{"id":2274,"date":"2010-02-11T10:46:54","date_gmt":"2010-02-11T09:46:54","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=2274"},"modified":"2010-02-11T10:47:06","modified_gmt":"2010-02-11T09:47:06","slug":"wozu-feststoffbooster","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2010\/02\/11\/wozu-feststoffbooster\/","title":{"rendered":"Wozu Feststoffbooster?"},"content":{"rendered":"<p>Heute mal wieder ein bisschen Raumfahrtgrundlagenwissen. Wozu verwendet man Feststoffbooster? Die Allgemeine Antwort ist: Sie sind viel billigere erste Stufen als Antriebe mit fl&uuml;ssigen Treibstoffen und die Rakete wird deswegen billiger. Das ist richtig, aber wie immer nicht automatisch immer g&uuml;ltig. Als erstes: Feststoffantriebe sind nicht automatisch billiger. Die IUS Oberstufe kostete schon in den 80 er Jahren rund 30 Millionen Dollar pro Exemplar, genauso viel wie damals eine Centaur Oberstufe. Die USRM der Titan 4B lie&szlig;en der Preis auf fast das doppelte ansteigen und auch die Shuttle SRM kosten so viel wie eine Ariane 5 komplett. Auch reine Feststoffraketen wie die Pegasus oder Taurus sind nicht gerade preiswert.<\/p>\n<p>Technisch gesehen spricht vieles gegen die Feststoffantriebe: Das Voll\/Leermasseverh&auml;ltnis ist bei vielen Typen schlechter als bei fl&uuml;ssigen Treibstoffen, die spezifischen Impuls sind schlechter als bei den meisten fl&uuml;ssigen Treibstoffen. Zumindest das erstere ist heute nicht unbedingt gegeben &#8211; siehe Vega. Das gro&szlig;e Feststoffbooster so popul&auml;r ist hat einen anderen Grund: Sie erlauben es die Zentralstufe viel preiswerter zu fertigen. Dazu ein konkretes Beispiel: Ariane 5<!--more--><\/p>\n<p>Die Ariane 5 wiegt ohne Booster rund 220 t. Ihr Haupttriebwerk hat auf Meeresh&ouml;he einen Schub von 960 kN und kostete in der Vulcain 1 Version 15 Millionen Euro. Davon hat die Ariane 5 ein Triebwerk. Doch ohne Booster k&ouml;nnte sie damit nicht abheben. Der Schub entspricht 96 t, bei 220 t Gewicht ben&ouml;tigt man also drei St&uuml;ck davon &#8211; zack w&auml;re die Rakete um 30 Millionen Euro teurer.<\/p>\n<p>Die Feststoffbooster haben zwei positive Effekte:<\/p>\n<ul>\n<li>Sie liefern den Schub beim Start und bauen schnell eine hohe Beschleunigung auf. Dadurch passiert die Rakete schnell die Atmosph&auml;re und gewinnt rasch an H&ouml;he &#8211; neben der Bahngeschwindigkeit (horizontale Komponente) muss die Rakete auch so viel Geschwindigkeit in der Vertikalen aufbauen, dass sie in der H&ouml;he mindestens den Orbit erreicht.<\/li>\n<li>Das Haupttriebwerk muss solange die Booster arbeiten nicht viel zum Schub beitragen. Das ist erst n&ouml;tig, wenn die Booster abgetrennt werden. Solange verbraucht die Stufe aber schon Treibstoff und wird leichter. der Schub des Haupttriebwerks kann dadurch geringer sein als n&ouml;tig w&auml;re. Bei Ariane 5 ist dies extrem: Der Schub betr&auml;gt gerade einmal ein Drittel des n&ouml;tigen. Nach Abtrennung der Booster wurden schon 43 t Treibstoff verbrannt und der Schub ist im Vakuum ebenfalls um ein drittel h&ouml;her. Trotzdem geht bei Ariane 5 die Beschleunigung auf 7,6 m\/s? herunter. Sie lebt tats&auml;chlich noch weitere 130 s vom Schub der Booster.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Die derzeitige Ariane 5 w&uuml;rde in dieser Konstruktion ohne Booster nur noch 1.700 kg in den GTO Orbit bef&ouml;rdern &#8211; allerdings nur die derzeitige Ariane 5. Denn nun kommen wir zu den Nachteilen von Feststofftriebwerken.<\/p>\n<ul>\n<li>der wichtigste ist: Feststofftriebwerke induzieren sehr starke, niedrig frequente Schwingungen die das Treibstoffschwappen forcieren. Das ist um so &auml;rgerlicher weil der Effekt besonders stark ist wenn die Tanks recht gro&szlig; sind &#8211; also just gerade bei der Kombination Wasserstoff\/Sauerstoff. Das wirkt sich auch auf die Ariane 5 auf. Bei der ESC-A Oberstufe ist das recht deutlich zu sehen. Selbst wenn der Stufenadapter abgezogen wird weist die Stufe noch eine Trockenmasse von 3.300 kg auf. die H10, aus der die Stufe entstand hatte bei einem Drittel weniger Treibstoff noch eine Trockenmasse von 1.360 kg. Verglichen mit der H10 ist die stufe also doppelt so schwer, der gr&ouml;&szlig;te Teil davon entf&auml;llt auf den Wasserstofftank der &uuml;ber 2 t wiegt.