{"id":15260,"date":"2021-03-30T07:43:21","date_gmt":"2021-03-30T05:43:21","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=15260"},"modified":"2021-03-30T07:43:21","modified_gmt":"2021-03-30T05:43:21","slug":"ein-vorschlag-fuer-die-ariane-7-und-vega-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2021\/03\/30\/ein-vorschlag-fuer-die-ariane-7-und-vega-2\/","title":{"rendered":"Ein Vorschlag für die Ariane 7 und Vega 2"},"content":{"rendered":"

Meine Überlegungen für den Einsatz des Prometheus im derzeitigen Raumfahrtprogramm haben mich angespornt, mit ihm die Nachfolger der Ariane 6 und Vega zu erarbeiten. Die Nummerierung bei der Ariane ist auf den ersten Blick einfach \u2013 jede Version wird hochgezählt. Bei der Vega hat man dagegen das \u201eC\u201c für \u201econsolidated\u201c eingeführt. Doch auch dafür gibt es ein Analogon: Die erste Version der Ariane 5 heiße Ariane 5G, die heutige Ariane 5E. Logisch ist die Vorgehensweise nicht, denn die Änderungen sind größer als beim Übergang Ariane 1 zu 2, wo man nur den Druck in den Brennkammern erhöhte und die dritte Stufe leicht verlängerte. Dafür gab es gleich eine neue Nummer. Beim Übergang von Ariane 5G zu 5E hat man etwas mehr Treibstoff bei den Boostern zugeladen, deutlich mehr bei der Zentralstufe, die auch ein neues Triebwerk bekam und die Oberstufe wurde komplett ausgewechselt. Bei der Vega C sind zwei von vier Stufen neu.\"\"<\/p>\n

Ich habe mir ein großes Ziel gesteckt: In der Ariane 5 und Vega sind derzeit sechs verschiedene Stufen im Einsatz, zwei VEB und zwei Nutzlastverkleidungen. Das will ich auf zwei Stufen, eine VEB und Nutzlastverkleidung reduzieren.<\/p>\n

Die erste Stufe setzt das Prometheus ein. Es hat nur 1.000 kN Schub, daher braucht man mehr als eines. Ich habe zuerst es mal mit zwei Triebwerken probiert, mit der Option, wenn die Nutzlast zu klein ist, ein drites Triebwerk dazu zu nehmen. Doch um es vorweg zu sagen \u2013 zwei Triebwerke reichen aus.<\/p>\n

Wie schwer wird die Stufe? Man muss sich bei der Startmasse an der Vega 2 orientieren, denn bei ihr muss der konstante Schub am meisten Masse in Form von Oberstufe und Nutzlast bewegen. Bei Ariane 7 sind es drei bis fünf dieser Booster, die gleichzeitig zünden und auf die sich das Gewicht dann verteilt.<\/p>\n

Bei 1.000 kN Bodenschub beträgt der Gesamtschub 2.000 kN. Bei einer Startbeschleunigung von 12 m\/s, darf die Rakete also 166,7 t wiegen. Ich habe eine 20 t schwere Oberstufe angesetzt, dazu 5 t für die Nutzlastspitze, das führt zu 141,6 t für die Erststufe, ich habe auf 140 t abgerundet. LOX\/RP1 Stufen erreichen problemlos ein Voll-\/Leermasseverhältnis von 17. Nun benötigt Methan größere Tanks, allerdings ist auch das Mischungsverhältnis ein anderes. Berücksichtigt man beide Faktoren, so kommt man auf ein Voll-\/Leermasseverhältnis von 15,3, wenn eine LOX\/TP Stufe 17 erreicht. Ich habe auf 15 abgerundet und komme so auf 140 t Voll und 9,3 t Leermasse. Angesichts der Masse wäre ein Durchmesser von 3,5 m angemessen.<\/p>\n

