Ariane 5

Wiederverwendung in der Zwickmühle

LFBB (c) DLR-SARTAm Beispiel der Ariane 5 möchte ich heute mal zeigen wo das grundsätzliche Problem der Wiederverwendung liegt. Dabei will ich mich bewusst nur auf die erste Stufe konzentrieren. Zuerst einmal, warum nur die unterste Stufe? Es gibt mehrere Gründe dafür, technische und finanzielle. Fangen wir mit den Finanziellen an. Bei gleicher Technologie in den Stufen werden diese um so preiswerter, je kleiner sie werden. Der Zusammenhang ist zwar nicht linear, aber in der Regel ist die Oberstufe preiswerter als die Grundstufe (und bei drei Stufen gilt das gleiche). Die Ersparnis wird also immer kleiner.

Technisch ist die Sache sogar noch eindeutiger. Die Nutzlast nimmt bei Wiederverwendung stark ab. Gerät die Stufe in einen Orbit, so benötigt sie Treibstoff um sich selbst zu deorbitieren. Vor allem steigt die thermische Beanspruchung stark ab. Die Stufe benötigt einen Hitzeschutzschild, der bei den großen Tanks für Wasserstoff recht schwer wird und die Nutzlast dann stark reduziert (jedes Kilo das die Stufe mehr wiegt, reduziert die Nutzlast im gleichen Maße).

Bei der ersten Stufe ist die Sache viel einfacher: Sie nimmt den größten Teil der Rakete ein, also bei gleicher Technologie auch den größten Teil der Produktionskosten und die Abtrennung erfolgt bei niedriger Geschwindigkeit, woraus eine niedrige thermische Belastung resultiert. So ist kein oder nur ein geringer Thermalschutz notwendig ist. Ein erhöhtes Trockengewicht schlägt nur gering auf die Nutzlast durch (Typischerweise sinkt diese um 1 kg bei 10-15 kg höherer Trockenmasse). (mehr …)

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Kostenverschleierung

Mit nichts sind Raumfahrtbehörden so knauserig wie mit dem Veröffentlichung einer Zahl: Was kostet eine Raumfahrtmission? Hier hört die Freizügigkeit bei Daten auf, wie sicher jeder Raumfahrtinteressierte schon bemerkt hat. Eine Ausnahme ist nur gegeben, wenn man es geschafft hat, etwas besonders preiswert durchzuführen, wie dies bei Mars und Venus Express gelang. Bei der ESA ist es besonders schlimm. Hier ist man sehr zurückhaltend mit Angaben. Bei der NASA ist es besser. Üblicherweise enthalten die bei größeren Missionen veröffentlichten Presseinformationen Informationen über die Kosten.

Naturgemäß noch schwieriger ist es, die Kosten von Großprojekten zu ermitteln, vor allem wenn diese über lange Zeit laufen. Stunden der Recherche für die Ermittlung der Kosten der ISS und Ariane 5 über die Gesamtlaufzeit für meine Bücher zeigten mir aber System, das gerne durchgeführt wird: Das Töpfchensystem. Ich will es mal bei der ISS zeigen. Offiziell kostet die ISS rund 30 Milliarden Dollar. Das geht doch, wenn man bedenkt, das diese Summe seit 1985 also 25 Jahren aufgebracht wird. So sind das nur etwas mehr als 1 Milliarden pro Jahr. Nur einmal entschlüpfte der NASA bei einem Text in dem Budget für 2006 die Angabe von 100 Milliarden Dollar, die seitdem immer wieder zitiert wird. Doch selbst die Augustine Kommission gab 2009 noch die Kosten mit 31,5 Milliarden Dollar an. Wie kommt es zu solch großen Diskrepanzen? Nun ganz einfach: Man teilt die Ausgaben in Budgets ein und zählt bestimmte Budgets dazu oder nicht. Bei der ISS z.B. gibt es folgende Töpfchen: (mehr …)

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Ariane 5 – sinnvolle Upgrades

So ich hoffe ihr seid alle gut in den April gekommen und nicht auf meinen plumpen Aprilscherz mit SpaceX reingefallen. Sorry, aber ich bin nicht sehr fantasievoll in solchen Dingen. Nachdem die ESA nun ja schon die Ariane 6 plant, will ich mal als Gegenakzent skizzieren, was mit der Ariane 5 möglich ist. Einiges davon ist auch Thema des nächsten Buches und dort ausführlicher dargestellt. Ich will dies im folgenden durch einige eigene Bemerkungen ergänzen. Thema sollte sein: Wie weit kann die Nutzlast der Ariane 5 noch sinnvoll und preiswert erhöht werden?

