Alle bauen größer, nur Europa kleiner

Auf diesen Nenner könnte man die jüngeren Raketenentwicklungen bringen. Wir haben ja derzeit eine Reihe von Raketen in der Entwicklung die ich mal in diesem Blog vergleichen will. Alle größeren Weltraumnationen planen neue Raketen, die USA sogar mehrere unterschiedliche Modelle.

Die Modelle

Fangen wir mal an mit der Aufzählung der neuen Varianten. In den USA sind es folgende:

• Die Falcon Heavy soll als Clustervariante der Falcon 9 54,4 t in den LEO und 22.2 t in den GEO transportieren. Angekündigt für einen Erstflug Ende 2013 hinkt sie, obwohl man ja eigentlich nur drei Falcon 9 bündeln müsste, nun vier Jahre hinterher. Die Falcon 9 soll in der nächsten Version der Spiralentwicklung der „Block 5“ auch 8,3 t in den GTO erreichen.
• ULA hat als Reaktion die Vulkan prognostiziert. Sie ist in der ersten Variante nur eine verbesserte Atlas mit einem US-Triebwerk (dem BE-4 oder AR-1 anstatt RD-180) und etwas größeren Boostern. Später soll eine neue Oberstufe, die ACES die Nutzlast von 22 auf 35 t LEO und 11 auf 17 t GTO steigern.

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  Nun angekündigt ist die New Glenn von Blue Origin. Sie ist zweistufig, mit acht BE-4 Triebwerken in der Ersten und einem in der zweiten Stufe. Ihre Nutzlast soll 45 t in LEO und 13 t in den GTO erreichen.

• Auch Orbital will eine neue Rakete bauen, Basis ist in der ersten Stufe ein Shuttle SRM, eventuell unterstützt von weiteren Boostern und eine kryogene Zweitstufe mit dem BE-3 Triebwerk. Nutzlast noch unbekannt aber wahrscheinlich eher in Richtung <20 t LEO. Orbital erwartet eine Entscheidung der USAF über die (Mit)finanzierung in der nächsten Zeit.
• Russland bereitet gerade den Übergang auf die Angara vor. Geflogen ist bisher die Angara 1 und 5. Die Angara 3 mit einer Nutzlast zwischen beiden wird wohl niemals kommen und verschiedene Varianten der Angara 7 sind geplant. Basis ist eine neue Erststufe, die URM-1 mit dem RD-191 Triebwerk. Die Zahl bei der Version gibt die Anzahl der URM in der ersten Stufe an. Die zweite Stufe URM-2 verwendet das Triebwerk des Block I, RD-0124. Sie ist aber etwas größer. Dazu kommt die schon bekannte Breeze M der Proton als dritte Stufe für GTO/GEO-Missionen. Weitere Stufen und auch eine kryogene Zentralstufe für die Angara 7 werden zwar geplant, es fehlt jedoch an Mitteln, sie umzusetzen. Die Mittelknappheit ist ein Dauerthema bei der Angara. Pläne für diese Rakete gibt es schon seit 20 Jahren. Der Jungfernflug erfolgte schon 2013 und seitdem gab es gerade mal drei Einsätze. Die Einführung wird sich daher noch hinziehen. ILS rechnet mit einem Ausmustern der Proton z.B. erst nach 2025. Die Angara 5 kann 24,5 t in den LEO und zwischen 5,4 und 7,5 t in den GTO transportieren. Die Angara 7 wird zwischen 35 und 40,8 t in den LEO und 12,5 bis 19 t in einen GTO transportieren.
• China baut nach dem Baukastenprinzip derzeit die Langer Marsch 5,7 und 8. Die für GTO-Transporte vorgesehene Langer Marsch 5 kann je nach Boosterzahl zwischen 6 und 14 t in den HTO transportieren. Mit dieser Rakete hat China auch ein neues Startzentrum auf der Insel Hainan eingeweiht. Es liegt geografisch günstiger und die Aufstiegsbahn führt nun vollständig über das Meer. Beides steigert die Nutzlast. Die Rakete hatte letztes Jahr ihren Jungfernflug. Das Programm hatte sich aber um mehrere Jahre verzögert. Seitdem wurden aber zahlreiche neue Modelle auch kleinerer Raketen eingeführt.
• Indien hat ebenfalls mit größeren Verzögerungen, auch bedingt durch Fehlstarts des Vorgängermodells GSLV Mark II nun die LVM3 (früher: GSLV Mark III) bereit für die Einführung. Ein suborbitaler Start der ersten beiden Stufen war schon vor zwei Jahren erfolgreich. Die dritte Stufe ist nun auch einsatzbereit. Die GSLV Mark III soll 4,2 t in den GTO transportieren – die doppelte Nutzlast des Vorgängemodells für die Größe der Rakete aber relativ wenig.
• Japan plant als Ersatz für die H-IIA die H-3. Sie soll vor allem günstiger sein. Mit vier Boostern transportiert sie ab 2020 6.500 kg in den GTO transponieren.
• Zuletzt plant noch Europa die Ariane 6. In zwei Versionen mit zwei oder vier Boostern wird sie 6 bzw. knapp 11 t in den GTO transportieren. Technisch ähnelt sie der Vulkan – sie ist eine Evolution der Ariane 5 mit neuen Boostern und neuer Oberstufe, ähnlich wie sich die Vulkan aus der Atlas entwickelt hat.

