Wir basteln uns eine Angara

In meiner losen Reihe „wir (ich) können es besser als die Raumfahrtagenturen“ will ich mich heute mal der Angara widmen. Also einer Alternative zur Angara. Eine modulare Trägerfamilie die besser als die Angara Familie ist. Zuerst einmal sollte man die Ziele definieren:

  • Die meisten Starts entfallen seit Jahren auf die Sojus und Proton. Die neue Trägerrakete sollte also die Sojus und Proton ersetzen können, das heißt in einer Version die gleiche oder eine leicht höhere Nutzlast aufweisen. Anders als die Angara lege ich keinen Wert darauf, kleine Nutzlastbereiche abzudecken, da es da kaum Starts gibt. Die europäischen Kunden für Rockot und Dnepr werden nun die Vega benutzen, außer vielleicht die deutsche Regierung, die sich gerade mal wieder mit mangelnder europäischer Solidarität blamiert hat (mal wieder, da das ja schon öfters vorkam, siehe DFS Kopernikus).
  • Anders als bei der Angara sollen nur existente russische Triebwerke verwendet werden. Das minimiert die Entwicklungskosten.
  • Die Rakete soll „umweltfreundlich sein“, d.h. kein UDMH oder NTO einsetzen.

Als Beispiel wie ich so was aufziehe will ich das mal erläutern. Das erste ist mal eine Nutzlastabschätzung. Die Sojus liefert die Nutzlastvorgabe für das kleinste Familienmitglied. Sie wiegt rund 300 t, das wäre bei in etwa gleicher Technologie also die Vorgabe für die kleinste Version. Für Raketen mit flüssigen Treibstoffen ist ein Schub/Gewichtsverhältnis von 1,25 beim Start üblich, das sind dann 3750 kN. Schaut man sich im russischen Arsenal um, so fällt einem sofort das RD-180 mit 3827 kN Schub auf Meereshöhe ein.

Für die bei der Sojus nötigen LEO Missionen braucht man eine Oberstufe für die bei LEO noch LOX/Kerosin als Treibstoff ausreicht (für weitere Oberstufen später mehr). Typisch für eine Oberstufe ist ein Schub/Gewichtsverhältnis von 0,7 wenn sie relativ groß ist. Bei kleinen Stufen ist es geringer.

Die Größe der Oberstufe ist bei in etwa gleichem spezifischem Impuls leicht abschätzbar denn es gilt erste Stufe/Oberstufe ~ Oberstufe/Nutzlast. Da die Nutzlast bekannt ist 88 t) kann man mit etwas probieren in etwa 40 t veranschlagen. Zusammen mit der Nutzlast sind wir dann bei 48 t. Das bedeutet dass man einen Schub von etwa 336 kN braucht. Leider gibt es in der Größe nichts aber es reicht auch ein etwas kleineres, hier das RD-0124.

Damit kommt man auf eine Startmasse von 250 t für die erste Stufe, 40 t für die zweite und 10 t für Nutzlast und Nutzlastverkleidung. Orientiert man sich an der Start/Leermasse der Atlas V CCB mit demselben Triebwerk so hat die erste Stufe eine Leermasse von 17,25 t. und orientiert man sich an Block I für die zweite Stufe so hat diese eine Trockenmasse von 3,2 t. Mit 1600 m/s Verlusten kommt man so auf 10,89 t Nutzlast. Damit ist schon mal das erste Kriterium erreicht – mehr Nutzlast als die Original Sojus

Wie bei der Angara erweitert man diese Kernstufe durch Booster. Während es dort aber praktisch die gleiche Stufe ist, sehe ich kleinere Booster vor. Das erlaubt es die Nutzlast einfacher granular einzustellen. Ansonsten verdoppelt, verdreifacht sie sich gleich. Die Booster bei mir haben in etwa die halbe Startmasse der Hauptstufe. Sie weisen ein etwas höheres Schub/Gewichtsverhältnis von 1,5 zu 1 auf um auch schwerere Oberstufen transportieren zu können. Bei etwa 125 t Startmasse kommt man dann auf einen Schub von 1875 kN. Russland hat dafür das RD.191 entwickelt. Aber warum eigentlich? Zum einen hat man im Auftrag von Südkorea das RD.151 mit 1667 kN Schub entwickelt, das geeignet wäre und es gibt noch die NK-33 mit 1543 kN Schub. Beide sind etwas schubschwach, reduziert man die Startmasse auf 110 t so passt das RD-151. Die Größe muss sich nach der Zentralstufe richten, da diese unten an ihrem Schubgerüst und oben am Stufenadapter angebracht sind. Bei 110 t / 9 t Gewicht (abgeleitet von der Angara) wäre der Durchmesser der Zentralstufe 1,507 mal größer als die des Boosters. Das kann man z.b. mit Boostern von 2,80 m Durchmesser und einer Zentralstufe von 4,20 m Durchmesser erreichen.

