Ariane 5 oder Ariane 6?
Arianespace kam in der letzten Zeit in die Schlagzeilen. Zuerst benötigte das europäische Trägerprogramm über 5 Jahren eine Finanzspritze von jährlich rund 200 Millionen Euro im Rahmen des EGAS Programms. Mit diesem Geld sollte die Industrie auch ihre Produktion optimieren, sodass die Zuschüsse in Zukunft nicht mehr nötig sind. Doch anders als Arianespace versprach, reicht dazu eine Startrate von sieben Starts der Ariane 5 nicht aus und nun sind wieder Zuschüsse in der Höhe von 120 Millionen pro Jahr nötig, nachdem Arianespace 2010 in die roten Zahlen rutschte. Schuld dran soll auch sein, dass es immer schwieriger wird für einen großen Satelliten einen kleinen, leichteren zu finden und so die Doppelstarts weniger werden. Und dann fordert Arianepace Chef Le Gall, natürlich gleich einen Nachfolger, denn dann doch bitte der europäische Steuerzahler finanzieren soll.
Nun ich habe das Thema schon mal aufgegriffen. Meiner Meinung nach gibt es keinen Grund für die Ariane 6. Denn:
- erstens: wer weiß ob sie billiger als die Ariane 5 wird? Diesen Anspruch hatte ja auch die Ariane 5 gegenüber der Ariane 4 und sie konnte ihn nicht einlösen
- zweitens: Ariane 6 soll zwischen 3000 und maximal 8000 kg (abhängig vom Konzept) in den Orbit befördern. Sie wird wenn man gleich an sie ran geht vielleicht in 10 Jahren zur Verfügung stehen. Glaubt denn Le Gall ernsthaft, dass bis dahin die Kommunikationssatelliten nicht auch schwerer werden? Bisher stieg das Gewicht in 30 Jahren um rund 200%. (größte Satelliten: 1981 rund 1800 kg, heute 7000 kg). In 10 Jahren werden dann viele Satelliten mehr als die 8 t wiegen und dann ist die Ariane 6 schon zu klein.
- drittens: Ich denke mal die Entwicklung wird einige Milliarden Euro kosten, dafür kann man sehr, sehr lange die Ariane 5 subventionieren.
Das Grundproblem und das wird Ariane 6 auch nicht beseitigen können, ist das die Konkurrenz heute aus Russland und China kommt. Ländern mit einem anderen Lohnniveau als die USA und Europa und das ist bei einer Fertigung eines Gutes in kleinen Stückzahlen mit hohem Anteil an Lohnkosten eben ausschlaggebend.
Es gibt nun zwei Möglichkeiten: entweder wir akzeptieren eine Dauersubvention der Ariane 5 oder wir suchen nach Möglichkeiten den Start pro Kunde billiger zu machen. Auch wenn die Minister meist für das letztere sind, schließlich geht es ja um Industrieförderung (Deutschlands Widerstand gegen die Ariane 6 kommt ja vor allem aufgrund der Tatsache, dass die ESC-B Oberstufe in Bremen gebaut werden würde, während man bei der Ariane 6 noch kein großes Paket zugesprochen bekommen hat). Aber sind wir mal realisitisch: Die US-Trägerraketen leben heute zu 100% von staatlichen Aufträgen, bei Russland sind es rund 75% und bei China waren es auch mal 100% und jetzt sind es vielleicht 80-90%. Dagegen machen die ESA Starts bei Ariane 5 vielleicht 10-20% aus. Ariane 5 ist der einzige Träger der in diesem Maße vom kommerziellen Markt abhängig ist. Das bedeutet auch, dass die anderen Länder auf einen oder zwei Aufträge eher verzichten können als Arianespace. Verglichen mit den USA, die jährlich über 1 Milliarde Dollar alleine an Boeing und LM an Subventionen zahlen sind die 120 Millionen Euro ein Klacks. Vielleicht ist es daher eine niedrige Dauersubvention die bessere Lösung.
