Russland nennt es Sojus 5, ich nenne es Zenit-R

Vorgestern gab Russland bekannt, das die neue Trägerrakete „Sojus 5“ nicht vor Mitte des nächsten Jahrzehnts in Dienst gestellt hat. Sojus 5? Kannte ich vorher nicht und die nächste Frage die ich habe ist dann was ist mit der Sojus 3 und 4? Schon beim lesen des SpaceNews Artikels beschlich mich das Gefühl, das dies nur eine veränderte Zenit ist. Die Wikipedia bestätigt das.

Die Zenit als Rakete wird in der Ukraine gefertigt, die Triebwerke stammen aus Russland. Das war ein Problem, weshalb der Einsatz der Zenit seitens Russland nach Zerfall der GUS dauernd abnahm. Es gab dann eine Phase in der sich die Situation entspannte und Russland weitere Zenit kaufte. Mit ihnen wurden beispielsweise Phobos Grunt gestartet. Was aber dann durch die Ukrainekrise endgültig aufhörte.

Die erste Stufe der Sojus 5 hat fast die gleiche Masse wie die der Zenit, aber einen etwas größeren Durchmesser von 4,1 m um die Maschinen der Proton (mit ebenfalls 4,1 m Durchmesser nutzen zu können. Das Triebwerk RD-171M ist das gleiche wie in der Zenit. Die zweite Stufe ist kleiner. Das liegt daran, dass man ein RD-120 durch zwei RD-124B ersetzt hat, die selbst zusammen einen kleineren Schub haben. Die Stufe drei ist dann der Block DM, der auch schon auf der Zenit zum Einsatz kam, aber in der heutigen Proton Variante. Da die Zweitstufe der Zenit eine hohe Leermasse aufweist, ist die Nutzlast der Sojus 5 mit 17,3 t in denen LEO höher. In GTO-Bahnen ist sie mit 5 t kleiner, als die der Zenit SLB, da diese von einer geografisch günstigen Position aus startet.

Die Sojus 5 ist der letzte Punkt einer Chaospolitik in der Trägerentwicklung. Eigentlich könnte es ja gut laufen. Die Angara halte ich in der ursprünglichen Konzeption für eine gute Rakete:

• 1 Booster: Nutzlast ~ 4 t = Ersatz für die Dnepr
• 3 Booster: Nutzlast ~14 t = Ersatz für die Zenit
• 5 Booster: Nutzlast ~ 24 t = Ersatz für die Proton
• 7 Booster: Möglicher Schwerlastträger

Die Sojus kann so nicht ersetzt werden, doch da sie eng an die Sojus-Raumschiffe und Progress Transporter gekoppelt ist, stand das sowieso nie zu Debatte.

In der Auslegung sah ich schon Schwächen. Man hat nur die erste Stufe, das URM neu konstruiert. Die zweite Stufe URM-2 war nur ein vergrößerter Block I, der für die größeren Varianten zu klein war, da er aber sowieso nicht bei der kleinsten Version zum Einsatz kam, hätte man gleich die zweite Stufe der Sojus 5 mit 65 anstatt 40 t Masse einsetzen können. Anstatt der Breeze M und Fregat hätte man auch Block DM3 nehmen können, der etwas größer und schubkräftiger ist, er wäre dann die zweite Stufe bei der kleinsten Variante ohne Seitenbooster. Stattdessen setzt die Angara anstatt drei Stufentypen derzeit vier ein und vier weitere Versionen mit Wasserstoff als Verbrennungsträger sind geplant, wozu es meiner Ansicht nie kommen wird. Wenn Indiens ISRO Geld auf den Tisch legt, bekommt es von Russland eine funktionsfähige LOX/LH2 Stufe, aber fähig dieselbe Stufe auf der Angara einzusetzen, sind sie nicht.

Das Angara-Konzept ist schon etwas verwässert, aber es ist sinnvoll. Es könnte drei Träger ersetzen. Doch es tut sich nichts. Es gab bisher zwei Testflüge und der letzte liegt auch schon fünf Jahre zurück.

