Angara – so mach ich was draus

In einem neuen der Block der Reihe „Wir wissen es besser als die Raumfahrtfirmen und -behörden“ widme ich heute der Angara und wie man das Konzept richtig umsetzen könnte. Zuallererst ein paar Worte über den Grundgedanken der Angara und der Umsetzung.

Die Idee einer skalierbaren Raketenfamilie ist eigentlich nicht neu und es gab auch schon früher Vorschläge über einen skalierbaren Träger. In gewisser Weise existieren diese ja schon – Atlas V, Ariane 4 oder Delta II waren durch Booster skalierbar, teilweise um den Faktor 2 in der Nutzlast. Wenn man weiter geht und die Angara wollte ja mal einen Bereich von 2 bis 40 t abdecken, muss man irgendwo Kompromisse machen. Meiner Ansicht nach hätte man die kleinen Nutzlasten außen vor lassen können, die kann man durch ausgediente ICBM starten von denen Russland ja in den nächsten Jahren noch etliche ausmustert. Noch immer sind RS-18, RS-24 und RS-36M im Dienst mit denen man 2 bis 3,8 t schwere Nutzlasten starten kann.

Es gab in der Frühzeit der Angara den Vorschlag diese auf Basis der RD-180 zu konstruieren, zugunsten der kleinen Nutzlasten hat man sich wohl auf die RD-191 festgelegt. Das RD-180 hätte einige Vorteile: es war schon entwickelt. Es gibt Synergien mit der Produktion für die Atlas und vor dem Jungfernflug gab es bisher 50 Starts der Atlas – alle ohne Probleme. Man hat also ein erprobtes Triebwerk. Eine Rakete auf Basis des RD-180 hätte wegen des doppelt so hohen Schubs einen Bereich von 8 bis 60-70 t Nutzlast abgedeckt. Damit hätte man auch die Sojus ersetzt und hätte zumindest eine halbe Schwerlastrakete. Von der träumt Russland ja auch seit Jahren.

Aber nehmen wir die Angara in der Grundkonzeption mit den URM. Die URM halte ich für nicht schlecht, nur bei den Oberstufen hat man sich verzettelt (siehe letzter Blog). Von denen aus will ich aus das Konzept aufziehen. Die Angara sollte ja auch mal preiswert sein. Das erreicht man, indem man bestehendes verwendet. Nun hat Russland eine existierende LOX/LH2 Oberstufe: die KVD-1 für die GSLV. Sie hat in etwa die gleiche Leistung wie die kleinste KTVK. Daher macht die Entwicklung der KVTK und eines neuen Triebwerks RD-0146 für mich weniger Sinn. Sie passt in der Masse von 15 t recht gut zum URM, man kann das leicht mit der Atlas und Centaur vergleichen die ursprünglich auch 15,6 und 125 t wogen.

Braucht man dann für 3, 5, 7 URM 3-7 mal größere Oberstufen: nein nicht unbedingt. Die kleinste Version ist zwangsläufig zweistufig. Bei den größeren müsste man eine neue Stufe einführen. Ich habe dies durchdacht und mich dagegen entschieden. Das URM-2 hat einen tollen spezifischen Impuls, aber mit 300 kN ist das Triebwerk zu schubschwach. Das RD-120 wäre mit >800 kN in der richtigen Größenordnung, wird aber in er Ukraine gefertigt. Energomasch hat es aber entwickelt, sodass es sicher eine Alternative ist. Warum ich dann doch auf eine weitere Stufe verzichtet habe, dann weil das RD-191 auf 30% im Schub senkbar ist, was man heute schon ausnutzt. Bei der Angara 5 brennt das mittlere URM z.B. 325 s lang, die Booster 214 s. Dadurch wiegt das zentrale UEM bei Boosterabtrennung noch knapp 80 t, das entspricht eigentlich der Einführung einer neuen Stufe von 80 t Gewicht. Das machte eine weitere Stufe überflüssig. Was man noch braucht ist für die größeren Angara (3-7) eine kryogene Oberstufe die etwas größer ist und sich den größeren Nutzlasten anpasst. Ich habe mich für eine mit zwei RD-56 und 32 t Startmasse entscheiden. Die Leermasse habe ich von der in etwa gleich großen KTVK der Angara 7A übernommen.

Bleibt noch die Größe der URM. Man kann ausgehend von der Nutzlast deren Größe festlegen. Ein RD-191 hat einen Schub von 196 t. Bei einer Beschleunigung mit 1,2 g kann es also bis zu 164 t anheben. Das ist maximale kombinierte Masse der Angara 1. Rechnet man 15,2 t für die KVD-1, 0,7 t für die Nutzlastverkleidung und 5 t für die maximale Nutzlast ab so bleiben 143 t für die maximale Masse eines URM übrig.

