in t

0,5

1,6

4

1

1,4

Länge

4,5

1,5

2,5

2

2

 

 

Oberstufe:

Die Oberstufe verwendet die Treibstoffkombination Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff. Als Antrieb dient das Vinci-Triebwerk. Es sollte, um bei den kleineren Kombinationen (z.B. 12, siehe Übersicht der Varianen) die Gravitationsverluste nicht zu groß werden zu lassen, im Schub gesteigert werden. Sollte dies nicht gelingen, ist dass allerdings kein wirkliches Problem, notfalls werden die Tanks halt nur teilweise gefüllt. Die Bauweise der Stufe orientiert sich an der Centaur, es gibt also für den Treibstoff- und den Oxidatortank einen gemeinsamen Zwischenboden und es wird die Druckstabilisierung angewendet.Die zylindrischen Tanks enden nach oben hin in einer Halbkugel. Ich denke, dass so trotz der infolge der Vibrationen durch die Feststoffstufen nötigen Verstärkungen ein Masseverhältnis von 7,5:1 erreichbar ist. Die gesamte Steuerung der Stufe wie auch der Rakete befindet sich unterhalb des Tanks in einer ringförmigen Elektroniksektion. Dadurch kann man sich eine separate VEB sparen. Die Nutzlastverkleidung ist direkt auf dem Tank auf einem äußeren Befestigungsring angebracht. Der Satellitenadapter hingegen ist auf einem weiter innen liegenden Ring befestigt. Somit ist der Abschluss zur Nutzlastspitze aus Sicht der Oberstufe immer gleich und es ist möglich, verschiedenste Fairings ohne Änderungen der Oberstufe zu verwenden. Der Buchstabe F steht in der Benennung für flüssig, die Zahl für die Gesamtmasse.

 

Stufe F30
Vollmasse in t 30,0
Leermasse in t 4,00
Höhe in m 11,8
Isp in m/s 4560
Brenndauer in s 5928
Schub in kN 200
Durchmesser in m 3,80
Tanklänge in m 9,33
Treibstoff/Oxidator H2/O2
Höhe Triebwerk+Schubgerüst 2,50

 

Nutzlastverkleidungen:

Es gibt drei Nutzlastverkleidungen mit 3, 4 und 5 Meter Durchmesser und Längen von 7,5, 9,5/11 und 12/14/17 m Länge. Für die Versionen mit großer GTO-Nutzlastkapazität gibt es selbstverständlich auch eine Doppelstartvorrichtung.

Die Masse beträgt bei der kleinen Verkleidung 0,52, der mittleren 0,75/0,81 und der großen 1,4/1,6/2,0 t.

Varianten:

Nun zum eigentlich spannenden Teil: Welche Varianten ergeben sich jetzt daraus?

Dank des hohen Schubes von Feststofftriebwerken kann man diese wie schon erwähnt sehr gut stapeln und so kann die Nutzlast auch ohne Booster recht fein variiert werden. Für die Nummerierung der Varianten gilt folgende Regel:

-erste Ziffer (kann entfallen): Anzahl der P208-Antriebe

-zweite Ziffer: Anzahl der P104-Antreibe

-dritte Ziffer: Anzahl der Stufen

Ich habe nicht alle Varianten aufgeführt, so wäre z.B. auch die Kombination „124“ möglich. Wird in einer Stufe ein Motor mehrfach verwendet, so besteht die Stufe aus mehreren um eine Zentralstufe gebündelten Antrieben (wie bei der brasilianischen VLS oder der Delta IV Heavy). Ich bin von Aufstiegsverlusten von 1400m/s ausgegangen. Für die Modelle „23“ und „214“ dagegen habe ich wegen der niedrigeren Startbeschleunigung 1600m/s angesetzt. Für den LEO habe ich 7790m/s, für den GTO 10250m/s als zu erreichende Geschwindigkeit angenommen. Für die ersten Stufen ist als spezifischer Impuls stets 2600 m/s angegeben, um die niedrigeren Ausströmgeschwindigkeiten auf Meereshöhe zu berücksichtigen. Ich habe stets die theoretische LEO-Maximalnutzlast angegeben. Sinnvollerweise sollte sie auf etwa 24t begrenzt werden um Strukturgewicht insbesondere in der Oberstufe einsparen zu können.

