Ein Vorschlag für die Ariane 6

Das man beim DLR ein Triebwerk mit Methan erprobt war mir neu. Das Ganze scheint man auch auf kleiner Flamme zu halten, ganz im Gegensatz zu den sonstigen Aktivitäten des DLR, wo selbst Kleinigkeiten einige Seiten im eigenen Magazin wert sind. Es ist nicht mal der Name bekannt. Bei einem spezifischen Impuls von 3400 m/s und 110 kg Treibstoff/s komme ich auf 374 kN Schub. Es scheint sich um einen Technologiedemonstrator zu handeln, denn geplant ist ein zehnmal größeres Triebwerk, das dann das Vulcain ablösen könnte.

Doch ich habe das zum Anlass genommen, mal ein bisschen zu rechnen. Die Idee: Mit 400 kN geschätztem Vakuumschub (spezifischer Impuls dann etwa 3636 m/s) ist es mehr als doppelt so schubstark wie ein Vinci. Damit könnte man die Ariane 6 um eine weitere, dritte, Stufe erweitern.

Nutzen

Ohne konkrete Rechnung erst mal eine allgemeine Überlegung, warum man diese Stufe einbauen sollte. Zuerst einmal verstößt sie gegen eine fundamentale Regel: Stufen müssen von unten nach oben besser werden. Also in der Regel einen höheren spezifischen Impuls aufweisen. (Man könnte auch die Leermasse senken, doch da die Stufen kleiner werden und der Strukturfaktor bei großen Stufen oft besser als bei kleinen ist geschieht dies eher selten, die Ariane 1 war aber so ein Beispiel).

Aber: es ist eine weitere Stufe, und das alleine könnte schon die Nutzlast steigern, vor allem bei hohen Geschwindigkeiten.

Ein Problem, das Ariane 5 hat und wenn ich die relativ geringe Nutzlast für die Startmasse richtig deute, auch die Ariane 6, ist eine hohe Trockenmasse der Oberstufe. Ich schätze sie auf über 6 t, damit man bei den bekannten Eckwerten auf die geringe Nutzlast von 10,9 t kommt. Bei der Ariane 5 resultiert sie durch die Anbringung der Booster, die die Oberstufe durchschütteln. Bei der Ariane 6 müsste de Effekt eigentlich kleiner sein, da sie die Kräfte auf den LOX-Tank der ersten Stufe übertragen. Würde man eine weitere Stufe einbringen, so würde man in jedem Falle die Vibrationen dämpfen, das heißt, man könnte die Oberstufe leichter bauen. Zwar wird dann diese gut durchgeschüttelt. Doch ihr Volumen ist kleiner, weil Methan eine höhere Dichte als Wasserstoff hat. Im Mittel wird bei LOX/LH2 (6:1) eine Tonne Treibstoff ein Volumen von 2,8 m³ Volumen einnehmen, bei LOX/Methan (3,5 zu 1) dagegen 1,22 m³.

Vor allem soll dieses Triebwerk ja billiger sein. Für den größeren Nachfolger wird ein zehnmal niedrigerer Preis als das Vulcain 2 anvisiert. So müsste das zehnmal kleine Triebwerk noch bedeutend preiswerter sein und so die Stunde, auch wenn sie nur die Nutzlast moderat steigert, die kosten pro Kilogramm senken.

Design

Schwer abzuschätzen ist die Stufengröße. Ich bin von 5 m/s Startbeschleunigung ausgegangen und habe sie daher auf 40 t angesetzt (42 t Masse der Oberstufe/Nutzlast), mit einer Trockenmasse von 3 t. Spezifischer Impuls: 3600 m/s. Bei gleicher Oberstufe komme ich bei der Ariane 64 auf eine Nutzlaststeigerung von 10,9 auf 12,9 t. Das ist deutlich. Bei der Ariane 62 habe ich auf die Stufe verzichtet, weil nur zwei Booster eine sonst zu geringe Vertikalbeschleunigung aufbauen würden.

Der Effekt wäre noch größer, wenn man dann Gewicht bei der Oberstufe einsparen könnte, doch dann bräuchte man zwei Versionen für die Ariane 62 und 64.