Bei den größeren Angara Versionen spielen die Massen der Oberstufen und Nutzlasten für die Berechnung der Masse eines URM keine Rolle, weil die Oberstufen gleich schwer bleiben, mit jedem URM aber Schub hinzukommt. Stattdessen kommt irgendwann der Punkt ab dem man ein URM erst später zünden kann. Ich habe das für die Angara 5+7 untersucht.

Angara 5: Bei einer geschätzten Masse von 32 t für die Oberstufe und 27 t für maximale Nutzlast und Nutzlastverkleidung dürfen bei 4 am Boden gezündeten URM die 5 URM insgesamt 594 t wiegen, jedes einzelne also 118,8 t.

Bei der Angara 7 und 40 t Nutzlast und 37 t für Oberstufe und Nutzlastverkleidung kommt man auf 129 t pro URM. Man müsste in beiden Fällen also Treibstoff weglassen wenn man die Größe basierend auf der Angara 1 auf 143 t festlegt.

Es gibt noch eine Alternative: man macht es wie die Angara heute: und zündet alle URM und drosselt dann das zentrale herunter. Beim Start müssen alle vollen Schub erreichen, doch mit steigender Höhe und geringerem Außendruck kann man reduzieren. Das RD-191 kann sehr stark reduziert werden auf 30% der Leistung. Daneben hat das den Vorteil dass das Triebwerk nicht für eine Zündung im Flug qualifiziert sein muss. Das sind nicht alle. das SSME schied für die zweite Stufe der Ares V z.B. deswegen aus weil es dazu nicht fähig ist. Da alle RD-171/180/191 nur in Erststufen eingesetzt werden, würde ich drauf tippen, das es auch das RD-191 nicht ist.

Ich habe mich daher für ein URM von 143 t Masse entschlossen, das entspricht dem heutigen URM und man kann bei späterer Zündung eines URM dann Treibstoff weglassen.

Nun zu den Versionen. Wenn man noch Versionen die sich in früher oder später URM-Zündung durch Kombination der beiden Oberstufen hinzunimmt kommt man auf folgende Versionen: (1600 m/s Verluste bei zweistufigen und 1800 m/s bei dreistufigen mit einkalkuliert). Die Ziffern haben nichts mit den realen Angara Versionen zu tun, sie sind einfach durchnummeriert.

Rakete: Angara 1-1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
165570 6570 800 7800 1600
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 143000 9000 3308
2 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 1-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
165929 7928 800 7800 1600
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 126000 9000 3308
2 1 32000 4200 4532

 

Rakete: Angara 3-1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
462576 17576 800 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 358400 18000 3308
2 1 70600 9000 3308
3 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 3-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
483468 21668 800 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 358400 18000 3308
2 1 70600 9000 3308
3 1 32000 4200 4532

 

Rakete: Angara 5

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
616007 19007 3000 7800 1600
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 118800 9000 3308
2 1 118800 9000 3308

 

Rakete: Angara 5-1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
635878 23678 3000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 118800 9000 3308
2 1 118800 9000 3308
3 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 5-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
657220 28220 3000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 118800 9000 3308
2 1 118800 9000 3308
3 1 32000 4200 4532

 

Rakete: Angara 5-3

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
760220 27020 3000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 637000 36000 3308
2 1 78000 9000 3308
3 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 5-4

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
782268 32268 3000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 637000 36000 3308
2 1 78000 9000 3308
3 1 32000 4200 4532

 

Rakete: Angara 5-5

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
800180 34980 3000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 637000 36000 3308
2 1 78000 9000 3308
3 1 32000 4200 4532
4 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 7

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
939019 31019 5000 7800 1600
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 6 129000 9000 3308
2 1 129000 9000 3308

 

Rakete: Angara 7-1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
691348 26148 5000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 129000 9000 3308
2 1 129000 9000 3308
3 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 7-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
712817 30817 5000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 129000 9000 3308
2 1 129000 9000 3308
3 1 32000 4200 4532

 

Rakete: Angara 7-3

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1058150 36950 5000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 901000 54000 3308
2 1 100000 9000 3308
3 1 15200 2600 4532

 

Rakete: Angara 7-4

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1080838 42838 5000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 901000 54000 3308
2 1 100000 9000 3308
3 1 32000 4200 4532

 

Rakete: Angara 7-5

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1098469 45269 5000 7800 1800
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 1 901000 54000 3308
2 1 100000 9000 3308
3 1 32000 4200 4532
4 1 15200 2600 4532

