{"id":14444,"date":"2019-12-05T08:29:58","date_gmt":"2019-12-05T07:29:58","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=14444"},"modified":"2019-12-05T08:29:58","modified_gmt":"2019-12-05T07:29:58","slug":"vega-varianten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/12\/05\/vega-varianten\/","title":{"rendered":"Vega Varianten"},"content":{"rendered":"<p>Bedingt durch den Fehlstart der Vega in diesem Sommer wird sich der Jungfernflug der neuen Version Vega C wohl noch etwas verz&ouml;gern. Die Vega C setzt eine neue erste und zweite Stufe ein. Die erste Stufe wird auch bei der Ariane 6 als Booster eingesetzt und 142 anstatt 88 t Treibstoff. Die Zweite, Zefiro 40 36 anstatt 24 Treibstoff. Die Vega C wird 2.250 kg in einen 500 km hohen sonnensynchronen Orbit bef&ouml;rdern.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/a6c0d9825a7248d2ae79945d783a9373\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><!--more--><\/p>\n<p>Die Vega soll weiter entwickelt werden. Die italienische Raumfahrtagentur ASI plant schon seit 2012 eine Oberstufe mit der Kombination Methan \/ LOX, die die letzte Feststoffoberstufe und das AVUM ersetzen soll. Ich halte nichts davon. Zum einen ist das eine typische Art wie Raumfahrtagenturen Dinge handhaben \u2013 es muss dauernd etwas neues entwickelt werden anstatt das man eine unkomplizierte L&ouml;sung findet. Dazu geh&ouml;rt auch der bei der Ministeratskonferenz beschlossene \u201e<a href=\"https:\/\/www.esa.int\/Enabling_Support\/Space_Transportation\/Space_Rider\">Space Rider<\/a>\u201c, ein Analogon zum X-37B. Das der Transport und R&uuml;ckf&uuml;hrung von Nutzlasten in den Orbit nicht kommerziell sinnvoll ist, bewies schon das Space Shuttle, bei dem es zu gerade mal zwei Eins&auml;tzen kam \u2013 LDEF und Eureca. Dabei waren diese noch subventioniert. Das das US-Milit&auml;r das X-37B einsetzt beweist auch nicht das Gegenteil. Denn zum einen wei&szlig; man nicht was das Vehikel eigentlich tut und zum anderen hat das Milit&auml;r gen&uuml;gend Geld um es in v&ouml;llig bescheuerte Projekte zu stecken, ich sage nur: SDI. Zum Zweiten sehe ich wenig Performancegewinn in der neuen Oberstufe, verglichen f&uuml;r den Aufwand, denn bedingt durch die unteren Stufen wird die Oberstufe kr&auml;ftig durchger&uuml;ttelt, was deren Trockenmasse deutlich erh&ouml;hen d&uuml;rfte. Ich will hier mal meine Alternativen aufzeigen, die einfacher und ich denke auch billiger sind.<\/p>\n<p>Zuerst aber noch eine Bemerkung zur Vega C. Urspr&uuml;nglich war nur eine neue erste Stufe geplant, erst sp&auml;ter kam der Zefiro 40 hinzu. Warum ist mir ein R&auml;tsel, denn ich habe beide Varianten modelliert: Die neue Stufe liefert nicht mehr Nutzlast. Meine Simulation ist etwas vereinfachend, liefert aber bis auf wenige Prozent die genaue Nutzlast. Bei der Vega z. B. 141 kg mehr bei 2.000 kg Gesamtmasse im Orbit. Diesen Fehler von 6,5 % habe ich im folgenden Angaben abgezogen. F&uuml;r die Vega C mit dem alten Antrieb (Zefiro 23) errechne ich 2.200 kg in den Orbit, die Angabe mit Zefiro 40 von Arianespace ist 2.250 kg und ich errechne (mit den Freiflugphasen des Users Manuals) sogar nur 2.100 kg.