So, nun zur zweiten Frage von Niels, Die dritte (was das Konzept von xcor angeht sollte jemand anders beantworten, mit Kolbenpumpen kenne ich mich nämlich nicht aus). Auch erlaube ich mir die Frage allgemeiner zu interpretieren: was kostet was an der Ariane 6, die ja eine gewisse Ähnlichkeit zu Niels Konzept hat und welche Methoden kann man nutzen um eine Kostenabschätzung zu machen.<\/p>\n
Eines durfte klar sein: genaue Abschätzungen kann nur der Hersteller machen. Es gibt in der Raumfahrt genügende Beispiele in denen nicht technische Einflüsse eine Rakete verteuern. Aktuelles Beispiel sind die RL-10 Triebwerke, die deutlich teurer wurden. Das liegt nun nicht am Triebwerk, sondern das Rocketdyne genau drei Triebwerke fertigt: Das RS-68, das RL-10 in zwei Versionen. Vor wenigen Jahren gab es noch das RS-27 und das RS-25. Nun verteilen sich die Fixkosten auf etwa 4-5 RS-68, ebenso viele RL-10B und dann noch 5-6 RL10A. Das ist wenig. Vergleicht man das mit der Serienproduktion von RS-27 für die Delta oder dem Einsatz der Centaur in der DEC Version. Das waren früher 20-30 RL-10 Triebwerke pro Jahr. Insbesondere nach Wegfall der RS-25 des SSME, für die es Kontrakte zur Weiterentwicklung und Wartung gab, wirkt sich stark aus. Die Fixkosten verteilen sich auf wenige Triebwerke und das macht es teuer.<\/p>\n
Teuer wurde auch die Titan 3\/4. Sie war einmal pro Kilogramm Nutzlast die billigste Trägerrakete, ihr Preis stieg aber Ende der siebziger Jahre langsam und danach deutlich an. Die Ursache war das auslaufen von zwei Programmen: KH-8 Gambit und KH-9 Hexagon. Beide Aufklärungssatelliten hatten begrenzte Lebensdauern, wurden mit Titan 3 gestartet und der Wegfall senkte die Startrate ab. Bis 1978 waren es 7-11 Starts pro Jahr, ab 1984 nur noch 3-5. Die Produktion war auf größere Stückzahlen ausgerichtet und das verteuerte den Träger enorm. Die letzten Titan 4 kosteten 400 Millionen Dollar pro Stück, selbst zehn Jahre später ist der Ersatz Delta 4H ohne Inflationskorrektur noch billiger.<\/p>\n
Ein allgemein gültiges Gesetz, das anzuwenden ist, ist der als Lernkurve, oder Erfahrungskurve bekannte Sachverhalt: Wenn ein Gut mehrmals produziert wird, so wird es pro Stück immer billiger. Ein Prototyp macht viel Arbeit, das zweite Exemplar ist billiger weil man schon weis, wie man es bauen muss. Wenn es mehr werden kann man überlegen Maschinen anzuschaffen die Arbeitsschritte automatisieren oder ein Arbeiter macht nur noch einen Teil, ist spezialisierter und schneller. Das ganze wird oft in der folgenden Formel ausgedrückt:<\/p>\n
Kn<\/sub> = K0<\/sub> * nP<\/sup><\/p>\n Kn<\/sub> ist die Kosten für n Exemplare<\/p>\n K0<\/sub> \u00a0sind dies Kosten für den Prototyp (ein Exemplar)<\/p>\n n ist die anzahl derr Exemplare<\/p>\n P ist der Lernfaktor (typisch 0,7 bis 0,8).<\/p>\n Zwei Beispiele: Könnte man die Vega Produktion von 2 auf 4 Stück steigern, so würde jedes Exemplar nur noch 87% kosten. Ariane 6 soll 12-mal pro Jahr starten. Ariane 5 startet rund 5,5 mal pro Jahr. So wäre die Rakete alleine aufgrund der Serienbauweise (angenommen die Fertigung wäre pro Kilogramm Nutzlast genauso teuer) um 14,5 % billiger. Beides gerechnet mit ehr konservativ P=0.8.