Die ACES für alle

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Die Beschäftigung mit dem BE-3U von Blue Origin führt mich zu folgender Überlegung:

Eigentlich liegt das Triebwerk ja in einem idealen Schubbereich. Die USA haben die RL-10 Serie mit maximal 110 kN Schub und dann das J-2X mit fast 1.400 kN Schub dazwischen nichts. Das BE-3U läge mit 710 kN Schub genau in der Mitte. Könnte man darum nicht eine gute Oberstufe basteln?

Das eine solche nötig ist zeigt die Entwicklung der Trägerraketen, die das RL10 einsetzen. Das RL10 wurde für die Atlas Centaur entworfen. Das war eine 150 t schwere Trägerrakete. Damals wurden sogar zwei RL-10 mit zusammen 133 kN Schub eingesetzt. Inzwischen ist es im Einsatz auf der Delta 4 und Atlas V mit 227 und 308 t schweren Unterstufen (Atlas-Centaur: 128 t) und nur noch 99 bzw. 110 t Schub. Gut die Schubreduktion ist eine Folge der höheren Endbeschleunigung durch die größeren Unterstufen und das man heute optimierte Flugbahnen durch den Bordcomputer fliegen kann, während man in den Sechzigern dies nicht konnte. Aber auch so sind die Oberstufen auf 23 bis 28 t Masse begrenzt. Eigentlich schon für die schweren Träger zu klein. Erst recht wenn nun noch größere neue Träger kommen, wie die Vulcan die noch schwerer sind und die OmegA sollte für eine 38 t schwere Oberstufe zwei RL10 einsetzen und trotzdem ist diese letzte Stufe klein gemessen an den Unterstufen. Die NASA benötigt zudem eine Oberstufe für die SLS. Auch hier greift man bei der EDS auf vier RL-10 zurück. Die derzeitige IPCS ist eine Delta Zweitstufe mit einem RL10.

Daneben könnte eine größere Stufe auch auf der Falcon 9 oder Falcon Heavy als Ersatz für die zweite Stufe fungieren. Vor allem aber gäbe es (wenn wir die Delta 4 die ausläuft, außen vorgelassen) dann fünf Trägerfamilien, auf denen die eingesetzt werden könnte:

  • Atlas V
  • Vulcan
  • SLS
  • New Glenn
  • Falcon 9 / Falcon Heavy

Mit der Omega wären es sogar noch eine Rakete mehr gewesen. Diese setzten heute fünf verschiedene Stufen ein – was für eine Verschwendung.

Design

Große und Masse der Stufe orientiert sich nach dem Schub des Triebwerks und der kleinsten Unterstufe. Eine Oberstufe muss keinen Schub haben der die Masse mit mehr als 1 g beschleunigt. Je nachdem bei welcher Geschwindigkeit sie zündet, kann der Schub klein sein. Das Extrembeispiel ist die Breeze M die knapp 20 kn Schub hat, bei einer Masse (mit Nutzlast) von 27 t, also mit weniger als 0,1 g beschleunigt.

Ich dachte zuerst an moderate und sichere 0,8 g Startbeschleunigung und kam bei 30 t für eine optionale Oberstufe und Nutzlast bei 710 kN Schub auf eine Startmasse von 60 t. Für die Atlas 431 habe ich dies auch modelliert (Versionen mit keinem oder weniger Boostern haben nicht genügend Startschub um die Oberstufe zu tragen) und erhielt mehr als 1 t zusätzliche GTO Nutzlast.

Doch dann erinnerte ich mich – war das Triebwerk nicht mal im Gespräch für die ACES Oberstufe? Ja war es. Dort waren sogar nur 445 kN Schub vorgesehen und die wog mit 73 t sogar noch mehr. So habe ich eine Stufe mit folgenden Eckdaten modelliert:

  • Startmasse: 70 t
  • Trockenmasse 7 t
  • Schub: 710 kN
  • Durchmesser: 5,2 m
  • Länge: ~16 – 17 m
  • spez. Impuls: 4400 m/s

Der Durchmesser orientiert sich nach den Nutzlastverkleidungen. Es ist klar, dass man sie nicht nach den Unterstufen orientieren kann, das wären sonst nur 3,6 m Durchmesser bei einer Falcon 9. Die kleinste Nutzlastverkleidung hat die Falcon 9 mit 5,2 m. Bei der SLS würde sie von der Nutzlastverkleidung umgeben werden. Unter Umständen kann es sinnvoll sein, die Stufe nicht ganz zu füllen, wenn sie z.B. auf einer Atlas eingesetzt wird.

