Wetten das Arianegroup?

Es wird einmal Zeit, dass ich auch eine Wette mit den Bauern der Ariane 5/6 abschließe, die derzeit Arianegroup heißen. Derzeit, weil das fast im Jahresabstand wechselt.

Ich habe an meiner Aufstiegssimulation noch etwas mehr gearbeitet und noch mehr Raketen mit den genauen Daten erfasst und bin mir inzwischen recht sicher, dass die Simulation weitestgehend korrekt ist, weil ich für verschiedene Träger unterschiedlichster Technologie und Aufstiegsverluste fast immer die publizierten Nennnutzlasten erreiche. Das macht mich optimistisch die Nutzlast der Ariane 6 abzuschätzen.

Leider gibt es kaum Fakten über den Träger. Unter anderem ist die Trockenmasse unbekannt. In der folgenden Tabelle findet man die von mir errechnete GTO-Nutzlast für eine 185 x 35790 km Bahn, 6 Grad geneigt. Die drei Spalten besagen Folgendes:

  • BruttoMasse: Gesamtmasse im GTO nach Simulation
  • NettoMasse: Gesamtmasse im GTO nach Berücksichtigung, dass die Simulation bei der Ariane 5 ECA 11.347 kg Nettonutzlast ergibt, also 3 % mehr als real.
  • Nettonutzlast: Nutzlast für einen Einzelstart bei einer Masse von 6.316 kg für die Oberstufe mit VEB.

Die Oberstufentrockenmasse ist nicht bekannt ich habe hier einfach von der ESC-B hochgerechnet, da beide Stufen eine ähnliche Treibstoffzuladung und Abmessungen haben. Jedes Kilo mehr Trockenmasse erniedrigt so die Nutzlast um 1 kg.

Typ Bruttomasse Nettomasse Nutzlast
Ariane 62 15.718 kg 15.264 kg 8.948 kg
Ariane 64 21.146 kg 20.536 kg 14.220 kg
Ariane 66 26.352 kg 25.591 kg 19.275 kg
Ariane 64 + 21 23.874 kg 23.185 kg 16.869 kg
Ariane 64 + 22 26.873 kg 26.097 kg 19.781 kg
Ariane 63 17.413 kg 16.910 kg 10.594 kg

Wie man sieht, komme ich auf deutlich höhere Startmassen als angegeben. Um die niedrigen von ESA publizierten 5,8 t (Ariane 62) und 12 t (Ariane 64) zu erreichen, müsste man eine um 2,2 t schwerere dritte Stufe, mithin eine Trockenmasse von 8,5 t bei nur 36 t Treibstoff haben. Natürlich gibt es auch Unsicherheiten in der ersten Stufe, doch die schlägt im Gewicht nicht so durch. Dabei habe ich sie mit 19,9 t Leermasse (Ariane 5G ESC bei vergleichbarer Treibstoffmasse: 12,2 t) schon relativ schwer modelliert.

Zuletzt habe ich noch drei Modelle simuliert, die es nicht gab, nämlich eine Ariane 6 mit 3 und 6 Boostern, die Letzte noch in mehreren Varianten.

Die Ariane 63 wäre, wenn sie technisch umsetzbar ist, in der Tat eine sinnvolle Ergänzung. Sie könnte zwei mittelgroße Satelliten von 4,5 bis 5 t Masse transportieren, als Ergänzung zur 64, die einen schweren und einen mittleren Satelliten startet.

Die Ariane 6 mit 6 Boostern kann man in mehreren Varianten umsetzen. Zum einen können die Booster alle beim Start zünden. Dann erhält man die geringsten Gravitationsverluste und eine eindringliche Nutzlast von über 19 t. Das Manko: Wenn alle 6 Booster nahezu ausgebrannt sind, errechnet sich bei linearem Schub eine Spitzenbeschleunigung von 93,5 m/s. In der Realität wird es wegen des absinkenden Schubprofils weniger sein. Aber es ist höher, als die maximal 5,5 bis 6 g, welche die meisten anderen Träger aufweisen. Ariane 5 liegt sogar unter 5 g.

