Das Modulkonzept: mit dem Prometheus

As kleiner Abschluss meiner Reihe über moderne Modulbauweisen will ich mich einem realistischen Konzept widmen. Derzeit wird ja das Prometheus-Triebwerk entwickelt. Es ist in vielem ideal für eine modulare Rakete

• es soll vergleichsweise preiswert sein (1 Million €/Triebwerk)
• es ist auf eine hohe Produktionszahl (50 bis 100 Triebwerke/Jahr) ausgelegt.
• es hat vergleichsweise wenig Schub (1.000 kN).

Ich habe dies einmal zu einem Bestandteil eines Modulkonzepts gemacht. Ich habe als Startmasse 65 t angenommen, das ermöglicht es, das als kleinste Version vier Booster reichen, um eine Zentralstufe zu starten. Wenn man mit der Modulmasse heruntergeht, dann reichen auch drei, dann gibt es aber ein Problem bei großen Nutzlasten. Ich halte es dann besser, wie bei Ariane 4,0 einfach Treibstoff wegzulassen. Man spart ein Modul ein, das ist preiswerter, als Nutzlast zu verlieren.

Bei 60 t Treibstoff wäre ein Modul mit 2 m Durchmesser angemessen. Die Tanks wären 23,2 m lang gewesen, die Rakete also sehr schlank (mit Triebwerkssektion und aerodynamischer Spitze etwa 30 m), aber da man die Raketen bündelt, und so eine Rakete mit mindestens doppeltem Durchmesser erhält, ist das besser.

Die Trockenmasse habe ich mit 5 t angesetzt. Das ist konservativ, aber wenn ich eine preiswerte Rakete bauen will, dann lieber eine die man billig produzieren kann mit schlechtem Strukturfaktor, als eine leichte die teuer ist. Zum Vergleich: die Thor LT wog 70,3 t voll und 3,7 t trocken.

Der Aufbau ist relativ einfach. Eine Stufe ist die Zentralstufe oder zweite Stufe, die ersten Stufen sitzen außen. Ich habe zuerst drei Versionen untersucht:

1. 3 Außenblocks (Teilbefüllung mit 57 t Startmasse)
2. 4 Außenblocks
3. 6 Außenblocks.

Die Nutzlasten habe ich für GTO-Bahnen berechnet mit meiner Aufstiegssimulation vom CSG aus. Da nicht bekannt ist ob man das Prometheus im Vakuum zünden kann habe ich es einfach 1 s vor Ausbrennen der Außenblocks gezündet. Ich komme auf folgende Nutzlasten:

Außenblock	LEO (200 km)	GTO (200 x 35.800 km)
3	7.000 kg	1.000 kg
4	12.900 kg	3.600 kg
6	20.400 kg	6.600 kg

Der rapide Anstieg der Nutzlasten liegt daran das noch die 5 t schwere Zentralstufe zur Nutzlast gezählt werden muss. Die starke Nutzlastabnahme zwischen LEO und GTO liegt an den nur zwei Stufen mit einem spezifischen Impuls von 3530 m/s (360 s).

Man könnte nun noch einiges optimieren. So könnte die Zentralstufe die eine kleinere Beschleunigung braucht zumindest bei der letzten Version einen längeren Tank haben, was bei 20 t mehr Treibstoff und 1 t mehr Trockenmasse die Nutzlast für den GTO auf 7,2 t anheben würde. Ich halte mehr davon eine verlängerte (ausfahrbare Düse) zu nehmen. Mit einem Expansionsverhältnis, das von 28 auf 250 steigt, dann ist die Düse 2 m breit also so breit wie ein Modul steigt der spezifische Impuls um 200 m/s, das erhöht die Nutzlast auf 8,1 t was mehr als ausreichend für die größten Satelliten heute ist.

Will man die Nutzlast weiter steigern so wäre eine optionale Stufe mit etwa 10 t Masse und ebenfalls einem Methan-LOX Triebwerk mit 100 kN Schub sinnvoller, vor allem für die kleinen Versionen. Bei der Version mit 3 Boostern steigert sie die GTO-Nutzlast auf 4,5 t. Bei den größeren Versionen ist der Gewinn kleiner, bei der mit 6 Boostern z.B. von 6,6 auf 10 t. Realistisch ist der Gewinn kleiner, da ich die Stufe mit nur 700 kg Leergewicht modelliert habe. Da käme aber noch die Elektronik, Batterien, Sender und Lageregelungssystem hinzu. Bei Ariane 1-5 war das immerhin 300 bis 900 kg schwer. Mit einer 15 t schweren Stufe sind es 11,2 t. Größere Stufen bringen weniger, eine 20 t Stufe liefert 1,4 t Nutzlast. Für die kleinen Versionen mit 3 und 4 Boostern wäre sie zu groß. Bei der 3-Modul-Version würde man sie weglassen. Sie hat auch zu wenig Nutzlast für GTO, würde aber für alle ESA-Nutzlasten in LEO ausreichen.