Das zweite ist es die Ariane 5 auszubauen um die Doppelstartfähigkeit zu erhalten. Die ESC-B Oberstufe wird die GEO Nutzlast auf 12 t erhöhen. Noch etwa 1 t mehr können CFK-Booster bringen und das Haupttriebwerk wenn es durch ein schubstärkeres Vulcain Mark III ersetzt wird auch nochmals 700 – 2.500 kg. (Siehe dieser Artikel von mir). Das ergibt dann zusammen rund 14-15 t GTO, wie die CNES schon 2002 in ihrer Ariane 2010 initiative darlegte. Dann ist Ende der Fahnenstange. Ich plädiere aber nachdem ich bei EADS Pläne für eine Ariane 5 mit 50 t LEO-Nutzlast und 6 Boostern sah für einen anderen Weg. Ich dachte immer, mehr Booster verbieten sich wegen der dadurch induzierten Vibrationen und sehr hohen Spitzenbeschleunigung, aber wenn EADS selbst so ein Konzept vorschlägt, warum es dann nicht für die normale Ariane verwenden? Die Booster sind die preiswertesten Teile an der Rakete. Das ist nicht ganz unwichtig und man kommt in höhere Stückzahlen. Für mein Buch „Europäische Trägerraketen 2“ habe ich mal durchgerechnet was es bringt. Dabei habe ich folgende Rahmenbedingungen angesetzt:
-
Voll-/Leermasse der Booster und Oberstufen analog der Ariane 5 ECA/ECB
-
Pro Boosterpaar 1.000 kg Gewichtszuschlag bei der EPC, um höhere Belastungen aufzufangen
-
Identische Endgeschwindigkeit für den Orbit, mit Ausnahme der X+2 Konfigurationen (-200 m/s)
|
Konfiguration |
Boosterzahl |
Maximale |
Nutzlast |
Nutzlast |
|---|---|---|---|---|
|
2 Booster |
2 |
42 m/s |
10.000 kg |
11.600 kg |
|
4 Booster |
4 |
56 m/s |
13.700 kg |
16.000 kg |
|
6 Booster |
6 |
64 m/s |
15.900 kg |
18.800 kg |
|
8 Booster |
8 |
70 m/s |
17.300 kg |
21.000 kg |
|
4+2 Booster |
6 |
24 m/s / 47 m/s |
21.600 kg |
25,000 kg |
|
6+2 Booster |
8 |
32 m/s / 47 m/s |
25,400 kg |
29.800 kg |
Die „4+2“ und „6+2“ Konfigurationen sind dahingehend zu verstehen, dass zuerst vier (bzw. sechs) Booster gezündet werden und erst nach deren Ausbrennen die restlichen zwei. Vier Booster reichen aus, um eine Startbeschleunigung von 1,18 g, sechs, um eine von 1,35 g zu ermöglichen. Das entspricht der Einführung einer neuen Stufe, und es verringert die Gravitationsverluste, da nun die Booster 264 s lang brennen (daher die um 200 m/s niedrigere Endgeschwindigkeit). Die hohe Leermasse der ESC-B Oberstufe wirkt sich nun weniger stark aus. Die Nutzlast steigt dadurch überproportional an.
Man sieht, dass man so zu beträchtlichen Nutzlaststeigerungen von bis zu 250% kommt. Ja man bräuchte nicht mal die ESC-B Entwicklung aufnehmen, denn schon die ESC-A würde ausreichen. Heutige Trägerraketen haben Spitzenbeschleunigungen von 55 m/s (z.B. bei der Atlas V). Damit wäre eine Kombination mit 4 Boostern möglich oder die x+2 Kombination. Diese ermöglicht schon mit der heutigen ESC-A Oberstufe enorm hohe Nutzlasten.
Die (6+2) oder (4+2) Kombinationen sind natürlich sehr reizvoll, weil sie satte Nutzlaststeigerungen versprechen, doch werden sie sicherlich nicht in absehbarer Zeit benötigt werden. Doch sehe ich keinen Grund eine Kombination mit 4 Boostern nicht näher zu untersuchen. Die EPC wäre strukturell zu verstärken, doch das habe ich oben schon erläutert, da EADS annimmt man könnte sie auch auf einen Shuttle SRB setzen (für die Liberty Rakete), wo der Schub nur von unten kommt, was eine größere Belastung ist als wie bisher (oben am Stufenadapter und unten am Schubgerüst) denke ich, ist es nicht unmöglich. Es müsste die Startplattform umgebaut werden, vor allem der Flammenschacht.