<\/li>\n<li>Zudem kostet die &#8222;Untermotorisierung&#8220; auch etwas: Die Geschwindigkeit die erreicht werden muss ist wegen des starken R&uuml;ckgang des Schubs h&ouml;her. Ariane 4 ben&ouml;tigte f&uuml;r eine GTO Bahn noch eine Geschwindigkeit von 11.700 m\/s. Ariane 5 dagegen eine von 12.600 m\/s.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Bei der Ares I erwog die NASA ein aktives Vibrationsd&auml;mpfungssystem in den Stufenadapter einzubauen um den Effekt zu minimieren. Bei einer Rakete ohne Booster w&auml;re dies nicht n&ouml;tig. Eine Ariane 5 mit einer H10 Oberstufe und einer leichteren VEB (auch diese muss verst&auml;rkt sein) mit den Verlusten der Ariane 4 w&uuml;rde so etwa 5.300 kg Nutzlast in den GTO Orbit transportieren.<\/p>\n<p>Das sind aber trotzdem nur 55 % der Ariane 5 Nutzlast bei mindestens 30 Millionen Euro mehr f&uuml;r zwei Vulcain 2 Triebwerke. Solange die beiden Feststofftriebwerke also nicht extrem teuer sind bleibt ein echtes Netto-Plus<\/p>\n<p>Trotzdem meine ich dass man sich bei der ESC-A nicht damit abfinden muss. Die Zentralstufe weist schlie&szlig;lich auch nicht dieses hohe Leergewicht auf und es gibt auch Beispiele auf anderen Tr&auml;gern wie die Centaur auf der Titan, bei der dieser Effekt nicht so ausgepr&auml;gt ist.<\/p>\n<p>Zum einen ist nat&uuml;rlich die Zentralstufe neben den Boostern angebracht, die Oberstufe dar&uuml;ber, die Position ist ung&uuml;nstiger. Vor allem ist das Vibrieren um so st&auml;rker je geringer das Verh&auml;ltnis von H&ouml;he und Breite einer Stufe ist. (Balancieren sie mal mit einem gef&uuml;llten Teller und einem gef&uuml;llten Glas, dann verstehen sie den Effekt). Eine nicht so kompakte Stufe sieht also besser aus. So gesehen sollte man eigentlich f&uuml;r eine noch gr&ouml;&szlig;ere Oberstufe bei der Ariane 5 pl&auml;dieren.<\/p>\n<p>Bei der ESC-A wird dem Effekt begegnet indem die Stufe sehr steif gebaut wird und das kostet Gewicht. Nun gibt es aber auch noch die M&ouml;glichkeit der Druckstabilisierung, wie der Vergleich von ESC-A und der Centaur-G auf der Titan zeigt:<\/p>\n<table>\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>ESC-A<\/th>\n<th>Centaur G<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Startgewicht:<\/td>\n<td>17.900 kg<\/td>\n<td>23.923 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff:<\/td>\n<td>14.900 kg<\/td>\n<td>21.148 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Schub:<\/td>\n<td>65 kN<\/td>\n<td>146 kN<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Trockengewicht:<\/td>\n<td>3.300 kg<\/td>\n<td>2.775 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>L&auml;nge<\/td>\n<td>4,57 m<\/td>\n<td>8,94 m<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Durchmesser:<\/td>\n<td>5,40 m<\/td>\n<td>4,23 m<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Nur ist eben die Centaur G1 trotz mehr Treibstoff l&auml;nger und nicht so kompakt und sie verwendet innendruckstabilisierte Tanks. Die ESC-A k&ouml;nnte bei gleicher technischer Auslegung rund 1.300 kg leichter sein &#8211; entsprechend w&uuml;rde die Nutzlast um 1.300 kg ansteigen. Das ist immerhin 15 % der GTO Nutzlast. Bei Mondmissionen w&auml;ren es dann schon 19 %.<\/p>\n<p>Nun ja die ESC-A gibt es, da wird nichts zu machen sein. Doch die ESC-B wird noch entwickelt. Da nun die ESA erst mal &uuml;ber 150 Millionen Euro nur f&uuml;r Studien ausgeben will w&auml;re es vielleicht an der Zeit bei der einiges besser zu machen und mal an druckstabilisierte Tanks, eine Form die geringeres Schwappen aufweist oder ein Vibrationsd&auml;mpfungssystem zu denken (es muss ja kein aktives sein).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Heute mal wieder ein bisschen Raumfahrtgrundlagenwissen. Wozu verwendet man Feststoffbooster? Die Allgemeine Antwort ist: Sie sind viel billigere erste Stufen als Antriebe mit fl&uuml;ssigen Treibstoffen und die Rakete wird deswegen billiger. Das ist richtig, aber wie immer nicht automatisch immer g&uuml;ltig. Als erstes: Feststoffantriebe sind nicht automatisch billiger. 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