Die Ariane 46L und Ariane 4XL

Die Ariane 46L und Ariane 4XL

Als kleines Schmankerl – oder einige Seiten überflüssigen Text, je nach Interessenlage – habe ich für mein Buch über europäische Trägerraketen 1 auch zwei niemals wirklich ins Auge gefasste aber mögliche Erweiterungen der Ariane 4 hinzugenommen, die Ariane 46 und 4 XL. Diese habe ich inzwischen mal durchsimuliert und will die Ergebnisse präsentieren.

Das Konzept der Ariane 4

Das Konzept der Ariane 4 war einfach, modular und relativ preiswert umzusetzen. Die zweite Stufe und dritte Stufe blieben unverändert, die erste Stufe wurde um rund 50 % verlängert. Da sie nun vollgetankt nicht mehr abheben konnte, gab es zwei Arten von Boostern. Feststoffbooster wurden von der Ariane 3 übernommen, nur leicht verlängert. Neu waren Booster mit flüssigen Treibstoffen, doch sie verwendeten auch das Erststufentriebwerk, nur fest montiert abgekürzt PAL.

Da jeder der PAL 43,5 t wog, das Triebwerk aber 670 kN Schub beim Start hatte, konnte bei einer Mindestbeschleunigung mit 12 m/s pro Booster die Rakete um 12,4 t schwerer werden. Bei vier Boostern also um knapp 50 t und das entsprach der maximalen Treibstoffzuladung der Erststufe.

Geometrisch kann man maximal sechcs dieser Booster an der ersten Stufe anbringen. Sie hat 3,80 m Durchmesser, ein Booster 2,22. Verwendet wurden maximal vier PAL, wobei der Übergang von zwei auf vier Booster schon die Nutzlast um 1,4 t steigerte. Diese überproportionale Steigerung beruht auch darauf, dass bei zwei Boostern man die verlängerte erste Stufe nicht voll betanken kann, sonst würde sie nicht mehr abheben. Ohne Booster war so die Nutzlast sogar kleiner als bei der Ariane 2, der die Rakete bis auf die Verlängerung entsprach, da das zusätzliche Gewicht der verlängerten ersten Stufe transportiert werden musste.

Die Ariane 46L

So kann man erwarten, dass mit sechs Boostern die Ariane 4 noch mehr Nutzlast hat, auch weil die Gravitationsverluste sinken. Das ist auch der Fall. Eine theoretische Ariane 46L hat eine Nutzlast von 5,9 t, das sind etwa 950 kg mehr als die Ariane 44L.

Die Ariane 4 XL

Komplizierter ist die Ariane 4 XL, eine noch schubstärkere Rakete. Mehr Booster gehen nicht an die Rakete. Als man das Konzept für die Ariane 4 erarbeitete, war auch ein Vorschlag darunter, keine Booster einzusetzen und ein fünftes Triebwerk in den Schubrahmen einzubauen. Da dieses nicht wie bei Boostern mit 43 t mehr Masse verbunden ist, hätte es 61 t mehr Gewicht erbracht, mehr als vier Booster. Dann hätte man nur die erste Stufe verlängert.

Auf diesen Vorschlag bin ich zurückgekommen, nur mit Änderungen: die Booster bleiben. Man würde die Ariane 4 umkonstruieren, damit die beiden Oberstufen mit Nutzlast um 61 t schwerer werden. Der für mich logischste Schritte wäre es die beiden Stufen auf den gleichen Durchmesser wie die erste Stufe verbreitern also von 2,60 auf 3,80 m. Bei gleicher Länge entspräche das 40,2 t mehr Treibstoff bei der zweiten Stufe und 13,5 t bei der dritten Stufe.

Triebwerke

Dann brauchen sie aber auch mehr Triebwerke, sonst klappt das nicht. Doch passen diese dann zu zweit noch in den Stufenadapter? Beim Zweitstufentriebwerk wird es mit 1,70 m Durchmesser an der Düsenmündung etwas knapp. Hier müsste man die Düse kürzen. Kein Problem gibt es beim HM7 mit nur 0,99 m Durchmesser.