Soviel zu den Modellen. Alle (bis auf eines) haben eine höhere Nutzlast als ihre Vorgängermodelle. Die einzige Ausnahme ist die Ariane 6 die in etwa die gleiche Nutzlast wie die Ariane 5 ECA beim größeren Modell erreicht. Um die geht es in diesem Blog.

Ist die Ariane 6 fit für die Zukunft?

Die Entwicklung der Ariane hat sich schon immer nach dem vorhandenen Markt oder Marktprognosen gerichtet. Ariane 1 wurde entwickelt um die Nutzlast der Atlas Centaur zu erreichen, für die Auslegung der Nutzlasthülle und Nutzlastmasse waren z.B. die Intelsat IVA Satelliten als Referenz vorgegeben. Sie waren die damals schwersten Satelliten. Die Weiterentwicklung zur Ariane 2 und 3 orientierte sich dann wiederum an der US-Konkurrenz. Die Ariane 2 sollte einen Einzelsatelliten der Intelsat VA Satelliten transportieren können und die Ariane 3 zwei Nutzlasten der Delta 3914, dem damals am häufigsten kommerziell eingesetzten Modells.

Ariane 4 sollte es ermöglichen nun eine der größeren und eine der leichtere Nutzlasten parallel zu transportieren sowie in mehreren Varianten auch schwere oder leichtere Nutzlasten dazwischen.

Ariane 5 entstand primär für das damals aktuelle bemannte Programm der ESA, jedoch hatte man auch Marktprognosen das die Satellitenmassen Mitte der Neunziger auf 3,5 bis 4,5 t ansteigen würden und so sollte sie dafür gerüstet sein. Die Weiterentwicklung sollte dann auch einen Doppelstart bei den größeren Satelliten ermöglichen die nun bis zu 6 t Masse erreichen.

Die ESC-B als weitere Oberstufe wurde mehrmals verschoben, als Anfang des Jahrtausends die Satellitenmassen langsamer anstiegen. Die Starts in den letzten zwei Jahren zeigen aber einen gegenläufigen Trend. Es gibt immer mehr Satelliten der 6 t Klasse, die vorher eher selten waren, dafür gepaart mit einem leichteren Satelliten der 3,5 t Klasse. Für einen 4,5 t Satelliten fehlt schon die Nutzlastkapazität. Die ESA hat zwar eine Small-Geo Plattform finanziell unterstützt, die um 3 t Startmasse hat, doch ob diese ein großes Marktsegment einnehmen wird, ist noch offen.

