{"id":9394,"date":"2014-02-15T00:51:31","date_gmt":"2014-02-14T23:51:31","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=9394"},"modified":"2014-02-15T00:51:31","modified_gmt":"2014-02-14T23:51:31","slug":"nochn-stufenvorschlag","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2014\/02\/15\/nochn-stufenvorschlag\/","title":{"rendered":"Noch&#8217;n Stufenvorschlag"},"content":{"rendered":"<p>Ich hatte vor ein paar Tagen eine Idee wie man anstatt der ESC-B vielleicht eine andere L&ouml;sung f&uuml;r die Ariane 5 implantieren k&ouml;nnte, die g&uuml;nstiger ist. Ich dachte an eine hybride Oberstufe, mit Fluor oder FLOX als Oxydator. Der spezifische Impuls w&auml;re unter dem des Vinci, aber das k&ouml;nnte man durch geringes Leergewicht kompensieren. Wie immer suche ich dann auch nach Daten, ob es schon Antriebe in dieser Gr&ouml;&szlig;enordnung gibt oder nicht und ob man von diesen dann extrapolieren kann. Daraus wurde eine intensive Besch&auml;ftigung, welche den Umfang meines Aufsatzes &uuml;ber diese Antriebe mehr als verdoppelt hat. Danach war mir klar: es gibt noch keinen getesteten hybriden Antrieb der Fluor verwendet und je gr&ouml;&szlig;er die Antriebe werden, desto gr&ouml;&szlig;er werden die Probleme. Auch ist angesichts dessen, das der Antrieb immer Resttreibstoff beinhaltet, es fraglich ob man eine so geringe Leermasse erreicht als das ein Ersatz die Nutzlast steigern w&uuml;rde.<\/p>\n<p>Damit war der Ersatz f&uuml;r die ESC-B gestorben, was aber gehen w&uuml;rde, w&auml;re eine Erg&auml;nzung. Wof&uuml;r sollte man die Ariane 5 erg&auml;nzen? Nun es gibt mehrere Anwendungsszenarien:<!--more--><\/p>\n<ul>\n<li>Steigerung der Nutzlast bei hohen Geschwindigkeiten: ESC-A und B haben eine hohe Leermasse. Je h&ouml;her die Geschwindigkeitsanforderung ist, desto mehr macht die Leermasse an der Gesamtstartmasse aus. Das wirkt sich noch wenig bei Missionen zu Mond, Venus und Mars aus, doch ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem kommt man so nicht auf direktem Wege.<\/li>\n<li>M&ouml;glichkeit f&uuml;r die ESA nur eine halbe Ariane 5 zu buchen. Derzeit muss die ESA eine ganze Ariane 5 buchen, weil bei Starts von Raumsonden das Missionsprofil anders als bei GTO Missionen ist. Wenn man eine Stufe mit Nutzlast in den Orbit bringen k&ouml;nnte, so k&ouml;nnte man diese entweder im GTO aussetzen oder vorher und eine zweite Nutzlast dann in den GTO. Die stufe w&uuml;rde dann z&uuml;nden wenn sie die richtige Position erreicht hat (bei einem GTO-Aussetzen z.B. nach einem Umlauf, etwa 10 Stunden).<\/li>\n<li>Einsatz bei der Vega m&ouml;glich: Ersatz des AVUM und Nutzlaststeigerung<\/li>\n<\/ul>\n<p>Warum sind hier hybride Antriebe interessant? Sie offerieren h&ouml;here Performance als Feststoffantriebe, sind billiger als Triebwerke mit fl&uuml;ssigen Treibstoffen und sie ist wiederz&uuml;ndbar, was wichtig f&uuml;r die Vega w&auml;re, aber auch wenn man die Stufe fr&uuml;h bei der Ariane 5 im Erdorbit abtrennen w&uuml;rde.