Die ESC-A/B und moderne Technik

Niels hat mich in einer Mail gefragt, warum ich seine Oberstufe mit 30,35 / 4,35 t Masse für zu leicht erachte. Nun Niels hat den „Fehler“ gemacht, sich an Oberstufen aus aller Welt zu orientieren. Die ESC-A/B werden aber nicht wie z.b. die EPC oder H10 Oberstufe von Astrium in Frankreich, sondern von Astrium Bremen gefertigt und die haben sehr schwere Oberstufen konstruiert. Die ESC A wiegt 4,545 kg trocken bei 14,6 t Treibstoffzuladung. Für die ESC B werden 6-6,25 t trocken bei 27,5 bis 28 t Treibstoffzuladung genannt. Bei der ESC-A kommt noch die 0,95 t schwere VEB dazu, bei der ESC-B soll diese integriert sein.

Das sind miserable Massenverhältnisse und man fragt sich, wie sie zustande kommen. Nun über die ESC-B gibt es sehr wenige Daten, aber über die ESC-A einige. Die ESC-A entstand aus der H10+ Oberstufe der Ariane 4. Man hat den unten liegenden Sauerstofftank samt Schubgerüst und Triebwerk weitgehend übernommen und nur den LOX-Tank leicht verlängert. Neu ist ein darüberliegender LH2 Tank. Er wird durch einen evakuierten Zwischenraum getrennt und hat die Form einer Hohlkugel, die den LOX-Tank umgibt. Er berührt die Außenwand von 5,40 m Höhe nur an einer Stelle. Dafür wird er mit dem LOX-Tank mit 30-40 Streben verbunden und muss außen verkleidet sein, da auf ihm die VEB sitzt. Diese Konstruktion ist aus vielerlei Gründen „suboptimal“:

• Getrennte LOX/LH2 Tanks
• Ungünstige LH2-Tankform (große Oberfläche)
• Notwendigkeit der Verbindung beider Elemente und eines Containers, in dem der LH2 Tank eingehängt ist.

Das schlägt sich in der Massebilanz nieder. Leider habe ich dank Kommerzialisierung keine Daten aktueller US-Oberstufen auf Komponentenlevel, doch hier mal der Vergleich der Subsysteme der Centaur D und der ESC-A

	ESC-A	Centaur D
LH2-.Tank	1.980 kg
LOX-Tank	220 kg	542 kg (Integraltank)
Stufenadapter	920 kg	777 kg
Schubgerüst	350 kg	179 kg
Triebwerk	170 kg	262 kg
Stufenbeschleunigungs- / Trennungsraketen	190 kg	35 kg
Intertankverbindung (ESC-A) / Isolationspaneele (Centaur)	180 kg	532 kg
Kleinteile Sonstiges	535 kg	305 kg
VEB / Instrumentierung	950 kg	388 kg

Dazu muss man einige Bemerkungen. Die Centaur ist, obwohl in den sechziger Jahren entwickelt, in vielem moderner als die ESC-A. Die Tanks haben keine feste Isolierung, sondern Paneele, die im Flug abgeworfen werden, bei den neueren Versionen ist die Isolierung aber auch fest. Der Tank ist ein Integraltank, LOX/LH2 durch einen gemeinsamen Zwischenboden getrennt. Das macht ihn nicht nur leichter, sondern erspart noch die Intertankverbindung. Der Tank ist zudem druckbeaufschlagt, was ihn trotz Edelstahl als Werkstoff sehr leicht macht. Die Triebwerke sitzen ohne größeres Schubgerüst direkt unten am Tank. Die Centaur setzt zwei Triebwerke ein, die ESC-A nur eines. Beide haben etwa gleichen Schub (65/67 kN). Allerdings arbeitet das RL10 nach dem Expander Cycle Verfahren, daher entfallen die Stufenbeschleunigungsraketen und man braucht nur die Stufentrennungsraketen für die Abtrennung der Nutzlast. Bei der Centaur ist die Elektronik traditionell in die Stufe integriert, bei Europa macht man (damit jeder auch einen Auftrag bekommt) noch eine eigene Equipment Bay, die auf der Stufe sitzt und durch den dazu nötigen Ring schwerer ist.

In der Summe wiegt die Centaur bei der Zündung 15.512 kg bei einem Trockengewicht von 1.592 kg. Die ESC-A 17.900 kg bei einem Trockengewicht von 3.300 kg. Obwohl also die Stufen hinsichtlich Treibstoffzuladung vergleichbar sind, ist die Trockenmasse doppelt so hoch.