Von dem BE-3U Triebwerk ist außer dem Schub nichts bekannt. Auch nicht der spezifische Impuls. Ich habe konservative 4400 m/s angenommen, die sind mit der langen Düse auch im Nebenstromverfahren erreichbar (das HM-7B liegt bei 4385 m/s) beim Einsatz des Hauptstromverfahrens würde ich eher Richtung 4500 m/s tippen. Die Trockenmasse habe ich auf 1/10 der Startmasse angesetzt, bei der Aces waren es nur 8 % (1/12,5), doch auch hier ein eher konservativer Ansatz. Wer an die Leichtbauweise der ACES glaubt, kann nochmals 1,5 t Nutzlast hinzuaddieren. Um dieses wäre die Stufe leichter. Die Länge ergibt sich aus den Schätzungen über Triebwerkslänge und Tankvolumen. Bei einem Mischungsverhältnis von 6:1 (LOX/Lh2) wäre der zylindrische Teil des Tank 8,47 m lang, mit zwei halbkugelförmigen Abschlüssen dann 13,66 m. Dazu käme noch das auf 2,5 bis 3 m Länge geschätzte Triebwerk.

Bei den größeren Raketen wäre noch eine dritte Stufe hinzunehmbar, z.B. eine Centaur. Eine Hochenergiestufe macht natürlich Sinn bei Missionen mit höheren Endgeschwindigkeiten. Das ist auch logisch, denn keiner der obigen Träger nutzt heute schon seine LEO-Nutzlast öfters voll aus. Bei der Atlas ist das erst jetzt der Fall bei den Starliner Flügen. Doch selbst da reicht das zweitkleinste Modell mit einem Booster. Bei der Falcon und Heavy ist die LEO-Nutzlast durch die zu kleine Nutzlastverkleidung beschränkt und die SLS ist nur für Mondflüge vorgesehen.

Als Zielgeschwindigkeiten habe ich einmal einen GTO und einmal einen Marstransferorbit mit einem hohen C3 von 20 km²/s² vorgesehen. Bei der Atlas V habe ich nicht alle Modelle untersucht, sondern nur das kleinste Modell 431, ab dem die Stufe eingesetzt werden kann und die größte Version Atlas 551.

Die Nutzlasten

Die Daten der Falcons sind mangels veröffentlichter Daten rekonstruiert. Für die Vulcan und New Glenn gibt es nicht mal genügend Daten für eine saubere Rekonstruktion. Alle Daten wurden mit meiner Simulation berechnet und daher können die Nutzlasten von den veröffentlichten Angaben abweichen.

Rakete Nutzlast 186 x 35790 km GTO Mit BE-3U Oberstufe
Atlas 421 6.500 kg 8.000 kg
Atlas 551 7.600 kg 11.500 kg
Falcon 9 6.500 kg 11,700 kg
Falcon Heavy 15.000 kg 20.500 kg
SLS ICPS 44.000 kg 61.000 kg

Der Gewinn ist deutlich. Teilweise über die Hälfte mehr in GTO.

Rakete Nutzlast c3=20 km²/s² Mit BE-3U Oberstufe
Atlas 421 3.100 kg 2.300 kg
Atlas 551 3.700 kg 4.300 kg
Falcon 9 700 kg 4.200 kg
Falcon Heavy 5.400 kg 9.400 kg
SLS 20.000 kg 30.000 kg

Auch hier ist deutlich sichtbar: je größer die Rakete, desto größer der Nutzlastgewinn. Bei der Atlas 431 sinkt die Nutzlast ab, da die leere ACES-Stufe 7 t wiegt, verglichen mit 2,3 t einer Centaur, das wirkt sich bei leichten Nutzlasten dann stärker aus. Bei der Falcon 9 hängt die Nutzlast für eine hohe Geschwindigkeit sehr stark vom Trockengewicht der Oberstufe ab. Das ist unbekannt. Ich habe deren Trockenmasse mit 6,2 t modelliert (Startmasse 118 t) um auf die 6,5 t reale GTO Nutzlast zu kommen, nimmt man eine geringere Trockenmasse an, so steigt die Nutzlast entsprechend an.

