{"id":6993,"date":"2012-09-03T00:21:24","date_gmt":"2012-09-02T22:21:24","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=6993"},"modified":"2012-09-03T10:58:44","modified_gmt":"2012-09-03T08:58:44","slug":"mein-alternativvorschlag-zur-ariane-6-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2012\/09\/03\/mein-alternativvorschlag-zur-ariane-6-teil-2\/","title":{"rendered":"Mein Alternativvorschlag zur Ariane 6 &#8211; Teil 2"},"content":{"rendered":"<p>So, im heutigen zweiten Teil geht es um die Raketen die man aus dieser Grundkonzeption konstruieren kann. Den ersten Teil findet ihr <a title=\"Mein Alternativvorschlag zur Ariane 6 \u2013 Teil 1\" href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2012\/09\/02\/mein-alternativvorschlag-zur-ariane-6-teil-1\/\" target=\"_blank\">hier<\/a>. Und den ganzen Artikel <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/technische-spinnereien-ariane-6.shtml\" target=\"_blank\">hier<\/a>.<\/p>\n<p>Bei einer angenommenen H&ouml;he von 10 und 19 m ergeben sich folgende Raketen: (mit 300 kg VEB und 1000 kg Nutzlastverkleidung). Zielgeschwindigkeit: 9400 m\/s (1.600 m\/s f&uuml;r verschiedene Verluste) komme ich auf folgende Typen:<!--more--><\/p>\n<table class=\"style2\" style=\"width: 100%;\" cellpadding=\"2\">\n<tbody>\n<tr>\n<th colspan=\"4\">Basisversionen ohne Booster<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-I<\/td>\n<td><\/td>\n<td>2.640 kg<\/td>\n<td>31,74 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-II<\/td>\n<td><\/td>\n<td>4.060 kg<\/td>\n<td>34,63 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane II-I<\/td>\n<td><\/td>\n<td>5.020 kg<\/td>\n<td>37,09 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane II-II<\/td>\n<td><\/td>\n<td>7.160 kg<\/td>\n<td>39,98 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane II-III<\/td>\n<td><\/td>\n<td>8.640 kg<\/td>\n<td>42,87 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane III-I<\/td>\n<td><\/td>\n<td>6.840 kg<\/td>\n<td>42,44 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane III-II<\/td>\n<td><\/td>\n<td>9.640 kg<\/td>\n<td>45,33 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane III-III<\/td>\n<td><\/td>\n<td>11.570 kg<\/td>\n<td>48,22 m H&ouml;he<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Die 5 m Nutzlastverkleidung erh&ouml;ht die L&auml;nge dann um 9 m, ist aber nur bei den Boosterversionen (siehe unten) f&uuml;r h&ouml;here Nutzlasten sinnvoll.<\/p>\n<p>Man sieht schon nicht alle M&ouml;glichkeiten sind gleich gut. So ist die III-I Konfiguration schlechter als die II-III Kombination. Im allgemeinen sind die mit den leistungsst&auml;rkeren Oberstufen besser alsgr&ouml;&szlig;ere Erststufen. Die kleinste Version kann wegen des Schubs der Erststufe nicht die gr&ouml;&szlig;te Oberstufe transportieren (Nebenbedingung: Startbeschleunigung nicht unter 12 m\/s). Immerhin sieben Konfigurationen bleiben die schon den Nutzlastbereich der Vega bis zur <a href=\"\/sojus.shtml\">Sojus 2-1B<\/a> abdecken. In die GTO Bahn transportiert die letzte Version 4.220 kg, mehr als die Sojus.<\/p>\n<p>Doch das war erst der Anfang. Anders als Ariane 5 kann man die Rakete durch Booster erweitern.