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%…