{"id":7720,"date":"2013-03-19T13:25:46","date_gmt":"2013-03-19T12:25:46","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=7720"},"modified":"2013-03-19T13:25:46","modified_gmt":"2013-03-19T12:25:46","slug":"die-crux-mit-den-feststoffboostern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/03\/19\/die-crux-mit-den-feststoffboostern\/","title":{"rendered":"Die Crux mit den Feststoffboostern"},"content":{"rendered":"

Ihr habt euch ja rege an Niels Beitrag beteiligt (wie sind übrigens hier alle per „Du“, Niels). Ich habe mich bewusst zurückgehalten, wie ich das immer bei Gastblogs mache. Niels hat mich im Vorfeld gefragt, ihm noch Sachen zu nennen, die er nachbessern sollte, aber mir fiel dann so viel ein, das ich es gelassen hätte. So sind meiner Meinung nach die Booster zu dick, verglichen mit der Länge, da der Schub auch von der Oberfläche abhängt (es hat seinen Grund warum alle Feststoffbooster sehr lang und schmal sind). Ich will die Diskussion über die Oberstufe mal nehmen um auf einen Nachteil von Feststoffboostern hinzuweisen. Wenn ich von Boostern rede, dann von welchen die relativ groß sind oder viele kleine, auf jeden Fall sollte ihre Masse im Bereich der Zentralstufe oder darüber liegen.<\/span><\/p>\n

Derartige Booster induzieren sehr starke Schwingungen an den Stellen wo sie fixiert sind. Diese haben eine höhere Amplitude, als die von Triebwerken mit flüssigen Treibstoffen und eine niedrigere Frequenz. Beides zusammen bringt den Treibstoffstärker ins Schwappen.<\/p>\n

Meistens sind Feststoffbooster unten am Schubgerüst und oben in einer Zwischentanksektion oder am Stufenadapter angebracht. Was siond die folgen? Nun im Schubgerüst kann man sie gut abfangen, da sitzen auch die Triebweerke und hier wird schon gedämpft wegen der POGO-Schwingungen. Bei der Intertanksektion übertragen sie sich auf die Tanks, aber abgeschwächt. Bei dem direkten Anbringen an den tanks (Integraltanks) werden sie voll übertragen und bei der Anbringung an dem Stufenadapter ist nur der obere Tank betroffen, allerdings wird auch die darüber liegende Stufe stark durchgeschüttelt.<\/p>\n

Was hat das für Folgen. Nun schauen wir uns einige Zentralstufen an. Da wäre zum einen die Ariane 5 EPC. Sie weist ein hervorragendes Voll\/Leermasseverhältnis von 13,4 zu 1 auf – Trotz Feststoffbooster. Der Grund : Diese sind am Stufenadapter befestigt, die Stufe muss nur dort strukturell verstärkt werden und oben ist der LOX Tank mit einer schweren Flüssigkeit (Dichte 1,14) und relativ starken Tankwänden. Der unten liegende LH2 Tank ist weniger stark betroffen. So halten sich die Strukturverstärkungen in Grenzen. Es sind einige 100 kg bei der EPC, die z.B. bei der Ariane 5 GS die schon die EPC der Ariane 5E verwendete die Nutzlast wieder leicht sinken ließen.<\/p>\n

Doch das Design hat seinen Preis: die obige Stufe wird stark durchgeschüttelt, trotz Vibrationsdämpfungssystem im Stufenadapter. Bei der ursprünglichen EPS mit druckgefördertem Triebwerk und kleinen Tanks mit dicken Wänden war das kein Thema. Doch bei LOX(\/LH2 Stufen hat man sehr großvolumige Tanks (etwa viermal bis fünfmal größere als bei LOX\/Kerosin oder NTO\/UDMH) und dann werden die Tanks durch die geforderte Steifigkeit sehr schwer. Die ESC-A wiegt trocken 4,5 t bei 14,6 t Treibstoff, bei dem Entwurf der ESC-B sind es 6,25 t trocken bei 27,5 t Treibstoff. Zum Vergleich: Niels hat für fast dieselbe Triebstoffmenge mit VEB (die 950 kg kämen noch hinzu) 4 t angesetzt. Würde Niels die Astrium Bremen Vorgaben nehmen, so wäre seine Nutzlast in jeder Konfiguration um 3 t kleiner.<\/p>\n