<\/p>\n<p>Wenn wir nur folgende Randbedingungen vorsehen:<\/p>\n<ul>\n<li>zwei oder vier Booster<\/li>\n<li>symmetrische Anbringung<\/li>\n<li>Maximal neun Triebwerke<\/li>\n<\/ul>\n<p>dann gibt es schon folgende Boostervariationen:<\/p>\n<ul>\n<li>I-Erststufe: 2 \u00d7 I-Booster, 2 \u00d7 II Booster, 2 \u00d7 II-Booster + 2 \u00d7 I-Booster, 4 \u00d7 II-Booster<\/li>\n<li>II-Erststufe: 2 \u00d7 I-Booster, 2 \u00d7 II-Booster, 2 \u00d7 II-Booster + 2 \u00d7 I-Booster<\/li>\n<li>III-Erststufe: 2 \u00d7 I-Booster, 2 \u00d7 II-Booster, 2 \u00d7 II-Booster + 2 \u00d7 I-Booster<\/li>\n<\/ul>\n<p>Dies kann man dann noch mit den drei Oberstufen kombinieren und kommt so auf 30 Kombinationen.<\/p>\n<p>Damit nicht genug. Da das zentrale Triebwerk beim Start gez&uuml;ndet wird, kann man mehr Treibstoff zuladen. Die I-er Version die Treibstoffmenge der II-er Version und die II-Version die Treibstoffmenge der III-Version. Bei der III-er Version kann man ein Triebwerk weglassen. Das macht weitere 6 Versionen.<\/p>\n<p>Ab einer bestimmten Boosterzahl ist der Schub auch so gro&szlig;, dass man die Zentralstufe nach ihnen z&uuml;nden kann. Das verbessert das Stufenverh&auml;ltnis und macht aus der zweistufigen eine dreistufige Rakete. Viel Nutzlast bringt diese Option aber nur bei sehr hohen Geschwindigkeitsanforderungen. (GTO oder noch mehr). Denkbar w&auml;re auch, wenn das Triebwerk im Schub senkbar ist, die Booster vor der Zentralstufe abzutrennen und so die Spitzenbeschleunigung zu reduzieren.<\/p>\n<p>Mit einer asynchronen Schubauslegung (siehe Space Shuttle, Atlas V 601, also heute schon Stand der Technik gibt es noch viel mehr Varianten. Ich will aus Platzgr&uuml;nden aber nur obige besprechen.<\/p>\n<p>Die Zahl der Triebwerke, die maximal eingesetzt werden, orientiert sich an den Erfahrungen. Ariane 4 flog mit bis zu 8 Triebwerken und konnte keinen Ausfall auffangen (hatte keine &#8222;<a href=\"\/engine-out-capability.shtml\">engine-out capabilty<\/a>&#8222;, trotzdem war sie sehr zuverl&auml;ssig. Die letzten 70 Fl&uuml;ge klappten in Folge. Von 144 Starts der Ariane 1-4 mit insgesamt 814 Viking Triebwerken in der ersten Stufe und Boostern scheiterten nur zwei an diesen Triebwerken, das entspricht einem durch die Praxis abgesicherten Ausfallrisiko von 1\/407. Setzt man bis zu 9 ein, so steigt es auf 1\/46, was einem Verlustrisiko von 2,2% entspricht. Rechnet man noch 1,3% Versagensrisiko f&uuml;r die Oberstufe und andere Ursachen dazu, so ist man bei einer Zuverl&auml;ssigkeit von 96,5%. Das ist kein Spitzenwert (Ariane 5 sollte 98,5% erreichen), aber einer, der akzeptabel ist, zum es ein Worst-Case Scenario ist &#8211; wenn weniger Triebwerke einsetzt werden steigt der Wert an. Nimmt man die Zuverl&auml;ssigkeit des Vulcain 1 (0,9946) als Ma&szlig;stab, so d&uuml;rfte die Zuverl&auml;ssigkeit minimal 94,7% erreichen. Das ist deutlich weniger als Ariane 5 oder Atlas V erreichen, aber noch besser als die <a href=\"\/zenit.shtml\">Zenit<\/a> und Proton.<\/p>\n<p>Weiterhin kann man in der Rakete eine eingine-out capability vorsehen, also bei Problemen Triebwerke abschalten und sie in Kevlar einpacken, dass Explosionen die vor allem bei den Turbopumpen sich ereignen k&ouml;nnen, keine Auswirkung haben. Wichtig w&auml;re es dann die Steuerung so auszulegen, dass sie die Triebwerke abschaltet, wenn der Treibstoff verbraucht wird und nicht nach einer festen Betriebszeit. Doch dies, zusammen mit den Sensoren war schon bei der Saturn V Standard.