Methan als Treibstoff habe ich genommen, weil man so im Prinzip die gleiche Technologie wie für Prometheus und die unteren Stufen nehmen kann. Eine Oberstufe wäre auch für Fluchtmissionen nötig.

Im Prinzip könnte man auch die größeren Raketen ringfömig aufbauen. Mit 9 Boostern kommt man auf die Nutzlast der Ariane 5 ECA und mit 12 auf die der Ariane 6. Das wäre dann ein weiterer Ring mit 3 bzw. 6 Boostern, die aber geneinsam mit den inneren 6 abgetrennt werden. Man sieht aber schon – der Gewinn wird immer kleiner. Dann würde man eher andere Stufungskonzepte wie 9:2:1 vorziehen (9 Booster in Ring 1+2, zwei Booster in Ring 1, eine Zentralstufe, jeweils nacheinander gezündet), das erreicht trotz einem Booster weniger als die 12-1 Variante fast 2 t mehr Nutzlast als 12:1. Andere Optionen wären es bei den kleinen Versionen die Booster voll zu betanken und dafür die Zentralstufe am Boden zu zünden. Da das Prometheus im Schub senkbar ist auf 30 % würde ein Schub von 60 % bei zwei Boostern und 40 % bei drei Boostern ausreichen um abzuheben auch wenn alle Tanks voll sind. Altrnativ nutzt man 110 % Schub, auch dies liefert das Triebwerk bei den Außenboostern. Bei drei Boostern muss man dann keinen Treibstoff weglassen. Kurzum – es gibt noch etliche Möglichkeit selbst bei nur drei Boosterkombinationen mit einer Oberstufe, Treibstoffzuladung und Paralellstufung die Nutzlast anzupassen.

Doch wenn man das Modulkonzept wirklich ernst nimmt, wird man die großen Konfigurationen (Doppelstarts) meiden und stattdessen mehr Einzelstarts durchführen. 14 Einzelstarts pro Jahr mit im Mittel 6 Modulen ergeben auch so die nötige Anzahl von Triebwerken (84 pro Jahr).

Prometheus soll die Kosten auf 5.000 $/kg in GTO senken, das wäre 50 % der Kosten der Ariane 6 und ein Drittel der Ariane 5. Wenn ein Modul maximal 4,7 Millionen Euro kostet, ist das machbar – und der Preis wäre auch machbar, denn das Triebwerk soll ja nur 1 Million kosten und ist normalerweise das teuerste Teil der Rakete.

Ich denke das Konzept ist sogar relativ einfach technisch machbar, und selbst wenn man noch eine Oberstufe mit einem weiteren Triebwerk entwickelt – es waren nur zwei Stufen anstatt drei wie bei der Ariane 6.

Hier eine Übersicht der Nutzlasten der Versionen:

Außenblock	LEO (200 km)	GTO (200 x 35.800 km)
2 (41 t Treibstoff)	2.700 kg
3 (51 t Treibstoff)	7.000 kg	1.000 kg
3 + 10 t Oberstufe		4.500 kg
4	12.900 kg	3.600 kg
4 + 10 t Oberstufe		6.900 kg
6	20.400 kg	6.600 kg
6 + 21 t mehr Treibstoff		7.200 kg
6 + verlängerte Düse		8.100 kg
6 + 10 t Oberstufe		10.100 kg
6 + 15 t Oberstufe		11.200 kg
6 + 20 t Oberstufe		11.400 kg
9		9.800 kg
12		12.400 kg
9 + 2		14.300 kg

Fazit

Mit einem Modultyp und einer Oberstufe von 10 bis 15 t Gewicht kann man mit 2 bis 6 Modulen 2,7 bis 20,4 t in den LEO und 3,6 bis 11,2 t in den GTO bringen. Damit deckt man nicht nur gängige Satellitenmassen in den GTO ab (wenn man z.B. sich auf die 10 t Oberstufe festlegt, 3,6 t, 4,5 t, 6,6 t, 10,1 t in GTO sondern mit 2 oder 3 Boostern auch die Nutzlast der Vega oder Sojus in den LEO. Damit könnte man alle Raketen der ESA ersetzen, wäre nicht mehr auf Doppelstarts angewiesen und würde auf hohe Stückzahlen kommen. Eine Düsenverlängerung (hier nur an einem Modell untersucht) würde noch mehr Nutzlastgewinn bringen.