Neues Vulcain 3 Triebwerk

Snecma und ESA haben zusammen untersucht wie ein Vulcain Mark III aussehen sollte. Ziel ist es nicht nur die Nutzlast zu steigern, sondern auch die Produktionskosten. Das Vulcain ist schon immer der wunde Punkt der Ariane 5 gewesen. Zum einen ist es der teuerste Teil der Rakete. Schon ein Vulcain 1 kostete rund 15 Millionen Euro in der Fertigung. Zum anderen wurde Ariane 5 während der Planungen immer schwerer und die Zentralstufe stieg im Gewicht von 130 auf 170 t, während der Schub des Vulcains gleich blieb. Daraus resultieren hohe Gravitationsverluste – bedingt zum einen durch die längere Zeit die Orbithöhe zu erreichen und zum anderen durch die geringe Beschleunigung nach Wegfallen der Booster. Der Hauptnutzen des Vulcains 2 ist daher durch einen höheren Schub diese zu reduzieren, der spezifische Impuls ist weitgehend gleich geblieben. Folgende Optionen wurden untersucht:

  • MC 1500G: Leichtes Upgrade des Vulcain 2 auf 1.500 kN Schub mit überschaubaren Entwicklungskosten: 700 kg mehr Nutzlast
  • MC 1700G: Neues Triebwerk mit höherem spezifischen Impuls und 1.700 kN Schub: 1.500 kg mehr Nutzlast
  • MC 2000: Sechs verschiedene Typen von Triebwerken mit 2.000 kN Schub: Zwischen 1.000 und 3.400 kN mehr Nutzlast.

ESA/SNECMA schlugen das MC 1500G vor, wahrscheinlich wegen der geringsten Entwicklungskosten. Ich würde das MC 1700G bevorzugen. Es liegt nahe des Schuboptimums und offeriert mehr Möglichkeiten eine schwerere Oberstufe zu transportieren. Zudem ist der Gewinn an Nutzlast deutlich höher. Jeder der MC 2000 Typen hat irgendwelche Nachteile. Der wohl leistungsstärkste wäre ein Triebwerk mit „staged Combustion“ Prinzip. Dies wurde jedoch bei der Vulcain Entwicklung untersucht und wegen zu hoher Kosten verworfen. Ich kenne auch kein LOX/LH2 Triebwerk mit diesem Prinzip, das preiswert wäre. Wenn dann wäre es sicher eine Option für ein mehrfach verwendbares Raumgefährt, aber nicht für Ariane. (mehr …)

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Auf dem Weg zur Super Ariane Teil 1 – ESA Studien

´Wie angekündigt, nun in mehreren Teilen mein Vorschlag für den Ausbau der Ariane 5 zu einer „Super Ariane“. Ich will in diesem Teil zusammenfassen, was sich die ESA und Industrie an Gedanken gemacht hat für die Leistungssteigerung der Ariane, ohne ein komplett neues Trägersystem zu entwickeln. Am Wochenende wird dann ein Gastblog von Michel Van erscheinen. Ich hoffe das wird eine Dauereinrichtung. Vielleicht klärt mich auch Ruhri in einem Gastblog über die so epochal wichtige Grundlagenforschung an Bord der ISS auf. Ich warte auch noch darauf, dass jemand den Fehler in der Grafik im letzten Blog entdeckt. Ich dachte nicht, dass er so schwer zu finden ist.

Übersicht über die ESA Vorschläge

Im folgenden eine Zusammenfassung verschiedener ESA Untersuchungen, die zusammen mit der Industrie erarbeitet wurden. Die Maxime dabei war die Nutzlast der Ariane 5 zu steigern, ohne die Architektur des Trägers radikal zu verändern, wie dies z.B. mehr Triebwerke, verlängerte Stufen oder mehrere Feststoffbooster bedeuten würden. (mehr …)

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