<\/p>\n<p>Anders als sonst, nehme ich nur absolut bew&auml;hrtes. Das ist als Treibstoff LOX\/Paraffin. Es ist die Druckf&ouml;rderung, ich habe hier einen Brennkammerdruck von 12 bar angesetzt, das ist ein auch bei anderen Stufen mit Druckf&ouml;rderung &uuml;blicher Wert. Der niedrige Druck und die Forderung, dass die Rakete auch in der Vega eingesetzt werden soll ergeben ein kleines Problem. Bei der Vega ist der Durchmesser des Stufenadapters 190 cm. Mit 20 cm Freiheit ist man dann bei einem maximalen Durchmesser von 150 cm f&uuml;r die D&uuml;senm&uuml;ndung. Bei 12 Bar Brennkammerdruck liefert aber ein Quadratzentimeter am &uuml;senhals nur 120 N Schub. Ich habe eine Treibstoffmenge von 2700 kg angesetzt und mit einem spezifischen Impuls von 3250 gerechnet um einen Sch&auml;tzwert zu erhalten. Bei 100 Sekunden Brennzeit kommt man so zu einem recht kleinen Expansionsverh&auml;ltnis von 23. Daher habe ich die Brennzeit auf 150 s erh&ouml;ht und damit resultiert eine Expansionsd&uuml;se mit einem Verh&auml;ltnis von 36.<\/p>\n<p>Bei der Ariane 5 ist selbst in einer Sylda eine gr&ouml;&szlig;ere D&uuml;se m&ouml;glich. Bei einem Durchmesser von 330 cm (390 cm Innendurchmesser mit 30 cm Freiheit ist man dann bei einem Expansionsverh&auml;ltnis von 175. Das w&auml;re mit einer ausfahrbaren D&uuml;senverl&auml;ngerung realisierbar. Ich habe damit in CEA die spezifischen Impulse berechnen und hier sind die Ergebnisse als Grafik f&uuml;r die optimistischere Berechnung mit freiem Gleichgewicht. Demnach ist das optimale LOX\/Paraffinverh&auml;ltnis gegeben bei einem Verh&auml;ltnis von 2,6. Es gibt aber ein breites Plateau zwischen 2,4 und 2,8, sodass man auch 2,8 nehmen kann, da hybride Antriebe einen O\/F shift in Richtung treibstoffreicheres Gemisch aufweisen. In Wirklichkeit wird man diesen hohen Wert nicht erreichen. Nimmt man einen Wert der bei einem Drittel freien und zwei Dritteln eingefrorenem Gleichgewicht liegt, so ist man bei 2,8 bei einem spezifischen Impuls von 3412 m\/s bei einem Expansionsverh&auml;ltnis von 176 und 3224 m\/s bei einem Expansionsverh&auml;ltnis von 36.<\/p>\n<p>Nach M.Calabros Berechnung f&uuml;r einen <a href=\"http:\/\/www.innerarch.eu\/docs\/AIAA2004-3823Hybrid.pdf\">gr&ouml;&szlig;eren Booster<\/a> kommt er bei 49 t Treibstoffmasse auf eine Leermasse von 3755 kg, allerdings mit Turbopumpenf&ouml;rderung und ohne Resttreibstoff. Die sind bei hybriden Antrieben aber immer gegeben. mit 5% Resttreibstoff kommt man so skaliert auf 2700 kg Treibstoffmasse zu einem Leergewicht von 335 kg ohne verl&auml;ngerte D&uuml;se und 435 kg mit.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"alignnone\" alt=\"\" src=\"\/img\/lox-paraffin.png\" \/><\/p>\n<p>Damit stehen die wesentlichen Eckdaten fest. Zuerst einmal habe ich die Stufe auf der Vega (Expansionsverh&auml;ltnis von 36 eingesetzt). Das hebt die Nutzlast um 380 kg an.<\/p>\n<p>Bei der Ariane 5 gibt es mehrere M&ouml;glichkeiten. So k&ouml;nnte man die Stufe in einen GTO transportieren und ein normales Ariane 5 Profil fliegen. Sie w&uuml;rde dann aus dem GTO dann die Nutzlast weiter bef&ouml;rdern. Mit 100 kg Mehrmasse f&uuml;r eine gr&ouml;&szlig;ere D&uuml;se k&ouml;nnte man aus dem GTO 670 kg zum Jupiter transportieren (3670 kg Startmasse, kompatibel zu einem Doppelstart). F&uuml;r Marsmissionen w&auml;re die Nutzlast zu hoch. hier k&ouml;nnte man &uuml;ber 5,2 t transportieren, was aber nur noch 2 t f&uuml;r Sylda und zweite Nutzlast &uuml;brig l&auml;sst.