<\/p>\n Die Serienfertigung hat aber auch Grenzen. So ist ein Triebwerk pro Stufe erheblich günstiger als mehrere schubschwächere, selbst wenn diese durch Serienbau billiger werden. Daher haben fast alle Typen die neu entwickelt wurden nur ein Triebwerk pro Stufe oder Booster. Auch hier gibt es ein Beispiel: Ariane 4 stützte in Boostern, erster Stufe und zweiter Stufe Viking Triebwerke ein. Bis zu 9 Stück pro Rakete. Bei bis zu 12 Starts pro Jahr, ergab das eine Produktionsrate von 60 bis 70 Stück pro Jahr. Trotzdem war die Ariane 4 teurer als die Ariane 5 mit nur einem Triebwerk pro Stufe. Die einzige Firma die auf viele Triebwerke setzt ist SpaceX. Allerdings meiner Meinung nach mehr aus Not. Sie haben nicht das Geld schubstarke zu entwickeln. Sie haben nicht mal das Geld die Triebwerke zu testen und lassen ihre Raketen mit Triebwerken im Entwicklungsstadium fliegen, mit bisher zwei Ausfällen bei nur fünf Flügen. Die Engine-out Capability soll diesen Mangel auffangen, sie ist kein Feature, sie ist existentiell notwendig. Die Firma hat natürlich auch Lösungen mit einem Triebwerk in petto, doch leider will die NASA diese nicht auch noch finanzieren.<\/p>\n Das Wichtigste was man zur Kostenabschätzung heranziehen kann sind Auftragsvolumina. Bei Ariane 5 weiß man dass Astrium Bremen einen Auftrag über 35 Oberstufen ESC-B beim los PB im Wert von 500 Millionen Euro bekam, also 14,3 Millionen pro Stück. Die Fertigung von für 35 Ariane (Los PB) bestimmten Boostergehäusen, EPC\/ESC-A Tankdomen und Hochdrucktanks hatte 2009 einen Umfang<\/a> von 370 Millionen Euro für MT Aerospace, 10 % der Fertigungskosten der Ariane und entspricht dem höchsten deutschen Einzelanteil.<\/p>\n Beide Zahlen sind leider keine kompletten Preise für die Oberstufe oder Booster. Bei der ESC-A fertigt z.B. den Sauerstofftank Air Liquide (er wurde von der Ariane 4 übernommen und wiegt entsprechend auch nur einen Bruchteil des von Astrium Bremen entwickelten LH2 Tanks) und das Triebwerk kommt von SNECMA. Die Gesamtkosten der Stufe würde ich also mindestens verdoppeln, denn das Triebwerk ist normalerweise das teuerste an der Stufe.<\/p>\n Bei MT Aerospace ist es noch komplexer, weil die Firma viele Teile im Ariane 5 Programm fertigt. Neben den Boosterhülsen sind dies Tankdome, Druckgasflaschen, Tanks für die EPS Stufe, Hydrauliken für die EPC etc. Nehmen wir nur den Booster, so kommen da noch die Integration hinzu (für die Astrium Bremen einen Großteil des Geldes bekommt), das Befüllen und vor allem der technisch anspruchsvollste Teil: Die Düse mit Schwenkvorrichtungen. Auch hier kann man realistischerweise die Summe verdoppeln.<\/p>\n Rechnen wir also mal aus was eine ESC-A kostet und ein EAP Booster. Unter der Annahme, das der deutsche Anteil jeweils 50% beträgt, sind dies 28,6 Millionen Euro für die Oberstufe und 21,2 Millionen für die EAP. Das lässt dann noch 100 Millionen für die EPC, VEB, Fairung und startdurchführung (alleine letzteres dürfte nach Erfahrung mindestens 30-40 Millionen Euro ausmachen).<\/p>\n Die ESC-B soll genauso teuer wie die ESC-A sein, das verspricht uns die Industrie, also kostet auch diese 28,6 Millionen Euro bei 5 Exemplaren pro Jahr. (Ein Exemplar pro Jahr entfällt ja auf die EPS Stufe)<\/p>\n Wenn eine Ariane 6 Stufe genauso teuer ist, nur eben 12 mal pro Jahr gefertigt wird, sollte sie bei p=0,75 nur noch 23 Millionen kosten.<\/p>\n Die Unterstufe der Ariane 6 ist noch nicht festgelegt, da studiert man noch Alternativen. Die mir persönlich beste Option ist die mit P135 Boostern. (so benannt nach der Treibstoffmenge in Tonnen). Es gibt nur einen Booster. Einer ist immer die zweite Stufe, daran montierte weitere die erste Stufe. Zwei oder vier sind möglich mit Nutzlasten von 3 oder 8 t. Das ergäbe als Synergie auch eine neue erste Stufe der Vega, die zum einen die Nutzlast steigern würde, zum anderen dann durch die hohe Stückzahl (im Mittel 3 pro Start pro Jahr mal 12 Starts pro Jahr plus einige Vega Erststufen) preiswert sein sollte und auch die Vega billiger macht.