Eine zweite derartige Konstruktion ist die Titan 3\/4 Hier sitzen die Booster ach oben am Stufenadapter. Die Erststufe wurde schwerer um 1,9 t was zwar das Verhältnis von 24,4 zu 1 auf 18,5 zu 1 absenkte aber fast nichts ins Gewicht fiel. (5 zu 6,6 t) Die zweite Stufe aber auch: hier stieg die Leermasse stärker um 50% von 2,2 auf 3,1 t an. Selbst bei der darüber liegenden Stufe ist das noch zu bemerken und so ist z.B. die Centaur auf der Titan deutlich schwerer als die Atlas Version. Der Effekt ist aber geringer da die Core 2 praktisch als Flüssigdämpfer fungiert.<\/p>\n

An der Zwischensektion werden die Booster bei der Delta 4 befestigt. Obwohl diese nun nicht so groß sind (maximal wiegen sie 136 t bei einem Gewicht der Zentralstufe von 224 t) hat ihr hoher Schub die Folge dass diese stark belastet wird. Die CCB der Delta IV ist größer als die EPC weist jedoch nur ein Voll\/Leermasseverhältnis von 8,4 zu 1 auf, also fast doppelt so „schlecht“ wie bei der Ariane 5 EPC-. Neben dem schubstärkeren und schwereren Triebwerk geht viel davon auf die dicken Tanks. Dafür weist die Oberstufe die Voll\/Leermasseverhältnisse auf, die Niels ansetzt: bei 31,2 t Startmasse wiegt sie leer nur 3,49 t. Das sind 4 t weniger als bei der ESC-B mit fast vergleichbaren Leistungsdaten.<\/p>\n

Noch ungünstiger sieht es bei H-2 und H-2A aus, wobei ich hier nicht die Befestigung kenne, aber bei Voll\/Leermasseverhältnissen von 8,4 bei H-2, H-2A und H-2B trotz um 100% angestiegener Startmasse immer der gleiche Faktor tippe ich auf einen integralen Tank, sonst hätte die H-2B besser dastehen müssen. Für die Ares V und SLS rechnet die NASA mit Voll\/Leermasseverhältnissen von 11:1. Es geht auch anders: Der Shuttle Tank weist ein Verhältnis von 22,8 zu 1 auf, rechnet man die Triebwerke und das Schubgerüst dazu, kommt man immer noch auf 12,7 zu 1.<\/p>\n

Noch extremer sind die Belastungen wenn man die Oberstufe direkt auf den Booster setzt. Für die Ares I musste extra ein aktives Vibrationsdämpfungssystem entwickelt werden, damit sich die Astronauten beim Aufstieg nicht verletzen. Doch hat die Oberstufe mit einem Voll\/Leermasseverhältnis von 8,9 zwar nicht das niedrige der etwa gleich großen S-IVB oder gar der EPS, aber für eine Oberstufe durchaus bei diesen Umständen einen guten Wert. Die NASA wollte dies durch einen massiven Stufenadapter (Gewicht alleine 4,1 t) und den Einsatz der Legierung 2195 erreichen. Das leitet mich über zu den Lösungen. Wie setze ich Booster optimal ein?<\/p>\n

Nun wenn sie angeflanscht werden, dann besser an der Zwischentankverbindung. Das macht die Unterstufe schwerer, doch bei den meisten Typen ist es so, dass die Nutzlasteinbuse pro Tonne mehr Trockengewicht der Unterstufe nur etwa 250 kg beträgt. Dies ist also günstiger als die Oberstufe zu verstärken weil die Schwingungen im Stufenadapter übertragen werden. Man kann auch überlegen für die Zentralstufe wieder zu LOX\/Kerosin überzugehen. Die Flüssigkeiten sind dichter, die Tanks daher kleiner und schon wegen des normalen Gewichts dicker. So ist das Leergewicht nur leicht höher (siehe Titan) und der Einfluss der unteren Stufe auf die Nutzlast ist auch nicht so hoch. Wie die Delta IV zeigt bringt dann LOX\/LH2 gar nicht mehr so viel mehr Nutzlast. Die Delta IV Heavy wiegt 773\u00a0 t bei 22,9 t Nutzlast, eine Atlas V HLV nach demselben Bauprinzip 911 t bei 29,4 t Nutzlast, das ist pro Tonne Startgewicht sogar noch günstiger.<\/p>\n

Wenn man nun wie der Ariane 5 schon die Problematik hat – was tun? Nun das beste draus machen und das ist es was ich bei Astrium vermisse. Die Firma scheint keinerlei Interesse zu haben Technologien einzusetzen die es schon gibt, nur eben noch nicht in Europa umgesetzt wurden. In diesem Falle:<\/p>\n