<\/p>\n<table class=\"style1\" style=\"width: 100%;\" cellpadding=\"2\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Basistyp<\/th>\n<th>Booster<\/th>\n<th>Z&uuml;ndung Hauptstufe nach den Boostern<\/th>\n<th>Nutzlast (LEO)<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-I<\/td>\n<td>2 \u00d7 I<\/td>\n<td>nein<\/td>\n<td>5.680 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-I<\/td>\n<td>2 \u00d7 I, 2 \u00d7 II<\/td>\n<td>Ja<\/td>\n<td>16.710 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-I<\/td>\n<td>2 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja<\/td>\n<td>12.940 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-I<\/td>\n<td>4 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja<\/td>\n<td>20.800 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-II<\/td>\n<td>2 \u00d7 I<\/td>\n<td>nein<\/td>\n<td>8.600 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-II<\/td>\n<td>2 \u00d7 I, 2 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja<\/td>\n<td>20.300 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-II<\/td>\n<td>2 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja (nur bei GTO-Missionen, sonst nein)<\/td>\n<td>15.900 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-II<\/td>\n<td>4 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja<\/td>\n<td>24.800 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-III<\/td>\n<td>2 \u00d7 I<\/td>\n<td>nein<\/td>\n<td>15.000 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-III<\/td>\n<td>2 \u00d7 I, 2 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja<\/td>\n<td>22.300 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane I-III<\/td>\n<td>2 \u00d7 II<\/td>\n<td>ja<\/td>\n<td>15.600 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Ariane III-III<\/td>\n<td>4 \u00d7 II<\/td>\n<td>nein, nur ein Triebwerk<\/td>\n<td>33.300 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Ich habe nur vom ersten Typ alle Versionen skizziert. Auch hier gibt es sinnvollere und weniger sinnvollere Kombinationen. Von den anderen Versionen habe ich dann nur noch die leistungsf&auml;higstem mit vier Boostern, dreifacher Tankl&auml;nge aber nur einem Triebwerk (verletzt somit nicht die 9 Triebwerke-Regel) skizziert. Dieses wird mit den anderen beim Start gez&uuml;ndet. Bei Brennschluss der Booster ist ein Drittel des Treibstoffs verbraucht. Die Beschleunigung geht dann auf 0,7 g zur&uuml;ck, doch nach 109 s werden wieder 1 g erreicht &#8211; da die Rakete sehr schnell beschleunigt, hat sie zum selben Zeitpunkt wie die Ariane 5 1 g wieder erreicht. Dies ist also tolerierbar.<\/p>\n<p>Die oben angegebenen Nutzlasten sind die f&uuml;r den LEO Orbit. In den GTO kann die leistungsf&auml;higste Version 14.300 kg transportieren. Denkbar w&auml;ren wie schon gesagt, noch zahleiche andere Variationen. So w&auml;re auch eine Version mit zwei Oberstufen (z.B. III-Version und I-Version) denkbar. Sie steigert f&uuml;r <a href=\"\/orbits.shtml\">GTO Missionen<\/a> die maximale Nutzlast auf 16.3 t. Interessanter ist der Einsatz f&uuml;r h&ouml;here Geschwindigkeiten. Zum Mars steigt die maximale Nutzlast von 9 auf 10,8 t und zum Jupiter von 2,4 auf 4,1 t. Bei dem Weglassen von Triebstoff kann man auch die GEO-Nutzlast vergr&ouml;&szlig;ern. Dann z&uuml;ndet sie im Apog&auml;um. F&uuml;r den Galileo Orbit kommt man so auf eine Nutzlast von 10.800 kg (entsprechend sechs Starts der Sojus) und in den GEO Orbit sind es 8,3 t (etwa 1 t mehr verglichen mit einem im Satelliten integrierten Antrieb).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>So, im heutigen zweiten Teil geht es um die Raketen die man aus dieser Grundkonzeption konstruieren kann. Den ersten Teil findet ihr hier. Und den ganzen Artikel hier. Bei einer angenommenen H&ouml;he von 10 und 19 m ergeben sich folgende Raketen: (mit 300 kg VEB und 1000 kg Nutzlastverkleidung). 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