Stattdessen gibt es neue Varianten anderer Träger. Wie eben die obige Sojus 5. Warum sie neu entwickeln, wenn man die Angara 3 hat? Die Angara 3 wurde stattdessen gestrichen. Als Konkurrenz zur Angara 1 gibt es die Sojus 2.1v „Volga“, bei der man die vier Seitenbooster wegließ und das zentrale Triebwerk durch ein altes NK-33 aus den Siebziger Jahren ersetzt. Da es starr eingebaut ist und immer noch zu wenig Schub hat, übernimmt ein RD-0110 (aus der vierten Stufe der Molnija ergänzt. Auch eine Paralellentwicklung noch dazu ohne Zukunft, denn die NK-33 werden nicht mehr gebaut – nun erwägt man das RD-191 der Angara zu nutzen, womit man im Prinzip zwei Stufen um dasselbe Triebwerk herum baut.

Meine Alternative

Ich habe das zum Anlass genommen, mal meine Angara-Alternative zu konstruieren. Bei einer Rakete, die über viele Konfigurationen einsetzbar sein soll, muss man Kompromisse machen. So verändert sich je nach Anzahl der Booster das Stufenverhältnis: Eine Angara mit einem URM braucht eine kleinere Zweitstufe als eine mit sieben Boostern. Ich habe daher für 5 Boostern die Zweitstufe ausgelegt. Sie ist dann bei sieben Boostern etwas unterdimensioniert und für drei Booster etwas überdimensioniert, man kann dann aber noch Treibstoff weglassen,d as ist bei LOX/Kerosin relativ unkritisch, weil die Trockenmasse nicht zu hoch ist. Für einen Booster ist sie zu groß, dann würde man direkt die dritte Stufe als zweite Stufe nehmen. Die dritte Stufe benötigt man für GTO Missionen oder Fluchtbahnen.

Ausgehend von 5 x 135 t für ein URM und etwa 25 t Nutzlast würde man die zweite Stufe in der geometrischen Mitte platzieren. Das wären 112 t Masse. Mit zwei RD-0124, die auch ich als Triebwerke bevorzuge (das RD-120 der Zenit Zweitstufe war Ursache der meisten Fehlstarts und ist auch Basis der Kerosinbooster der Langer Marsch 5-7 und bei denen ist derzeit nach einem Fehlstart ein Neudesign der Turbopumpe anhängig). Reicht der Schub aber nicht aus für eine solche Stufe. Ich habe ihre Masse daher nur auf 80 t festgesetzt. Block DM würde ich neu konstruieren. Der originale Block DM wurde bewusst kompakt konstruiert um in die Nutzlastverkleidung der Proton wenig Platz wegzunehmen. Da inzwischen die Proton sowieso eine längere Nutzlastverkleidung einsetzt ist die Konstruktion mit ringförmigen Tanks um das Triebwerk herum nicht nötig. Ich habe trotzdem nur die Leermasse um 400 kg gesenkt. Auch würde ich die schubstärkere alte Version des RD-56 einsetzen, sonst wird es bei der dreistufigen Variante schwer einen stabilen Orbit zu erreichen und man könnte ihn nicht bei der einstufigen Variante einsetzen. Trotzdem muss man auch hier etwas Treibstoff ablassen und erreicht zwar eine Umlaufbahn, aber mit einem zu niedrigen Perigäum. Die Alternative wäre es wie bei der Angara dann Block I oder die Fregat als Zweitstufe zu nehmen, da die Sojus in Produktion bleibt, wären diese stufen ja verfügbar. Das heißt die Angara 1 wäre dann auch identisch zur heutigen Angara 1.1 / 1.2. Weitere Stufen wie im Angara-Programm sehe ich nicht vor. Trotzdem kommt man zu einer schönen Reihe:

Version	Nutzlast	Orbit
Angara 1 (Block DM nur 19 t Masse)	3,7 t	134 x 200 km x 42 Grad
Angara 3 (Stufe 2 nur 70 t Masse)	4,8 t	190 x 35.800 x 45,2 Grad GTO
Angara 5	10,5 t	251 x 35.800 x 37,5 GTO
Angara 7	12 t	320 x 35800 x 44,1 GTO

