Eine gemeinsame Oberstufe für die Ariane 5 ME und 6

Es gibt ja Themen die sind bei mir Dauerbrenner. Eines ist der Ausbau der Ariane 5, vor allem weil ich hier deutliche technische Defizite sehe, die wenn sie gelöst wären, sicher dazu führen würden, dass man sich die Entscheidung für die Ariane 6 nochmals überlegt. Eigentlich wollte ich das ganze in die Satire und Fiction Rubrik einordnen, doch dann dachte ich – eigentlich falsch, das wäre technisch möglich und auch wirtschaftlich sinnvoll.

Also warum geht es: Derzeit laufen ja die Arbeiten für die kryogene Oberstufe der Ariane 5 an, dabei soll man schon daran arbeiten, möglichst viel in der Ariane 6 wiederzuverwenden. Nun die optimalste Lösung ist eine Oberstufe für beide Träger. Doch das ist derzeit nicht geplant. Die Ariane 5 Version wird kurz sein und 5,40 m Durchmesser haben. Die Ariane 6 wird länglicher sein und im Durchmesser kleiner. Genaueres kann man aus den Skizzen mangels Bemaßung nicht angeben, aber ableiten kann man das aus den Zeichnungen.

Die Idee ist nun sich für eine der beiden Oberstufen zu entscheiden. Ich habe mich für die der Ariane 6 entschieden, die (geschätzt) 4 m Durchmesser haben soll. Doch was macht man dann bei der Ariane 5? Nun das gleiche wie bei der Atlas: Die Nutzlastverkleidung umgibt auch die Oberstufe. Da sie durch die lange Brennzeit der Ariane 5 EPC sie nach 188 s abgetrennt wird, wirkt sich eine schwere Verkleidung nicht so negativ auf die Nutzlast aus.

Die dadurch bei der Ariane 5 längeren Tanks haben einen Vorteil: Das Schwappen ist geringer, das kann jeder ausprobieren der mal 1 l in einem Wanne und in einem Zylinder bewegt hat. Damit spart man Gewicht ein. Gewichtseinsparung ist aber auch noch anders möglich. Da Astrium Bremen, wo die ESC-B entwickelt und gebaut wird, nur eine sehr schwere Stufe hinbekommt, sollte man nach Wegen suchen, hier der Firma das Leben leichter zu machen. Die schwere Konstruktion wird begründet, dass durch die EAP induzierten Schwingungen große Belastungen hervorrufen. Nun ist das sicher so, aber es gibt andere Stufen wo leicht gebaut sind obwohl die Träger große Feststoffbooster einsetzen wie bei der Titan Centaur, der H-II der Shuttle ET, der sogar noch den Orbiter tragen muss und nicht zuletzt die Ariane 5 EPC die direkt darunter sitzt und ein Voll/Leermasseverhältnis von 13,5:1 hat. erheblich leichtgewichtiger als die ESC-B mit 5,5 zu 1.

Eine Lösung wäre es die Vibrationen zu dämpfen, so dass man eine Stufe bauen kann, die in etwa disselben Belastungen aushalten muss wie auf einer Rakete mit flüssigen Treibstoffen. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Das eine sind passive Systeme die Vibrationen schlucken wie Gummidichtungen oder Federsysteme. Das zweite sind aktive Systeme, die man für die Ares I plante, die bemannt sein sollte und daher besonders „ruhig“ fliegen sollte. Hier hätte man bewegliche Elemente in den Stufenadapter eingebaut. Sie hätten diesen zwar um 2,5 t schwerer gemacht, aber nur etwa 550 bis 650 kg Nutzlast gekostet. Bei der Ares I wäre so die Vibration unter 0,25 g geblieben. Eine ähnliche Technologie könnte man auf der Ariane 5 einführen. Da man die 2,5 t mit dem Stufenadapter abtrennt, erniedrigen sie netto die Nutzlast nur um 670 kg. Dafür sollte die Oberstufe viel leichter sein. Als Vergleich bietet sich die Delta Cryogenic Second Stage (DCSS) an, die bei 27,5 t Treibstoff 3,49 t leer wiegt. Die DCSS ist eine konventionelle Struktur, ohne die Bestrebung besonders leicht zu sein. So hat sie getrennte Tanks, keine Innendruckstabilisierung und setzt die gleiche Legierung 2219 ein, wie die Ariane 5 EPC und nicht die leichtere 2195, welche die NASA inzwischen für neue Projekte bevorzugt. Die ESC-B soll 28 t Treibstoff fassen, das ist fast die gleiche Menge. Das Triebwerk ist aber schubstärker und dadurch schwerer und dann ist dort auch die das Rollachsenkontrollsystem für die EPC eingebaut. Wenn man 4 t Trockenmasse ansetzt, ist man auf der sicheren Seite. Das bringt, da man derzeit die Trockenmasse mit 6-6,25 t angibt netto 1,33 bis 1,58 t mehr Nutzlast.