Bei der Oberstufe gibt es die Problematik, das Massen der zu ersetzenden Raketen in der erste Stufen um den Faktor 5 differieren können. Eine für die Vega optimale Oberstufe ist für eine Ariane 74 viel zu klein. Ich habe mich in der ersten Iteration für eine 20 t schwere Stufe entschieden. Für eine solche Stufe ist ein Prometheus mit 1.000 kN Schub natürlich viel zu groß. Für die Vega wird das Mira-Triebwerk mit 98 kN Schub, ebenfalls ein LOC\/Methantriebwerk entwickelt. Davon habe ich zwei verwendet \u2013 primär wegen der Vega, weil ich befürchte, dass sonst die Brennzeit zu lang wird. Auch hier habe ich ein Voll-\/Leermasseverhältnis von 15 angesetzt, das Triebwerk ist ja auch um den Faktor 10 schubschwächer, aber noch 500 kg für Avionik und Lageregelung hinzugerechnet.<\/p>\n

Ariane 72 und 74 unterscheiden sich dann noch dadurch, dass beim Start drei bzw. fünf Booster zünden. Um eine Beschleunigungsspitze zu vermeiden, habe ich bei beiden Typen die zentrale Stufe im Schub und bei Ariane 74 läuft die zentrale Stufe mit 50 % Schub und doppelt so langer Brennzeit. Man könnte dann sogar auf ein Triebwerk verzichten. Real würde man mit vollem Schub starten und dann langsam reduzieren das bringt dann noch etwas mehr Nutzlast.<\/p>\n

Die Nutzlast<\/h3>\n

Hier eine Übersicht der Nutzlast unter den Randbedingungen für die typischen Umlaufbahnen zusammen mit den Vorgängern als Vergleich.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Rakete<\/th>\nNutzlast<\/th>\nOrbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Vega C<\/td>\n2.200 kg<\/td>\n700 km sonnensynchron<\/td>\n<\/tr>\n
Vega 2<\/td>\n4.200 kg<\/td>\n700 km sonnensynchron<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 62<\/td>\n5.200 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72<\/td>\n7.600 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n12.000 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74<\/td>\n14.000 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Das sieht doch ganz gut aus. Die Nutzlasten sind höher als bei den existierenden Modellen. Bei der Vega 2 deutlich höher, bi Ariane 7 etwas höher. Da man nicht von zwei auf ein Triebwerk bei der ersten Stufe zurückgehen kann \u2013 dann würde sich die Nutzlast wahrscheinlich halbieren, muss man damit leben.<\/p>\n

Als Zweites habe ich noch untersucht, ob es mit einer größeren zweiten Stufe anders aussieht. Ich habe deren Masse auf 30 t (2,4 t leer) erhöht. Nun startet die Vega 2 etwas langsam, doch das kann man noch ausgleichen, denn ein Prometheus ist auf 110 % Schub steigerbar. Hier dieselbe Tabelle mit einer 30 t schweren Oberstufe:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Rakete<\/th>\nNutzlast<\/th>\nOrbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Vega C<\/td>\n2.200 kg<\/td>\n700 km sonnensynchron<\/td>\n<\/tr>\n
Vega 2<\/td>\n4.200 kg<\/td>\n700 km sonnensynchron<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 62<\/td>\n5.200 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72<\/td>\n8.700 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n12.000 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74<\/td>\n14.600 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Bei der Vega gibt es praktisch keinen Unterschied. Bei Ariane 72 einen sehr deutlichen und bei Ariane 74 einen kleinen Unterschied.<\/p>\n

Als Letztes wäre noch zu klären, ob eine kleinere Oberstufe – diesmal nur 10 t Masse (1,3 t leer) mit nur einem Mira-Triebwerk viel Nutzlast kostet.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Rakete<\/th>\nNutzlast<\/th>\nOrbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Vega C<\/td>\n2.200 kg<\/td>\n700 km sonnensynchron<\/td>\n<\/tr>\n
Vega 2<\/td>\n3.300 kg<\/td>\n700 km sonnensynchron<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 62<\/td>\n5.200 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72<\/td>\n7.300 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n12.000 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74<\/td>\n12.400 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Die Nutzlast fällt nun um bei Vega 2 um 1 t, bei Ariane 74 sogar um 2 t. Nur bei Ariane 72 bliebt sie fast gleich.<\/p>\n

