Einsatzmöglichkeiten des Prometheus bei Ariane 6 und Vega

Derzeit wird ja das Prometheus-Triebwerk entwickelt. Es ist prinzipiell ein Technologiedemonstrator, der das Ziel hat die Kosten pro Triebwerk stark zu senken. Es soll 1 Million Euro pro Stück kosten, etwa ein Zehntel der Kosten eines Vulcain 2, bei 30 % weniger Maximalschub. Ich halte den Vergleich nicht ganz fair, weil beide Triebwerke unterschiedliche Treibstoffe einsetzen und LH2 angetriebene Triebwerke immer teurer sind als welche mit Kohlenwasserstoffen. Das RS-25 kostete zur Shuttle Ära rund 40 Millionen Dollar pro Triebwerk, inzwischen ist angesichts der kleinen Produktionsrate für die SLS der Preis auf 146 Millionen Dollar angestiegen. Ich vermute der Preis von 1 Million Euro ist auch verknüpft mit einer entsprechend viel höheren Stückzahl pro Jahr.

Allerdings ist kein Einsatz des Prometheus geplant. Vielleicht mal in einer Ariane 7, die aber da wir noch nicht mal den ersten Start der Ariane 6 sahen, erst in fernerer Zukunft geben wird – bisher gab es rund 20 Jahre zwischen den Jungfernflügen von Ariane 1 – Ariane 5 und Ariane 6. Doch wenn wir das Triebwerk haben. Wie und wo könnte man es einsetzen?

Ein Problem ist der relativ kleine Schub von 1.000 kN. Das engt den Einsatzbereich ein. 1.000 kN Schub entsprechen einer „Hebekraft“ von 100 t. Wie viel man damit in der Realität „heben“ kann, hängt stark davon ab, welche Stufe es einsetzt. Eine Startstufe muss mit mindestens 1,2 g Beschleunigung abheben. Das entspricht 80 t. Für die zweite Stufe einer dreistufigen Rakete sind 0,8 bis 1 g üblich, das wären dann 100 bis 125 t. Bei der dritten Stufe reichen je nach Startgeschwindigkeit der dritten Stufe auch 0,2 bis 0,5 g also 200 bis 250 t.

Vergleicht man dies mit dem Schub der derzeitigen europäischen Raketen so ist klar das man für die erste Stufe jeweils mehrere Triebwerke braucht. Als ersten Einsatz habe ich daher das Ersetzen bzw. Ergänzen der zweiten Stufe bei Vega und Ariane 6 ins Auge gefasst.

Zuerst bei der Ariane. Da beide flüssig angetriebenen Stufen LOX/LH2 einsetzen, macht es in meinen Augen wenig Sinn sie zu ersetzen, die Nutzlast würde selbst bei Berücksichtigung der höheren Leermasse schlechter sein. Ich habe hier eine neue Stufe zwischen der Zentralstufe und Oberstufe eingeführt. Als zweite Stufe einer dreistufigen Rakete sollte diese mit mindestens 1 g beschleunigen. Bei einer maximal 27 t schweren Oberstufe 13 t Maximalnutzlast bleiben so 50 t für die Stufe übrig. Große LOX/Kerosinstufen erreichen ein Voll-/Leermasseverhältnis von etwa 17 ohne spezielle Bauweisen oder Legierungen. Methan macht etwa doppelt so große Treibstofftanks notwendig, dazu käme der Stufenadapter. Ich bin daher von einem (relativ leicht erreichbaren) Voll-/Leermasseverhältnis von 11 ausgegangen und habe die Masse auf 50 t voll betankt und 4,5 t leer angesetzt. Der spezifische Impuls des Triebwerks beträgt 360 s oder 3531 m/s. Der Schub 1.000 kN. Da offen ist ob es sich um Werte im Vakuum oder Meereshöhe handelt habe ich das ungünstigere angenommen, nämlich das es Werte im Vakuum sind. Ich denke aber es ist ein Bodenwert, denn das Mira Triebwerk (siehe unten) kommt im Vakuum auf 364 s. Das würde den Schub im Vakuum auf geschätzt 1077 kN steigen lassen.

Eine Simulation ergab aber das diese Stufe die Nutzlast zumindest für den GTO nicht steigert. Bei höheren Geschwindigkeiten, auf die jedoch nur wenige Starts entfallen, würde sich in Plus ergeben. Ebenso wäre denkbar für erdnahe Bahnen die Oberstufe mit dem Vinci Triebwerk wegzulassen und auch in diesem Falle würde die Nutzlast ansteigen. Insgesamt sind das aber nur wenige Starts. Das meiste das Ariane 6 befördert geht eben in den GTO. Da lohnt es sich nicht.

