Teure Nachbesserungen

Das heutige Thema beschäftigt sich mit der europäischen Raketenpolitik. Obwohl die sich von der vieler anderer Nationen darin unterscheidet, dass man regelmäßig neue Rakete entwickelt ist, doch eines auffällig: die Nachbesserungen oder wenn man es anders ausdrücken will: Performance Steigerungen.

Die USA machen mehr Starts als Europa, doch sie kamen von 1960 bis zur Jahrtausendwende mit drei Basismustern aus: Der Thor-Delta Serie, Atlas und Titan. Diese wurden durch Oberstufen, Booster oder leistungsfähigere Triebwerke in der Leistung gesteigert. Am stärksten gelang dies bei der Delta, deren erstes Modell die Delta-A 291 kg in einen niedrigen Erdorbit und 45 kg in den GTO transportieren konnte. Das letzte Modell, die 7925H dagegen 5.648 kg in einen LEO und 2.270 kg in einen GTO. Eine Steigerung der Leistung um den Faktor 20!

Demgegenüber entwickelte man in Europa immer neue Trägerraketen:

  • Der Europa I folgte die Ariane 1.
  • Die Ariane 1 wurde nach 17 Jahren durch die Ariane 5 ersetzt.
  • Nun wird die Ariane 5 nach 23 Jahren durch die Ariane 6 ersetzt.
  • Dazwischen gab es dann auch noch die Vega.

Wenn nun einer fragt: Was ist denn mit der Ariane 2,3 und 4? Um genau diese geht es in diesem Blog. Es ist eine europäische Spezialität eine Trägerrakete zu entwickeln, die man nur wenige Male in der Ursprungskonfiguration einsetzt, und sie dann durch eine verbesserte Generation ersetzt: Continue reading „Teure Nachbesserungen“

Wernher von Braun würde im Grabe rotieren …

… Wüsste er um Deutschlands Raketenentwicklung in den letzten 40 Jahren. Die Beteiligung begann mit der Europarakete, wo Deutschland die kleinste Stufe baute. Das ist zwar der kleinste Teil an der Rakete (wenn man nur die Massen der Stufen betrachtet), aber da es die Letzte ist auch der anspruchsvolle in der Hinsicht auf die Maximierung der Nutzlast. Die dritte Stufe war auf der Höhe der Zeit, ein Mix von Neuerungen wie der Explosionsverformung von Tanks und konservativen Bauformen wie separaten Steuertriebwerken und einem fest eingebauten Haupttriebwerk. Ob die Stufe funktioniert hätte, weiß man nicht. Zweimal zerlegte es sie bei der Zündung, einmal arbeitete sie, hatte aber einen Performanceabfall und der Satellit erreichte keinen Orbit, auch weil die Nutzlastverkleidung sich nicht löste. Continue reading „Wernher von Braun würde im Grabe rotieren …“

Ariane 4 XL und XXL

Nehmen wir mal an (Ich nehme immer gerne an), wir hätten die Ariane 5 nicht entwickelt – Wäre nicht auch die Ariane 4 weiter entwickelbar gewesen, um den steigenden Satellitenmassen nachzukommen? Ja natürlich! An dieser Stelle mal wieder ein Beitrag in der Rubrik „Gut das wir es besser wissen!“. Um die Nutzlast zu erhöhen ist es bei der Ariane 4 nötig vor allem die beiden oberen Stufen zu vergrößern. Zum einen weil sie bei der Berechnung des Voll/Leermasseverhältnisses wichtiger für die Nutzlast sind, zum zweiten weil die Stufen einen höheren spezifischen Impuls aufweisen. So brachten 2 t mehr Treibstoff in der dritten Stufe rund 300 kg mehr Nutzlast, für 1200 kg mehr Nutzlast mussten in der ersten Stufe zwei Booster mit rund 90 t Startgewicht angebracht werden. Da die bisherige Entwicklung vor allem die untere Stufe (wozu man die Booster hinzuzählen muss) erhöhten, sollte dies eine deutliche Nutzlaststeigerung bringen.

Um größere Oberstufen zu transportieren, muss mehr Schub vorhanden sein. Der erste Vorschlag den ich habe, wurde schon bei der Konzeption der Ariane 4 gemacht: Der Einbau eines fünften Triebwerks in die erste Stufe. Dieses liefert rund 700 kN Schub. Bei einer Mindestbeschleunigung von 1.2 g entspricht dies rund 60 t. Die Oberstufen können also rund 60 t mehr wiegen. Derzeit wiegen sie zusammen rund 51 t. Das entspricht also einer Verdopplung des Gewichts. Geschickterweise entspricht dies genau dem Verhältnis (3.80/2.60)². 3.80 m das ist der Durchmesser der ersten Stufe, 2.60 m das ist der Durchmesser der zweiten und dritten Stufe. Würde man die bisherige Gestalt bei Beibehaltung der Länge auf durchgehend 3.80 m Durchmesser erweitern, so  erhält man folgende Rakete:

 

Typenblatt Ariane 4 XL

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
3.80 m
544.000 kg

Einsatzzeitraum:
Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

7500 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25
2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
4 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
4 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L77