Bei der Masse ist es so, das bedingt durch den größeren Durchmesser bei gleicher Länge 2,13-mal mehr Treibstoff zugeladen wird. Die Trockenmasse habe ich um den Faktor 2 erhöht. Das trägt dem Umstand Rechnung, dass die Geometrie der Tanks günstiger ist, das Schubgerüst auch nicht doppelt so schwer wird und auch der Stufenadapter wird im Verhältnis nicht doppelt so schwer, wie man schon bei dem Gewicht der beiden existierenden Stufenadapter sieht.

Als zweite Alternative habe ich die dritte Stufe so belassen, wie sie ist. Mit beiden vergrößerten Stufen kommt diese Version auf 7,3 t in den GTO, also rund 2,3 t mehr als die Ariane 44L, und 1,3 t mehr als mit sechs Boostern. Bei Beibehaltung der dritten Stufe sind es nur 6,2 t, also 300 kg mehr als die Ariane 46L , weshalb diese Option nicht so aktaktiv ist, bedenkt man das man zwei Triebwerke mehr bauen muss. Die Aufstiegskurven beider Raketen haben beide ausgeprägte „Buckel“ die bei einem Perigäum von 200 km bis auf 346 bzw. 332 km Höhe führen. Das ist energetisch ungünstig und weist auf eine Untermotorisierung der dritten Stufe hin. Das ist kein Wunder. Hat diese doch den gleichen Schub bei einem Triebwerk wie die erste Stufe der Ariane 1 H8, wiegt aber mit Nutzlast 70 % weniger. Bei der Stufe mit zwei Triebwerken wiegt sie in etwa so viel wie eine Ariane 6 Oberstufe hat aber auch ein Drittel weniger Schub und wird bei niedriger Geschwindigkeit gestartet.

Ich habe daher die dritte Stufe H10+ mit zwei Triebwerken ausgestattet und zweimal um je 5 t Treibstoff erweitert um festzustellen ob hier noch Optimerungspotenzial ist und komme dann bei beiden Versionen auf 7,2 t Nutzlast. Man muss also die dritte Stufe nicht um den Faktor 2,13 erhöhen. Es reichen 5 t mehr Treibstoff. Der Buckel sinkt auf 280 bzw. 320 km Höhe.

Den eingesparten Treibstoff der dritten Stufe, kann man dann der zweiten Stufe zuschlagen, die mehr als genügend Schub hat – er beträgt beim Start knapp 160 t bei bisher rund 110 t Masse. 9 t mehr Treibstoff sind möglich, wenn die Rakete noch mit 12 m/s beschleunigen soll (bei Ariane 44L waren es nur 11,4 m/s). Das bringt dann nochmals 300 kg Nutzlast auf 7,5 t. Wie man an der Grafik sieht, ist nun der „Buckel“ weitestgehend weg, er sinkt auf 254 km.

Die Ariane 40XL

Außer der Konkurrenz habe ich auch mal simuliert, was passiert wäre, hätte man auf die Booster verzichtet und nur die erste Stufe verlängert dafür aber ein fünftes Triebwerk eingebaut, wie es bei den Vorschlägen gedacht war. Mit der Ariane 4 Erststufe komme ich auf 3,1 t in den GTO, die Rakete startet aber etwas langsamer sodass man die erste Stufe nicht ganz so stark verlängert hätte. Das liegt in der Nutzlast zwischen den Versionen Ariane 42P und 42L, wäre aber da man im Vergleich zur Ariane 42L nur ein Triebwerk mehr anstatt zwei benötigt und die kosten für die Booster ganz sparen würde, günstiger.

Beurteilung

Natürlich ist dies (wie immer bei mir) nur ein Gedankenspiel. Die Rakete kommt auf die Nutzlast einer Ariane 5G, also der ersten Version, die bei 6,82 t lag. Damit wäre ein Kriterium weshalb die Ariane 5 eingeführt würde eingelöst, nämlich das man auch schwerere Satelliten im Doppelstart starten kann. Das ging zuletzt bei der Ariane 4 mit einer Doppelstartkapazität von knapp 4,5 t nicht, da dürfte jeder Satellit im Durchschnitt nur 2,2 t wiegen. Noch heute würde die Ariane 4XL ausreichen die schweren Satelliten im Einzelstart zu befördern. Doppelstarts wären bei durchschnittlichen Massen von heute rund 4,5 bis 5,5 t aber nicht mehr möglich. Das war ja auch ein Grund zur Nutzlaststeigerung der Ariane 5E die inzwischen bei über 11 t in den GTO angekommen ist, übrigens weitestgehend unbemerkt von der Öffentlichkeit. Wäre Arianespace oder die ESA wie US-Unternehmen dann würde man diese Tatsache sicher hervorheben.