Hier die Nutzlast für den LEO:

Nutzlasttabelle für eine Geschwindigkeit von 7802,0 m/s

Rakete Nutzlast
Angara 1-1 6564,9 kg
Angara 1-2 7928,7 kg
Angara 3-1 17564,3 kg
Angara 3-2 21653,9 kg
Angara 5 18988,5 kg
Angara 5-1 23662,6 kg
Angara 5-2 28202,0 kg
Angara 5-3 27002,3 kg
Angara 5-4 32247,4 kg
Angara 5-5 34958,6 kg
Angara 7 30992,2 kg
Angara 7-1 26131,1 kg
Angara 7-2 30797,5 kg
Angara 7-3 36926,2 kg
Angara 7-4 42811,0 kg
Angara 7-5 45241,3 kg

und hier die für den GTO (ohne Berücksichtigung der Inklination, z. B. beim Start von der Sealaunch Plattform aus). Wichtig: die russischen Angaben beziehen sich auf Baikonur, so ist bei einigen Angara Versionen die Nutzlast kleiner als die für die Fluchtgeschwindigkeit die nominell größer ist (11000 m/s), dies liegt daran dass durch den Start vom Norden aus eine Stufe aufwendige Manöver zur Reduktion der Inklination machen muss.

Nutzlasttabelle für eine Geschwindigkeit von 10258,0 m/s

Rakete Nutzlast
Angara 1-1 2031,0 kg
Angara 1-2 2245,5 kg
Angara 3-1 6928,5 kg
Angara 3-2 8934,7 kg
Angara 5 3639,7 kg
Angara 5-1 9586,2 kg
Angara 5-2 12026,8 kg
Angara 5-3 10816,4 kg
Angara 5-4 13720,9 kg
Angara 5-5 15576,6 kg
Angara 7 8812,4 kg
Angara 7-1 10658,3 kg
Angara 7-2 13246,4 kg
Angara 7-3 14918,0 kg
Angara 7-4 18423,9 kg
Angara 7-5 20046,0 kg

und zur Ergänzung noch die Nutzlast für den GSO, ungefähr entsprechend dem einer Marstransferbahn auch hier nicht vergleichbar mit den russischen Daten, bei denen man wegen des nördlichen Starts s mehr aufwenden muss.

Nutzlasttabelle für eine Geschwindigkeit von 11790,0 m/s

Rakete Nutzlast
Angara 1-1 546,0 kg
Angara 1-2 270,3 kg
Angara 3-1 3663,7 kg
Angara 3-2 4730,1 kg
Angara 5-1 5317,6 kg
Angara 5-2 6755,5 kg
Angara 5-3 6030,0 kg
Angara 5-4 7807,6 kg
Angara 5-5 9422,9 kg
Angara 7 2064,5 kg
Angara 7-1 5980,3 kg
Angara 7-2 7550,2 kg
Angara 7-3 8502,8 kg
Angara 7-4 10802,0 kg
Angara 7-5 12214,3 kg

Man erkennt relativ schnell, das einige Versionen relativ überflüssig sind. Das spätere Zünden eines URM (5-1, 7-2, 7-1 / 7-2) als zweite Stufe ist immer der Zündung am Boden unterlegen. Die Versionen ohne Oberstufe (Angara 5 und 7) können eine Alternative für LEO-Bahnen, man spart schließlich die Kosten für eine Oberstufe ein. Der Gewinn durch zwei kryogene Oberstufen (5-5 und 7-5) ist ebenfalls gering und wohl nur bei sehr hohen Geschwindigkeit z.B. zum Jupiter durch die zusätzlichen Kosten noch gerechtfertigt.

Trotzdem erreicht diese Angara mit nur drei Stufen die gleiche Nutzlast zu, wie die Angara wie sie jetzt gebaut wird mit zwei URM-1, einem Block I, einem URM-2, einer Breeze M und nicht weniger als fünf Varianten der KTVK. Das dürfte ziemliche Einsparungen bei den Oberstufen durch Serienbauweise erlauben. Netterweise hat die Angara 1-2 auch noch die Nutzlast der Sojus und kann diese ersetzen – anders als die originale Angara 1.2.

RKK Energija, Staatsunternehmen ist ja im Besitz der Sea Launch Plattform. Die Angara 3-1 hat mehr Nutzlast als die Proton Angara 3-2, 5-1 und 5-2 lassen Doppelstarts zu die Angara 5-2 auch von zwei schweren Satelliten. Auch das ist eine Chance für die Angara – auch die real existierende.

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