Die letzte Optimierung, die ich durchgespielt habe, war diese Stufe nun Schrittweite größer zu machen, aber nur ein Triebwerk beizubehalten. Das Triebwerk ist, das teuerste bei einer Stufe. Bei der Ariane 6 macht das Triebwerk der Oberstufe 60 % der Stufenkosten aus. Kann man also ein Triebwerk einsparen und erreicht trotzdem in etwa die gleiche Nutzlast so senkt das die Kosten. Diese Iteration habe ich nur an der Vega durchgeführt, da sich bei ihr Masseänderungen der Oberstufe am stärksten auswirken. Hier das Ergebnis:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Rakete<\/th>\nNutzlast<\/th>\nNutzlast<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
10.000 kg<\/td>\n1.300 kg<\/td>\n3.200 kg<\/td>\n<\/tr>\n
15.000 kg<\/td>\n1.500 kg<\/td>\n3.800 kg<\/td>\n<\/tr>\n
20.000 kg<\/td>\n1.800 kg<\/td>\n3.400 \/ 3.900 kg<\/td>\n<\/tr>\n
25.000 kg<\/td>\n2.200 kg<\/td>\n2.700 \/ 3.600 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Eine Stufe von 15 t Masse wäre hier am Optimum mit einer vertretbaren Nutzlasteinbuße von 400 kg, die sich auf 200 kg reduzieren könnte, wenn man die in der Praxis gegebene Einsparung des Gewichts eines Triebwerks berücksichtigt. Allerdings, das zeigen die Kurven, gibt es durch die lange Brennzeit hohe Gravitationsverluste. Da das Mira noch nicht endgültig entwickelt ist, habe ich die beiden schwereren Versionen mit 33 % mehr Schub (132 kN) nochmals durchgerechnet und dies bringt deutlich mehr Nutzlast. Das Mira war ja für eine vergleichsweise kleine Lyra-Oberstufe für die Vega gedacht und müsste nun eine viel größere Stufe antreiben.<\/p>\n

Damit habe ich die endgültige Konfiguration gefunden und berechne noch die Nutzlasten für Ariane 72 und Ariane 74.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Rakete<\/th>\nNutzlast<\/th>\nOrbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Ariane 62<\/td>\n5.200 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72 zwei Triebwerke<\/td>\n8.700 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72 ein Triebwerk<\/td>\n8.400 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n12.000 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74 zwei Triebwerke<\/td>\n14.600 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74 eini Triebwerk<\/td>\n13.700 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Die Nutzlast sinkt nur um 300 bzw. 900 kg gegenüber der optimalsten Möglichkeit. Ich denke daher das die 20 t schwere Stufe mit 132 kN Schub nahe am Kostenoptimum ist.<\/p>\n