Die Ariane 64 +2 in der Variante 1 zündet vier Booster daher beim Start und zwei nach Ausbrennen der ersten vier, also 132,8 s. Dadurch hat sie sehr hohe Gravitationsverluste, denn die tote Masse der anderen zwei Boostern wird die ganze Zeit mitgeführt. Die Nutzlast sinkt bei gleicher Startmasse auf 16.8 t ab. Doch es gibt noch eine zweite Variante. Man verlegt den Zündzeitpunkt so weit nach vorne, das die Beschleunigungsspitze 50 m/s nicht überschreitet. Das ist der Fall, wenn die letzten zwei Booster nach 52 s gezündet werden. Die Variante 2 hat eine längere Phase mit einer Beschleunigung über 1,6 g und fängt so sogar noch die Gravitationsverluste der Zentralstufe auf – die Nutzlast ist sogar um einige hundert Kilo höher als beim gleichzeitigen Start aller Booster und erreicht fast 20 t. Mehr als 6 Booster sind aus geometrischen Gründen an der Ariane 6 nicht möglich.

Ich verstehe übrigens nicht, warum man die Rakete nicht gleich für 6 Booster auslegt – selbst wenn 6 vielleicht niemals kommen, weil die Nutzlast zu hoch ist, so wäre damit zumindest die Ariane 63 möglich, eine Variante die sehr gut zwischen der für Doppelstarts zu kleinen Ariane 62, und der nur bei großen Satelliten voll ausgenutzten 64, liegt.

Die Wette

Nun klar formuliert meine Wette an ESA und Arianespace. Ich wette, das die Nutzlast im GTO beim Jungfernflug näher bei 14,2 t (bei 6,3 t Oberstufenmasse) liegt als bei 12 t (ebenfalls bei 6,3 t Oberstufenmasse). Klingt umständlich, ist wegen der unerkannten Oberstufenmasse aber so nötig. Nach den beiden schweren Oberstufen ESC-A und ESC-B muss man ja auf unliebsame Überraschungen gefasst sein.

Die Vega

Das nächste ist die Vega. Auch hier habe ich die Simulation angeschmissen. Bein der Vega komme ich nahezu auf die Referenznutzlast. Ausgehend davon habe ich für die Vega C eine Nutzlast von rund 2.300 kg in den Referenzorbit 700 km polar). Die Vega E, die seit einem Vertrag im November im Anschluss entwickelt wird, die erste Zündung des Zefiro 40 fand am Samstag statt. Nach meiner Aufstiegssimulation bringt der Zefiro 40 nicht viel mehr Nutzlast, weniger als 200 kg für den Referenzorbit, eher in die Richtung 100 kg.

Noch weniger Sinn mach für mich die Mini Vega. Diese Variante ohne erste Stufe erreicht bei mir in der derzeitigen Konfiguration keine Nutzlast. Das grundsätzliche Problem ist, das sie zwei Stufen mit kurzer Brennzeit und eine mit einer sehr langen Brennzeit aber niedrigem Schub hat. Damit die Letzte auf eine Bahnhöhe gelangt in der sie nicht gleich wieder verglüht, müssen die sehr steil starten. Damit bringen sie wenig der horizontalen Komponente auf. Trotzdem gelang es mir nicht, auch nur das AVUM ohne Nutzlast in einen Orbit zu bringen. Mit dem Zefiro 40 sieht es besser aus. Ich komme auf etwa 300 bis 350 kg in einen 700-km-SSO. Allerdings auch nur mit einem Trick: Ich habe beim AVUM die Treibstoffzuladung und den Schub verdoppelt, indem ich ein zweites Triebwerk und zwei weitere Tanks vorsehe. Der Platz dafür ist da. Bei 40 kg mehr Trockenmasse verbessert sich so der Strukturfaktor deutlich von 2,16 auf 3,21. Realistischerweise würde man aber eher eine weitere dritte Stufe von etwa 2-3 t Masse einfügen.

Start aus der Luft

Zuletzt noch ein anderes Ergebnis, das ich erstmals simulieren konnte. Was bringt es, wenn man eine Stufe von einem Flugzeug aus startet. Ich hab es bei der Pegasus durchsimuliert. Einmal in 12 km Höhe bei 260 m/s gestartet (936 km/h) und einmal vom Boden aus. Ich komme auf maximale Nutzlasten von 370 und 548 kg entsprechend 1224 und 514 m/s Verlust. Der Gewinn ist neben der Vorgabegeschwindigkeit von 260 m/s rund 52 m/s eingesparten Luftwidderstand, vor allem aber das man in 12 km Höhe schon mit einem kleineren Startdrehwinkel startet. Die Steuerverluste für das Drehen der Rakete sind geringer. Ich habe 45 Grad Startwinkel beim Abwurf angenommen anstatt 90 Grad beim Bodenstart. Das wäre auch eine Alternative für die Mini Vega E die dann um 100 kg auf 450 kg Nutzlast für den SSO steigt.

