{"id":15477,"date":"2021-08-17T08:02:58","date_gmt":"2021-08-17T06:02:58","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=15477"},"modified":"2022-02-13T17:01:58","modified_gmt":"2022-02-13T16:01:58","slug":"eine-echte-kryogene-kickstufe-fuer-die-ariane-6","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2021\/08\/17\/eine-echte-kryogene-kickstufe-fuer-die-ariane-6\/","title":{"rendered":"Eine echte, kryogene, Kickstufe für die Ariane 6"},"content":{"rendered":"
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Nachdem Airbus Industries, der Hersteller der Ariane 6, an einer Kickstufe für die Ariane 6 mit lagerfähigen Treibstoffen arbeitet, will ich mal einen Konkurrenzvorschlag machen. Er basiert auf dem HM-7B Triebwerk, das in der Oberstufe ESC-A eingesetzt wird, und im Prinzip seit der Ariane 1 weitestgehend unverändert eingesetzt wird.<\/p>\n

Damit diese Stufe möglichst kompakt bleibt und so viel Platz für die Nutzlast lässt bzw. auch bei Doppelstarts eingesetzt werden kann, setze ich Kugeltanks ein. Sie haben die halbe Tankwanddicke eines vergleichbaren zylindrischen Tanks. Das spart Gewicht ein. Die erste Aufgabe ist es also, die Größe dieser Tanks zu bestimmen.
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\nAriane 5 hat eine Nutzlastverkleidung von 5,4 m Durchmesser eine etwa gleich große wird auch bei Ariane 6 eingesetzt werden. Jeweils 40 cm freier Raum rund um die Stufe müssen bleiben, da Die Hülle wie auch die Nutzlast durch die Vibrationen schwingen. Das lässt einen maximalen Durchmesser einer Oberstufe von 4,6 m zu. Ich setzte für die Rechnung 4,5 m an, weil ich vom Innendurchmesser der Tanks ausgehe. Dazu käme aber noch die Tankwand mit Isolation und Befestigungspunkte. Das HM-7B hat einen maximalen Durchmesser von 99 cm, der wird aber nur bei der Düse unten erreicht, ich bin trotzdem von einem Raum von 1 m in der Mitte für das Triebwerk ausgegangen. Er ist nicht nutzbar, da die Tanks das Triebwerk umgeben, nicht auf ihm sitzen. Weitere 51 cm sollen für den Triebwerksrahmen und Raum zum Schwenken bleiben. Dann bleiben 3 m Durchmesser für die Tanks.<\/p>\n

Ordnet man vier Tanks in Form eines Kleeblatts an, so kann jeder maximal 1,5 m Durchmesser haben. Da Sauerstoff- und Wasserstofftanks nicht nur unterschiedlichen Durchmesser haben, sondern auch unterschiedlich schwer im gefüllten Zustand sind, ist die einzige symmetrische Konfiguration die, bei der die größeren Wasserstofftanks diagonal gegenüberliegen. Entsprechendes gilt dann auch für die Sauerstofftanks. Ein Tank mit 1,5 m Durchmesser hat ein Innenvolumen von 1,767 m\u00b3, ich rechne mit 1,7 m\u00b3, da die Tanks nie ganz vollgefüllt sind. Es wird Druckgas benötigt für die Treibstoffförderung und das nimmt auch Volumen ein. 1,7 m\u00b3 flüssiger Wasserstoff wiegen bei einer Dichte von 0,068 kg pro Liter 115,6 kg, in zwei Tanks sind also 231 kg Wasserstoff. Das Triebwerk arbeitet mit einem Mischungsverhältnis von 5,2 Teilen Sauerstoff zu 1 Teil Wssserstoff, das bedeutet, dass man 1.202 kg Sauerstoff mitführt (Durchmesser deren Tanks beträge dann 1,01 m). Mit zusammen 1.431 kg Treibstoff ist das aber für eine Kickstufe etwas wenig Treibstoff. Daher benötigt man einen zweiten Ring von Tanks, den man dann um 90 Grad gedreht anbringen kann, so liegen die Wasserstofftanks des oberen Rings über den Sauerstofftanks des unteren Rings und die Stufe hat nur eine maximale Höhe von 2,51 m (Höhe des Triebwerks alleine: 2 m).<\/p>\n

Die Tanks werden am Äquator miteinander verbunden und vom unteren Ring geht dann von dessen Äquator ein Gitterrohrgerüst zum Abschluss der Oberstufe. Das ist insgesamt eine leichtgewichtige Konstruktion. Oben ist der Adapter für einen Satelliten, nach internationalen Normen typisch von 2,624 m Durchmesser.<\/p>\n

Doch wie viel wiegen die Tanks? Wenn deren Trockenmasse so ungünstig wie bei der Oberstufe der Ariane 6 ist, dann lohnt es sich nicht. Ich gehe davon aus, dass die Belastungen vergleichbar dem bei der Ariane 5 sind, und habe den LOX-Tank der Ariane 5 ausgemessen. Er hat durch seine annähernd kugelförmige Gestalt die höchste Ähnlichkeit zu diesen Tanks. Er hat eine Durchmesser von 2,60 m. Der Zylinder ist 1,13 m hoch und die Kugelschalen als Abschluss sind 0,74 m hoch. Die Fläche des Zylindermantels habe ich zweimal genommen, da die Belastungen nach der Kesselformel doppelt so hoch sind wie bei einem Kugelschnitt. Die Oberfläche beträgt dann 43,13 m\u00b2. Ich errechne bei einer bekannten Masse von 220 kg des ESC-A Sauerstofftanks eine Dichte der Tankwand von 5,09 kg\/m\u00b2, das entspricht ungefähr 2 mm Alumnium. Ich rechne mit 5,1 kg\/m\u00b2. Dann wiegt jeder Wasserstofftank 47 kg, die Sauerstofftanks dann jeweils 19 kg, alle Tanks zusammen also 264 kg. In der Praxis wären sie leichter, da die Wanddicke von dem Durchmesser abhängig ist und hier sind die Tanks kleiner als der 2,6 m große Sauerstofftank der ESC-A sind. Dazu käme das Triebwerk, der Triebwerksrahmen, Gitterrohradapter und Korrekturtriebwerke. Hier habe ich die Masse der Konstruktion auf Basis der EPS Oberstufe mit Ausnahme des Triebwerks und der Tanks abgeschätzt, und komme so auf 370 kg. Zuletzt braucht man noch eine Heliumdruckgasflasche, hier habe ich die Heliumflasche der EPC Zentralstufe der Ariane 5 herunter skaliert für einen Druck von 1,6 Bar bei leeren Tanks, das sind weitere 20 kg. So hat man folgende Massenbilanz:<\/p>\n