{"id":14291,"date":"2019-09-16T09:58:27","date_gmt":"2019-09-16T07:58:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=14291"},"modified":"2019-09-16T10:03:52","modified_gmt":"2019-09-16T08:03:52","slug":"treibstoff-weglassen-nuetzlich-oder-nicht","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/09\/16\/treibstoff-weglassen-nuetzlich-oder-nicht\/","title":{"rendered":"Treibstoff weglassen \u2013 nützlich oder nicht?"},"content":{"rendered":"

Eine bei Raketen mit flüssigen Treibstoffen eher seltene Praxis ist das Weglassen von Treibstoff. Bei Feststoffantrieben ist es häufiger vorkommend, um sie an die Masse des Satelliten anzupassen, wenn die Ausgangsbahn fest ist, z.B. bei einem Doppelstart oder dem Aussetzen mit dem Space Shuttle.\"\"\/<\/p>\n

Das man bei einer Rakete mit flüssigem Treibstoff, weglässt wird, kommt selten vor. Ich kenne nur zwei Beispiele. Das eine ist die Ariane 4<\/a>. Nachdem man die erste Stufe verlängert hatte, das sie rund 70 t mehr Treibstoff aufnahm konnte sie bei gleichem Schub der Triebwerke voll betankt gar nicht mehr abheben. Bei den Versionen ohne Booster oder mit nur zwei Boostern wurde daher Treibstoff weggelassen. Die zweite Anwendung gibt es bei den ATV Flügen der Ariane 5. Da das ATV<\/a> über 20 t wiegt, die EPS Stufe aber nur 3 t Schub hat und zudem mittelenergetische Treibstoffe wird sie nur zur Hälfte mit Treibstoff beladen. Die Vulcan könnte, wenn man einer Veröffentlichung für die Startmassen glaubt, auch nur teilbefüllt sein, wenn sie ohne Booster startet.<\/p>\n

Normalfall: Booster benötigt<\/h3>\n

Normal ist bei einer Rakete, die um Booster erweitert wurde, oder schon mit diesen konzipiert wurde, dass sie nicht ohne sie abheben kann. Das ist so bei der H-II, Ariane 5, Delta 2. Bei, der Delta<\/a> kann man diese Entwicklung sogar an Entwicklungsschritten festmachen. Es begann mit der Thor mit 48 t Startmasse, dann folgte die Long Tank Thor mit 70 t Startmasse, die Extended Long Tank Thor mit 84 t Masse und zuletzt die XLT Thor mit 104 t Startmasse. Die erste Version hatte noch drei Booster mit je 4,4 t Masse und die letzte neun mit je 13 t Masse als Startunterstützung.<\/p>\n

Als Extremfall kann man die Ariane 5 ansehen. Eine Ariane 5<\/a> ohne Booster würde mit der maximalen Nutzlast und größten Oberstufe (ESC-B) rund 238 t wiegen, das Vulcain 2 hat aber nicht mal 100 t Bodenschub. Man benötigte drei anstatt einem Triebwerk damit sie ohne Booster abheben kann. Während der Brennzeit der Booster verbraucht sie Treibstoff und wird leichter, aber bei Brennschluss der Booster wurde noch nicht so viel Treibstoff verbraucht, dass die Beschleunigung über 1 g liegt. Die Rakete lebt also davon, dass die Booster eine hohe Vertikalbeschleunigung aufbauen. Wegen derselben Konzeption bei der Ariane 6 resultiert bei nur zwei Boostern daher auch ein deutlicher Nutzlastverlust.<\/p>\n

Warum Weglassen von Treibstoff doch nützlich sein kann<\/h3>\n

Der offensichtlichste Vorteil ist, dass man eine Option mehr hat, natürlich sind Feststoffbooster viel preiswerter als die Zentralstufe mit flüssigen Treibstoffen. Aber wenn man deren Nutzlast gar nicht ausnutzt, hat man eine Möglichkeit Kosten zu sparen. Das betrifft vor allem Raketen, die auf GTO-Bahnen ausgelegt sind aber auch LEO- oder SSO-Nutzlasten starten. So entfiel kein einziger Start der kleinsten Ariane 4, Ariane 40 auf GTO-Starts. Alle sieben Starts gingen in den SSO. Ähnliches gilt für die Atlas V<\/a>. Bisher gab es keinen Start der kleinsten Version, Atlas 401 die auch nur die volle LEO Nutzlast ausnutzte, denn dafür benötigt man die Centaur mit zwei Treibwerken (DEC-Centaur).<\/p>\n

Gibt es mehrere Boostervarianten, so kann man die Zentralstufe ao auslegen, dass sie optimal auf die größte Boosterzahl ausgelegt ist und bei weniger Boostern, mithin auch weniger Schub Treibstoff weglassen.<\/p>\n

Die Brenndauer verlängert sich natürlich durch die Mehrzuladung an Treibstoff. Ein größerer Teil entfällt auf den Betrieb im Vakuum, was die Nutzlast erhöht, da dort der Schub und spezifischer Impuls höher sind.<\/p>\n

Da die Trennung bei einer höheren Geschwindigkeit stattfindet, kann man eine größere Oberstufe mitführen oder bei einer bestehenden Oberstufe mit weniger Schub auskommen, z.B. einem anstatt zwei Triebwerken. Das reduziert die Kosten.<\/p>\n

Der offensichtliche Nachteil<\/h3>\n

\u2026 ist, das man einen Tank hat, der viel größer ist, als eigentlich benötigt. Allerdings ist der Nachteil nicht so riesig. Bei großen Raketen (über 100 t Treibstoff) wiegt ein Tank bei einer mittleren Dichte des Treibstoffs von etwa 1 (so gegeben bei LOX\/Kerosin, aber auch NTO\/Hydrazine) etwa 1\/70-stel des Inhalts. Bei einer LOX-Kerosinrakete wiegt der Tank normalerweise weniger als die Hälfte der Stufe.<\/p>\n

Bei LOX\/LH2 ist das Verhältnis schlechter, denn der Treibstoff hat eine niedrigere Dichte. Trotzdem können sehr große Taks 1\/20 bis 1\/25 des Inhalts wiegen. Bei einer großen LOX\/LH2 Stufe macht der Tank typisch 2<\/sup>\/3<\/sub> bis \u00be des Gewichts aus.<\/p>\n

Das bedeutet \u2013 selbst wenn der Tank doppelt so schwer ist, steigt das Strukturgewicht der Stufe nur um ein Viertel bis die Hälfte an. Das klingt zuerst dramatisch, aber das Strukturgewicht macht ja nur 1\/12 (LOX\/Lh2) bis 1\/20 (LOX\/Kerosin) einer großen Stufe aus und dazu kommt noch das Gewicht der Oberstufe und Nutzlast das ja konstant bleibt.<\/p>\n

Nachgerechnet<\/h3>\n

Ich habe dies einmal mit drei Beispielen nachgerechnet. Ich will sie zuerst vorstellen und erklären:<\/p>\n

Als historische Vorlage habe ich die Delta G\/L gewählt. Zwischen diesen beiden Versionen wurde die Thor durch die längere Version ersetzt. Das erlaubt es eine hypothetische Version zu untersuchen, welche die LTT Thor einsetzt, aber eben nicht voll gefüllt und diese mit der Delta L zu vergleichen.<\/p>\n

Als moderne Beispiele habe ich die Delta 4M und Atlas V 401 gewählt. Anders als bei der historischen Vorlage ist man aber nun frei in der Menge des Treibstoffs, der zugeladen wird. Ich habe drei Fälle untersucht und zwar:<\/p>\n