Was sich nicht ändert, ist, dass Ariane 4 teurer als Ariane 5 war, einfach bedingt durch die vielen Triebwerke. Eine Ariane 5 kostete bei Indienststellung etwa gleich viel wie eine Ariane 4, gatte aber eine deutlich größere Nutzlast. Durch zwei Booster und drei weitere Triebwerke wäre diese Version noch teurer, ich schätze sie anhand der Triebwerkszahl (10 bei der Ariane 44L, maximal 15 bei der Ariane 4XL) auch um etwa 40 % teurer ein, sodass der Preis pro Kilogramm fast gleich bleibt. Auf der anderen Seite kostete natürlich die Entwicklung der Ariane 5 einige Milliarden, die man so eingespart hätte. Im Prinzip ist es dieselbe Situation wie heute, nur das heute die Rakete, die ausgemustert wird, die Ariane 5 ist. Die ESA finanziert eine Rakete, die billiger im Einsatz werden soll, mit der Begründung das man bei kommerziellen Aufträgen konkurrenzfähig bleiben müsse. Das Dumme nur: Arianespace ist das einzige Unternehmen, das auf diesen Markt alleine angewiesen ist. Die Raketen Chinas, Japans, Indiens der USA und Russland werden alle gebaut, um unabhängig zu sein und eigene Nutzlasten zu starten. Wenn man kommerzielle Aufträge bekommt, dann ist das schön ansonsten eben nicht.

Würde die ESA das auch tun, sie käme wohl auch heute noch mit der Ariane 4 aus. Es gäbe kaum kommerzielle Aufträge so, wie dies auch bei den meisten anderen Raketen ist. Aber sie würde ausreichen für nahezu alle europäischen Nutzlasten, selbst auf Fluchtgeschwindigkeit könnte sie noch 5 t transportieren. Die einzige Ausnahme wäre das ATV, doch das hätte man auch auf die Ariane 4 auslegen können.

In meinen Augen hat sich da was verselbstständigt. Ariane 1 wurde entwickelt um einen unabhängigen Zugang zu Weltraum zu haben und das mit gutem Grund. Die USA weigerten sich europäische Kommunikationssatelliten zu starten, nur drei Satelliten für Testzwecke (Symphonie 1+2, OTS) wurden gestartet. Heute ist das kein Problem. Selbst wenn Europa keinen Träger hätte, könnte man einen Satelliten woanders starten, das geht so weit das sogar militärische Satelliten mit der Sojus gestartet werden, wenn auch vom französischen Department in Guyana aus.

Rakete: Ariane 40XL

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
306.163 3.200 10.278 1.873 1,05 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
3.400 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 1 249.500 17.500 2.747 3400,0 3790,0 168,15 0,00
2 1 38.973 3.509 2.904 798,0 798,0 129,06 171,15
3 1 13.680 1.780 4.366 64,8 64,8 801,78 303,21

 

Rakete: Ariane 46L

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
569.863 5.900 10.278 1.771 1,04 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
6.740 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 6 43.500 4.550 2.727 670,0 752,0 141,25 0,00
2 1 249.500 17.500 2.747 2720,0 3032,0 210,19 0,00
3 1 38.973 3.509 2.904 798,0 798,0 129,06 211,19
4 1 13.680 1.780 4.366 64,8 64,8 801,78 344,25

 

Rakete: Ariane 4XL

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
632.653 7.400 10.278 2.125 1,17 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
7.420 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 6 43.500 4.550 2.727 670,0 752,0 141,25 0,00
2 1 250.500 18.500 2.747 3400,0 3790,0 168,15 0,00
3 1 82.556 7.018 2.904 1596,0 1596,0 137,45 171,15
4 1 30.387 3.110 4.366 129,6 129,6 918,91 311,60

 