Raumsonden anstatt Roboter

Dann gibt es noch Neuigkeiten von den bedien Büchern. Die erste Korrektur des zweiten Bandes habe ich von Elendsoft zurückbekommen, hinke da beim Nachdurchlesen aber noch hinterher, weil mich eine Erkältung die letzten drei Tage ans Bett gefesselt hat. Mario wollte seine Korrektur des ersten Bandes auch bald fertigstellen, sodass ich da dann hoffentlich im Anschluss weiter arbeiten kann. Mit etwas Glück erscheint Band 1 noch vor April. Beim Titel überlege ich eine Änderung. Bisher lauten die „Roboter erkunden das Sonnensystem“ mit unterschiedlichen Untertiteln: „Die goldenen und dunklen Jahre: 1958 bis 1992“ und „Neubeginn bis Heute 1993 bis 2018“. Seit ich am ersten Cover gearbeitet habe, überlege ich ob ich den Haupttitel auf „Raumsonden erkunden das Sonnensystem“ oder einfach nur „Raumsonden!“ (mit oder ohne Ausrufezeichen) ändern soll. Der Punkt ist, dass der Titel umgebrochen wird und da rutscht das Wort „Roboter“ in eine Zeile, das sieht blöd aus und Raumsonden ist länger, zudem ist der Titel so relevanter für Suchanfragen.

Die Frage ist dann, ob ich ihn nicht ganz abändere, auf das schon beschriebene „Raumsonden(!)“ oder „Raumsonden 1“ beziehungsweise „Raumsonden 2“. Würde in die bisher nüchternen Titel einfügen. Was meint ihr?

7 thoughts on “Wetten das Arianegroup?

  1. Ich finde, „Raumsonden“ sollte auf jeden Fall in den Titel. Mit Robotern verbinden die meisten Menschen etwas anderes, und danach würde auch niemand suchen, der sich für Raumsonden interessiert. Ob „…erkunden das Sonnensystem“ mit dazu sollte, darüber bin ich mir unschlüssig. Eher ja, obwohl ich persönlich es etwas zu lang finde. Einfach „Raumsonden“ klingt vielleicht zu nüchtern und sachlich und findet daher weniger Käufer.

  2. Hello again. I thought you might be interested in this:

    Multi-Vulcain Ariane 6.
    http://exoscientist.blogspot.com/2018/02/multi-vulcain-ariane-6.html

    I discuss the problem of liftoff using just two Vulcains, but this should be doable with the upgraded thrust of the Vulcain 3:

    http://www.b14643.de/Spacerockets/Specials/European_Rocket_engines/engines.htm

    My two Vulcain version also saves on development cost by using the already developed H10 cryogenic upper stage used on the Ariane 4, rather than a new Vinci powered upper stage.

    By the way, why is the current cryogenic Ariane 5 upper stage at such a poor mass ratio? I considered using the current upper stage, but it is at such a poor mass ratio I went with the H10 instead.

    Note also adding an extra Vulcain is actually cheaper than the two solid side boosters proposed for the base version of the Ariane 6. The Vulcain 2 only costs €10 million, about $12 million:

    Prometheus, ASL’s future rocket engine.
    by Marcin Wolny | 07 February 2017 | European Space Sector.
    https://www.techforspace.com/european-space-sector/prometheus-asls-future-rocket-engine/

    Granted the Vulcain 3 would be somewhat higher priced but you could even launch with the Vulcain 2 using a reduced propellant load and make money while the Vulcain 3 is being developed.

    Also, I noticed in your latest blog posting that you are getting higher values for the payload for the current version of the Ariane 6 than the values being cited. I noticed as well in my calculations the payload was high than that being cited for a two Vulcain version.

    For these reasons I think the studies made by CNES on the Ariane 6 should be publicly released.

    Bob Clark

    1. Well, if you use the h10 you get an higheer payload – even with the boosters. Simply beacuse it weights 2 t less than the same sized ECS-.A.

      After my Caclulations more thrust brings not much more Payloads, the main advantage has been solved with the 250 kn more by Vulcain 2.

      I agreee with you that ESA should release a data sheet of Ariane 6 with dimensions and masses, so everyone can calculate the payload.

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