Bei anderen Orbits sieht es so aus, dass der Effekt um so höher ist, je höher die Geschwindigkeit:

Orbit Ariane 64 (berechnet) Ariane 64 + Oberstufe
LEO 27.729 kg 31.118 kg
SSO 800 km (8332 m/s) 22.919 kg 24.934 kg
GTO 10.900 kg 12.958 kg
Galileo / Mars (11.750 m/s) 5.363 kg 6.869 kg
Merkur direkt (13.000 m/s) 2.222 kg 3.386 kg
Jupiter direkt (14.200 m/s) 57 kg 958 kg

Ohne dritte Stufe

Geht man davon aus, dass man nun eine weitere Oberstufe hat, dann kann man zumindest für niedrige Geschwindigkeiten LEO und SSO die bisherige Oberstufe weglassen, die ja auch ein großer Kostenfaktor ist. Nur mit der LOX/Methanstufe kommt man auf folgende Nutzlasten:

Orbit Ariane 64 (berechnet) Ariane 62 (berechnet) Ariane 64 + LOX/Methan – Oberstufe Ariane 62 + LOX/Methan – Oberstufe
LEO 27.729 kg 16.991 kg 26.405 kg 16.012 kg
SSO 800 km (8332 m/s) 22.919 kg 13.829 kg 21.503 kg 13.109 kg
GTO 10.900 kg 5.800 kg 10.454 kg 5.971 kg
Galileo / Mars (11.750 m/s) 5.363 kg 2.012 kg 5.586 kg 2.775 kg
Merkur direkt (13.000 m/s) 2.222 kg 2.941 kg 1.018 kg
Jupiter direkt (14.200 m/s) 57 kg 1.194 kg

Besonders für hohe Geschwindigkeiten ist diese Stufe besser, hier schlägt die auf 3 t angesetzte Trockenmasse voll durch. Allerdings würde sie in der Realität höher sein, da die Oberstufe auch die VEB enthält. So müsste man rund 500 kg von den angegebenen Nutzlasten abziehen. In der Praxis erhält man so fast gleich große Nutzlasten bei geringeren Kosten.

Andere Überlegungen

Blogleser haben auch schon vorgeschlagen, mehr als 4 Booster anzumontieren. Die Zahl der Booster ist eine weitere Variationsmöglichkeit. Derzeit wird die Ariane 6 nur mit zwei oder vier Boostern entwickelt. Andere Zahlen erfordern nicht nur konstruktive Änderungen an der Rakete, sondern auch an der Startbasis. Die Booster müssen durch Öffnungen ihren Flammenstrahl nach unten in den Flammenschacht ablenken und sie müssen fixiert werden. Dagegen dürften die Änderungen an der Rakete klein sein, man muss nur die Zwischentanksektion und das Schuberüst leicht anpassen. „Einfach“, im Sinne von wenigen Änderungen, gibt es daher nur zwei mögliche Konfigurationen:

  • 3 Booster: Das ist eine Zwischenkonfiguration zwischen Ariane 62 und 64
  • mehr als 4 Booster, aber erst nach dem Ausbrennen der Ersten gezündet. Dies kann mit der vorhandenen Startbasis erfolgen, doch die Ariane 6 muss noch sicher abheben können.

Das erste (3 Booster) ist leicht zu umzusetzen, man bekommt eine Zwischenversion mit einer Nutzlast zwischen der Ariane 62 und 64. Ich errechne rund 8.400 bis 8.500 kg GTO Nutzlast, Meiner Ansicht nach eine gute Alternative, vor allem wenn man zwei leichte Nutzlasten oder eine schwere hat, die man nicht mit einer leichten kombinieren kann. Mit 3,7-3,8 t Nutzlast für den Galileoorbit wäre sei auch in der richtigen Region um vier Galielo Satelliten auf einmal zu transportieren. Damit wäre sie ideal für den Aufbau des Galileo Netzes. Die Ariane 64 ist da zu groß und die Ariane 62 transportiert nur zwei Satelliten pro Start.