Modell

12

23

113

43

214

314

414

514

Gesamtmasse in t

134,5

240,1

344,1

449,5

556,3

762,9

972,3

1181,7

Höhe ohne Nutzlast-spitze in m

23,6

32,4

38,6

23,6

54,6

31,3

31,3

31,3

Nutzlast LEO in t

4,9

8,8

13,5

15,1

17,8

24,8

29

34

Nutzlast GTO in t

0,7

2,7

4,9

5,6

7

10,1

12,2

14,1

Nutzlast-verkleidung Höhe*Durchmesser in m   7,5*2,9   7,5*2,9   9,6*4   11*4   14*5   14*5   17*5   17*5
Masse

0,52

0,52

0,75

0,81

1,4

1,6

2

2

Stufe 1 1*P105N 1*P105H 1*P209N 3*P105N 1*P209H 2*P209N 3*P209N 4*P209N
voll

104

104

208

312

208

416

624

832

leer

8,3

8,3

15,6

24,9

15,6

31,2

46,8

62,4

Isp

2600

2600

2600

2600

2600

2600

2600

2600

Brenndauer in s

115

80

115

115

80

115

115

115

Schub

2300

3300

4600

6900

6600

9200

13800

18400

Höhe

7,3

7,3

13,5

7,3

13,5

13,5

13,5

13,5

Adapter 1*SK 1*K 1*K 3*BK 1*G 2*BG 3*BG 4*BG
Masse

0,5

1,6

1,6

3

4,2

2,8

4,2

5,6

Höhe

4,5

1,5

1,5

2

2,5

2

2

2

Stufe 2 1*F30 1*P105N 1*P105N 1*P105N 1*P209N 1*P209N 1*P209N 1*P209N
voll in t

30

104

104

104

208

208

208

208

leer in t

4

8,3

8,3

8,3

2600

2600

2600

2600

Isp in m/s

4560

2745

2745

2745

2745

2745

2745

2745

Brenndauer in s

592

115

115

115

115

115

115

115

Schub in kN

200

2300

2300

2300

4600

4600

4600

4600

Höhe in m

11,8

7,3

7,3

7,3

13,5

13,5

13,5

13,5

Adapter 1*SK 1*SK 1*SK 1*K 1*K 1*K 1*K
Masse in t

0

0,5

0,5

0,5

1,6

1,6

1,6

1,6

Höhe in m

4,5

4,5

4,5

1,5

1,5

1,5

1,5

Stufe 3 1*F30 1*F30 1*F30 1*P105N 1*P105N 1*P105N 1*P105N
voll in t

30

30

30

104

104

104

104

leer in t

4

4

4

8,3

8,3

8,3

8,3

Isp in m/s

4560

4560

4560

2745

2745

2745

2745

Brenndauer in s

592

592

592

115

115

115

115

Schub in kN

200

200

200

2300

2300

2300

2300

Höhe in m

11,8

11,8

11,8

7,3

7,3

7,3

7,3

Adapter 1*SK 1*SK 1*SK 1*SK
Masse in t

0,5

0,5

0,5

0,5

Höhe in m

4,5

4,5

4,5

4,5

Stufe 4 1*F30 1*F30 1*F30 1*F30
voll in t

30

30

30

30

leer in t

4

4

4

4

Isp in m/s

4560

4560

4560

4560

Brenndauer in s

592

592

592

592

Schub in kN

200

200

200

200

Höhe in m

11,8

11,8

11,8

11,8

 

Vorteile:

Der Hauptvorteil liegt natürlich in der Serienfertigung. Die Oberstufe ist immer gleich und die große und die kleine Version des Feststoffantriebs unterscheiden sich nur durch das ein- oder zweifach ausgeführte Mittelstück. Es werden nur verschiedene Düsen und Adapter benötigt. Dafür können jedoch Einzelstarts in den GTO durchgeführt werden, ohne auf die Möglichkeit von Doppelstarts oder den Transport von großen Nutzlasten in einen niedrigen Erdorbit verzichten zu müssen. Sollte die kleinste Version kostenmäßig mit der Vega vergleichbar sein (trotz höherer Nutzlast), so könnte man auch diese ersetzten. Das ist gar nicht so abwegig, schließlich gab es schon Studien ob eine auf dem Vinci basierende Stufe die bisherigen Oberstufen ersetzten und Kosten senken kann (so weit ich weiß war das Ergebnis positiv).

Nun noch der Vergleich mit der Ariane 5 ECB, mit der ECA fällt er etwas besser aus: Die Oberstufen unterscheiden sich von den Kosten her wohl kaum. Zwei P208 und ein P104 entsprechen etwa den beiden EAP. Solange die verbliebenen zwei P208 nicht teurer sind als eine EPC, wovon ich ausgehe, hätte man einen Vorteil.