Zu den Inklinationen: Sie berücksichtigen die erlaubten Flugkorridore, und sind für einen Azimut von 80 Grad berechnet. Da ich nur direkte Einschüsse berechnet habe, steigt wegen der längeren Brennzeit der Angara 7 (das zentrale URM wird erst nach Brennschluss der sechs äußeren URM gezündet) die Bahnneigung wieder an, da man dann schon wieder den Äquator passiert hat. Realistisch würde man zuerst eine Parbahn (Bahnneigung 44 Grad) anstreben und dann Block DM zünden. Das alleine senkt die Bahnneigung auf 33,5 Grad ab. Das ist zwar immer noch schlechter als bei einem Start vom Cape aus (rund 28 Grad) aber viel besser als die Ausgangsbahn. Ein Ariane-5 kompatibler GTO kostet dann noch mehr Nutzlast. Ein Super-GTO mit einem Apogäum in 80.000 km Höhe ist nur um 100 m/s ungünstiger als ein Ariane 5 GTO. Die Nutzlast für diesen Orbit liegt bei 9 t bei der Angara 3 und 10 t bei der Angara A5

Das niedrige Perigäum bei der Angara 1 liegt an Block DM. Für russische Nutzlasten, die einen integrierten Antrieb haben und das Perigäum selbst anheben, ist das kein Problem. Ansonsten müsste man einfach zwei Brennperioden von Block DM vorhersehen, indem man die Bahn zirkularisiert.

Vergleichen mit der Angara A3 hat diese Version 1,1 t mehr GTO Nutzlast und vergleichen mit der Angara A5 (Breeze Oberstufe) sind es 2,5 t (für den gleichen GTO-Orbit).

Warum Russland nicht auf diese Variante kommt? Ich glaube jeder Hersteller postuliert eine Rakete, in der gerade die Teile verbaut sind, die er verwendet. Anders kann man nicht auf die Idee kommen wie bei der Sojus 5 die Zenit nachzubauen, aber mit dem Durchmesser der Proton anstatt (in der Masse fast gleich) drei URM zu verwenden. Ebenso werden uralte Stufen wie Block I oder Block DM weiter verwendet, auch wenn sie zu leicht sind, ober eine hohe Leermasse (wie Block DM) aufweisen. Keiner will wohl in neue Fertigungsanlagen investieren. Das Hauptproblem ist aber eine Verwaltung, die diese Projekte absegnet, anstatt sich auf eine Familie zu konzentrieren. Auch die kann man ja so auslegen, dass jeder Hersteller einen Teil davon fertigen kann. Schlussendlich hat man aber nicht die Finanzmittel für so viele neue Träger und so passiert eigentlich gar nichts.

Rakete: Angara 1 Neu

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]	Inklination [Grad]
162.000	3.700	7.847	1.931	2,28	140,00	200,00	200,00	80,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
1.922	46	80	1.500	250	90	10	90	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	1	137.800	9.000	3.310	1922,0	2085,0	204,47	0,00
2	1	19.000	2.500	3.492	86,3	86,3	667,65	205,00

 

Rakete: Angara 3 Neu

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]	Inklination [Grad]
510.700	4.800	10.295	2.499	0,94	160,00	200,00	35790,00	80,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
5.766	46	80	2.500	250	90	10	90	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	3	137.800	9.000	3.310	1922,0	2085,0	204,47	0,00
2	1	70.000	7.000	3.521	596,0	596,0	372,19	205,47
3	1	20.000	2.500	3.492	86,3	86,3	708,11	578,66

 

Rakete: Angara 5 Neu

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]	Inklination [Grad]
801.500	10.000	10.295	1.984	1,25	160,00	200,00	35790,00	80,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
9.610	46	80	2.500	250	90	10	90	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	5	137.800	9.000	3.310	1922,0	2085,0	204,47	0,00
2	1	80.000	7.000	3.521	596,0	596,0	431,26	205,47
3	1	20.000	2.500	3.492	86,3	86,3	708,10	637,73

 

Rakete: Angara 7 Neu

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]	Inklination [Grad]
1.079.100	12.000	10.295	2.717	1,11	160,00	200,00	35790,00	80,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
11.532	46	80	2.500	250	90	10	90	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	6	137.800	9.000	3.310	1922,0	2085,0	204,47	0,00
2	1	137.800	9.000	3.310	1922,0	2085,0	204,47	205,00
3	1	80.000	7.000	3.521	596,0	596,0	431,26	410,47
4	1	20.000	2.500	3.492	86,3	86,3	708,10	842,73