Die Ariane 5 Mondrakete
Muss es immer was neues sein? Also wenn die ESA die Industrie fragt, bekommt sie ja immer die Antwort „Ja“. Warum auch nicht, wenn sie einen Handwerker nach einer Meinung fragen, wie man ihr Wohnzimmer neu einrichten könnte, dann bekommen sie von vielen auch ein Angebot das im oberen Bereich der Möglichkeiten liegt.
Wenn mal wieder die Pläne für Mond- und Marsmissionen aufkommen, dann möchte ich auch eine besteuern. Warum immer eine neue Trägerrakete erfinden? Viel Geld in deren Entwicklung stecken, wenn sie doch nur wenige Starts absolvieren wird? Hier eine Idee, wie sich die ESA beteiligen könnte – mit einer Ariane Mondrakete, aufgebaut aus der Ariane 5.
- Stufe 1: Zwölf normale EAP Booster. Sie werden beim Start gezündet.
- Stufe 2: In einem Kreisring befinden sich sechs EPC Stufen. An Jeder an der äußeren Peripherie jeweils zwei EAP Booster. Sie werden gemeinsam mit den Booster gezündet.
- Stufe 3: In der Mitte des Kreisrings als dritte Stufe eine einzelne EPC. Sie wird 10 s gezündet, bevor die äußeren EPC Brennschluss haben. Das vermeidet die Zündung in der Schwerelosigkeit.
Das verbindet weitgehend die Elemente der bisherigen Ariane 5 in weitgehend unveränderter Weise zu einer neuen Rakete. Nur transportiert diese rund 64 t zum Mond, mehr als eine Ares V. 178 t sind es (theoretisch, dazu unten mehr) in einen niedrigen Erdorbit.
Natürlich sind noch Änderungen nötig. So wirkt der Schub der EAP nun einseitig außen an den EPC, das macht sicher Anpassungen an der Struktur nötig. Auch die zentrale EPC wird anzupassen sein. Zum einen fallen nun die von den EAP induzierten Schwingungen deutlich geringer aus, weil sie durch die sechs äußeren EPC gedämpft werden. Man könnte das noch optimieren, indem man die Verbindungen mit Schwingungsdämpfern versieht. Umgekehrt ist EPC derzeit ausgelegt auf den Transport der ESC-B und einer 12 t schwerem Nutzlast, was zusammen rund 46 t wiegt. Für 64 t wird sie ein wenig verstärkt werden müssen, für eine Last von 178 t (für den Transport in den Erdorbit) wird es einiges mehr sein.
Auf der anderen Seite gibt es Möglichkeiten zu Optimierung. Da die zentrale Stufe nur im Vakuum arbeitet, kann man sie mit einer größeren Expandionsdüse versehen. Wie beim Vinci Triebwerk kann man sie ausfahrbar gestalten. Bei einem Vulcain Mark III wurde das mal untersucht und es soll eine um 150 m/s höhere Ausströmgeschwindigkeit bringen,. Nimmt man nur konservative 100 m/s an, so sind es 5 t mehr Nutzlast.
Eine der Optionen für den Ausbau der Ariane 5 sind EAP Booster mit CFK-Werkstoffen. Sie sind leichter, haben einen höheren Brennkammerdruck und eine höhere Ausströmgeschwindigkeit. Nimmt man die projektierten Werte dieser CFK-EAP, so gibt das nochmals 4 t mehr Nutzlast (rund 73 t). Das sollte auch Gewichtssteigerungen bei den EPC auffangen können.
Ich denke es ist machbar. Die Anpassungen sind gering, verglichen mit der projizierten „Liberty“ Rakete von ATK, wo eine EPC auf einem 5-Segment Shuttle SRB sitzt: Sie ist dort viel höheren Vibrationsbelastungen ausgesetzt, die Spitzenbeschleunigung ist höher, und das Triebwerk muss in der Schwerelosigkeit gezündet werden. Was problematisch sein wird, ist mit dem heutigen Vulcain 2 eine Mission mit zwei Zündsequenzen, da es dafür nicht ausgelegt ist. In diesem Falle müsste eine weitere Stufe in den Orbit transportiert werden, z.b. eine verkürzte EPC mit Feststofftriebwerken zur Vorbeschleunigung des Treibstoffs. Diese würde dann die zweite Zündsequenz durchführen. Damit wären dann Missionen wie sie die NASA im Constellation Programm plant (Besatzung und Ausrüstung getrennt gestartet).