Bisher ging es nur um die Produktionskosten, es darf allerdings auch nicht vergessen werden, dass durch die Verwendung eines universellen Startkomplexes statt insgesamt drei Startrampen für Sojus, Vega und Ariane 5 nur noch eine benötigt wird und unterhalten werden muss.

21 thoughts on “Alternativvorschlag zur Ariane 6

  1. Moin,

    interessantes Gedankenspiel – ich mach so was auch häufiger und hab dafür mein eigenes kleines http://kephra.de/rokot/ AWK Script zum nachrechnen 😉

    Als Eingabe für das Modell 12

    lat 6
    mass 1 104.5
    empty 1 8.3
    isp 1 2300
    sec 1 115
    alt 1 90
    mass 2 30
    empty 2 4
    isp 2 4560
    sec 2 592
    alt 2 200
    mass 3 4.9

    Kommt als Ausgabe raus, dass diese Konfiguration in den Orbit kommen könnte.

    1 : 0.0 km 139.400 ton 460.46 m/s 1924.0kN thrust 1.4 to 4.5 g 115.0 seconds
    -> 90.0 km 43.200 ton 2809.18 m/s offperigee (-5929.7-90.0) km
    2 : 90.0 km 34.900 ton 2809.18 m/s 200.3kN thrust 0.6 to 2.3 g 592.0 seconds
    -> 200.0 km 8.900 ton 8872.05 m/s orbit (200.0-5755.3) km 2h:29m:54.0s
    3 : 200.0 km 4.900 ton 8872.05 m/s orbit (200.0-5755.3) km 2h:29m:54.0s

    Aber, was ist jetzt der richtige ISP für die erste Stufe 2300m/s oder 2600m/s?
    Zudem passen Schub, Sekunden, ISP, Voll und Leermasse in der ersten Stufe nicht zusammen.
    Bei einem ISP von 2300m/s komme ich nur auf einen Schub von 1924kN, und nicht auf 2300.
    Der 2300er Schub passt noch nicht mal auf einen 2600er ISP.

    Die zweite Stufe sackt vollgetankt etwas durch, da sie nur 0.6g liefert muss sie vor dem Apogäum gezündet werden. Das Apoäum der ersten Stufe muss daher etwas höher als das geplante Perigäum sein. Diese Feinheiten werden leider von meinem Script ignoriert.

    alt 2 210
    rest 2 45

    1 : 0.0 km 139.400 ton 460.46 m/s 1924.0kN thrust 1.4 to 4.5 g 115.0 seconds
    -> 90.0 km 43.200 ton 2809.18 m/s offperigee (-5929.7-90.0) km
    2 : 90.0 km 34.900 ton 2809.18 m/s 200.3kN thrust 0.6 to 1.9 g 547.0/592.0 seconds
    -> 210.0 km 10.876 ton 7909.60 m/s orbit (210.0-652.5) km 1h:33m:2.2s
    3 : 210.0 km 4.900 ton 7909.60 m/s orbit (210.0-652.5) km 1h:33m:2.2s

    Wenn ich den Orbit etwas anhebe, könnten noch 45 Sekunden im Tank über bleiben.
    Ist die Oberstufe mehrfach zündbar?

    ciao,Michael

  2. Dieses Konzept ist zwar von der Fertigung her optimal, hat aber den Nachteil daß sämtliche Stufen neu entwickelt werden müssen.
    Hier ein anderes Konzept, das weitgehend mit schon vorhandenen Stufen auskommt:
    Kombination der Vega mit Ariane-Boostern.
    Die kleinste Version würde eine Vega auf einen Ariane-Booster setzen. Für LEO-Missionen wären 3, für GTO-Missionen 4 Stufen sinnvoll.
    Wenn es etwas mehr sein soll, werden am zentralen Ariane-Booster seitlich noch 2 bis 6 weitere angebaut.
    So könnte mit minimalem Entwicklungsaufwand ein einsatzfähiger Raketen-Baukasten entstehen. Später könnte das System dann durch eine neu zu entwickelnde Oberstufe ergänzt werden, zum Beispiel die von Bernd vorgeschlagene F30.
    Aber auch damit wäre noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht. Mit der für die Liberty entwickelten Oberstufe auf einem Bündel von Ariane-Boostern hätte Europa eine eigene Schwerlastrakete.