Für GTO-Missionen braucht man noch eine LOX/Lh2 Stufe. Die Triebwerkswahl ist dann einfach. Es gibt nur eines, das Russland für die GSLV entwickelte. Es ist das RD-56 mit 73,4 kN Schub. Basierend auf den Daten der Centaur III kommt man auf eine Beschleunigung von 0,31 g für Oberstufe und Nutzlast. Bei einem Triebwerk ist man dann bei 23,7 t Gesamtgewicht und bei zweien bei 47,4 t. Das leitet zum letzten Feature über. Wenn man die Oberstufen konstant lässt und nur die Boosterzahl variiert so bringen die Oberstufe trotz höherem spezifischen Impulseinen immer kleineren Teil der Gesamtgeschwindigkeit auf. Sinnvoll ist es daher zwei unterschiedliche Größen anzubieten. Das ist relativ einfach möglich wenn man zwei Schubrahmen für ein und zwei Triebwerke vorsieht. Der Treibstofftank besteht dann aus einem oder mehreren zylindrischen Segmenten mit konstanter höhe. Dazu kommen noch die sphärischen Abschlüsse.

Bei 6 t Maximalnutzlast für ein Triebwerk kommt man so auf 17,7 t Startmasse für die 1 Triebwerkvariante und bei 15 t Maximalnutzlast für die zwei Triebwerksvariante auf 32,4 t Startmasse. Basierend auf den Daten der DCSS der Delta 4 kommt man so auf eine Trockenmasse von 3,7 t bei der großen und basierend auf den Daten der Centaur D 2 t bei der kleinen Version.

Der Transport der schweren Oberstufen hat natürlich auch Folgen auf die untere Stufe mit dem RD-0124. Hier braucht man wegen der Oberstufen sogar die Möglichkeit 1,2 oder 3 Triebwerke einzusetzen. Zwei RD-0124 erhöhen das Startgewicht von 48 auf 96 t. Das sind abzüglich der Oberstufe mit 17,7 t Gewicht und 7,4 t für die Nutzlast dann kann die Oberstufe mit zwei Triebwerken 30 t schwerer sein. Mit drei RD-0124 und der schweren Oberstufe und 15 t Nutzlast kann die Oberstufe 81,6 t wiegen. Damit hat man dann folgende Stufen:

Stufe Kürzel Startmasse Leermasse Triebwerke Brennzeit
Zentralstufe 250 t 17,25 t 1 x RD-180 185,6 s
Booster 2,3…. 110 t 8 t 1 x RD-151 203,2 s
Oberstufe I (klein) Ik 40 t 3,2 t 1 x RD-0124B 440,5 s
Oberstufe II (mittel) Im 70 t 4,6 t 2 x RD-0124B 391,5 s
Oberstufe I (groß) Ig 80 t 6,0 t 3 x RD-0124B 295,3 s
Oberstufe II (klein) IIk 17,7 t 2 t 1 x RD-56 941 s
Oberstufe II (große) IIg 32,4 t 3,7 t 2 x RD-56 860,6 s

Wie man sieht, hat die Zentralstufe nominell eine kürzere Brenndauer als die Booster. Das ist jedoch kein Problem, da das RD-180 im Schub reduzierbar ist und davon sollte auch Gebrauch gemacht werden um die Spitzenbeschleunigung zu reduzieren. Damit erhält man folgende Familienmitglieder:

Rakete: Angara 0-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
130790 2090 1000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 110000 9000 3304
2 17700 2000 4402

Rakete: Angara 1-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
273030 4330 1000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 250000 17250 3312
2 17700 2000 4402

Rakete: Angara 1-Ik

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
294359 3359 1000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 250000 17250 3312
2 40000 3200 3520

Rakete: Angara 2-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
514620 10220 2000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 220000 18000 3304
2 250000 17250 3312
3 32400 3700 4402

Rakete: Angara 2-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
498328 8628 2000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 220000 18000 3304
2 250000 17250 3312
3 17700 2000 4402

Rakete: Angara 2-Im-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
572721 13021 2000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 220000 18000 3304
2 250000 17250 3312
3 70000 4600 3502
4 17700 2000 4402

Rakete: Angara 3-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
627870 12470 3000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 330000 27000 3304
2 250000 17250 3312
3 32400 3700 4402

Rakete: Angara 3-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
611261 10561 3000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 330000 27000 3304
2 250000 17250 3312
3 17700 2000 4402