Kostenabschätzungen
Ich denke die Entwicklungskosten wären aufgrund der weitgehend unverändert übernommenen Elemente überschaubar. Man braucht eine neue Startrampe, schon alleine weil die Öffnungen für die Raketentriebwerke woanders sind als bei der Ariane 5.
Die Produktionskosten sind abschätzbar. Unter der Annahme, das bei einer Ariane 5 von den Produktionskosten
- 25% auf die Booster
- 20% auf die Oberstufe
- 10% auf VEB und Nutzlastverkleidung
- 45 % auf die EPC entfallen
wären die Kosten dieser Moon-Ariane 5 zu berechnen nach: 7 x 45 % + 12 * 25 % + 10 % = 625 % einer Ariane 5 und somit bei rund 684 Millionen Euro.
Auf der anderen Seite senkt die höhere Stückzahl die Herstellungskosten. Nimmt man zwei Starts pro Jahr an, so bedeutet dass eine dreimal höhere Produktionsrate gegenüber der Ariane 5. Nimmt man eine Erfahrungskurvenwert von 75%, so sinken die Produktionskosten auf 63,3 % des Wertes bei derzeit sieben produzierten Ariane 5 pro Jahr, also 433 Millionen Euro – viermal so teuer wie eine Ariane 5 oder so teuer wie ein Space Shuttleflug, also durchaus bezahlbar. (Als Nebeneffekt sinken natürlich auch die Produktionskosten der normalen Ariane 5 auf 63,3%…
Der Nutzen einer ausfahrbaren Düse besteht ja in der Gewichtseinsparung beim Stufenadapter. Bei einer parallelen Anordnung der Stufen gibt es den in dieser Form aber gar nicht. Es läßt sich damit nichts einsparen. Das Triebwerk wird damit nur unnötig schwerer, teurer und störanfälliger. Eine feste Düsenverlängerung wäre also besser.
Für eine verkürzte EPC als zusätzliche Oberstufe ist eine ausfahrbare Düse aber wirklich sinnvoll.
Noch eine Optimierung wäre möglich: Das Triebwerk der zentralen Stufe wird schon beim Start gezündet, arbeitet aber mit Treibstoff aus den EPC im Ring. Erst kurz vor dem Brennschluß der äußeren Stufen wird auf den eigenen Tank umgeschaltet. Hätte ganz nebenbei auch noch den Vorteil, daß alle Triebwerke schon beim Start getestet werden können und erhöht damit die Zuverlässigkeit.
Für die EPC die am Boden gezündet werden ist eine ausfahrbare Düse nötig, weil der Düsenmündungsdruck immer höher als der Umgebungsdruck sein muss und das wäre sonst nicht gegeben.
Was passiert denn wenn das Entspannungsverhältnis größer ist als es der Mündungsdruck zuläßt? Die Strömung löst sich schon vor der Düsenmündung von der Wand. Praktisch bedeutet das doch nur, daß die wirksame Düsenmündung schon vor der physischen Düsenmündung kommt. Das Endstück der Düse ist also wirkungslos und wird nutzlos mitgeschleppt. Was sich bei einer ausfahrbaren Düse aber auch nicht ändert. Die ganze Zeit bis der Außendruck entsprechend weit abfällt ist die Düsenverlängerung nur Ballast, egal ob ausgefahren oder nicht.
Prinzipiell wäre ein beim Start zu langes Triebwerk durchaus möglich. In der Praxis bringt das aber keine Vorteile, weil der damit mögliche Leistungsgewinn nur gegen Ende der Brennzeit auftritt, und die höhere Startmasse nicht kompensieren kann. Was bei einem Triebwerk das längere Zeit in großen Höhen arbeitet schon anders aussieht.
Noch eine Möglichkeit der Leistungssteigerung: Die EPC ist dick genug, auch 3 Feststoffbooster dranzubauen. Um die Bbeschleunigung nicht zu hoch werden zu lassen sollten dann beim Start nur 2 davon gezündet werden, und der dritte erst nach dem Abwurf der ersten Beiden.
… und es gibt die Gefahr der Ausbildung einer turbulenten Strömung im unteren Teil der Düse, was dieser nicht besonders gut tut.