Der Nutzen

Der Nutzen wäre offensichtlich. Man hätte eine Oberstufe für fünf Träger, wenn man die New Glenn hinzunimmt sogar sechs, doch da deren Daten noch völlig unbekannt sind, habe ich sie nicht mitaufgenommen. Daneben will Blue Origin natürlich eine eigene Oberstufe auf Basis des BE-3 für die New Glenn konstruieren, die aber noch größer wird und wahrscheinlich zwei Triebwerke einsetzt.

Mehr Träger bedeuten mehr Einsätze der Stufe, mehr Stufen und eine günstigere Fertigung. Sicher könnte man die Firmen nicht verdonnern die Stufe einzusetzen, aber die NASA könnte die Stufe für die SLS entwickeln lassen plus Adaptern für die anderen Träger. Der Hersteller müsste vertraglich zusichern, dass er sie an jeden US-Launch Service Provider liefert. Dann steht es ihnen frei sie einzusetzen oder weiter auf ihre eigenen Stufen zu setzen.

Benötigt wird diese Stufe primär für Hochenergiemissionen, wozu auch z.B. direkte Transfers in den GEO oder Navstar Orbit gehören, aber natürlich auch Missionen zu dem Mond und Planeten. Für ganze extreme Geschwindigkeitsanforderungen wie z.B. zu Jupiter und weiter hinaus kann man sogar eine weitere Stufe addieren, z.B. eine Centaur, das erlaubt der vergleichsweise hohe Schub.

Der Nutzen wäre gegeben jenseits der SLS für einige besonders schwere GEO Nutzlasten, welche das US-Militär wohl plant, sonst hätte sie in den aktuellen Ausschreibungen für Träger nicht so hohe Anforderungen aufgestellt. Daneben auch für die Versorgung des Lunar Gateways. Dessen Geschwindigkeitsanforderung liegt ziemlich genau in der Mitte zwischen diesen Tabellen. Eine Falcon 9 oder Atlas 551 könnten so eine Cygnus mit 3-4 t Fracht transportieren, eine Falcon Heavy nicht eine abgespeckte Dragon, sondern sogar eine deutlich schwerer beladene als zur ISS. Vulcan und New Glenn, als noch größere Raketen könnten ebenfalls größere Transporter oder sogar Elemente für das Lunar Gateway transportieren, damit hätte SpaceX das Alleinstellungsmerkmal, das sie sich ja teuer haben bezahlen lassen (der Start von zwei Modulen ist zwei bis dreimal teurer als andere Falcon Heavy Starts) verloren.

6 thoughts on “Die ACES für alle

  1. Wenn die Oberstufe für New Glenn nächstes Jahr erfolgreich geflogen ist
    wird sich zeigen ob sie nicht auch für Vulcan und SLS angepasst werden kann.

    Wenn die F9/FH ncht so ein Spargel wäre, würde eine Wasserstoffstufe als DritteStufe auch Sinn machen.

    1. Die Oberstufe der New Glenn dürfte viel zu groß sein. Die erste Stufe der New Glenn setzt 7 BE-4 ein, die Vulcan nur 2. ebenso hat die Oberstufe zwei BE-3U die ACES war auf 450 kN Schub projektiert, das ist ein Drittel dessen.

  2. Es gibt bei der Centaur eine Version mit einem und mit 2 RL10.
    Auf diese Art könnte auch die NG Oberstufe verkleinert werden.
    Für SLS könnte man sogar an eine Version mit mehr als 2 BE3 mit je 710 kN Schub nachdenken.

  3. Die Atlas und SLS sind auch ganz verschiedene Träger. Für das SLS ist die Oberstufe extrem unterdimensioniert.

    Mit der reduzierung auf 1 BE3 ist natürlich auch eine verkürzung der Tanks nötig.

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