Nun die ESC-A war gedacht als Zwischenlösung. Sie sollte von 2002 bis 2007 fliegen und 2007 von der ESC-B abgelöst werden. Doch nach dem gescheiterten Jungfernflug der Ariane 5 ECA wurden die Gelder für die ESC-B für ein Konsolidierungsprogramm verwendet und seitdem kam es nicht zur Entwicklung, was ihr ein deutlich längeres Leben beschert. Für die ursprüngliche Interimsversion ist das krude Design noch hinnehmbar. Doch bei der ESC-B ist es nicht viel besser, wie das zu erwartende Trockengewicht von 6 t zeigt.

Was ist das Problem? Nun zum einen will man bei Astrium Bremen (früher ERNO) weder eine leichtgewichtige Aluminiumlegierung wie die 2195 einführen (26-40% Gewichtseinsparnis gegenüber der Al2219, die man heute einsetzt). Auch Innendruckstabilisierung, wie bei der EPC wird nicht erwogen. Das macht die Stufe schwer. Dazu kommt die ungünstige Tankform. Sie ist bei der ESC-B besser, es sind nun zwei ineinander geschachtelte Tanks, aber es ändert nichts daran, dass das Volumen sehr klein verglichen mit dem Volumen ist. Man erkennt das schon beim ESC-A Tank. Er hat das 3,3-fache Volumen der LOX-Tanks, wiegt aber neunmal mehr, obwohl Wasserstoff nur ein 16-tel der Dichte des Sauerstoffs aufweist. Ideal wäre entweder ein kugelförmiger Tank oder, wenn dies nicht möglich ist, ein zylindrischer, dabei sollten die Abschlussdome, die strukturell verstärkt sein müssen, möglichst klein sein. Das ist bei der ESC-B nicht möglich, weil sie einen Durchmesser von 5,4 m hat – als Zylinder wären beide Tanks nur 3,3 m hoch. Als Kugeltank könnte man die Innendruckstabilisierung ideal einsetzen, da man hier kein Ausbeulen bei geringen Wandstärken befürchten muss. Der Innendruck stabilisiert auch das Treibstoffschwappen durch die Schwingen der EAP. (Ein Kugeltank von 5,4 m Durchmesser fasst rund 5,6 t LH2, die LH2 Zuladung der ESC-B wird aber bei nur 4 t liegen).

Was sich auch auswirkt, ist, dass das Vinci Triebwerk mit 550 kg Masse, deutlich schwerer als zwei schubgleiche RL-10 ist. Das liegt auch an der enorm langen Düse mit dem Expansionsverhältnis von 240. Immerhin integriert man nun die Elektronik in die Oberstufe, sodass die VEB wegfällt.

Was zu berücksichtigen ist, ist das eine Stufe auf Feststoffboostern steifer sein muss als die obige Centaur auf der Standard Atlas. Doch auch hier gibt es einige US-Beispiele:

Oberstufe	Auf …	Startgewicht	Trockengewicht	Voll/Leermasse
Centaur D-1T	Titan 3E	15.593 kg	2.060 kg	7,59
Centaur G	Titan 4A/4B	23.923 kg	2.775 kg	8,62
Core 2	Ares I	156.000 kg	17.500 kg	8,91
EDS	Ares V	278.500 kg	24.200 kg	11,50
	SLS	234.780 kg	23.500 kg	9,99
ESC-B	Ariane 5	34.450 kg	6.250 kg	5,51

Nun natürlich sind die Oberstufen auf den Ares I/V/SLS nicht direkt vergleichbar, da sie erheblich größer sind und daher naturgemäß bessere Verhältnisse aufweisen. Auf der anderen Seite ist die Oberstufe der Ares I direkt auf einem SRB und wird noch mehr durchgeschüttelt als die ESC-B. Und natürlich sind für alle der drei großen Oberstufen die Legierung 2195 vorgesehen. Die Centaur setzt dagegen Edelstahl ein, der eigentlich schwerer bei gleicher Beanspruchung als Aluminium ist.

Vergleichbar von der Auslegung und den Beanspruchungen ist die Centaur G. Auch hier wurde die Centaur D einfach erweitert, indem ein neuer LH2 Tank von 4,35 m Durchmesser angebracht wurde. Der Zwischentank blieb aber. Auch sie ist deutlich schwerer als die Centaur der Atlas, deren letztes Exemplar 23.392 / 2.462 kg (bei zwei Triebwerken) wiegt. (9,50 zu 1). Das sind bei der Centaur G rund 260 kg mehr, nicht 2000 kg wie bei der ESC-B. Nun ist die Centaur ein optimiertes Design, das kann man von Astrium Bremen sicher nicht verlangen, dazu fehlt die technologische Kompetenz in Bremen, die bisher nur kleine Oberstufen mit lagerfähigen Treibstoffen und Druckstabilisierung entwickelt haben, aber man kann es mit einem zweiten „nicht optimierten“ Design verglichen – dem der DCSS. Die Delta IV Zweitstufe ist schnell und billig entwickelt worden (die gesamte Delta IV Entwicklung ist ja billiger als die ESC-B), also so viel sollte man dann vom Hersteller schon verlangen können.