Der dritte Booster erzeugt in Nullstellung einen Schub, der nicht durch den Schwerpunkt geht. Doch das kann man durch schrägstellen der Düsen leicht ausgleichen. Das Space Shuttle hatte einen solchen Schubvektor und die Atlas 501 hat auch einen solchen. Es wird also technisch beherrscht.

Bei mehr als vier Boostern ist die Startbeschleunigung von Bedeutung. Die Ariane 62 startet mit 8.000 kN Schub. Das sind 15 m/s Beschleunigung. Bei der Ariane 64 sind es dann 15.000 kN und 17,4 m/s. Bei fünf Boostern davon einer im Flug gezündet wären es 14,8 m/s. Vergleichbar mit der Ariane 62 und bei sechs Boostern wären es 12,8 m/s. Relativ wenig für eine Feststoffrakete. Einen zusätzlichen Booster halte ich für möglich. Er würde zwar anfangs die Aufstiegsverluste erhöhen, später aber absenken, sodass man bei gleichen Aufstiegsverlusten wie die Ariane 64 die Nutzlast deutlich steigert: Das müsste, die Nutzlast von 10,9 auf 12,5 t erhöhen. Das bedeutet: Mit 2 bis 5 Boostern hat man eine breite Nutzlastkapazität von 5.8, 8.3, 10.9 und 12.5 t – besser als bei Ariane 4 und ein deutlicher Marktvorteil.

Umdesign

Die Einfügung einer neuen Stufe bei einer Entwicklung befindlichen Rakete sollte zum Anlass genommen werden, das Design zu überdenken. Hier füge ich z.B. eine 40 t schwere stufe zu einer 36 t schweren zu. Idealerweise würde man den Stufenteiler gleich ziehen, das wären dann 170 t – 50 t – 19 t. Die Oberstufe würde also deutlich kleiner werden. Netterweise wiegt die ESC-A 19 t. Man würde also die neue Oberstufe einsparen und durch die ESC-A ersetzen. Das würde vor allem Geld einsparen: Bei der Ariane 5 ME sollte die ESC-B 1,2 Milliarden Euro kosten, so teuer wird die neue Stufe mit gleichem Triebwerk auch werden. Damit wäre vielleicht die Ariane 6 trotz weiterer stufe sogar noch billiger. Ich komme bei dieser Kombination auf die gleiche GTO Nutzlast (11,1 t). Bei höheren Geschwindigkeiten nimmt sie zu (5980 kg in Galileo, 3090 kg zu Merkur, 1162 kg zu Jupiter. Bei Leo ist sie vergleichbar (27.531 kg in Leo). Für die ESA würde ein Nachteil der Ariane 5 trotzdem wegfallen: Durch die schwereren Stufen erreicht die EPC niemals eine Bahn, bei der sie auf Festland einschlagen könnte, außer beim Start über Südamerika, und wenn man ESC-A und Oberstufe in einem Parkorbit absetzt (möglich bei weniger als 6,4 t Nutzlast), kann man auch die fehlende Wiederzündbarkeit der ESC-A ausgleichen, denn es ist für Planetenmissionen nur eine Zündung in der Parkbahn nötig.

Leider geht es aber bei der Ariane 6 gar nicht um technische Neuerungen. Es geht wie leider in den letzten Jahren zu beobachten um das abgreifen von Mitteln für eine neue Rakete. Denn der Hauptunterschied zur Ariane 5 der die Kosten senken soll ist eine Umstrukturierung der Produktion gefolgt von größeren Stückzahlen. Beides könnte man auch bei der Ariane 5 haben. Die Produktion kann man auch ohne neuen Träger umstrukturieren und größere Stückzahlen würde man bekommen, wenn die europäischen Länder konsequent die Ariane 5 nutzen würden, anstatt Sojus Starts zu buchen oder wie im Falle Deutschlands sogar Falcon 9 Starts. Die Flexibilität der Ariane 6 könnte man auch bei der Ariane 5 bekommen, wenn man anstatt der beiden großen Booster zwei bis sechs P80 Booster der Vega einsetzt.

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