Denkbar wäre auch eine Version mit 3 Boostern, die dann zwischen der heutigen Ariane 5 und der Version mit 4 Boostern legen würde (so bei de Nutzlast der ESC-B Variante). Das wäre dann eine Möglichkeit die Ariane 5 wechselnden Nutzlasten anzupassen wie dies noch bei der Ariane 4 möglich war.
Einen Nachteil hat diese Lösung aber: Der Nutzlastbereich wird nur nach oben hin erweitert.
Wenn man mit der verfügbaren Technik einen Raketen-Baukasten aufstellen will, bietet sich noch eine andere Lösung an: Die Vega mit Ariane-Boostern kombinieren. Je nach Bedarf ein einzelner Arianebooster oder ein Bündel aus 3 bis 7 Boostern kombiniert mit den Stufen von der Vega. Ähnlich wie bei der Connestoga, nur eine Nummer größer.
Der Entwicklungsaufwand dafür müßte relativ gering sein. Als Einziges müßte der Stufenadapter zwischen Ariane-Booster und der ersten Stufe der Vega völlig neu entwickelt werden. Alles Andere wären nur Anpassungsarbeiten an schon vorhandenen Komponenten. Also längere Schubdüsen bei den Oberstufen, gerade Schubdüse beim zentralen Ariane-Booster und geänderte Boosteraufhängung, statt an der EPC eben an einem anderen Booster.
Man bekommt so zu einem Entwicklungspreis der warscheinlich niedriger ist als für ein neues Triebwerk gleich eine ganze Raketenfamilie. Damit wird ein Nutzlastbereich überstrichen, der etwa von dem der Sojus bis zu über 30 t für LEO-Missionen reicht. Und für GTO setzt man eben noch eine 4. Stufe drauf. Dazu kommt, daß auch in der Produktion nur geringfügige Änderungen nötig sind. Was sicher auch noch Kosten spart.
Wobei für schwerere LEO-Missionen ein vergrößertes AVUM sinnvoll wäre. Eventuell mit einem abwerfbaren Zusatztank, ähnlich wie bei der russischen Breeze. Für den Start von Nachrichtensatelliten kann man aber auf das AVUM ganz verzichten. Schließlich haben die ja einen eigenen Antrieb. Da wäre es wohl billiger einfach die Treibstofftanks des Satelliten etwas größer zu machen, als noch eine zusätzliche Stufe mitzuschleppen.
Nun ohne Cluster von EAP gab es diese Planungen ab 1998 als „Medium Launcher“. Mit den damaligen Oberstufe der Vega hätte diese Rakete je nach Oberstufe (Zefiro 7, EPS, H10) 3,5 bis 5,5 t in den SSO transportiert (Ariane 5: 13 t in SSO, Vega 1,5 t in SSO). Mit den heutigen, etwas leistungsfähigeren Stufen wäre sogar etwas mehr möglich.
Aber dann begann ja Frankreich seine Pläne stattdessen die Sojus vom CSG aus zu starten durchzusetzen…..
Arianespace eiert auf Kosten der Steuerzahler ziemlich rum. Erst wird eine Zusammenarbeit mit den Russen als eierlegende Wollmilchsau gefeiert, und es muss auf Kosten der Steuerzahler ein Startplatz für die Sojus gebaut werden, nun ist es wieder die Ariane 6, die unbedingt nötig ist.
Gleichzeitig fehlen die Mittel, um die Ariane 5 zu modernisieren. Das Geld der Franzosen hätte schon einen großen Teil der Kosten für die restlichen Tests des VINCI bedeutet. So wurde wieder nur Papier produziert. Es gibt Studien, wie die Ariane 5 entweder 25% billiger gefertigt werden, oder ihre Leistung entsprechend gesteigert werden kann. Auch dafür wurde Geld ausgegeben.
Zu den angeführten Gründen
1. Andere Nationen machen Neuentwicklungen
Dazu ist nur zu sagen solange keine komplett neue Technologie verwendet wird, oder komplett andere Zielvorgaben ist eine Weiterentwicklung die günstigere Lösung um von A nach B zu kommen.
2. Eine Rakete für alles
Das kann nicht sinnvoll sein, da Raketen hochoptimierte technische Geräte sind, bei denen ein zu breites Einsatzspektrum zu Nachteilen führt.
