Meine Ariane 6

Weil heute Nikolaustag ist, schenke ich mal der ESA was – eine billige Alternative zu ihren Ariane 6 Plänen. Den für diese Ariane 5 Reloaded (so nenne ich die Ariane 6) finde ich sie extrem teuer. Ich will mal meine alternative skizzieren mit demselben Basiskonzept. Das ist:

• Eine Zentralstufe mit weniger Treibstoff als die Ariane 5 ME
• Eine kryogene Oberstufe mit dem Vinci Triebwerk
• Mehrere kleinere Feststoffbooster anstatt zwei großen

Fangen wir mit der EPC an. Die derzeitige Ariane 5 EPC ist auf die beiden EAP ausgelegt. Das ermöglicht es, diese sehr leicht zu bauen, denn die Kräfte der Booster werden an zwei Stellen übertragen: unten am Schubrahmen, der strukturell verstärkt ist und auch die Kräfte des Vulcain 2 überträgt und oben am Zwischenstufenadapter, der ebenfalls massiv ist. Diese Auslegung bedeutet dass der integrale Treibstofftank sehr dünn sein kann, die EPC bekommt auch nicht die vollen Vibrationen der EAP mit, dafür wird die Oberstufe sehr stark durchgeschüttelt, was bei der kleinen und massiven EPS kein Problem war, aber bei den kryogenen Oberstufen das Trockengewicht sehr stark erhöht.

Bei viel kürzeren Boostern sieht es anders aus. Die Booster sind kürzer und übertragen ihre Kräfte so auf die Tankstruktur. Sinnvollerweise sollte das auf strukturverstärkte Teile geschehen. Es bietet sich an, dazu die Tanks neu aufzuteilen. Die EPC besteht derzeit aus einem oberen Sauerstofftank und einem unteren Wasserstofftank. Tauscht man beide Tanks um, so hat man unten einen 6 m langen Sauerstofftank. Der P80 FW den ich als Booster nehme (Erststufe der Vega) hat ein Motorgehäuse von etwa 9,5 m Länge. Berücksichtigt man dass unterhalb des Tanks noch das Schubgerüst sitzt so sollte man die Booster an der Zwischentanksektion anbringen können. Damit hat man wieder eine Befestigung an einem strukturell stärkeren Teil als an den vergleichsweise dünnen Wänden.

Trotzdem wird die EPC schwerer werden, denn nun wird auch der vorher leichte Wasserstofftank gut durchgeschüttelt, als Vorteil wird dafür die Oberstufe leichter. Ich nehme hier mal einfach an, dass die neue EPC dasselbe Voll-Leermassenverhältnis wie die Delta 4 Erststufe erreicht. Beide sind in der Masse vergleichbar. Sie müsste wegen dem viel leichteren Triebwerk und der Sauerstoffreichenmischung sogar noch etwas besser liegen. So erhält man 20 t Leermasse bei 175 t Treibstoffzuladung. (Bisher nur 14 t).

Die Booster sind Standard P80 FW. Ich sehe 2,4,6 und 8 Booster vor, wobei man ab 6 Boostern zwei bzw. vier später zündet. Ein P80 FW hat einen Startschub von 2296 kN. Bei einer Masse von 250 t für die Restrakete (195 t EPC, 55 t Oberstufe, Nutzlast und  Nutzlasthülle) und einem Schub von 960 kN des Vulcain 2 hat man bei zwei Boostern einen Startschub von 5552 kN bei 440 t Startmasse. Das reicht für dass Abheben (12,6 m/s, also 1,28 g über dem 1,25 G Minimumkriterium das man meist ansetzt). Das Problem ist nur, dass die Booster auch nach 107 s ausgebrannt sind. Die EAP brennen 132 s lang.

Das hat Folgen. Ariane 5 hat ein Triebwerk dessen Schub zu gering für das Abheben ist, er ist auch noch bei Abtrennung der EAP kleiner als um die Rakete mit 1 g zu beschleunigen. Die EAP bringen einen Großteil der vertikalen Beschleunigung auf. Das können zwei kleine Booster nicht. Die Lösung ist bei zwei oder vier Boostern Treibstoff in der EPC wegzulassen. Das ist auch ein Grund warum die ESA nur 150 t anstatt derzeit 175 t zuladen will. Überträgt man das auf die Ariane 5 Reloaded so würde ich die gleiche Restbeschleunigung bei den zwei Booster Konfigurationen wie bei den EAP ansetzen. In diesem Falle müsste man wie bei den kleinen Ariane 4 Versionen Treibstoff weglassen, und bei den zwei 2-Booster Konfigurationen die Zuladung auf 144,5 t beschränken. Bei vier ist es auch etwas weniger aber nur rund 4 t weniger Treibstoff.

Bei mehr als vier Booster wird man nur vier am Boden zünden, die anderen vier dann während des Flugs. Für diese beiden Konfigurationen habe ich geringere Aufstiegsverluste angesetzt, die sich ansonsten am Wert für Ariane 5 orientieren. Besser wären 9 Booster, doch wird es dann geometrisch eng, diese um die 5,40 m breite EPC unterzubringen. Damit wären die Kombinationen 2,3,4,5,4+2,5+4 möglich. Wichtigster Nebeneffekt ist das so auch die Startkosten für die Vega sinken, denn die Booster werden auch bei ihr verwendet. Anders als die Entwürfe der ESA sind es aber dieselben wie bei der Vega, genauso wie die EPC dieselbe ist.