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Booster<\/h3>\n<p>Die naheliegendste L&ouml;sung ist es die zweite und dritte Stufe als Booster zu nehmen. Geometrisch w&auml;ren viele Konfigurationen m&ouml;glich, da bis zu sechs Booster an die erste Stufe passen, und man dann die Stufen noch mischen kann. Ich habe mich nur auf vier beschr&auml;nkt:<\/p>\n<ul>\n<li>zwei Booster Zefiro 9A (derzeit dritte Stufe)<\/li>\n<li>vier Booster Zefiro 9A (derzeit dritte Stufe)<\/li>\n<li>zwei Booster Zefiro 40 (neue zweite Stufe)<\/li>\n<li>vier Booster Zefiro 40 (neue zweite Stufe)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Mehr als vier Booster sind m&ouml;glich, dann m&uuml;sste man aber mehr am Stratum machen. Dann w&uuml;rde n&auml;mlich ein Booster zwischen Startturm und Vega stehen, das hei&szlig;t, die Rakete m&uuml;sste man weiter weg r&uuml;cken. Booster haben den Vorteil, das sie sonst an der Konstruktion der Rakete nichts &auml;ndern. Die Vega wird am Startplatz zusammengebaut, da gibt es in einem heranfahrbaren Montaggeb&auml;ude definierte Zugangsebenen, die nat&uuml;rlich auf H&ouml;he der Stufen sind. Booster w&uuml;rde man gleich am Anfang unten anbringen und sie ben&ouml;tigen keine &Auml;nderungen an der Konstruktion. Ein Risiko ist noch das der Nabelschnurmast beim Start durch die Flammen besch&auml;digt wird. Doch auch dies kann man l&ouml;sen. Bei <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/ariane23.shtml\">Ariane 3<\/a> wurden die Booster erst gez&uuml;ndet, wenn die Rakete schon abgehoben hatte und den Turm passiert hatte. Bis auf die Konfiguration mit vier Z40 Boostern hat die Vega aber gen&uuml;gend Schub, um auch ohne gez&uuml;ndete Booster abzuheben.<\/p>\n<p>Ein weiterer Vorteil ist, dass beide Boostertypen k&uuml;rzer brennen als die Erststufe (92,9 und 119,6 s zu 135,7 s). Sie werden daher vor deren Brennschluss abgeworfen und erzeugen so keine Beschleunigungsspitze. Sie liegt bei 52,3 m\/s im ung&uuml;nstigsten Fall, die Vega C kommt auf 58,4 m\/s und die Vega sogar auf 91,3 m\/s. Bei den beiden letzten Typen jeweils bei Brennschluss der dritten Stufe. Diese Beschleunigungsspitze am Schluss sinkt, da die Nutzlast immer schwerer wird. Bei den Boostern kann bei vier Z40 Boostern die Beschleunigungsspitze dagegen bei deren Brennschluss auftreten.<\/p>\n<p>Hier die Nutzlasten:<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"4\">\n<colgroup>\n<col width=\"128*\" \/>\n<col width=\"128*\" \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr>\n<th colspan=\"2\" valign=\"TOP\" width=\"100%\">Nutzlast f&uuml;r einen 700 km 86,5 \u00b0 SSO Orbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Rakete<\/td>\n<td width=\"50%\">Nutzlast [kg]<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega<\/td>\n<td width=\"50%\">1.500 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C<\/td>\n<td width=\"50%\">2.200 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C + zwei Z9A<\/td>\n<td width=\"50%\">2.900 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C + vier Z9A<\/td>\n<td width=\"50%\">3.300 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C + zwei Z40<\/td>\n<td width=\"50%\">4.100 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C + vier Z40<\/td>\n<td width=\"50%\">5.300 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Man sieht: schon zwei Booster bringen viel, vier im Verh&auml;ltnis dazu nicht viel mehr. Ein produktionstechnischer Vorteil w&auml;re, dass so mehr dieser Stufen gefertigt werden, und damit sinkt der Preis pro Stufe \u2013 auch bei der normalen Vega. So soll es ja auch bei der neuen ersten Stufe sein: obwohl sie wesentlich gr&ouml;&szlig;er als die Alte ist wird sie gleich viel kosten, weil sie auch bei der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/ariane6.shtml\">Ariane 6<\/a> eingesetzt wird und man so auf eine h&ouml;here St&uuml;ckzahl kommt.<\/p>\n<p>Mit den Boostern h&auml;tte man nicht nur die M&ouml;glichkeit die Vega f&uuml;r schwerere Nutzlasten zu nutzen, sie k&ouml;nnte auch die Sojus f&uuml;r erdnahe Missionen ersetzen. Die Sojus hat eine Nutzlast von rund 4.400 kg in diese Bahn. Die Version mit zwei Z40 Boostern k&ouml;nnte auch 2 t in einen GTO transportieren.