Eine Rakete, die gleichermaßen 20t in den LEO bringt und 3 t in den GTO kann unmöglich für beides optimiert sein. Wenn aber die Neue Rakete nicht alles abdecken kann, dann müssen 2 unterschiedliche Typen nebeneinander betrieben werden. Das bedeutet doppelte Startmannschaften, doppelte Startstellen etc.
Nochmal in CSG wird gestartet die VEGA, die Sojus, Die Ariane 5 und dann auch die Ariane 6.
Der gute Herr hat es leicht Forderungen nach Neuentwicklungen zu stellen, die dann durch die Öffentlichkeit bezahlt werden sollen. Eine Amortisation der Entwicklungskosten durch Einsparungen bei der geringen Stückzahl eingesetzter Raketen kann man sich sowiso abschminken.
So jetzt zu den Vorschlägen mit mehreren Boostern.
Ich könnte mir auch gut noch eine Lösung mit 2 verschiedenen Boostertypen vorstellen. 2 schnell abbrennende Booster mit hohem Schub, und 2 langsam abbrennende Booster mit geringerem Schub. Wenn dann z.B. die ersten 2 Booster nach 100 sek abgeworfen werden und die anderen 2 Booster z.B. 150 sek brennen wäre die max Beschleunigung geringer, und es würde trotzdem eine größere Nutzlast erreicht.
Das mit langsam abbrennenden Boostern ist nicht so einfach möglich. Der Schub ist im wesentlichen eine Frage der Geometrie, d.h. es brennt linear eine Schicht ab. Man kann aber nicht die Booster beliebig dick machen (also nicht lange Spargel sondern dicke Tonnen), weil man ja zum Abheben einen hohen Anfangsschub braucht. Die EAP sind mit 132 s schon Typen die eine lange Brennzeit aufweisen. Nur die Titan 4B Booster brennen mit 144 s etwas länger. Zudem müssten diese neu entwickelt werden.
Hinsichtlich Le Gall teile ich deine Einschätzung zu 100%. Allerdings ist es mit der Optimierung nicht so schlimm wie Du es darstellst. Eine Rakete mit hoher GTO Nutzlast hat immer auch eine hohe LEO Nutzlast und das ist ja bei Ariane 5 gegeben. Nur umgekehrt (Taurus II, Falcon 9) ist es nicht immer gegeben.
Ich habe leider keine Aufstellung zu den Kosten der einzelnen Stufen der Ariane 5 gefunden, deswegen kann ich nur Vermutungen anstellen.
Aber in der derzeitigen Situation ist das was eigentlich fehlt eine Möglichkeit für weniger Geld mit der Ariane 5 eine etwas kleinere Nutzlast zu starten. An den Boostern liegt es wohl nicht, da sie anscheinend die billigsten Teile sind.
Bleiben noch die erste und die zweite Stufe.
Die zweite Stufe wird wohl keinen so großen Anteil an den Kosten ausmachen, dass die kostspielige Neuentwicklung einer billigeren Stufe für den gelegendlichen Einsatz großartigen Sinn machen würde.
Wenn die EPC das teuerste ist (wovon ich ausgehe), dann könnte man überlegen, ob man diese durch einen billigen Feststoffbooster ersetzen könnte – der für den Vakuumbetrieb ausgelegt ist und nach den beiden anderen Boostern gezündert werden. Ähnlich wie der Vorschlag die Vega zum Cluster auszubauen, nur auf Basis der Ariane. Aber auch hier ist die Frage, ob die Nachfrage und die Einsparung pro Start die Entwicklungskosten rechtfertigt.
Eine andere Möglichkeit wäre, ein möglichst einfaches Vulcain III mit kleinerer Leistung zu entwickeln, von dem man mehrere in die EPC einbauen und entsprechend der Nutzlast ein bis zwei weglassen oder hinzufügen kann.
Aber wahrscheinlich am sinnvollsten ist: Abwarten und Tee trinken. Ein paar Jahre lang weiter die Ariane 5 subventionieren und darauf warten, dass die Satelliten schwer genug werden um dann einzelne profitabel in den Orbit zu bringen. Selbst wenn man nur 500 Millionen Euro für eine neue Variante ausgeben muss, kann man mit der gleichen Geldmenge locker eine Durststrecke von 4-5 Jahren überbrücken …
Wenn man mehrere Triebwerke einsetzen will braucht man kein Vulcain III, das geht auch mit zwei Vulcain 2. Der Vorteil ist dass die recht ausgeprägten Gravitationsverluste reduziert werden und man trotzdem eine noch etwas größere Oberstufe transportieren kann.
