Sieht man sich die drei großen russischen Träger Zenith, Sojus und Proton an, so fällt sofort auf, dass diese vier komplett unterschiedliche Oberstufen mit unterschiedlichen Triebwerken verwenden. Deswegen habe ich mir Gedanken gemacht, wie man da eine Vereinheitlichung erreichen könnte und bin auf das Expander-Cycle Rd 0146 Triebwerk (http://www.russianspaceweb.com/rd0146.html) mit etwa 10t Schub gestoßen. Wer noch mehr Infos möchte: http://www.lpre.de/resources/articles/AIAA-2006-4904_RD0146.pdf, ich habe es allerdings selbst noch nicht durchgelesen.
Die Anforderungen aller drei Raketen an ihre Oberstufen unterscheiden sich leicht. Zenith und Proton benötigen nur eine Oberstufe mit wenig Schub, schließlich sind Block DM und erst recht die Breeze M selbst schubschwach. Die Sojus-Oberstufe hingegen wird bei einer geringeren Geschwindigkeit gezündet. Um alle Forderungen unter einen Hut zu bringen, sollte die Oberstufe ähnlich der Centaur mit einem oder zwei Triebwerken ausgestattet werden können.
Es gab in Russland bereits Vorschläge für eine O2/H2-Oberstufen, doch waren diese meist recht schwer, so hat der geplante Block „KVRB“ eine etwa um eine Tonne höhere Leermasse als die Centaur auf der Atlas 4/5. Man sollte also noch einmal von vorne anfangen und eine leichtgewichtige Stufe konstruieren. Wenn die Tanks anders als bei der Centaur aus Aluminium statt aus Stahl gefertigt werden, ist es für die von mir angenommene Leermasse nicht einmal nötig, immer ans technische Limit zu gehen, zumal die Oberstufe nicht die Vibrationen von Feststoffboostern aushalten muss. Ob die Oberstufe von der Nutzlastverkleidung umschlossen werden sollte, kann ich nicht beurteilen. Ich bin davon ausgegangen, dass das nicht der Fall ist.
| RD 0146 | |
| Schub in kN |
98,1 |
| Isp. In m/s |
4542 |
| Brennkammerdruck in bar |
79,00 |
| Flussrate in kg |
21,60 |
| Mischungsverhältnis |
6,00 |
| Entspannungsverhältnis |
210,00 |
| Halsdurchmesser in m |
0,086 |
| Enddurchmesser in m |
1,250 |
| Masse in t |
0,24 |
| Höhe in m |
2,37 |
| Stufe | F23-1 | F23-2 |
| Vollmasse in t |
23,24 |
23,48 |
| Leermasse in t |
2,74 |
2,98 |
| Höhe in m |
11,02 |
11,02 |
| Isp in m/s |
4542,00 |
4542,00 |
| Brenndauer in s |
949,14 |
474,57 |
| Schub in kN |
98,10 |
196,2 |
| Durchmesser in m |
3,50 |
3,50 |
| Tanklänge in m |
8,45 |
8,45 |
| Treibstoff/Oxidator |
H2/O2 |
H2/O2 |
| Dichte Treibstoff in t/m3 |
0,07 |
0,07 |
| Dichte Oxidator in t/m3 |
1,14 |
1,14 |
| Mischungsverhältnis |
6,00 |
6,00 |
| Höhe Triebwerk+ Schubgerüst |
2,57 |
2,57 |
Noch etwas zu meiner Berechnungsmethode: Ich habe für die bekannte Maximalnutzlast der jeweiligen Trägerrakete die erreichbare Geschwindigkeit berechnet. Danach habe ich die Oberstufe ausgetauscht und solange herumprobiert, bis die neue mit der alten Geschwindigkeit etwa übereinstimmte. Diese Methode müsste recht genau sein, da sich die Aufstiegsbahn durch die nur geringfügig schwerere/leichtere Oberstufe kaum verändert.
Sojus:
Für die Sojus habe ich die F23-2 genommen, da die Abtrennungsgeschwindigkeit nicht so groß ist. Die Kostenersparnis ist hier recht groß, da man zwei Triebwerke (davon ein sehr hochgezüchtetes) und zwei Stufen ersetzen kann.
