Eine zusätzliche Stufe für die Atlas V
Bei der Atlas V ist mir aufgefallen, daß die zweite Stufe im Vergleich zur ersten recht leicht ist. Die erste Stufe wiegt rund 13,5 mal soviel. Das hat mich auf die Idee gebracht, dazwischen eine weitere Stufe einzufügen. Optimal wäre eine Stufe mit einem Startgewicht um die 80 Tonnen. Leider gibt es in dieser Größe kaum etwas, das noch produziert wird.
Variante 1: Eine Feststoff-Stufe von der Athena 2. Die kommt zwar vom gleichen Hersteller, ist aber deutlich kleiner als das Optimum. Der vergleichsweise niedrige spezifischer Impuls lässt keine all zu große Nutzlaststeigerung erwarten.
Variante 2: Die zweite Stufe der Zenit. Für diesen Zweck etwas groß geraten, aber bessere Werte als die Feststoff-Stufe. Damit wäre eine größere Nutzlaststeigerung möglich, allerdings dürfte diese Variante schon aus politischen Gründen vom Tisch sein.
Variante 3: Eine Neukonstruktion auf der Basis der Centaur-Technologie. Ich habe eine Startmasse von 80 Tonnen angenommen, 4 Triebwwerke und das Masseverhältnis von der Centaur. Diese Stufe wäre deutlich leistungsfähiger als die anderen Varianten. Als Name schlage ich Centaur 4 vor. (Version mit 4 Triebwerken)
Vergleichen wir mal:
Rakete: Atlas V (Original, ohne zusätzliche Stufe)
| Boosterzahl | Startmasse [t] | Nutzlast GTO [t] |
|---|---|---|
| 2 | 428 | 6,485 |
| 3 | 475 | 7,25 |
| 4 | 523 | 8,24 |
| 5 | 570 | 8,7 |
| Stufe | Vollmasse [t] | Leermasse [t] | Spez.Impuls (Vakuum)[m/s] |
|---|---|---|---|
| Booster | 46,559 | 5,735 | 2696 |
| 1 | 305,535 | 21,336 | 3312 |
| 2 | 22,586 | 1,914 | 4422 |
Rakete: Atlas V Athena
| Boosterzahl | Startmasse [t] | Nutzlast GTO [t] |
|---|---|---|
| 2 | 482 | 7,4 |
| 3 | 530 | 8,8 |
| 4 | 577 | 9,7 |
| 5 | 625 | 10,8 |
| Stufe | Vollmasse [t] | Leermasse [t] | Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
|---|---|---|---|
| Booster | 46,559 | 5,735 | 2696 |
| 1 | 305,535 | 21,336 | 3312 |
| 2 | 53,02 | 4,211 | 2805 |
| 3 | 22,586 | 1,914 | 4422 |
Rakete: Atlas V Zenit
| Boosterzahl | Startmasse [t] | Nutzlast GTO [t] |
|---|---|---|
| 2 | 521 | 8,9 |
| 3 | 569 | 10,2 |
| 4 | 617 | 11,6 |
| 5 | 664 | 12,3 |
| Stufe | Vollmasse [t] | Leermasse [t] | Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
|---|---|---|---|
| Booster | 46,559 | 5,735 | 2696 |
| 1 | 305,535 | 21,336 | 3312 |
| 2 | 90,757 | 9,017 | 3433 |
| 3 | 22,586 | 1,914 | 4422 |
Rakete: Atlas V Centaur 4
| Boosterzahl | Startmasse [t] | Nutzlast GTO [t] |
|---|---|---|
| 2 | 514 | 12,3 |
| 3 | 562 | 14,2 |
| 4 | 610 | 15,9 |
| 5 | 658 | 17,2 |
| Stufe | Vollmasse [t] | Leermasse [t] | Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
|---|---|---|---|
| Booster | 46,559 | 5,735 | 2696 |
| 1 | 305,535 | 21,336 | 3312 |
| 2 | 80 | 6,779 | 4422 |
| 3 | 22,586 | 1,914 | 4422 |
Die Atlas V Athena lohnt sich kaum, der Nutzlastgewinn ist nur wenig größer als mit einem zusätzlichen Booster. Bei der Atlas V Zenit lohnt es sich schon etwas mehr. Die größte Leistungssteigerung bringt aber die Atlas V Centaur 4. Bei allen Boostervarianten lässt sich so die Nutzlast ungefähr verdoppeln. Das ist mehr als mit der Atlas V HLV erreicht wird – bei deutlich geringerer Startmasse. Eine zusätzliche Stufe bringt eben mehr als größere Booster. Besonders wenn sie auch noch mit hochenergetischem Treibstoff arbeitet.
Klingt natürlich auf dem Papier gut mit der zusätzlichen Centaur 4, aber praktisch ist das auch eher unwahrscheinich. Das RL-10 ist nicht ganz billig und gleich vier davon in eine zusätzliche Stufe treiben den Preis der ohnehin nicht günstigen Atlas V noch mal schön in die höhe. Ausserdem wäre diese Stufe sehr groß aufgrund der geringen Dichte des Wasserstoffs. Da man beim Durchmesser begrenzt ist baut in Stufe in der Länge auf und damit würde die Atlas zu hoch werden was diverse Nachteile hat.
Praktisch bessere fände ich es die Centaur etwas zu vergössern, auch das verbessert das Stufenverhältnis. Und das soll ja wohl auch gemacht werden, die gemeinsame RL-10-Oberstufe von Delta und Atlas die dann später auch auf dem Nachfolger eingesetzt wird.
Günstiger wäre natürlich ein einzelnes Triebwerk passender Größe. Das müßte aber erst entwickelt werden, was auch nicht gerade billig ist. Letzten Endes entscheidet aber die Stückzahl, welche Variante billiger ist. Bei geringen Stückzahlen ist die Verwendung vorhandener Triebwerke günstiger, bei großen Stückzahlen ein neues Triebwerk. (Die Entwicklungskosten verteilen sich dann auf viele Exemplare)
Andererseits steht den höheren Kosten ungefähr eine Verdopplung der Nutzlast gegenüber. Wenn die zusätzliche Stufe billiger ist als eine komplette Atlas V lohnt es sich also. Und durch die höheren Stückzahlen würde der Preis für die Triebwerke etwas sinken.
Die Länge der Stufe läßt sich in Grenzen halten, wenn man den Durchmesser vergrößert. Beim gleichen Durchmesser wie die erste Stufe wäre die Länge noch nicht so extrem. Aber es geht auch dicker als die erste Stufe, wie bei der Ares I. Sieht zwar mehr wie ein Eis am Stiel aus und nicht mehr wie eine Rakete.
„Eine zusätzliche Stufe bringt eben mehr als größere Booster. Besonders wenn sie auch noch mit hochenergetischem Treibstoff arbeitet“
Ja, auch bei der Angara-A5 mit einer dritten Wasserstoffstufe (470s) erhöhen wir die Nutzlast auf einen Schlag um 10 Tonnen, auf 35 Tonnen auf eine LEO.