Finanzierbare und verfügbare Schwerlastraketen

Ich habe ja schon auf meiner Website den Artikel über Schwerlastraketen in dem ich einige mögliche Exemplare vorstelle. An dieser Stelle eine Modernisierung des Artikels. Die Idee ist ganz einfach: Man clustert die größten verfügbaren Raketen. Wenn man Ariane 6 und Falcon 9 / Heavy ausklammert, zu denen es keine oder zu wenige verfügbare Daten gibt, bleiben übrig:

  • Delta IV
  • Atlas V
  • Ariane 5
  • Zenit

Die Proton scheidet aus, weil sie durch das Außenblockkonzept nicht gebündelt werden kann. Die Langer Marsch 5 Familie ist zu schubschwach, zudem arbeitet China ja an der eigenen Schwerlastrakete der Langen Marsch 9.

Die Idee ist nun ganz einfach: um die bisherige Rakete als Zentralstufe herum, nimmt man noch weitere erste Stufen als Booster. Aus geometrischen Gründen sind dies maximal 6. Die Zentralstufe mit Oberstufe wird dann als zweite Stufe gezündet – allerdings nicht bei der Delta IV und Atlas V, da reicht der Schub der sechs Außenblocks nicht aus. Wie bei der Delta IV Heavy muss die zentrale Stufe von Anfang an mitarbeiten. Dann aber mit 70 % des normalen Schubs. Die Delta IV und Atlas V sind noch Spezialfälle. So ist die Brennzeit bei beiden zu kurz für einen stabilen Orbit. Ich habe bei den beiden Trägern noch die Oberstufen DCSS bzw. Centaur hinzugenommen, die eigentlich zu klein für diese Raketen sind. Bei der Zenit kann man die letzte Stufe übernehmen, sie wiegt immerhin 80 t, bei der Ariane 5 habe ich die ESC-A/B weggelassen. Ariane 5 kann zudem nicht ohne Feststoffbooster abheben. Ich habe einen pro Außenstufe angesetzt. Das reicht aus und die Nutzlast ist schon beachtlich. Mit zwei Ariane 6 Boostern wäre sie noch höher. Die zentrale Stufe der Ariane 5 kann hier später oder zeitgleich gezündet werden. Vor allem bei Fluchtkursmissionen macht das einen Unterschied in der Nutzlast aus.

Hier die Ergebnisse

Rakete

Startmasse

Stufen (+ für nacheinander / für gleichzeitigen Betrieb)

Nutzlast 200 km Erdorbit

Nutzlast Fluchtbahn

Ariane 5 Super

4.862 t

6 / 6 + 1

160 t

64 t

Ariane 5 Super

4.857 t

6 / 6 / 1

165 t

19 t

Atlas V Super

2.190 t

6 / 1 + 1

49 t

10 t

Delta IV Super

1.685 t

6 / 1 + 1

64 t

18 t

Zenit Super

2.692 t

6 + 1 + 1

116 t

33 t

Zwei Raketen stechen heraus: Die Ariane 5 und Zenit. Bei Atlas und Delta ist die Nutzlast klein, vor allem weil sie ohne Feststoffbooster kaum Schubüberschuss haben. Sie brauchen eine Zweitstufe, doch die vorhandenen sind dazu nicht geeignet. Sie sind zu schubschwach und haben dadurch eine zu lange Brennzeit.

Für direkte Fluchtbahnen (z.B. Mondmissionen) habe ich alle Träger daher um eine hypothetische Oberstufe erweitert. Sie wiegt 80 t voll, 8 t leer und hat 4 Vinci Triebwerke. Mit 5 m Durchmesser würde diese Oberstufe zudem direkt auf die Ariane 5 oder Delta IV passen.