  3. PS: Ich hab mal den Rest nachgerechnet.

    Der Oberstufe würde es bei allen Konfigurationen gut tuen, wenn sie mehr Schub liefert. Das Modell 23 und 113 hebt nur sehr langsam vom Boden ab, die Modelle 214 und 314 am Anfang erstmal gar nicht. Wenn bei der 113 und 314 H Triebwerke eingesetzt werden könnte das besser passen, und die 23 und 113 sollten besser nur auf dem Papier starten.

    Eine Eingabe für mein AWK Script für alle Raketen findet sich auf:
    http://kephra.de/rokot/bl-aa6-rok.txt

  4. An Michael K:
    Ja, die Oberstufe ist wiederzündbar, was ja ein Grund für die Vinci-Entwicklung war. Sie haben natürlich recht, dass der Schub der Oberstufe recht gering ist. Ich habe bei der Erstellung zunächst auch mit einem neuen Expander-Cycle Triebwerk der 250-300kN-Klasse gerechnet, bin dann aber zur Reduzierung der potentiellen Entwicklungskosten auf das Vinci umgestiegen. Der Königsweg wäre natürlich eine Neuentwicklung.
    Für die verschiedenen Isp-Angaben muss ich mich entschuldigen, hier reiche ich mal kurz nach wie ich gerechnet habe:
    Für die Brenndauer habe ich mit 2745m/s und einem Durchschnittsschub im Vakuum von 2300kN gerechnet.
    Der Schub ist beim Start etwas höher und fällt dann ab, man kann also durchaus von 2300/4600kN oder mehr trotz des am Boden geringeren Isp ausgehen. Der Isp beträgt dabei 2300 m/s, der Anfangschub im Vakuum würde also bei etwa 2745/5490kN liegen.
    Die 2600m/s habe ich nur als Mittelwert für die erste Stufe meiner Raketengrundgleichungs-Tabelle genommen, davon bitte nicht verwirren lassen.

    Nun zum Startschub:
    Nimmt man als Startschub 2300kN bzw. mehr für die anderen Varianten, so können die einzelnen Kombinationen schon abheben, auch wenn die Startbeschleunigung mitunter recht gering ist (außer ich habe irgendetwas übersehen). Die angesetzten Gravitationsverluste sind somit vielleicht zu gering. Für die Version 214H kommt man z.B. auf Startschub 660t/Startmasse 565t =rund 1,17g. Bei der Version 314 dürften rund 1,2g herauskommen. Wie schon erwähnt, setzte ich den angegeben Feststoffstufenschub eben auch als Startschub an. Notfalls bleibt ja immer noch die Option anderer Abbrandgeometrien und Treibstoffmischungen. Natürlich wäre es aber sinnvoller, insbesondere bei der Version 314 in der ersten Stufe den P208H statt der N-Version einzusetzten.

    An Elendsoft:
    Ich habe insbesondere auf die Senkung der Fertigungskosten abgezielt. Bei vielen Starts müssten sich Neuentwicklungen rechnen, da ein nach der Vega/Kohlefasertechnologie gefertigter Motor eben billiger ist als der Ariane 5-Booster und es viele Gleichteile zwischen P104 und P208 gibt, was beide natürlich verbilligt.

  5. Nun noch ein Nachtrag zu den Kosten:
    Um den Produktionspreis für die Feststoffraketen abzuschätzen, habe ich den Anteil der Feststoffbooster an den Produktionskosten genommen (Referenz: http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2011/03/20/die-senkung-der-transportkosten-teil-2/ )
    Nehmen wir also an, dass der P208 15 Mio. Euro kostet, so dürfte der P104 etwa 10 Mio. kosten. Für die Oberstufe kann man 20 Mio. ansetzten.
    Somit betragen die Produktionskosten für die wichtigsten Versionen:
    -23: 40 Mio -könnte der Sojus Konkurrenz machen
    -214: 60 Mio. -gute Konkurrenzfähigkeit gegenüber der Proton
    -414: 90 Mio. -um einiges günstiger als die Ariane 5 ECB
    Dazu kommen natürlich noch die Startkosten. Auf der anderen Seite sind sind die Kosten für die Feststoffstufen recht hoch angesetzt. Wenn der Preis wie von Herr Leitenberger angegeben für einen Ariane 5 Booster 12,5 Mio. Euro beträgt, so sind die Kosten mit 15 Millionen Euro pro P208 recht hoch angesetzt, zumal ja eine neuere Technologie sowohl für das Gehäuse als auch für den Schwenkmechanismus eingesetzt wird.