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Stufen verdoppeln<\/h3>\n<p>Eine zweite M&ouml;glichkeit, die bei schubstarken Feststoffraketen besteht, ist es, die Stufen doppelt einzusetzen. Dies wurde bei der Athena II\/III und Start\/Start-1 angewandt. Das geht, weil Feststoffstufen kurze Brennzeiten und hohen Schub haben. Die Zefiro 40 liefert einen Schub von maximal 1304 kN, bei einer Masse von unter 60 t f&uuml;r die Restrakete und bei der Zefiro 9A sind es 317 kN bei etwa 15 t Restmasse.<\/p>\n<p>Man setzt dann die zweite bzw. dritte Stufe doppelt ein, die Rakete verl&auml;ngert sich entsprechend. Als Vorteil kann durch die l&auml;ngere Brennzeit der Gesamtrakete, die bei der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/vega-rakete.shtml\">Vega<\/a> n&ouml;tige Freiflugphase entfallen, diese kostet Nutzlast ist aber unabdingbar, wenn das AVUM in einer stabilen H&ouml;he z&uuml;nden soll. Als Nachteil ginge das nicht ohne &Auml;nderungen an dem Startturm, der entsprechend verl&auml;ngert werden m&uuml;sste. Hier die Nutzlasten:<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"4\">\n<colgroup>\n<col width=\"128*\" \/>\n<col width=\"128*\" \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr>\n<th colspan=\"2\" valign=\"TOP\" width=\"100%\">Nutzlast f&uuml;r einen 700 km 86,5 \u00b0 SSO Orbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Rakete<\/td>\n<td width=\"50%\">Nutzlast [kg]<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega<\/td>\n<td width=\"50%\">1.500 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C<\/td>\n<td width=\"50%\">2.200 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C + zweiter Z9A<\/td>\n<td width=\"50%\">2.850 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C + zweiter Z40<\/td>\n<td width=\"50%\">2.350 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Wie schon beim Ersetzen des Z23 durch den Z40 sieht man, dass der Zefiro 40 wenig mehr bringt. Im Verh&auml;ltnis Voll-\/Leermasse war der Zefiro 23 einfach g&uuml;nstiger. Ein zweiter Zefiro 9A steigert aber die Nutzlast um rund 600 kg, das sind etwa 30 % mehr, und obwohl man nur eine Stufe mehr braucht, ist das g&uuml;nstiger als zwei Zefiro 9A als Booster anzubauen, die fast die gleiche Nutzlast erbringen<\/p>\n<h3 class=\"western\">Mini Vega<\/h3>\n<p>Angedacht war mal eine Mini Vega, das war eine Vega ohne erste Stufe. Man h&auml;tte aber das AVUM umkonstruieren m&uuml;ssen, denn bei der Standard-Vega w&auml;re es mit 500 kg Trockenmasse viel zu schwer, wenn die Nutzlast absinkt. Ohne erste Stufe f&auml;llt etwa zwei Drittel der Masse weg entsprechend sinkt die Gesamtmass in einen Orbit die bei der Vega bei 2000 kg lag auf 600 bis 700 kg ab, und wenn man dann noch 500 kg f&uuml;r das AVUM abzieht, bleibt praktisch nichts mehr &uuml;brig.<\/p>\n<p>Nimmt man das Stufenverdoppeln aber als Basis, so kann man folgende zwei Raketen konstruieren:<\/p>\n<p>Z40 \u2013 Z40 \u2013 Z10 \u2013 AVUM<\/p>\n<p>Z40 \u2013 Z10 \u2013 Z10 \u2013 AVUM<\/p>\n<p>Ich habe diesmal das leichtere AVUM der Vega genommen (das der Vega C wiegt 200 kg mehr, da auch gr&ouml;&szlig;ere Treibstofftanks verbaut sind). Reizvoll an der ersten Variante ist, das bis auf die unterste Stufe alles stimmt, auch von den Bauh&ouml;hen her. Man m&uuml;sste also nur ein Podest bauen, das die H&ouml;hendifferenz zwilchen P120C und Z40 (5,1 m) &uuml;berbr&uuml;ckt. So was setzte die NASA ein, als sie die <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/saturn1b.shtml\">Saturn IB<\/a> von den Startrampen der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/saturn1b.shtml\">Saturn V<\/a> aus startete. Bei der zweiten Variante sind mehr &Auml;nderungen n&ouml;tig, weil hier eine Z40 durch eine 4 m k&uuml;rzere Z10 ersetzt wird.