Rakete: Ariane 4XL-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
614.746 6.200 10.278 1.825 1,01 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
7.420 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 6 43.500 4.550 2.727 670,0 752,0 141,25 0,00
2 1 250.500 18.500 2.747 3400,0 3790,0 168,15 0,00
3 1 82.556 7.018 2.904 1596,0 1596,0 137,45 171,15
4 1 13.680 1.780 4.366 64,8 64,8 801,78 311,60

 

Rakete: Ariane 4XL-3

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
620.746 7.200 10.278 1.703 1,16 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
7.420 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 6 43.500 4.550 2.727 670,0 752,0 141,25 0,00
2 1 250.500 18.500 2.747 3400,0 3790,0 168,15 0,00
3 1 82.556 7.018 2.904 1596,0 1596,0 137,45 171,15
4 1 18.680 2.280 4.366 130,0 130,0 550,79 311,60

 

Rakete: Ariane 4XL-4

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
625.846 7.300 10.278 1.853 1,17 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
7.420 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 6 43.500 4.550 2.727 670,0 752,0 141,25 0,00
2 1 250.500 18.500 2.747 3400,0 3790,0 168,15 0,00
3 1 82.556 7.018 2.904 1596,0 1596,0 137,45 171,15
4 1 23.680 2.780 4.366 130,0 130,0 701,92 311,60

 

Rakete: Ariane 4XL-5

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
629.046 7.500 10.278 1.639 1,19 130,00 200,00 35790,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
7.420 5 90 810 277 90 6 20 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 6 43.500 4.550 2.727 670,0 752,0 141,25 0,00
2 1 250.500 18.500 2.747 3400,0 3790,0 168,15 0,00
3 1 90.556 7.418 2.904 1596,0 1596,0 151,27 171,15
4 1 18.680 2.280 4.366 130,0 130,0 550,79 325,42

6 thoughts on “Die Ariane 46L und Ariane 4XL

  1. „Geometrisch kann man maximal sechs dieser Booster an der ersten Stufe anbringen. Sie hat 3,80 m Durchmesser, ein Booster 2,22.“
    Das stimmt so nicht. Geometrisch passen bis zu acht. Vermutlich möchte man das aber nicht, da dann wohl keinen Platz mehr für Versorgungsleitungen etc. hätte.
    Schon mal eine „Ariane 4 Heavy“ berechnet? Vor allem in Vergleich zu 8 Boostern, da beide Varianten dann 8 zusätzliche Triebwerke hätten…

    1. Gemäß den Gesetzen der Trigonometrie nimmt jeder Booster einen winkel von 47,6 Grad auf dem Kreisring ein. Acht ergeben mehr als 360 Grad. Zudem muss es einen Abstand zwischen den Boostern geben, damit diese nicht beim Abtrennen miteinander und eventuell mit der ersten Stufe kollidieren.

      1. Wenn man 8 Kreise von 2,22m Durchmesser um einen von 3,8m Umfang so anordnet, dass die kleinen den großen berühren, dann haben die kleinen einen Mittenabstand von 2,304m. Es sind also noch 8,4cm Platz. Da zwischen Boostern und Erststufe auch noch etwas Platz sein wird, erhöht sich dieser Abstand noch etwas. (Ich habe das in GeoGebra skizziert. Aber rechnen wir mal von Hand nach. Die Mittelpunkte der acht Booster müssten auf einem Kreis mit dem Radius (3,8+2,22)/2=1,9+1,11=3,01 Metern liegen. Ein Achteck mit diesem Umkreis hat eine Kantenlänge von r_u*sqrt(2-sqrt(2))=3,01*sqrt(0,586)=3,01*0,765=2,304 Meter (Formel s. https://de.wikipedia.org/wiki/Regelm%C3%A4%C3%9Figes_Polygon))

        Es passt also sehr wohl. Zu der Schlussfolgerung, dass das (zu) eng für eine praktische Umsetzung sein dürfte bin ich ja auch gekommen.

        1. Ein Problem wird bei solchen Betrachtungen oft übersehen: Die Zugänglichkeit zur Zentralstufe.Es sollte zwischen den Boostern noch genug Platz bleiben, dass eine Person durchkommt. Sonst wird es problematisch, wenn in der Zentralstufe ein Problem auftritt. Dann muss mindestens ein Booster wieder demontiert werden, und danach wieder angebaut.

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