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
3,80 m
84.200 kg (max.)
7,200 kg
2 x Viking VB
2 x 798 kN (Vakuum)
140 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H25

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
3,80 m
28.100 kg
2,600 kg
2 x HM-7B
2 x 64.8 kN (Vakuum)
860 s
LOX/LH2
4373 m/s

VEB

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:

Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:

Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

(Ich mache mal Gebrauch von den Typenblättern, die ich für das aktuelle Buch eingeführt habe eventuell werde ich diese auch ins Web übernehmen). Die zweite und dritte Stufe sind 58.8 t schwerer, das passt also ideal zum erhöhten Schub. Nötig ist dann allerdings auch jeweils ein zweites Triebwerk in diesen beiden Stufen. Die Nutzlast beträgt 7500 kg, das sind 2600 kg mehr als bei der Ariane 43L bei einer nur 13 % höheren Startmasse. Also eine echte Verbesserung (52  % mehr Nutzlast bei nur 13 % höherer Startmasse).

Geht noch mehr? Natürlich. Wer sagt denn, das es nur 4 Booster sein müssen? Technisch können 8 Booster an eine Ariane 4 angeflanscht werden. So viele gehen auf einen Kreis mit einem Radius von 6.03 m (2.21 + 3.81 m Durchmesser von Booster und Hauptstufe) Die 4 weiteren Booster haben mehr Treibstoff. Vor allem aber liefern sie mehr Schub und erlauben so eine Vergrößerung der oberen Stufen. Jeder Booster wiegt rund 45 t, liefert aber 70 t Schub. Bei einer Beschleunigung von 1.2 g erlaubt jeder Booster also die Vergrößerung der oberen Stufen um rund 15 t. 4 Booster also um 60 t. Eine Vergrößerung des Durchmessers der zweiten und dritten Stufe auf 4.7 m würde ziemlich genau die zusätzlichen 60 t ergeben. Man erhält dann folgendes Typenblatt

Typenblatt Ariane 4 XXL

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
4,70 m
779.100 kg

Einsatzzeitraum:

Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

12100 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25

2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
8 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
8 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L117

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
4,70 m
128.800 kg (max.)
11.000 kg
3 x Viking VB
3 x 798 kN (Vakuum)
142 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H40

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
4,70 m
43.800 kg
4,000 kg
3 x HM-7B
3 x 64.8 kN (Vakuum)
895 s
LOX/LH2
4373 m/s

VEB

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:
Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:
Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

Wie sich zeigt: Bei nahezu gleicher Startmasse wie eine Ariane 5 ECA transportiert diese Version 12.1 t in den GTO Orbit (zugegeben sehr optimistisch, da die VEB gleich groß blieb, aber mehr als die ESC-A wird es in jedem Fall sein) Einsetzen könnte man dann natürlich auch größere Nutzlastverkleidungen von 4.70 m Durchmesser. Diese wird frühzeitig abgeworfen und beeinflusst die Nutzlast kaum.

Das ganze wäre noch zu optimieren, indem man eine weitere vierte Stufe einführt, z.B. die bisherige H10, und dafür die zweite und dritte Stufe etwas erleichtert: Da diese einen höheren spezifischen Impuls als die zweite Stufe hat, resultiert nun eine noch etwas höhere Nutzlast: 13.8 t

Typenblatt Ariane 4 XXL2

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
4,70 m
757.300 kg

Einsatzzeitraum:
Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

13800 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25
2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
8 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
8 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L93

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
4,53 m
100,400 kg (max.)
8.600 kg
3 x Viking VB
3 x 798 kN (Vakuum)
126 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H33

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
4,53 m
36.600 kg
3,100 kg
3 x HM-7B
3 x 64.8 kN (Vakuum)
753 s
LOX/LH2
4373 m/s

Stufe 4 H10-III

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
2,60 m
13.140 kg
1,240 kg
1 x HM-7B
1 x 64.8 kN (Vakuum)
780 s
LOX/LH2
4373 m/s

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:
Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:
Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

Verwundert? Nein normale Raketentechnik. Eine Kostenabschätzung ist natürlich nicht leicht. Aber ein paar Hausnummern: Wenn man annimmt, dass die Kosten proportional zu der anzahl der Triebwerke ist und die HM-7B Triebwerke doppelt so teuer sind wie die Viking, dann müsste die letzte Version rund 2.1 mal teurer als eine Ariane 44L sein. Allerdings ist die Nutzlast 2.8 mal höher. Netto gesehen sind die Kosten pro Kilogramm also um rund 74 % der einer Ariane 4. Selbst wenn damit nicht der Startpreis einer Ariane 5 erreicht würde (Ziel: 45 % geringere Kosten pro Nutzlast – erreicht?) – man hätte aber auch nicht die 8000 Millionen Euro Entwicklungskosten für diese eingespart und könnte die Herstellung subventionieren (bei der Ariane 5 tut man das trotz niedrigerem Startpreis ja auch mit 196 Millionen Euro pro Jahr!) Des weiteren gäbe es natürlich die Möglichkeit die Technik zu erneuern, z.B. eine dritte Stufe mit dem Vinci Triebwerk.