Rakete: Angara 3-Ig-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
711892 16492 3000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 330000 27000 3304
2 250000 17250 3312
3 80000 6000 3502
4 32400 3700 4402

Rakete: Angara 3-Ig-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
695875 15175 3000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 330000 27000 3304
2 250000 17250 3312
3 80000 6000 3502
4 17700 2000 4402

Rakete: Angara 3-Im-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
685913 15213 3000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 330000 27000 3304
2 250000 17250 3312
3 70000 4600 3502
4 17700 2000 4402

Rakete: Angara 7-Ig-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1160724 25324 3000 10228 1600
Stufe Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 770000 63000 3304
2 250000 17250 3312
3 80000 6000 3502
4 32400 3700 4402

Schon bei drei Boostern ist man bei über 16 t GTO. Man sieht auch das nicht alle Varianten sinnvoll sind. Hier angegeben sind die GTO Nutzlasten. Für LEO kommt man auf folgende Nutzlasten:

Angara 0-IIk 5900,6
Angara 1-IIk 10978,0
Angara 1-Ik 10889,5
Angara 2-IIg 24348,6
Angara 2-IIk 20895,1
Angara 2-Im-IIk 28740,1
Angara 3-IIg 29280,3
Angara 3-IIk 25507,7
Angara 3-Ig-IIg 36593,1
Angara 3-Ig-IIk 33770,9
Angara 3-Im-IIk 33575,7
Angara 7-Ig-IIg 55774,1

Für Ariane 5 kompatible GTO (+600 m/s mehr als GTO mit 51,5 Grad Inklination) kommt man auf folgende Nutzlasten:

Angara 0-IIk 1476,6
Angara 1-IIk 3320,8
Angara 1-Ik 2214,6
Angara 2-IIg 8027,0
Angara 2-IIk 6831,7
Angara 2-Im-IIk 10594,0
Angara 3-IIg 9885,2
Angara 3-IIk 8393,3
Angara 3-Ig-IIg 13332,8
Angara 3-Ig-IIk 12336,9
Angara 3-Im-IIk 12397,0
Angara 7-Ig-IIg 20634,7

Selbst wenn man etwas höhere Verluste einkalkuliert (so wird man beim GTO einen zu Ariane 5 kompatiblen Orbit anstreben, was die Geschwindigkeit um 600 m/s erhöht), sind die Nutzlasten noch sehr groß und dies bei nur drei Boostern. Bis zu 7 Booster sind möglich, das würde die Nutzlast in der Version Angara-7 ig-iig würde 25 t in einen normalen und 20,8 t in einen Ariane 5 kompatiblen GTO transportieren.

Das kann nun eine erste Abschätzung sein, die man optimieren kann. So wäre für die kleineren Versionen der Stufen, aber wahrscheinlich auch für die größeren von Vorteil, wenn die Zentralstufe länger brennt als die Booster. So vermeidet man eine unangenehme Beschleunigungsspitze. Eine Lösung wäre es die Booster nochmals um 10 t in der Masse zu verringern, dafür aber die Zentralstufe mit verlängerten Tanks auszustatten die man bei dem Start ohne Booster nur teilweise gefüllt. LOX/RP-1 Tanks sind relativ leichtgewichtig, typischerweise rechnet man für 10 t Treibstoff mit einer Tankmasse von unter 100 kg. würde man diese Stufe also für 20-30 t mehr Treibstoff auslegen und bei den Versionen ohne Booster einfach den Treibstoff weglassen („off loading“ so hätte man nicht viel Nutzlast bei diesen verloren könnte aber bei den größeren Versionen noch etwas herausholen.

Was ist nun der Unterschied zur „echten“ Angara:

  • Wir müssen kein Triebwerk neu entwickeln. Es gibt beim RD-151 und RD-180 sogar den positiven Effekt das es Abnehmer im Ausland gibt.
  • Wir kommen mit vier Stufen und vier Triebwerken aus, die es in sieben Varianten gibt.
  • Die Angara setzt dagegen fünf verschiedene Triebwerke und fünf verschiedene Stufen in sechs Varianten ein.
  • Durch die kleineren Booster kann man die Nutzlast in kleineren Schritten steigern.

Was meine Version nicht ist, ist ein Träger für kleine Nutzlasten. doch Russland startet davon wenige mit Rockot und Dnepr. die Kosmos 11K65 und Zyklon sind schon ausgemustert und die wenigen Starts der Rockot und Dnepr galten vor allem europäischen Nutzlasten, die nun ja als Alternative die Vega haben. Denkbar wäre aber die IIk Oberstufe auf ein en Booster zu setzen, dann hat man eine Rakete mit etwa 60% der Nutzlast der kleinsten Version, die ich in die Tabelle mit aufgeführt habe. Sie ist aber trotzdem noch leistungsfähiger als Dnepr und Rockot.