Bei der kryogenen Oberstufe habe ich dagegen nicht die ESC-B angesetzt. Diese ist unnötig schwer, weil sie zum einen von den Boostern durchgeschüttelt wird, die direkt unter ihr die Kräfte übertragen und zum zweiten ein ungünstiges Oberflächenverhältnis hat, dadurch dass der Durchmesser von 5,40 m zu groß für eine Stufe mit weniger als 30 t Treibstoff ist. Die ESA plante für die Ariane 6 mit Feststoffboostern eine Stufe mit 4-4,4 m Durchmesser und 32 bis 36 t Treibstoff. Das Tankgewicht dürfte mit Isolation und Druckgas maximal 2 t wiegen – zum Vergleich, der heutige LH2 Tank der ESC-A alleine wiegt genauso viel, nur fasst er weniger als die Hälfte des Treibstoffs. Nimmt man dies und Erfahrungswerte von anderen Stufen der Größenordnung wie der DCSS als Maßstab so wird eine Stufe mit 36 t Treibstoff wohl ein Trockengewicht um die 4 t haben. Dazu habe ich noch 500 kg für die VEB/Nutzlastadapter addiert.

Die Nutzlastverkleidung wird schwerer sein als bei der Ariane 5, weil sie nun länger ist und die letzte Stufe mitumhüllt (das ist die einfachste Vorgehensweise, wenn auch nicht die leichteste). Die Masse habe ich daher mit 3,5 t angesetzt, rund 1 r schwerer als heute. Hier die Angaben der Raketen, die Nutzlasten sind berechnet wie wenn die Stufen nacheinander zünden, das ist eine Vereinfachung, doch meist weicht das reale Ergebnis nicht stark davon ab. Die Nutzlast liegt etwas besser als bei der projektierten Ariane 6, vor allem wenn man bedenkt dass der ESA-Vorschlag etwas größere Booster hat. Das lässt darauf schließen, dass die Oberstufe bei der ESA wieder so massiv sein wird wie bei der Ariane 5 (würde man die ESC-B einsetzen, so kann man rund 2 t bei jeder Nutzlast abziehen). Meiner Ansicht nach muss das nicht sein, arbeitet doch MT-Aerospace auch an Composite Tanks die nach NASA-Angaben 30% leichter bei 25% höherem Innendruck sind. Wenn man dazu noch eine günstigere Form nimmt müsste man auf die Werte hier kommen (die DCSS die nun ja völlig konventionelle Technik hat (keine leichten Legierungen, getrennte Tanks für LOX und LH2) kommt bei einer Rakete mit ähnlichem Aufbau auf 3,5 Trockenmasse bei 30,7 t Startmasse). Ich vermute mal die geringere Nutzlast dürfte daher kommen, das Astrium Bremen, die Weltrekordhalter im schlechtesten Voll/Leermasseverhältnis wieder mit der Oberstufe betraut sind, irgend etwas muss man ja für die 22% Beteiligung von Deutschland an der Ariane 6 finden – und die können einfach nicht leicht bauen.

Rakete: Ariane 5-2-0

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Verkleidung [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]
412544	7452	3500	10250	2250
Stufe	Anzahl	Name	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez.Impuls (Vakuum) [m/s]
1	2		95796	7287	2746
2	1		169500	25000	4248
3	1		40500	4500	4550

 

Rakete: Ariane 5-4-0

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Verkleidung [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]
634988	11804	3500	10250	2250
Stufe	Anzahl	Name	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez.Impuls (Vakuum) [m/s]
1	4		95796	7287	2746
2	1		196000	25000	4248
3	1		40500	4500	4550

 

Rakete: Ariane 5-4-2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Verkleidung [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]
835413	16637	3500	10250	2000
Stufe	Anzahl	Name	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez.Impuls (Vakuum) [m/s]
1	4		95796	7287	2746
2	2		95796	7287	2746
3	1		200000	25000	4248
4	1		40500	4500	4550

 

Rakete: Ariane 5-6-2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Verkleidung [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]
1029945	19577	3500	10250	2000
Stufe	Anzahl	Name	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez.Impuls (Vakuum) [m/s]
1	6		95796	7287	2746
2	2		95796	7287	2746
3	1		200000	25000	4248
4	1		40500	4500	4550

Was die Rakete nicht einlöst ist das sie immer noch zu leistungsfähig ist. Die Nutzlast rangiert nun zwischen 7,4 und 19,5 t eigentlich braucht die ESA eher eine Rakete, die den Bereich von 3 bis 12 t abdeckt. Doch das ist auch die Ariane 6 der ESA nicht. Dazu müsste man eine sehr kleine Zentralstufe konstruieren die dann auch ohne Booster abheben könnte, mit einer kleineren Oberstufe (für die dann das Vinci eigentlich überdimensioniert wäre). Aber nur durch Weglassen der Booster wird man auch den Preis nicht groß drücken können, sodass diese Rakete zwar technisch denkbar aber unwirtschaftlich wird.