Man kann diese aber wahrscheinlich noch steigern. Die Vibrationen kommen durch die Feststoffbooster. Doch die Nutzlastverkleidung wird 50 s später abgetrennt. Wenn es gelingt die Aktoren so an der Außenseite des konischen Zwischenstufenadapters zu befestigen, dass man sie danach absprengen kann, so erledigt man sich dieser 2,5 t Zusatzgewicht frühzeitig, was in etwa die Nutzlasteinbuße auf ein Drittel reduzieren sollte – dann wären 1,75 bis 2 t mehr Nutzlast möglich.

Man wagt ja gar nicht zu denken was passieren würde, wenn Astrium Bremen ein Leermasseverhältnis wie bei der Atlas V DEC Centaur erreicht: das wären nur noch 3,3 t Leermasse. Der Schub wäre auch vergleichbar. 200 kg für das RACS addiert, ist man dann bei 2,25 bis 2,5 t mehr Nutzlast.

Natürlich würden dieselben Maßnahmen auch bei der Ariane 6 die Nutzlast steigern. (Wenn man dort die stufe wieder von Astrium Bremen bauen lässt, was ja noch offen ist, da die Nutzlasteinbuße bei einer schweren Stufe bei der Ariane 5 noch größer ist (höhere Geschwindigkeit die zu erreichen ist, geringere Nutzlast), wäre es nicht ratsam eine andere Firma zu beauftragen die leichtere Stufen fertigen kann).

Bei der Ariane 6 musste man ja von den maximal 8 t Nutzlast auf 6,5 t reduzieren. Eventuell erreicht man dann diese Nutzlast wieder (mangels Daten nicht berechenbar). Wahrscheinlich wird man auf diese Maßnahmen aber nicht kommen, da man ja bisher andere Technologien zur Gewichtsreduktion nicht in Betracht zieht. Die Sache ist natürlich die, dass dies dann eventuell die Ariane 6 Entscheidung in Frage ziehen könnte. Die Ariane 5 ME soll so teuer wie die Ariane 5 ECA sein. Es werden zwar keine Startpreise veröffentlicht, doch man kann aus den Umsätzen von Arianespace den Start auf etwa 160 Millionen Euro abschätzen. Wenn nun die Nutzlast anstatt 12 t rund 13,3 bis 14,5 t Nutzlast transportiert kann man zwei 6 t Satelliten für 160 Millionen Euro transportieren. Das ist zwar noch teurer als die anvisierten 70 Millionen Euro pro Ariane 6 Start, aber die dürften fix sein, auch wenn die Nutzlast kleiner ist. Die Ariane 5 bietet aber nach wie vor die Möglichkeit zu kombinieren, also dann einen leichteren mit einem schwereren Satelliten zu starten. Zudem kann man viele Starts durchführen und 20 Millionen Euro Subvention pro Start zahlen, bis man die 4-5 Milliarden Euro Entwicklungskosten für die Ariane 6 wieder reinbekommen hat.

5 thoughts on “Eine gemeinsame Oberstufe für die Ariane 5 ME und 6

  1. So ein Schwingungsdämpfungssystem ist ja eigentlich eine alte Sache. Als Tilgerpendel ist das bei Türmen und Hochhäusern schon seit Jahrzehnten üblich. In einer Rakete ist ein Federsystem aus Platzgründen besser geeignet, das Funktionsprinzip ist aber das Gleiche. Als aktive Masse können schwere Teile verwendet werden, die man auch ohne Schwingungsdämpfungssystem mitschleppen muß. Batterien und Druckgastanks wären dafür durchaus geeignet. Damit wird weiteres Gewicht gespart.
    Allerdings ist das wohl nicht zu erwarten. Wie schon das Sprichwort sagt: Was der Bauer nicht kennt, das frißt er nicht.

  2. Die geschätzten 4 m Durchmesser liegen fast auf den cm genau an dem Optimum, das meine Optimierungs-Tabelle anzeigt, jedenfalls bei identischer Flächenmasse für Oberfläche, Verschlüsse und Zwischenboden.

  3. Hallo,
    mal eine kleine Frage, soll durch die Entscheidung für die Ariane 6 die Ariane 5 ersetzt oder ergänzt werden?
    Gegen einen Ersatz bin ich auch, eine Rakete mit hoher Nutzlast gegen eine mit weniger einzutauschen hört sich nach einer eher kurzsichtigen Entscheidung an, aber eigentlich ist man ja so etwas von Politikern schon gewohnt. Es mag möglicherweise im Augenblick nicht so aussehen (Satelliten werden wieder leichter) aber vielleicht wäre man in 10 Jahren froh um eine leistungsfähige Großrakete.

    Gegen eine Ergänzung habe ich an sich nichts, auch wenn man sich fragt wofür man dann die Vesa gebaut hat und man natürlich einwenden kann, dass das Geld, das in die Ariane 6 fliest eben dann eben bei der Weiterentwicklung der Ariane 5 fehlt. Wenn ich dich (Bernd) richtig verstehe geht es um eine Ergänzung und das du eben aus diesem Grund gegen die Ariane 6 bist.

    Gruß Manuel

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