<\/p>\n<p>F&uuml;r erdnahe Missionen w&auml;re es daher besser die Stufe fr&uuml;her zu z&uuml;nden. Beim Einsatz der ESC-A w&auml;re die beste L&ouml;sung sie nach Ausbrennen der EPC abzutrennen und dann erst die ESC-A zu z&uuml;nden. F&uuml;r die Abtrennung der Sylda hat man zu wenig Zeit bei diesem Regime, man transportiert sie als totes Gewicht mit den GTO-Orbit. Bei einer Abtrennung bei 7,4 km\/s l&auml;ge die Marsnutzlast (11,6 km\/s Zielgeschwindigkeit) bei 660 kg. Da die ESC-A weniger Gewicht in den GTO transportieren muss, w&auml;re ihre Nutzlast gr&ouml;&szlig;er, allerdings w&uuml;rde eine h&ouml;here Nutzlast wieder die Abtrennungsgeschwindigkeit erniedrigen. In der Summe m&uuml;sste die Gesamtnutzlast aber ansteigen. Es m&uuml;ssten noch mindestens 8,7 t in den GTO transportiert werden k&ouml;nnen.<\/p>\n<p>Wie die kleinen Nutzlasten f&uuml;r Mars und Jupiter zeigen, ist die Stufe zu klein. Ich hatte als Hintergedanken, dass bei einem GTO-Start Nutzlast und Stufe + Sylda maximal 5 t wiegen d&uuml;rfen, was wie die obige Rechnung zeigt, aber eh nicht hinhaut.<\/p>\n<p>Da die Stufe ja einige Zeit zur Entwicklung braucht kann man gleich die ESC-B als Basis nehmen. Hier kann man die ESC-B kurz z&uuml;nden um einen Erdorbit zu erreichen, die Stufe mit Nutzlast abtrennen, dann die Sylda abtrennen und dann erneut die ESC-B z&uuml;nden um noch eine zweite Nutzlast in den GTO zu bringen. Bei 12 t normaler GTO Nutzlast sollen 7 t f&uuml;r die zweite Nutzlast verbleiben. Eine kleine Rechnung zeigt, dass dann zus&auml;tzlich 9500 kg in einen erdnahen Orbit transportiert werden k&ouml;nnen. Wenn man den Mars als Referenz nimmt k&ouml;nnten dorthin noch 2320 kg transportiert werden. Das w&auml;re dann allerdings eine 7,3 t schwere Stufe. Sie w&auml;re zu schwer als zus&auml;tzliche Stufe f&uuml;r die Vega. Sie k&ouml;nnte dann AVUM und Zefiro 9 bei der Vega ersetzen. Die Nutzlast w&auml;re fast gleich hoch, eventuell resultiert eine Kostenersparnis.\u00a0 Gleichzeitig h&auml;tte sie eine lange Brennzeit, sonst m&uuml;sste man den D&uuml;senhals erweitern und w&uuml;rde wieder an Leistung verlieren. Die Stufe h&auml;tte dann eine Brennzeit von 378 s was relativ lange ist.<\/p>\n<p>Prinzipiell w&auml;re die Stufe durch Anpassung des Treibsatzes und der Oxydatormenge an unterschiedliche Nutzlasten anpassbar. Die Leermasse w&uuml;rde sich aber nicht &auml;ndern und die F&uuml;llung ist bei Hybridtreibwerken sensitiv f&uuml;r Geometrie&auml;nderungen. Sinnvollerweise wird man daher eher die Brennkammer verk&uuml;rzen und den Oxydatortank ebenfalls.\u00a0 GTO-Eins&auml;tze kommen mit dieser in der Ariane 5 Version 7,3 t schweren Stufe (Leermasse 905 kg, bei der Vega 7200 \/ 805 kg) nicht in Frage. In einem Einzelstart bef&ouml;rdert sie aber &uuml;ber 2200 kg zum Jupiter. Das reicht leider nicht f&uuml;r JUICE, die 3140 kg bei der Ankunft bei Jupiter wiegen soll, aber 3140 kg zu Jupiter k&ouml;nnte keine Rakete die derzeit verf&uuml;gbar oder geplant ist transportieren. Das geht nur Gravity Assist.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg05.met.vgwort.de\/na\/68e6b4138ae749e8859fb9471eca1862\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Ich hatte vor ein paar Tagen eine Idee wie man anstatt der ESC-B vielleicht eine andere L&ouml;sung f&uuml;r die Ariane 5 implantieren k&ouml;nnte, die g&uuml;nstiger ist. 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