| Alt | neu | |||||||
| Masse ohne Nutzlast |
311,25 |
300,88 |
||||||
| Nutzlast LEO |
8,25 |
Baikonur |
10,4 |
Baikonur | ||||
| Nutzlast GTO |
3,24 |
Kourou |
4,3 |
Kourou | ||||
| Fairing Maße | 11,4*4,11 | 11,4*4,11 | ||||||
| Fairing Masse |
1,7 |
1,7 |
||||||
| delta v LEO |
10121 |
|||||||
| delta v GTO |
12401,19 |
|||||||
| voll in t | leer in t | Isp. In m/s | Schub in kN | voll in t | leer in t | Isp. In t | Schub in kN | |
| Booster |
177,668 |
15,136 |
3130 |
4084 |
177,668 |
15,136 |
3130 |
4084 |
| Stufe 1 |
99,725 |
6,545 |
3130 |
992,2 |
99,725 |
6,545 |
3130 |
992,2 |
| Stufe 2 |
27,555 |
2,255 |
3520 |
294 |
23,484 |
2,984 |
4542 |
196,2 |
| Stufe 3 |
6,3 |
0,95 |
3207 |
19,6 |
Zenith:
Mit Sealaunch ging es in letzter Zeit ziemlich bergab, ich habe die Zenith 3SL trotzdem mit einbezogen. Zum Einsatz kommt die F23-1. Der Nutzlastgewinn ist extrem groß, was neben dem höheren Isp. vor allem an dem katastrophalen v/l-Verhältnis des Block DM liegt. Die neue Nutzlast ist groß genug, um Doppelstarts durchführen zu können. Für LEO-Starts wird die Oberstufe weggelassen.
| alt | neu | |||||||
| Masse |
465,15 |
468,58 |
||||||
| LEO |
15,7 |
Sealaunch |
15,7 |
Sealaunch | ||||
| GTO |
6 |
Sealaunch |
11,7 |
Sealaunch | ||||
| Fairing Maße | 11,39*4,15 | 11,39*4,15 | ||||||
| delta V GTO |
11278,00 |
|||||||
| voll in t | leer in t | Isp. in m /s | Schub in kN | voll in t | leer in t | Isp. in m /s | Schub in kN | |
| Stufe 1 |
354,582 |
32,302 |
3308 |
8354 |
354,582 |
32,302 |
3308 |
8354 |
| Stufe 2 |
90,757 |
9,017 |
3432 |
891,4 |
90,757 |
9,017 |
3432 |
891,4 |
| Stufe 3 |
19,811 |
3,861 |
3452 |
80 |
23,242 |
2,742 |
4542 |
98,1 |
Proton:
Bei der Proton wird ebenfalls die F23-1 verwendet. Der Nutzlastgewinn ist gegenüber der Zenith geringer, es sind aber Doppelstarts mittelschwerer Satelliten möglich. Wie bei der Zenith wird die Oberstufe auch hier bei LEO-Starts weggelassen.
| alt | neu | |||||||
| Masse |
690,76 |
693,03 |
||||||
| LEO |
21,6 |
21,6 |
||||||
| GTO |
5,645 |
9,5 |
||||||
| Fairing Maße | 15,22*5,1 | 15,22*5,1 | ||||||
| delta V GTO |
13055,03 |
|||||||
| voll in t | leer in t | Isp. In m/s | Schub kN | voll in t | leer in t | Isp. In m/s | Schub kN | |
| Stufe 1 |
450,01 |
30,7 |
3109 |
10700 |
450,01 |
30,7 |
3109 |
10700 |
| Stufe 2 |
167,513 |
11,4 |
3206 |
2322 |
167,513 |
11,4 |
3206 |
2322 |
| Stufe 3 |
52,262 |
3,7 |
3187 |
583 |
52,262 |
3,7 |
3187 |
583 |
| Stufe 4 |
15,25 |
0,65 |
3192 |
19,62 |
23,24 |
2,74 |
4542 |
98,10 |
| Stufe 5 |
5,72 |
1,72 |
3192 |
19,62 |
Weitere Anwendungen:
Weiterhin sind einige mehr oder weniger sinnvolle weitere Anwendungen denkbar, die ich aber nicht durchgerechnet habe. Denkbar ist der Einsatz auf der Zyklon 4, wodurch sich die Nutzlast in den GTO mehr als verdoppeln sollte. Mit dem Programm geht es, wenn ich richtig informiert bin, in letzter Zeit jedoch nicht voran. Ein weiterer Kandidat ist die Rockot, allerdings passen die Stufendurchmesser nicht zusammen und die Oberstufe wäre wohl für eine ausgemusterte und sehr billige ICBM ein ziemlicher Kostentreiber. Zu guter Letzt bleibt die Dnjepr, hier hat Bernd das mit der Centaur und der H10 schon berechnet: http://www.bernd-leitenberger.de/dnepr-oberstufe.shtml
Alles in allem ergibt das eine gute Nutzlaststeigerung kombiniert mit Serienproduktion. Natürlich muss die Wasserstoffinfrastruktur gebaut werden. Für die Sojus und die Proton ist das kein Problem. Sealaunch hat derzeit einige Probleme, und Umbauten auf dem begrenzten Raum einer schwimmenden Plattform erfordern sicher einen immensen Aufwand
Weiter zum Folgeartikel: http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2013/08/14/macht-mehr-aus-der-angara/