Die Crux mit den Feststoffboostern

Ihr habt euch ja rege an Niels Beitrag beteiligt (wie sind übrigens hier alle per „Du“, Niels). Ich habe mich bewusst zurückgehalten, wie ich das immer bei Gastblogs mache. Niels hat mich im Vorfeld gefragt, ihm noch Sachen zu nennen, die er nachbessern sollte, aber mir fiel dann so viel ein, das ich es gelassen hätte. So sind meiner Meinung nach die Booster zu dick, verglichen mit der Länge, da der Schub auch von der Oberfläche abhängt (es hat seinen Grund warum alle Feststoffbooster sehr lang und schmal sind). Ich will die Diskussion über die Oberstufe mal nehmen um auf einen Nachteil von Feststoffboostern hinzuweisen. Wenn ich von Boostern rede, dann von welchen die relativ groß sind oder viele kleine, auf jeden Fall sollte ihre Masse im Bereich der Zentralstufe oder darüber liegen.

Derartige Booster induzieren sehr starke Schwingungen an den Stellen wo sie fixiert sind. Diese haben eine höhere Amplitude, als die von Triebwerken mit flüssigen Treibstoffen und eine niedrigere Frequenz. Beides zusammen bringt den Treibstoffstärker ins Schwappen.

Meistens sind Feststoffbooster unten am Schubgerüst und oben in einer Zwischentanksektion oder am Stufenadapter angebracht. Was siond die folgen? Nun im Schubgerüst kann man sie gut abfangen, da sitzen auch die Triebweerke und hier wird schon gedämpft wegen der POGO-Schwingungen. Bei der Intertanksektion übertragen sie sich auf die Tanks, aber abgeschwächt. Bei dem direkten Anbringen an den tanks (Integraltanks) werden sie voll übertragen und bei der Anbringung an dem Stufenadapter ist nur der obere Tank betroffen, allerdings wird auch die darüber liegende Stufe stark durchgeschüttelt.

Was hat das für Folgen. Nun schauen wir uns einige Zentralstufen an. Da wäre zum einen die Ariane 5 EPC. Sie weist ein hervorragendes Voll/Leermasseverhältnis von 13,4 zu 1 auf – Trotz Feststoffbooster. Der Grund : Diese sind am Stufenadapter befestigt, die Stufe muss nur dort strukturell verstärkt werden und oben ist der LOX Tank mit einer schweren Flüssigkeit (Dichte 1,14) und relativ starken Tankwänden. Der unten liegende LH2 Tank ist weniger stark betroffen. So halten sich die Strukturverstärkungen in Grenzen. Es sind einige 100 kg bei der EPC, die z.B. bei der Ariane 5 GS die schon die EPC der Ariane 5E verwendete die Nutzlast wieder leicht sinken ließen.

Doch das Design hat seinen Preis: die obige Stufe wird stark durchgeschüttelt, trotz Vibrationsdämpfungssystem im Stufenadapter. Bei der ursprünglichen EPS mit druckgefördertem Triebwerk und kleinen Tanks mit dicken Wänden war das kein Thema. Doch bei LOX(/LH2 Stufen hat man sehr großvolumige Tanks (etwa viermal bis fünfmal größere als bei LOX/Kerosin oder NTO/UDMH) und dann werden die Tanks durch die geforderte Steifigkeit sehr schwer. Die ESC-A wiegt trocken 4,5 t bei 14,6 t Treibstoff, bei dem Entwurf der ESC-B sind es 6,25 t trocken bei 27,5 t Treibstoff. Zum Vergleich: Niels hat für fast dieselbe Triebstoffmenge mit VEB (die 950 kg kämen noch hinzu) 4 t angesetzt. Würde Niels die Astrium Bremen Vorgaben nehmen, so wäre seine Nutzlast in jeder Konfiguration um 3 t kleiner.

Eine zweite derartige Konstruktion ist die Titan 3/4 Hier sitzen die Booster ach oben am Stufenadapter. Die Erststufe wurde schwerer um 1,9 t was zwar das Verhältnis von 24,4 zu 1 auf 18,5 zu 1 absenkte aber fast nichts ins Gewicht fiel. (5 zu 6,6 t) Die zweite Stufe aber auch: hier stieg die Leermasse stärker um 50% von 2,2 auf 3,1 t an. Selbst bei der darüber liegenden Stufe ist das noch zu bemerken und so ist z.B. die Centaur auf der Titan deutlich schwerer als die Atlas Version. Der Effekt ist aber geringer da die Core 2 praktisch als Flüssigdämpfer fungiert.