Andere Umlaufbahnen<\/p>\n

Da die Stufe leer nur 1,8 t wiegt \u2013 gegenüber etwa 7 t bei der UPLM der Ariane 6 ist zu erwarten, dass dieser Effekt größer ist als der schlechtere spezifische Impuls und bei Ariane 7 bei Fluchtbahnen die Nutzlast höher ist. Bei niedrigen Umlaufbahnen ist sie geringer, aber da wird es weniger Starts geben. Bei der Vega ist der Vergleich schwerer, denn dort sind vier Stufen im Einsatz und das AVUM hat mit 700 kg eine viel kleinere Leermasse.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Rakete<\/th>\nNutzlast<\/th>\nOrbit<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Ariane 62<\/td>\n2.600 kg<\/td>\nFluchtbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 62<\/td>\n2.800 kg<\/td>\nMarsbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72 ein Triebwerk<\/td>\n5.200 kg<\/td>\nFluchtbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72 ein Triebwerk<\/td>\n5.300 kg<\/td>\nMarsbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n8.000 kg<\/td>\nFluchtbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n7.600 kg<\/td>\nMarsbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74 zwei Triebwerke<\/td>\n9.500 kg<\/td>\nFluchtbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74 ein Triebwerk<\/td>\n9.200 kg<\/td>\nMarsbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Vega C<\/td>\n400 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Vega C<\/td>\nkeine<\/td>\nFluchtbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Vega C<\/td>\nkeine<\/td>\nMarsbahn<\/td>\n<\/tr>\n
Vega 2<\/td>\n1.700 kg<\/td>\nGTO<\/td>\n<\/tr>\n
Vega 2<\/td>\n700 kg<\/td>\nFluchtbahn<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Auch hier sind die Nutzlasten höher. Für die ESA von Bedeutung wäre das eine Ariane 72 etwa 4,7 t, das entspricht dem Gewicht von 7 Galileo Satelliten in einen Galileo Orbit transportieren kann. Die Vega erreicht, wenngleich mit kleiner Nutzlast auch höhere Geschwindigkeiten.<\/p>\n

Kostenabschätzungen<\/h3>\n

Kostenabschätzungen für eine nicht existierende Rakete sind schwer. Doch ich denke die Lösung wird deutlich billiger als die bestehenden Träger. Ich habe mich zuerst mal an die Kosten für den Booster gemacht. Bei herkömmlichen Raketen rechnet man mit 2<\/sup>\/3<\/sub> der Kosten für den Antrieb. Nun ist das Entwurfsziel für Prometheus 1 Million Euro pro Triebwerk. Das würde dann auf 3 Millionen für den ganzen Booster hinlaufen. Nun kann es sein, das dieses Ziel nicht erreicht wird, und das Verhältnis gilt natürlich nur für teuere Triebwerke. Ich denke es ist aber denkbar das der Booster nicht teuerer ist als derzeit ein P120C, also 15 Millionen Euro pro Stück, was dann einem Stückpreis von 5 Millionen Euro pro Prometheus entsprechen würde.<\/p>\n

Die Oberstufe ist meistens erheblich teuerer als die erste Stufe \u2013 zumindest was das Gewicht angeht, ich habe sie auf 50 % des Preises des Boosters geschätzt, das sind dann 8 Millionen Euro.<\/p>\n

Es bleiben noch Avionik und Nutzlastverkleidung. Die sind bei Ariane recht teuer und liegen bei 12,4 Millionen Euro. Doch bei der Vega muss sie deutlich preiswerter sein, sonst käme man nicht auf den Herstellungspreis von 25 Millionen Euro. Ich habe trotzdem hier 12 Millionen Euro angesetzt. Damit kommt man im ersten Schritt auf die folgenden Startkosten:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Träger<\/th>\nStartkosten<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Vega C<\/td>\n32 Mill. Euro<\/td>\n<\/tr>\n
Vega 2<\/td>\n35 Mill. Euro<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 62<\/td>\n90 Mill. Euro<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 72<\/td>\n65 Mill. Euro<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 64<\/td>\n120 Mill. Euro<\/td>\n<\/tr>\n
Ariane 74<\/td>\n95 Mill. Euro<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Je größer der Träger wird, desto eher unterbietet er das erstehende Vorbild. Dabei ist zu berücksichtigen, das die Nutzlast ja auch größer ist, sodass selbst der leicht höhere Preis bei der Vega 2 nicht schlimm ist.<\/p>\n

Das ist aber nur ein Aspekt. Ein zweiter Aspekt ist die Stückzahl. Bei drei Vega und sechs Ariane 64 Starts pro Jahr \u2013 Prognose aus den Erfahrungen in den letzten Jahren \u2013 fertigt Europa pro Jahr folgende Stufen:<\/p>\n