Der Große Feststoffbooster ist ja eine der Ideen für die Ariane 6….
Das löst aber nicht das Problem, dass man zur Zeit keine kleineren Nutzlasten zu entsprechend kleineren Preisen transportieren kann.
Es ist Besserung in Sicht: aus
http://www.space-travel.com/reports/Long_cramped_road_trips_ahead_for_US_astronauts_999.html
über die Starts zur ISS mit der Sojus:
„And when they do, they will be hitching a ride aboard a Soyuz space capsule at a cost of $51 million per seat next year. In 2013 the cost goes up to $55.9 million, and in 2014 it rises to $62.7 million.
NASA has said the increase covers „general inflation in Russia in the cost of providing the services,“ at a rate of about 8.5 percent.“
Wenn das wahr wäre, würde ja auch die Proton pro Jahr um 8,5 % teurer werden. Der derzeitige Zuschuss beträgt rund 12% des Umsatzes von arianespace und so müsste ja eigentlich in 2 Jahren kein Zuschuss mehr nötig sein, denn bei uns liegt die Inflation nicht bei 8,5% – nur glaube ich nicht an die Begründung ….
(Sehe den Artikel erst jetzt)
Wie Martin_M finde ich die maximalen Beschleunigungen bei der 4- und 6-Booster-Variante sehr hoch. Hier zugleich mit „kurz brennenden“ Boostern (die müssten eine etwas größere Düse bekommen; evtl. auch gleich mit etwas weniger Festtreibstoff befüllt werden, und natürlich mit Festtreibstoff, der schneller abbrennt) und zusätzlich mit „lang brennenden“ Boostern (etwas kleinere Düse, langsam abbrennender Festtreibstoff) zu operieren, würde die maximalen Beschleunigungen etwas senken. Die größten Design-Schwierigkeiten sehe ich dann in der Booster-Aufhängung, denn kurz vor Brennschluss der „schnellen“ Booster sind die „langsamen“ ja noch recht schwer, und die „langsamen“ Booster ziehen an der Gesamtstufe quasi nach „unten“, weil sie aus eigenem Antrieb langsamer beschleunigen als der Rest (Zentralstufe, Oberstufe, Nutzlast und die fast leeren „schnellen Booster).
Wenn man den Booster-Innendruck gleich hält, sollten die Anpassungen für „schnelle“ und „langsame“ Booster aber überschaubar sein. Hinzu kommen natürlich die Anpassungen an der EPC, um die höheren Kräfte aufzunehmen. Und nicht nur der Flammenschacht am Startkomplex, auch die beiden Gebäude für die Errichtung der Rakete und der Integration der Nutzlast müssten wahrscheinlich neu gebaut werden, da dort die EPC inklusive Booster-„Ring“ vermutlich nicht reinpasst. Billig wird das Booster-Programm also nicht.
Zudem hege ich den Verdacht, dass Du Dich verrechnet hast: Die Variante 4 2 (also erst 4 Booster zünden, dann nochmal 2) statt 6 (sofort gezündeten) Boostern soll ca. 6 Tonnen mehr Nutzlast bringen? Hast Du hier nicht faktisch 6 2 und 8 2 statt 4 2 und 6 2 durchgerechnet?
Kai
Es gibt die Suchfunktion (mit Google, damit finde ich fast alle Aufsätze an die ich mich nur dunkel erinnere (bei 1766 Stück kann man den Überblick verlieren)
Die höhere Nutzlast kommt auch dadurch zustande, das ich wie bei der Einleitung beschrieben 200 m/s niedrige Gravitationsverluste anrechne. Ariane 5 hat sehr ausgeprägte von rund 2200 bis 2400 m/s Gesamtverlust je nach Version, bei der Ariane 4 waren es noch unter 1.500 m/s.
Die Falcon 9 hat übrigens eine Spitzenbeschleunigung von 6 g. Wenn Du etwas suchst wirst Du auch einen Plan für einen länger brennenden EAP finden.