An der Zwischensektion werden die Booster bei der Delta 4 befestigt. Obwohl diese nun nicht so groß sind (maximal wiegen sie 136 t bei einem Gewicht der Zentralstufe von 224 t) hat ihr hoher Schub die Folge dass diese stark belastet wird. Die CCB der Delta IV ist größer als die EPC weist jedoch nur ein Voll/Leermasseverhältnis von 8,4 zu 1 auf, also fast doppelt so „schlecht“ wie bei der Ariane 5 EPC-. Neben dem schubstärkeren und schwereren Triebwerk geht viel davon auf die dicken Tanks. Dafür weist die Oberstufe die Voll/Leermasseverhältnisse auf, die Niels ansetzt: bei 31,2 t Startmasse wiegt sie leer nur 3,49 t. Das sind 4 t weniger als bei der ESC-B mit fast vergleichbaren Leistungsdaten.

Noch ungünstiger sieht es bei H-2 und H-2A aus, wobei ich hier nicht die Befestigung kenne, aber bei Voll/Leermasseverhältnissen von 8,4 bei H-2, H-2A und H-2B trotz um 100% angestiegener Startmasse immer der gleiche Faktor tippe ich auf einen integralen Tank, sonst hätte die H-2B besser dastehen müssen. Für die Ares V und SLS rechnet die NASA mit Voll/Leermasseverhältnissen von 11:1. Es geht auch anders: Der Shuttle Tank weist ein Verhältnis von 22,8 zu 1 auf, rechnet man die Triebwerke und das Schubgerüst dazu, kommt man immer noch auf 12,7 zu 1.

Noch extremer sind die Belastungen wenn man die Oberstufe direkt auf den Booster setzt. Für die Ares I musste extra ein aktives Vibrationsdämpfungssystem entwickelt werden, damit sich die Astronauten beim Aufstieg nicht verletzen. Doch hat die Oberstufe mit einem Voll/Leermasseverhältnis von 8,9 zwar nicht das niedrige der etwa gleich großen S-IVB oder gar der EPS, aber für eine Oberstufe durchaus bei diesen Umständen einen guten Wert. Die NASA wollte dies durch einen massiven Stufenadapter (Gewicht alleine 4,1 t) und den Einsatz der Legierung 2195 erreichen. Das leitet mich über zu den Lösungen. Wie setze ich Booster optimal ein?

Nun wenn sie angeflanscht werden, dann besser an der Zwischentankverbindung. Das macht die Unterstufe schwerer, doch bei den meisten Typen ist es so, dass die Nutzlasteinbuse pro Tonne mehr Trockengewicht der Unterstufe nur etwa 250 kg beträgt. Dies ist also günstiger als die Oberstufe zu verstärken weil die Schwingungen im Stufenadapter übertragen werden. Man kann auch überlegen für die Zentralstufe wieder zu LOX/Kerosin überzugehen. Die Flüssigkeiten sind dichter, die Tanks daher kleiner und schon wegen des normalen Gewichts dicker. So ist das Leergewicht nur leicht höher (siehe Titan) und der Einfluss der unteren Stufe auf die Nutzlast ist auch nicht so hoch. Wie die Delta IV zeigt bringt dann LOX/LH2 gar nicht mehr so viel mehr Nutzlast. Die Delta IV Heavy wiegt 773  t bei 22,9 t Nutzlast, eine Atlas V HLV nach demselben Bauprinzip 911 t bei 29,4 t Nutzlast, das ist pro Tonne Startgewicht sogar noch günstiger.

Wenn man nun wie der Ariane 5 schon die Problematik hat – was tun? Nun das beste draus machen und das ist es was ich bei Astrium vermisse. Die Firma scheint keinerlei Interesse zu haben Technologien einzusetzen die es schon gibt, nur eben noch nicht in Europa umgesetzt wurden. In diesem Falle:

• Druckstabilisierung
• Legierung 2195
• Integration der VEB
• Vibrationsdämpfung im Stufenadapter

Zum ersten: Die Stabilisierung mit Innendruck ist nichts neues. Das konnte schon die Centaur. Man erhält mehr Steifigkeit durch Tanks unter Innendruck dabei kann man die Tankwände dünner machen. Vergleicht man Centaur und H10, so ist die Centaur trotz Stahltanks um 20% leichter als die H10. (Masse jeweils ohne Triebwerk). Das müsste bei der ESC-B die Masse um 1,1 t senken.

Die Legierung 2195 wird in der Ares und SLS eingesetzt, schon der Space Shuttle Tank setzte sie ein, damit die Shuttles überhaupt nennenswerte Nutzlast zur ISS bringen können. Bei gleichen Lasten ist die Legierung belastbarer, es sind also dünnere Wände möglich. Sicher ist eine Reduktion der Leermasse um 26% möglich, manche Szenarien sprechen sogar von 40% Beim Space Shuttle SWLTbracht die Nutzung der Legierung nur bei Teilen im LH2 Tank eine Gewichtsersparnis von 14%. Nimmt man die 26% so ist man bei 1,4 t weniger Gewicht.