Zuletzt noch ein Wort zu den (angeblichen) Plänen für eine neue Schwerlastrakete von 150 bis 180 t Nutzlast. Russland hat schon eine solche! Sie nennt sich Energija, Mit acht Boostern hätte Sie 145 t transportiert. Wenn man beim Tank, der bei der Energija recht schwer war auf moderne Materialen übergegangen wäre, so denke ich wären die 150 t mit Sicherheit erreichbar gewesen.

One thought on “Wir basteln uns eine Angara

  1. Sorry, aber deine Aussage zu den (angeblichen ???) Plänen für eine neue Schwerlastrakete sind unsachlich und entsprechen nicht der Aktualität.

    Die Wiederaufnahme der Energia wäre absolut falsch und ohne jede Vernuft. Abgesehen davon, das wäre politisch und rechtlich nicht möglich. Bei einen Besuch von M.Gorbatschow 1987 in Kosmodrom, bei uns den Erbauern des Energia-Buran System, erfolgte danach eine Pressinformation das der neue Träger bis 200 Tonn Nutzlast ausgelegt sei. Das ist aber Schnee von gestern.

    Heute geht es um die Raumfahrt von morgen. Dazu zählen neue PKK (bemannte kosmische Komplexe) als auch neue Schwerlastträgerraketen. Bezüglich der bemannten Komplxe wurde 2012 eine technische Dokumentation im Umfang von 1073 Bänden ausgearbeitet. Die Ausschreibung für den neuen Träger wurde auf anraten vom Rat der Konstrukteure und TSNINMASH verlegt. Zur Zeit laufen umfangreiche Systemanalysen und die anvisierte Nutzlast von 70 Tonnen wurde auf 85 T. erhöht. Das hat bahntechnische Gründe, darunter die sehr schlechte geografische Lage Russland bei einen Rückstart vom Mond. Zunächst geht es um einen Träger für 85 T. der später bis auf 180-200 T. transformiert wird. Hier die zwei Varianten die von Samara konzipiert wurden.

    Methanträger, 130 T. Variante mit 4 Boostern. Startmasse von 2771,98 Tonnen
    SLS mit H2 hat bei 130 T. eine Startmasse von 2950 Tonnen, wir sehen deutlich den Vorteil von Methan.

    Es gibt noch eine Hochenergetische Variante mit H2 und mit Methan in den Boostern. Nutzlast liegt hier von 85, 130 und 190 Tonnen. Die nächsten Schritte sind schon festgelegt und werden veröffentlicht. Sicher, die Entwicklung so eines Systems erfordert grosse Investitionen. Es wird fast alles von null auf entwickelt und die Grundlage ist der Bau des neue Kosmodrom mit seiner umfangreichen Infrastruktur. Erste bemannte Mondflüge wahrscheinlich erst um 35-40.

    Noch zu Angara. Die Geburt war recht schwer, ohne Ausschreibung und fast über Nacht übernahm Chrunischew die Verantwortung. Der Träger hat aber Potenzial, automatische Fertigunglinien der Booster und die Triebwerkskosten die heute um die 240 Millionen Rubel liegen, werden sicherlich sinken. Später wird der Schub des RD-191 auf 250 Tonnen erhöht, das ist definitiv.

    Was aber heute, bezogen auf die Effizienz und Kostenseite eines Trägers machbar ist, zeigte uns Samara mit Sojus-5. Der Methanträger ist für Nutzlasten von 8,5, 16 und 25 Tonnen vorgesehen. Bei der Variante für 25 Tonnen ist er mit 643,5 T. Startmasse der leichtestete Träger weltweit. Angara-5 und Ariane-5 liegen etwas über 750 Tonnen.

    Die Leichte als auch die Angara-5 sind schon fertiggestellt und warten auf den Start. Durch die Besonderheiten des Trägers, A-5 ist für bemannte Flüge vom neuen Kosmodrom nicht geeignet, hat Bahntechnische Gründe, wurde die RUS-M entwickelt. Der Träger eliminierte sämtliche unzulänglichkeiten beim Start mit Kosmonauten an Bord. Nach der Absage des Trägers hoffte RKK Energia mit seiner Entwicklung Energia-K, nur ein RD-175 Triebwerk mit 1000 Tonnen Schub, mit der neuen Ausschreibung zu gewinnen. Es kam aber ganz anders. Sieger wurde Chrunischew der auf der Angara Technologie die neue Trägerrakete für den neuen Raumschiff jetzt entwickelt. Auf einen Symposium konnten wir die New Russian Crew Transportsystem sehen.

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