<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"4\">\n<colgroup>\n<col width=\"128*\" \/>\n<col width=\"128*\" \/> <\/colgroup>\n<thead>\n<tr>\n<th colspan=\"2\" valign=\"TOP\" width=\"100%\">Nutzlast f&uuml;r einen 700 km 86,5 \u00b0 SSO Orbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Rakete<\/td>\n<td width=\"50%\">Nutzlast [kg]<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega<\/td>\n<td width=\"50%\">1.500 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Vega C<\/td>\n<td width=\"50%\">2.200 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Mini Vega C (Z40-Z40-Z10-AVUM)<\/td>\n<td width=\"50%\">200 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"TOP\">\n<td width=\"50%\">Mini Vega C (Z40-Z10-Z10-AVUM)<\/td>\n<td width=\"50%\">180 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Die Nutzlast ist minimal, was schlicht und einfach daran liegt, dass das AVUM trocken 494 kg wiegt. W&uuml;rde man die Trockenmasse um 200 kg senken, so w&uuml;rde die Nutzlast um 200 kg ansteigen. Etwas g&uuml;nstiger sieht es aus, wenn es keine sonnensynchrone Bahn ist und sie etwas tiefer liegt, f&uuml;r 400 km H&ouml;he, ausreichend f&uuml;r viele Kleinsatelliten und eine &auml;quatoriale Bahn errechne ich 420 kg (zwei Z10) und 700 kg (zwei Z40) \u2013 immer noch ein deutlicher Verlust gegen&uuml;ber der Vega C\/E, die bei dieser Bahn auf deutlich &uuml;ber 3 t kommen m&uuml;sste, aber wenn die Nutzlast klein genug ist, vielleicht eine Alternative. Allerdings gibt es f&uuml;r so leichte Nutzlasten schon gen&uuml;gend Tr&auml;ger auf dem Markt und die d&uuml;rften g&uuml;nstiger sein. Eine Mini-Vega macht meiner Meinung nach eher sinn, wenn man eine weitere, feste Oberstufe von 1-2 t Masse einf&uuml;hrt )z.B. Star 37 oder Star 48) und diese nach dem AVUM z&uuml;ndet, das hei&szlig;t das AVUM justiert die Bahn so, das die gew&uuml;nschte Zielbahn mit dem fest stehenden Impuls der Oberstufe erreicht wird. Dass die letzte Stufe ungeregelt ist, ist nichts Neues, bei kleinen Raketen geht es nicht anders, sonst ist die Nutzlast praktisch gleich Null. Die Scout und Diamant arbeiteten so, heute tut es die Epsilon. Dann w&uuml;rde man das AVUM in die dritte Stufe (Z-9A) integrieren und das Triebwerk mit Treibstoffvorr&auml;ten einsparen. Ich denke das spart auch noch 100 bis 150 kg Gewicht ein. Die sowieso im AVUM vorhandenen kleinen Triebwerke, die bei der Vega die Rollachsenregelung und Dreiachsenregelung durchf&uuml;hren, reichen f&uuml;r kleine Nachjustagen der Bahn v&ouml;llig aus und diese haben auch einen eigenen Treibstoffvorrat.<\/p>\n<p>Was leider nicht klappt, ist es, die Treibstoffvorr&auml;te des AVUM zu vergr&ouml;&szlig;ern. Das sieht auf den ersten Blick wie eine L&ouml;sung aus, doch das AVUM ist viel zu schubschwach. Bei der normalen Vega wird es bei fast Orbitalgeschwindigkeit (es fehlen nur 200 m\/s) abgetrennt und die kann es leicht aufbringen, danach ist der Schub weitestgehend bedeutungslos. Hier muss es aber &uuml;ber 1 km\/s aufbringen und w&auml;hrend der langen Brennzeit f&auml;llt die Nutzlast, die vorher von den beiden anderen Stufen auf eine suborbitale Bahn mit einem hohen Apog&auml;um gebracht werden, muss.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Bedingt durch den Fehlstart der Vega in diesem Sommer wird sich der Jungfernflug der neuen Version Vega C wohl noch etwas verz&ouml;gern. Die Vega C setzt eine neue erste und zweite Stufe ein. Die erste Stufe wird auch bei der Ariane 6 als Booster eingesetzt und 142 anstatt 88 t Treibstoff. 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