  6. Moin Niels,

    *ok* Du verwendest eine Oberstufe die schon existiert, und deshalb nicht wirklich ins Konzept passt. Gleicher ISP, Voll und Leermasse, aber 300 Sekunden Brennzeit und 400kN Schub würden besser passen.

    Ich hab mal die Berechnungen, Eingaben und Ausgabe auf http://kephra.de/rokot/bl-aa6.html hochgeladen.

    Das Flugprofil des einstufigen Model 12 ist, dass der Booster die Oberstufe auf eine ballistische Bahn mit 90km Apogäum bringt, und die Oberstufe zwei mal zünden muss, um zum ersten diese ballistische Bahn anzuheben, und zum zweiten im Apogäum dieser Bahn, um daraus das Perigäum eines Orbits zu machen.

    Die zweistufigen Modelle schaffen es mit der ersten Stufe gerade mal 50km. Senkrecht nach oben wäre bei der Model 23 nur 64km. d.h. die Zweitstufen dieser Reihe brauchen eine andere Düse da sie am Anfang immer noch nicht im Vakuum sind.

    Die vierstufigen Modelle kommen mit der ersten Stufe nur auf 30km, d.h. hier hat die zweite Stufe in jedem Falle noch über atmosphärischen Druck zu expandieren.

    Allgemein sind entweder deine Schubangaben am Boden viel zu hoch. Bei gegebenen ISP hast Du dich entweder bei der Brennzeit, oder beim Schub der Erststufen komplett verrechnen. Kritisch ist dies bei den ersten Stufen, weil manche davon kaum vom Boden hochkommen.

    Mal als Vergleich mit einem ISP von 2300 gerechnet:

    model 12 1914.0kN thrust 115.0 seconds vs. 2300kN
    model 23 2751.4kN thrust 80.0 seconds vs. 3300kN
    model 113 3848.0kN thrust 115.0 seconds vs. 4600kN
    model 43 5742.0kN thrust 115.0 seconds vs. 6900kN
    model 214 5531.5kN thrust 80.0 seconds vs. 6600kN
    model 314 7696.0kN thrust 115.0 seconds vs. 9200kN
    model 414 11544.0kN thrust 115.0 seconds vs. 13800kN
    model 514 15392.0kN thrust 115.0 seconds vs. 18400kN

    Bei Zweitstufen scheint deine Rechnung für das Verhältnis von ISP, Schub, Brennzeit, Leer und Vollgewicht im Rahmen zu sein.

    Ich sehe in deiner Idee zwei Probleme:
    Die Erststufen liefern zu wenig Schub, weil mit Vakuumschub am Boden gerechnet wurden. Und die Oberstufe hat zu wenig Schub.

    Wenn ich die Zeiten der Erststufen auf 95 bzw 66 statt, 115 und 80 Sekunden ändere, so komm ich auf Deine Schubwerte. Aber das sind bei Feststoffrakten dann pro Größe jetzt 4 verschiedene Triebwerke, so dass ich 9 verschiedene Triebwerke für 8 Raketen brauche. Zudem sollte die Oberstufe 400kN Schub geben, damit das Model 12 funktioniert. wo die Oberstufe auch Hubarbeit machen muss.

    Ohne diese Änderungen sind die Modelle 12, 23 und 214 zu streichen. Die anderen Modelle sollten einen 80 Sekunden Booster in ihrer Erststufe verwenden, um vernünftig vom Boden abzuheben.

    Auf meiner Seite ist die Original Rechnung als bl-aa6-*, die angepassten Zeit als mk-aa6-*, und die mit 80 Sekunden Boostern überarbeiteten Reste als nh-aa6-* zu finden.

    ciao,Michael

  7. Nachtrag – ich hab die Flugprofile in der nh-aa6-* nochmal verbessert. Das M12 schaft es mit der ersten Stufe auf ballistische 210km Apogäum, damit reicht jetzt auch für die M12 die schwache Oberstufe. Einzig M23 und M214 habe ich gestrichen, weil schon der 80 Sekunden Booster verwendet wurde, und der nicht reicht. Bei allen Modellen ab der 113 sind in der ersten Stufe jetzt 80 Sekunden Booster drin.

    Das Flugprofil der Zweistufigen Raketen ist 210km, Orbit anpassen, der Dreitstufigen 90km, 210km, Orbit anpassen, und der Vierstufigen 90km, 150km, 210km, Orbit anpassen.