<\/p>\n Doch wie viel kostet so eine Stufe? Schwer zu sagen. Die CFK-Filament Technologie soll ja billiger als stahl sein. (ich habe mir angesichts der viel einfacheren Verarbeitung meine Zweifel). aber auch hier kann man nicht direkt vergleichen. Ausgangsbasis sollte aufgrund der Technologie und Größe die Vega Erststufe bei einem Vergleich sein. Die Vega kostet 25 Millionen Euro in der Fertigung<\/a>. Bei vier Trägern pro Jahr sollen es 22 Millionen sein, was einem p=0.8 entspricht (wenn der Ausgangswert 2 Träger sind). Schwer ist es nun die 25 Millionen aufzuteilen. Ganz falsch ist es nach Gewicht aufzuteilen. Bei ähnlicher Technologie ist zwar die erste Stufe die teuerste, aber ihre Kosten machen sicher nicht 80% aus, wie es nach dem Gewicht wären. Daneben muss man AVUM und Nutzlastverkleidung abziehen. Ich habe mal die kosten der P85 auf 40% der Gesamtrakete geschätzt. Das sind bei zwei Stufen pro Jahr also 10 Millionen Euro. Hochskaliert auf einen P135 wären das 15 Millionen. Doch bei 12 Starts pro Jahr wird man wenn man einen Mix von zwei und 4 Boostervarianten annimmt und dazu noch zwei Vega Starts bei dem die Stufe die P85 ersetzt mit einer Fertigung von 38 Stück rechnen. Gemäß der Lernkurve sollte bei p=0.8 dann die Kosten pro Booster auf 8,3 Millionen sinken.<\/p>\n Eine Ariane 5 mit vier Boostern als ersterStufe, einem als Zentralstufe und einer Oberstufe sollte so 5 x 8,3 + 23 = 64,5 Millionen kosten. Dazu kommt dann noch die VEB und Nutzlastverkleidung. Dazu auch noch die Startvorbereitung, die man angesichts der obigen Zahlen (7 Millionen bei der Vega) auf 18 Millionen schätzen kann. Die ESA rechnet mit 70 Millionen pro Start<\/a>. Und zwar Komplettpreis, liegt also noch unter den Zahlen oben. Davon sind 14 Millionen Gewinn und Startvorbereitung. Die Startvorbereitungen einer reinen Feststoffrakete sind billiger, weil weniger zu tun ist. Bei Ariane 5 war 2002 der Startpreis 130 Millionen Euro, aber die Rakete kostete nur 100 Millionen. Das war ein Anteil von 23% Startkosten an den Gesamtkosten. Bei der Ariane 6 sind es nur 20%. Das es nicht viel weniger sind, zeigt sich auch daran dass es trotzdem noch lange dauert. Diesmal plant die ESA zwei Launch Preparation Zones – Ariane 5 kam bei 12 Starts pro Jahr noch mit einer aus, und ihre Kampagne war durchaus nicht so optimiert die die der Ariane 5. Zieht man die 14 Millionen von den Startkosten ab, so isst man bei 56 Millionen Euro Herstellungskosten, die ich mal so aufteilen würde:<\/p>\n 3 Millionen VEB und Fairing<\/p>\n 18 Millionen Oberstufe<\/p>\n 7 Millionen pro Booster.<\/p>\n Das entspricht einer Reduktion der oben geschätzten Kosten um den gleichen prozentualen Teil.<\/p>\n Noch ein Ausblick auf die Ariane 5 und die Entscheidung für die Ariane 6. Nimmt man diese Zahlen, so ist Ariane 6 billiger. Zu den 160 Millionen Euro die die Ariane 5 kostet (so die Daten vom ATV Start) kommen ja noch 20 Millionen Subvention. Ariane 5 transportiert in der ESC-B Version 11,2 t in GTO, Ariane 6 6-6,5 t in GTO<\/a> bei 70 Millionen. Zwei große Satelliten kosten also in einem Fall 140 und im anderen 160 Millionen Euro. Wobei bei mehr als 5,5 t die Ariane 5 nur noch einen kleineren Passagier mitführen könnte.<\/p>\n Aber …. man könnte diese billigen Booster ja auch an die Ariane 5 montieren. Zwei Booster entsprechen einem EAP bei mehr Treibstoff, geringerer Trockenmasse und höherem spezifischem Impuls. Als man solche Booster für die Ariane 5 untersuchte kam man auf 1000 bis 1500 kg mehr Nutzlast, je nach Aufstiegsbahn, So käme man auf 12,2 t Nutzlast oder genauso viel wie zwei Ariane 6, doch vier P135 Booster kosten 28 Millionen, sind also rund 7 Millionen teurer als die EAP. Die ESA selbst rechnete aber mit 25-30% Einsparungen bei den Kosten bei P270 Boostern. Das wäre eine Kostenreduktion von 6 Millionen bei rund 12,5 t Nutzlast. Damit wäre das Konzept nahezu gleichauf wie die Ariane 6.Selbst bei 28 Millionen Euro für vier P135 erhält man 10% mehr Nutzlast für 4,3% mehr Kosten.<\/p>\n