In den letzten Jahrzehnten war es so das sich die Startmassen von Satelliten an den verfügbaren Trägern orientierten. Ein Betreiber eines Satelliten hatte als Wunsch das er mit zwei unterschiedlichen Trägern gestartet werden kann. Das gab Sicherheit, wenn ein Träger „gegroundet“ ist auch wenn die Träger davon sehr unterschiedlich betroffen sind, z.B. Ariane 5 und Atlas seit über 10 Jahren nicht davon betroffen wurden, während das bei der Proton alle 1-2 Jahre passiert. Mit der Zenit, Proton und Ariane 5 als Standardträger in den letzten 15 Jahren lag die maximale Nutzlastmasse bei 6 t. 6 t das war die größte Nutzlast von Proton und Zenit. Wenn nun weitere Träger mit höherer Nutzlast verfügbar sind, so ist meiner Ansicht nach damit zu rechnen, dass die Nutzlast weiter ansteigt. Ein größerer Satellit ist meist effizienter bezogen auf den Transponder als ein leichterer. Wenn nun aber jetzt schon eine schwere Nutzlast nur mit einer leichten kombiniert werden kann, dann ist die Ariane 6, die ja erst in einigen Jahren zur Verfügung steht zu klein. Das kleinere Modell Ariane 62 mit 5,8 t in den GTO sogar zu klein für große Einzelsatelliten. Dabei wird diese Rakete ja dann für lange Zeit – Ariane 1-4 und Ariane 5 als letzte Familien werden waren/sind etwa 25 Jahre im Dienst alles starten müssen, was es gibt. Kurzum: Man wünscht sich eine größere Nutzlast. Entweder, indem man Marktprognosen macht oder, indem man sich an der Konkurrenz orientiert und das gibt, dann folgende Tabelle:

 

Träger	Nutzlast
Ariane 62	5,8 t
Ariane 64	10,9 t
GSLV	4,2 t
H-3	6,5 t
Falcon 9	8,3 t*
Falcon Heavy	22,2 t*
New Glenn	13 t
Angara 5 Breeze M	5,4 t
Angara 5 KTKV	7,5 t
Langer Marsch 5D	6,0 t
Langer Marsch 5E	10,0 t
Langer Marsch 5F	14,0 t
Vulkan Centaur	11,0 t
Vulkan ACES	17 t

Wenn man die GSLV herausnimmt, die bisher auch keinen kommerziellen Start hatte so liegt bei den anderen Modellen die Einzelstartnutzlast bei 6,5 bis 8.3 t. Die größeren Modelle die Doppelstarts zulassen zwischen 11 und 22,2 t, wobei die SpaceX Angaben für einen geneigten GTO Orbit ist mit 15-20% kleinerer Nutzlast für den Standard GTO. Wenn man die chinesischen Modelle wegen des Exportembargos ausnimmt, gäbe es bei 13 t GTO-Nutzlast mindestens zwei verfügbare Träger (New Glenn und Falcon heavy), bei Ausbau der Vulkan sogar drei. Man sollte die Nutzlast der Ariane 6 daher so auslegen, dass die Ariane 62 eine große Einzelstartnutzlast transportieren kann, also 7,5 bis 8,3 t Nutzlast aufweist und die Ariane 64 dann bei etwa 13-14 t liegt. Abzüglich der Verkleidung und des Adapters für den unteren Satelliten sind das dann 12,3 bis 13,2 t netto in den GTO oder heute zwei großen 6 t Satelliten mit Wachstumspotenzial das man in einigen Jahren dann einen schweren und einen mittleren und in fernerer Zukunft dann einen schwereren und einen leichten transportieren kann. Spätestens, wenn die Satelliten dann nur noch Einzelstarts zulassen, wird man die Ariane 7 fordern.

Meiner Ansicht nach hat die Ariane 6 auch diese Nutzlast, denn sie hat eine größere Startmasse als die Ariane 5, modernere und leichtere Booster und eine leistungsfähigere Oberstufe. Das man sie mit kleinerer Nutzlast projektiert kann ich mir nur mit gezielter Verschlechterung von Leistungsdaten erklären. Besser wäre es gleich so zu konstruieren, dass man die Nutzlast erreicht, auch wenn vielleicht die Investition in einige neue Technologien höher ist.