  8. Noch ein Nachtrag:

    Ich hab mal die GTO’s nachgerechnet http://kephra.de/rokot/gt-aa6-out.txt

    Als Erststufen die 80 Sekunden Booster verwendet, als Zweit- und Drittstufen die 115 Sekunden Booster. Als Oberstufe wird die Vega auf 41 Tonnen Voll/5 Tonnen Leer mit einer Brennzeit von 820 Sekunden verlängert. Dann komme ich auf GTO Nutzlasten von 7.6t für die 113, 9.8t für die 43, 13.2t für die 314, 17t für die 414, und 19.8t für die 514.

  9. Was die Brennzeiten betrifft, haben sie recht, ich hoffe das ich meinen
    Denkfehler jetzt erkannt habe.
    Das wirft aber nicht unbedingt das ganze Konzept über den Haufen. Ich habe hier noch einmal die Angaben überarbeitet:
    P104N: Bodenschub 2300kN, Isp 2300m/s
    Vakuumschub 2745kN, Isp 2745m/s
    Brenndauer 96s
    P104H: Bodenschub 3300kN, Isp 2300m/s
    Vakuumschub 3938kN, Isp 2745m/s
    Brenndauer: 67s
    P208N: Boden 4600kN
    Vakuum 5490kN
    Brenndauer: 96s
    P208H: Boden: 6600kN
    Vakuum: 7876kN
    Brenndauer: 67s

    Vielen Dank an Michael K. für das Nachrechnen!

    An der Anzahl der benötigten Düsen ändert sich
    nichts, es bleibt bei 2 bzw. 4, wenn für die H-Versionen Sonderanfertigungen nötig sind. Natürlich würde eine an das Vakuum angepasste Düse einen Nutzlastgewinn bringen, aber ob sich das auch finanziell lohnt?

    Das Problem bei einem 400kN Oberstufen-Triebwerk wäre, dass es wohl kaum noch das Expander-Cycle Verfahren nutzten könnte. Um das Problem des geringen Schubes insbesondere bei der Version 12 zu umgehen , könnte man ja die Stufe nur teilweise befüllen. Man müsste halt
    ausrechnen, ob infolge der geringeren Gravitationsverluste so Nutzlastgewinne zu erzielen sind oder das schlechtere Voll/Leermasseverhältnis überwiegt. Auf jeden Fall aber habe ich die Aufstiegsverluste hier zu niedrig angesetzt.

    Ihr Vorschlag zu Vergrößerung der Oberstufe ist gut, allerdings hat man dann zwei Oberstufen, die produziert werden müssen.
    Wenn man es geschickt macht, dürfte das kein Problem sein(Aufbau der Tanks aus standardisierten Teilen, wie es Herr Leitenberger für seine Ariane 6 Alternative vorgeschlagen hat). Dies bringt wahrscheinlich einen Kostenvorteil, da man sich so einen Feststoffmotor (15 Mio. Euro) sparen kann.

  10. Moin Niels,

    jo – das nachrechnen macht Spass 😉

    Also ich würde die Modell 23 und 214 streichen, die 80 Sekunden Booster als Erststufen, und die 115 Sekunden Booster als Zweit- und Drittstufen. Alle Feststoffträger liefern ihre Oberstufe mit einem ballistischen 210km Apogäum aus, d.h. die schwachbrüstige Oberstufe ist nicht so schlimm, wie zuerst gedacht.

    Produziert werden muss also die P105N P105B P209N P209H. Die N Booster haben Düsen für Vakuum, und die H und B Booster für Atmosphäre. Die B und N Booster brennen 115 Sekunden, die H Booster 80 Sekunden. Der B Booster wird bei der 12 und 43 verwendet, der H Booster bei der 113, 314, 414 und 514. D.h drei verschiedene Booster mit 4 verschiedenen Düsen. Ob es Sinn macht nur für die 9 und 17 Tonnen Nutzlast nochmal extra zwei verschiedene Booster zu entwickeln glaub ich nicht.

    ciao,Michael

  11. Vom Stufenverhältnis wäre es günstiger, wenn die großen Stufen aus 3 Segmenten statt 2 bestehen. Bei den größten Modellen wäre dann alerdings eine 30t-Oberstufe etwas mickrig.