Bei der Delta IV Oberstufe sind zwei getrennte Tanks für LH2 und LOX mit einem Zwischenstufenadapter verbunden, der recht viel Platz lässt. Dort befinden sich z.B. die Druckgasflaschen und der Treibstoff für das Lageregelungssystem. Darunter ist ein konventionelles Schubgerüst. Auch hat das RL-10B eine ausfahrbare Düse wie das Vinci, nur etwas weniger Schub. Die DCSS wiegt 30.710 kg / 3.490 kg also Masseverhältnis von 8.79 zu 1) und sie hat fast dieselbe Treibstoffzuladung wie die ESC-B. Berücksichtigt man das das Vinci 240 kg mehr als das RL-10B wiegt, und in der VEB noch Treibstoff für die Rollachsenkontrolle der EPC steckt, sollte ein Trockengewicht von 4 t möglich sein. Das meint auch MT Aerospace, bei deren Konzept eine LOX/LH2 Stufe mit dem Vinci Triebwerk 28,6 / 3,7 t wiegt (7,79 zu 1). Überträgt man dies auf die ESC-B kommt man auf 4,19 t Trockenmasse also ziemlich genau 2 t weniger als derzeit geplant. 2 t weniger sind bei der letzten Stufe 2 t mehr Nutzlast – 14 anstatt 12 t.

Wie kommt man auf diese Masse? Nun, selbst wenn ich nicht leichte Legierungen oder Innendruckstabilisierung einsetze (MT Aerospace soll an der Legierung 2195 arbeiten und die Innendruckstabilisierung wird bei der EPC eingesetzt, man kann es also in Europa), dann gewinnt man schon viel durch eine geeignete Tankform und die ist bei dieser Treibstoffmenge eben keine mit einem Durchmesser von 5,40 m. Beim MT Aerospace Konzept sind es zwei getrennte Tanks und 3,60 m Durchmesser. Bei in etwa 4 m Durchmesser müsste man die Stufe einordnen. Für die Ariane 6 ist eine zweite Stufe von 4,40 m Durchmesser geplant. Geht man auf diesen Durchmesser, so steigt die Länge um 50%, aber das Voll/Leermasseverhältnis verbessert sich deutlich. Optimal würde ich 3,8 bis 4 m Durchmesser ansehen.

Das Ganze hat auch noch einen zweiten Vorteil: Die Oberstufe wäre so 1:1 auf die Ariane 6 transferierbar, bei der sie sowieso dünner sein muss. Der einzige Preis ist ein Adapter an der Nutzlastverkleidung, die nach wie vor 5,40 m Basisbreite hat. Dann wäre das Geld wenigstens gut investiert, denn man spart sich für die Ariane 6 neue Ausgaben (so muss man aber bei der Ariane 6 eine neue Stufe konstruieren, ich vermute aber das ist Absicht). Es sollte das Eigeninteresse von Astrium Bremen sein die Stufe auf die Ariane 6 auszulegen, denn dort kann man sich noch weniger als bei der Ariane 5 2 t Mehrgewicht leisten. Bei der Ariane 5 reduziert das die Nutzlast von 14 auf 12 t. Doch bei der Ariane 6 von 8 auf 6 t bzw. 5 auf 3 t, also prozentual viel stärker. Sonst könnte es spätestens bei der Ariane 6 dazu kommen, das den Auftrag eine Firma bekommt, die leichte Stufe konstruieren kann, wie z.B. Air Liquide, die mit der H10 (Voll-/Leermasseverhältnis bei der letzten Einsatzversion: 9,75 zu 1) gezeigt hat, das sie die Technik beherrschen.

Was ist, wenn es Astrium Bremen nicht hinbekommt? Nun es gibt noch andere deutsche Firmen. MT Aerospace hat einen guten Vorschlag, die Firma fertigt nicht nur für Ariane 5 Bulkheads, sondern auch für Atlas und H-IIA. Vielleicht sollte man mal den Hersteller der Oberstufe wechseln. Die ESC-B Entwicklung wird mit 1,2 bis 1,7 Milliarden Euro angegeben, weitaus teurer als die ESC-A Entwicklung und fast so teuer wie die Ariane 1 Entwicklung inflationskorrigiert. Ich meine dafür kann man State-of-the-Art erwarten. Wenn eine Firma das nicht hinbekommt, dann sollte eine andere damit beauftragt werden.

So nach diesem langen Aufsatz gibts morgen nur was kurzes, damit ihr nicht zu viel zum lesen habt.