Rakete mit 80 t Oberstufe

Nutzlast Fluchtbahn

Ariane 5 Super (drei Stufen)

73 t

Ariane 5 Super (zwei Stufen)

19 t

Atlas V Super

24 t

Delta IV Super

30 t

Zenit Super

47 t

Wie man sieht erhöht diese Oberstufe die Nutzlast aller Träger bis auf die erste Version der Ariane 5 (zentrale Stufe später gezündet) deutlich. Mit der Zenit und Ariane 5 gebe es zwei Träger mit genug Nutzlast für direkte Mondmissionen. Mit Delta und Atlas zumindest bei EOR oder LOR-Kopplung von zwei Starts.

Atlas V und Delta profitieren auch bei LEO-Missionen von der Stufe. Die Nutzlast der Delta steigt von 64 auf 77 t und bei der Atlas von 49 auf 72 t.

Damit stände zumindest für mein Konzept der stufenweisen Bahnanhebung für Marsmissionen ein Trägersortiment mit 72 bis 165 t LEO-Nutzlast zur Verfügung. Die Ariane 5 Super könnte auch direkte Marsmissionen durchführen.

Vor allem sind es vier Träger aus drei Nationen. Ein Marsprogramm, das ja international angelegt sein wird, kann so viel besser auf mehrere Schultern verteilt abgewickelt werden – es könnten so problemlos nahezu zeitgleich vier Träger von vier Startrampen starten. Die USA haben mit Vandenberg und Cape Canaveral zwei Startplätze, was dann sechs Starts mit 580 t Gesamtkapazität ergibt – das wäre auch ohne Anhebentaktik genug für den Teil einer Marsexpedition, der pro Startfenster auf den Weg gebracht wird.

Sicher wird es nicht ohne Investitionen gehen. Die zentralen Stufen müssten modifiziert werden, sie nehmen mehr Schub auf der seitwärts einwirkt. Die Startkomplexe müssten umgebaut werden. Doch vergleichen mit den Investitionen für die SLS wären es überschaubare Summen. Ariane und Zenit haben zudem genügend Schub als dass man noch kleinere Versionen mit 2,3 oder 4 Boostern bauen kann. Bei Ariane 5 dann auch noch mit der Option die Feststoffbooster zu variieren. So könnte man sie an die benötigte Nutzlast individuell anpassen.

6 thoughts on “Finanzierbare und verfügbare Schwerlastraketen

  1. Das zusammenfügen bestehender Stufen scheint nicht so einfach zu sein.
    Die DeltaH und die FH sollen ja mehr an Konstruktionsaufwand gekostet haben als die ursprüngliche ungeclusterte Rakete.
    Das Zusammensetzen einer Rakete aus vorhandenen Bauteilen in einer neuen Konfiguration scheint noch schwieriger (SLS).

    Letztendlich wäre dann wohl eine gänzlich neue Rakete billiger.

    Vor allem die Verwendung suboptimaler vorhandener Oberstufen anstelle von Neuentwicklungen sorgt bei Vulcan,SLS und Co zu schlechterer Performance.

    1. Wie würde den eine Vulcan bei diesem Verfahren abschneiden?
      Und wie viel würde cross fueling hier noch zusätzlich bringen?
      Wen man die Rakete wegen der Clusterung sowiso praktisch neu konstruieren muss könnte man das ja gleich mit einbringen.

        1. Auf deinen Seiten und im Internet generell findet man zur Vulcan eigentlich alles außer den Impuls des BE-4. Oder sind das zum Teil eher Schätzungen?

    2. Bei der Delta IV gabs keine Probleme und eine entsprechende Variante bei der Atlas V war auch vorgesehen.

      Nur weil SpaceX damit Probleme hat bedeutet das das es allgemein so ist. Dort ist ja zuerst immer alles ganz einfach und erst bei der Umsetzung kommt die Planung die andere Firmen schon vorher machen. Ich denke die relativ hohen Strukturfaktoren von Atlas V und Delta IV haben auch darin ihre Ursache, das sie auf diesen Fall vorbereitet waren.

      Bei SpaceX hat man mit niedrigen Strukturfaktoren lange Zeit geprahlt und musste dann eben Tonnen in der Zentralstufe nachinstallieren sprich die Struktur verstärken. Bei ihr ist auch die Nutzlast von 22 auf 15 t GTO ohne Wiederverwendung gesunken.

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