  12. Ich habe auch noch ein wenig gerechnet, insbesondere was die GTO-Nutzlasten mit größerer Oberstufe betrifft. Sie geben beispielsweise für „514“ 19,8t GTO-Nutzlast an, was, wenn nicht wieder ich mich verrechnet habe :-),definitiv zu viel ist. Ich komme eher auf 15,5-16t bei recht niedrigen 1400 m/s Verlust. Gleiches gilt wahrscheinlich auch für die anderen Varianten. Was ich nicht ganz verstehe, ist wieso sie unbedingt die 214 und 23 streichen wollen, nach der Überarbeitung der Booster können sie jetzt doch eigentlich abheben. Notfalls muss man die H-Version halt nochmal im Schub steigern. Wird nicht die Option ihrer großen Oberstufe verwendet, so ist insbesondere die 214 als „Proton-Gegner“ sehr wichtig.
    An das Vakuum angepasste Düsen sind eine Überlegung wert, ich denke wenn man alles ebenfalls standardisiert und so die gleichen Maschinen verwenden kann, ist das von den Kosten her kein Problem. Hauptsache man bekommt die Düsen noch in die Zwischenstufe, aber das lässt sich machen, schließlich wird ja ein großer Durchmesser verwendet. Verzichtet man darauf, so könnte man vielleicht sogar mit nur zwei Düsen auskommen, schließlich unterscheiden sich „H“ und „N“ im Schub um weniger als 50 Prozent, aber das ist nur Spekulation. Möglich wäre auch die Verwendung gleicher Düsen bei P104H und P208N,hier ist der Unterschied noch geringer, man könnte sich die P208N-Version vielleicht sogar ganz sparen. Wenn zum Ende hin der Schub genug abfällt, hält sich auch die g-Belastung bei Verwendung der H-Version in Grenzen.

    Zu den Drei-Segment Boostern: Ebenfalls denkbar, es gibt halt sehr viele Möglichkeiten. Ich habe auch mal eine Rakete mit gebündelten 4-Segment-Feststoffstufen und einer mit 4-5 Triebwerken ausgestatteten Oberstufe als Schwerlastträger durchgespielt.

    Noch eine Frage meinerseits:
    Was genau ist ein AWK-Script? So etwas ähnliches wie Javascript? Und wie öffnet man es? Meine Informatik-Kenntnisse beschränken sich da leider auf den Javascript-Info-Unterricht in der Schule.

    Alles in allem vielen Dank für die gute Beteiligung, da bekommt man direkt Lust noch einen Artikel zu schreiben. Ich dachte da zum Beispiel an eine standardisierte russische Oberstufe. Mal sehen.
    Viele Grüße Niels

  13. Eben ist mir noch etwas aufgefallen: Bei der Brennzeit der Oberstufe ist beim Konvertieren wohl das Komma verloren gegangen, die Brenndauer beträgt statt 5928 592,8 Sekunden.

  14. Hier wurde angesprochen, ob es sinnvoll ist für Oberstufen eine Version mit verlängerter Düse zu bauen. Mein Vorschlag: Eine ausfahrbare Düsenverlängerung. So werden keine zwei unterschiedlichen Düsen gebraucht. Außerdem erspart das einen längeren und schwereren Stufenadapter. Und bei Bodenstarts läßt man sie einfach weg.

  15. So weit ich weiß, hat das Vinci eine ausfahrbare Düsenverlängerung. Ich hätte das deutlich machen müssen, aber ich habe von Anfang an damit geplant, auch wenn eine Neuentwicklung mit größerem Schub Verwendung findet.

  16. @Niels
    nh> Was genau ist ein AWK-Script? So etwas ähnliches wie Javascript?

    Ein Programm in der Interpretersprache awk.

    nh> So etwas ähnliches wie Javascript?

    Nein. awk wird lokal auf einem Rechner von einem awk Interpreter ausgeführt, und hat mit Web nichts zu tun.
    Awk ist eine spezial Sprache zum zeilenweisen Verarbeiten von text files beliebiger Länge. Vorkommen: Unix, Linux, CygWin.

    nh> Und wie öffnet man es?

    Gar nicht. Der Begriff „Öffnen“ macht bei einem awk Script keinen Sinn.
    – Man kann ein awk Skript ausführen. (In der Regel von der Kommandozeile.)
    – Man kann ein awk Skript edieren. (Traditionell mit vi.)

  17. Moin Niels,

    > Was genau ist ein AWK-Script?

    AWK ist der RPG Ersatz für Unix look like Systeme, d.h. eigentlich ein Programm zur Stapelverarbeitung und Filterung von Dateien. Das besondere an AWK, ist das der Hauptteil des Scripts mit Ausname der BEGIN und END Blöcke für jede Zeile erneut ausgeführt werden, z.b.:

    awk ‚{ s = s + $1 } END { print s }‘ < EingabeDatei

    Das summiert die der ersten Spalte einer Datei.