Bei meinem Konzept bilden die 6 äußeren EPC einen Ring um die zentrale. Booster kann man also nur an der Außenseite anbringen und dann wird es dann mit dreien schon etwas eng
Für Mond und Marsflüge gab es in diesem Blog schon mehrere Lösungen, die mich rein technisch/ wirtschaftlich mehr angesprochen haben.
1. Ansatz mit 10 sek längerer Boosterbrennzeit
2. Ansatz zur Nutzlaststeigerung beim ATV durch Weglassen der Oberstufe bzw. integration des Triebwerks in den ATV (wobei ATV nur Namen für neu zu entwickelnde selbstandockende Module)
3. Mehrere Starts und Kopplung der Module
4. Flugbahnen mit Ionenantrieb.
Bei der jetzt beschriebenen Lösung sehe ich als größtes Problem die Entwicklungskosten. Auch wenn sich die Entwicklungskosten im Vergleich zu einer kompletten Neuentwicklungen in Grenzen halten, so muß doch eine derartige Bündelung genau durchgerechnet werden, notwendige Modifikationen treten auf, und dann kommen noch die Tests und die Qualifizierungsflüge und der Umbau des Startkomplexes.
Bei einer Leistungssteugerung der Ariane5 und mehreren Starts pro Mondflug entfallen die auf den Mondflug zu rechnenden Entwicklungskosten bzw sie werden durch die normalen Starts mit erhöhter Nutzlast bezahlt. Die sonst fälligen Mehrkosten könnten in die Neuentwicklung der Antriebs/Wohn/Lagermodule investiert werden.
@Bernd: Bei der Boosterzahl hast du recht, ich hatte irgendwie einen größeren Durchmesser der EPC im Gedächtnis.
Turbulenzen treten aber auch beim „vorschriftsmäßigen“ Betrieb in größeren Höhen auf. Ob die beim Start so viel stärker wärenn kann wohl nur ein Experiment entscheiden. Und das dürfte etwas teurer werden als wir uns leisten können.
@Martin: Ionenantriebe haben leider einen entscheidenden Nachteil: Die recht geringe Beschleunigung. Für Flüge zum Mars oder noch weiter durchaus geeignet, aber für Kurzstrecken wie zum Mond verlängern sich dadurch die Flugzeiten erheblich. Bei Mondmissionen also nur für unbemannte Materialtransporte möglich.
Zwei unterschiedliche Transportsysteme zu entwickeln ist aber recht teuer. Das würde sich nur bei entprechend vielen Flügen lohnen, zum Beispiel bei Aufbau und jahrzehntelangen Betrieb einer ständig bemannten Mondstation.
Eine Leistungssteigerung der Ariane rechnet sich nur, wenn auch entsprechend schwere Nutzlasten vorhanden sind. Im Moment sieht ea aber nicht danach aus, im Gegenteil, die geplante Ariane 6 soll sogar kleiner werden.
@elendsoft: ich habe bei meinem Vorschlag auf http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2009/01/29/mit-ionentrieebwerken-zum-mond/ zurückgegriffen.
Da Europa keine bemannte Raumfahrt hat kam für mich sowiso nur der Start von unbemanntn Modulen in Frage. Eine Schwerlastrakete wie im Blog vorgestellt kommt auch nur für Großprojekte mit vielen 100 t Transportvolumen in Frage. Für mich stellt sich die Frage, warum Schwerlastrakete und nicht Raumschlepper.
Setzt man eine Leistung der Ariane5 mit ESC-B von 12t in GTO und ca 24 t LEO (siehe http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2009/03/05/vorschlaege-fuer-das-atv-und-die-iss/) an ergeben sich die maximalen Modulgewichte für den Ausbau einer Mondstation. Damit ergeben sich natürlich für den Raumschlepper entsprechend geringere Nutzlasten.
Zur Ariane 6 ist nur zu sagen, dass sie für mich ein GAU (großer ausgemachter Unsinn) ist. Da werden Unsummen in die Entwicklung einer Rakete gesteckt, die dann weniger kann als ihre Vorgängerin. Wenn nicht genug Satelliten für wirtschaftliche Doppelstarts zur Verfügung stehen, warum sollte dann eine wirtschaftliche Menge von Satelliten für 2 Raketen vorhanden sein, oder soll die Ariane 5 mit 20 t LEO dann ausgemustert werden. Ein solches Ansinnen kann nur auftauchen, wenn die Entwicklungskosten von der Allgemeinheit getragen werden.