Nichts spricht dagegen beides zu kombinieren. Druckstabilisierung ist nicht an Stahl gebunden, auch die Ariane 5 EPC setzt diese Technologie ein (nur wird die nicht von Astrium Bremen sondern in Frankreich gebaut) und kommt so auf ihr niedriges Gewicht. Bei der organalen EPC wogt der Tank 8,4 t bei 158 t Inhalt. Bei der ESC-B sind mit etwa 5 t zu rechnen – doch bei nur 27,5 t Inhalt.

Zum Schluss gibt es auch die Möglichkeit die Vibrationen noch stärker zu dämpfen, wie dies ja auch die NASA bei der Ares I vorhatte. Auch das ist günstiger den der Stufenadapter gehört ja noch zur Unterstufe.

Mein Rat an die ESA: Nachhaken und Forderungen stellen. So hat die DLR Astrium Bremen ja auch mit der VENUS Studie für eine neue Oberstufe betraut und als Ergebnis kam dann raus, dass wenn EADS Bremen eine solche bauen würde, sie mit Lagerfähigen Triebstoffen die Nutzlast absenken würde Strukturanteil bei lagerfähigen Treibstoffen: 29,7%, bei orogenen 25,5% (weil das Vinci einen fast zehnfach höheren Schub hat und so eine größere Stufe ermöglicht). So gibts keinen Auftrag. Bei einer zweiten Studie (VENUS II) hat man sich dann Gedanken für die Optimierung gemacht und die Tankform angepasst und weniger strukturelle Elemente gebraucht bzw. die Tanks im Stufenadapter nur durch einen Ring fixiert und plötzlich kam dann EADS Astrium auf nur noch 15% Strukturanteil – doppelt so wenig wie vorher…

Genützt hat es nichts, weil die Stufe nun immer noch nur wenige Hundert Kilo mehr Nutzlast gebracht hätte. Abes es zeigt, die Firma kann es, wenn sie muss. Nur muss man das anscheinend fordern. Wenn man dann noch die VEB in den Stufenabschluss integriert, sollte man die Leermasse um 1500 bis 2000 kg reduzieren können, mit einem besseren Vibrationsdämpfungssystem vielleicht noch mehr, doch der Grwinn ist dann nicht mehr so hoch, da dieses auch die Leermasse der EPC erhöht.

Ich bin ja wie schon öfters im Blog geschrieben, kein Verfechter einer neuen Lösung. Meiner Ansicht nach kann man aus den Teilen die man heute bei der Vega und Ariane 5 hat sowohl einen Träger im Bereich 5 t LEO (etwas unterhalb der Sojus) wie auch eine leistungsfähigere Ariane 5 mit 14-15 t GTO bauen, das wäre dann die doppelte Nutzlast der Ariane 6 womit wieder Doppelstarts möglich wären. Aber wenn, dann würde ich so was machen (ohne genaue Berechnung)

Zentralstufe: LOX/Kerosin: Hier ist das Zusatzgewicht durch Booster am besten verkraftbar. Sie ist so ausgelegt, dass sie ohne Booster nicht abheben kann. Ist das gewünscht, so lässt man wie bei der Ariane 4 einfach Treibstoff weg.

Booster: Maximal 6 Stück. mögliche Konfigurationen: 2,3,4,6. Masse jedes Boosters 50% der Zentralstufe, kurze Brennzeit von etwa 100 s, damit brauchbares Stufenverhältnis, hohe Startbeschleunigung bei geringer Spitzenbeschleunigung und die Möglichkeit bei den 6 Boosterkombinationen zwei im Flug zu zünden.

Oberstufe: LOX/KLH2 mit einem Schubgerüst anpassbar an eines oder zwei Triebwerke wie bei der Centaur. Das erlaubt es den zylindrischen Teil der Tanks einfach zu verlängern und so aus einer Basisstufe eine mit einfacher Treibstoffzuladung und eine mit doppelt so hoher Treibstoffzuladung. Die strukturelle Maximalbelastung wird auf die GTO-Nutzlast der größeren Stufe ausgelegt, das entspriucht dann ungefähr der LEO-Nutzlast der kleineren Stufe.

So müsste man sicher einen Nutzlastbereich vom Faktor 2, eventuell sogar 3 abdecken können. Wenn ich viel Zeit habe (also so nach der Pensionierung) rechne ich das mal durch ….

Ich sehe übrigens, dass mir mein US-Trägerraketenlexikon und meine Bücher sehr von Nutzen sind – alle Daten konnte ich in meinen Büchern nachschlagen.