    AWK war ein typisches Werkzeug, zu der Zeit als es noch keine Tabellenkalkulation gab, um Tabellen im Stapel zu verarbeiten.

    Beispiel:
    ————————
    mass 1 104.5
    empty 1 8.3
    isp 1 2300
    sec 1 115
    alt 1 90
    ————————
    Diese Tabelle definiert eine Stufe in meinem Rokot Script.

    Das besondere an dem Rokot Script ist, dass es AWK auch interaktiv benutzt.

    awk -f rokot.awk dateiname –

    Dieses startet rokot.awk mit einer Eingabedatei, und wenn diese verarbeitet ist, mit der Standardeingabe (Tastatur).

    Jetzt kann ich mit "dump" die aktuelle Tabelle anschauen, die Werte ändern, mit einer Leerzeile neu berechnen, mit "plot" mir die Bahn graphisch ausgeben lassen, und mit "save neuedatei" die geänderte Rakete speichern.

    AWK ist bei Linux, und glaub auch bei MacOS, dabei. Und für Windows gibts wie üblich die Frage welche URL ist die richtige. Ich vermute http://unxutils.sourceforge.net/ oder http://gnuwin32.sourceforge.net/packages/gawk.htm

    ciao,Michael

  18. Ich finde Niels Feststoffraketen-Baukasten eine super Idee! Ich fürchte allerdings, dass bei den Varianten 414 und 514 die Vibrationen, die von den äußeren Boostern im Ring auf den inneren Booster übertragen werden, erheblich sind, und in der Folge der Zentralbooster, oder, falls alle Booster weiterhin gleiche Tanks haben sollen, auch alle Booster noch etwas schwerer werden.

    Die größte Gefahr ist bei so einem „Baukosten“, dass die Ingenieure nicht nur versuchen werden, die Düsen auf die jeweilige Anwendungssituation (Druck bei Triebwerksstart, Brenndauer) anzupassen, sondern auch die Tanks selber: Je dünner man diese baut, desto leichter, aber desto genauer muss man alle auftretenden statischen und dynamischen Kräfte simulieren.

    Es gibt zudem noch eine wichtige logistische Frage: Wenn Düse und Tank schon bei der Produktion fest miteinander verbunden werden, dann müssen in Korou unter Umständen einige Varianten auf Vorrat gelagert werden. Bei den Varianten 314 bis 514 braucht der zentrale Booster auch die Haken, um die anderen Booster einhängen zu können. Außen-Booster brauchen hingegen nur einen Haken. So gibt es ein paar Details, die die Ingenieurarbeit dann doch wieder schwer machen können.

    Bei der Variante 43 bin ich mir unklar, ob man die braucht. Eine „214 light“ ohne Stufe 3 hat wahrscheinlich eine ähnliche Performance, aber benötigt insgesamt nur zwei statt vier Feststoff-Booster wie die 43. Andererseits vereinfacht es natürlich auch wieder die Prinzipien, wenn unter der F30 immer der „kleine“ Booster ist, nie der große.

    Andererseits ist 214 die mit Abstand höchste Variante, weil nur bei dieser zwei der 200-Tonnen-Stufen übereinander positioniert sind. Das spricht aufgrund der Kosten für die Startinfrastruktur gegen die 214. Statt der 214 könnte man dann eine 53 bauen, mit vier 100-Tonnen-Stufen als Unterstufe, einer 100-Tonnen-Stufe als zweiter Stufe und eben der Flüssig-Oberstufe.

    Oder man baut statt der 214 eine „314 downgrade“ mit zwei P104H als Erststufe (statt zweimal P209N wie bei der normalen 314, oder einmal P214H wie bei der 214; die zwei P104H haben auch in etwa denselben Schub wie die einmal P104H der 214).

    Wann kommt so ein effizienter Baukosten? Nun, nicht bevor die europäische Raumfahrtindustrie wirklich unter Druck gerät. Sollten Bernds Lieblings-Dilletanten (die mit dem X im Namen) also künftig tatsächlich ihre einst gesteckten Kostenziele erreichen, dann werden sich auch die Europäer anstrengen, das zu matchen. Vorher nicht.

    Kai

  19. Eine 214-Light mit dem P208 als vorletzte Stufe würde wahrscheinlich eine zu hohe g-Belastung bedeuten. Eine 54 ist denkbar, wobei die Nutzlast etwa gleich groß im Vergleich zur 214 (rund 6,5t) ist. Die 54 wäre vielleicht etwas teurer in der Produktion.

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