Als Nächstes habe ich mir die Vega vorgenommen. Die Vega ist komplexer aufgebaut. Es gibt Ingesamt vier Stufen. Eine maximal 95 t schwere Stufe (5 t für die Nutzlastspitze) wäre schwerer als alle drei bestehenden zusammen die zusammen etwa 53 t wiegen. Durch den hohen Schub des P120 Antriebs könnte die Rakete trotzdem rasant abheben. Also modellierte ich erst mal eine Vega mit einer 95 t Stufe plus 500 kg für die Avionik, die in der letzten Stufe steckt. Diese kommt ziemlich genau auf dieselbe Nutzlast wie die Vega C, nämlich 2,2 t in den 700 km Referenzorbit. Wie das? Nun die Stufe ist zwar leicht und der spezifische Impuls höher als bei den drei Stufen, aber es gelangt neben den 2,2 t Nutzlast noch die 9,5 t schwere Stufe in den Orbit. Das ist extrem ungünstig.

Doch das kann man ändern. Bei einer auf 45 t Masse reduzierten Stufe steigt die Nutzlast auf 2,8 t. Bei 35 t Masse auf 3 t. Bei immer kleineren Stufenmassen kommt nun ein anderer Faktor zum Tragen: die immer kürzere Brennzeit die es der Rakete schwer macht das Perigäum auf eine Mindesthöhe zu bringen. Wie bei der Vega müsste man energiezehrende Freiflugphasen einführen. Das Prometheus ist jedoch im Schub senkbar. Nutzt man das aus, so gewinnt man nochmals 100 kg bei einer 35 t schweren Stufe.

Der große Vorteil dieser Lösung ist es natürlich, das eine Stufe so gleich drei Stufen ersetzt werden. Damit ist sie auch preislich attraktiv. Ein Triebwerk und eine Stufe auf Basis der gleichen Technologie – Methan/LOX plant die ASI ja, und dessen Schub (98 kN) wird dann auch deutlich geringer als bei Prometheus sein.

Die zweite Möglichkeit ist es, nur die zweite Stufe zu ersetzen und die Dritte und vierte Stufe weiterhin zu verwenden. Man ersetzt also den rund 40 t schweren Zefiro 40 Antrieb. Ein Vorteil der Lösung ist das nun nicht die relativ schwere Stufe in den Orbit gelangt, sondern wie bisher das unter 700 kg wiegende AVUM. Mit einer 100 t schweren Stufe kommt man so auf 3,2 t Nutzlast. Auch hier steigt die Nutzlast an, wenn die Stufe kleiner ist. Bei 45 t Zweitstufenmasse steigt die Nutzlast auf 3,7 t. Diese Version der Vega wäre anders als das Original fähig auch 500 kg auf Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen oder 1,1 t in einen GTO.

Variante	Nutzlast
Ariane 6 – 50 t Stufe zusätzlich	10,3 t in GTO
Vega C 95 t Stufe ersetzt obige vier Stufen	2,2 t in den SSO
Vega C 45 t Stufe ersetzt obige vier Stufen	2,8 t in den SSO
Vega C 35 t Stufe ersetzt obige vier Stufen	2,9 t in den SSO
Vega C 100 t Stufe ersetzt Zefiro 40	3,2 t in den SSO
Vega C 45 t Stufe ersetzt Zefiro 40	3,7 t in den SSO

Bei allen diesen Planspielen wäre zu berücksichtigen, das das Voll/Leermasseverhältnis von 11 ziemlich niedrig gewählt ist entsprechend dem Einsatz auf Feststoffstufen, ich möchte auch lieber ein zu schlechtes als zu gutes Ergebnis haben. Realistisch wäre, wenn nur die Tanks größer wären, 1 zu 15 möglich. Das schlägt vor allem auf die Nutzlast durch, wenn es eine zweistufige Lösung ist.

Geht man nun zu den Startstufen über, so ist das Augenfälligste, was man ersetzen sollte, der P120 Booster. Der hat 3500 kN Startschub. Man benötigt also vier Prometheus die maximal 4.000 kN Schub haben. Bei genauer Betrachtung unter Berücksichtigung der längeren Betriebszeit reichen auch drei Triebwerke. Ich habe jedoch zuerst trotzdem vier Triebwerke untersucht. Bei 4.000 kN Schub dürften die Booster sogar noch etwas größer werden. Nehme ich an das mindestens die Startbeschleunigung der Ariane 62 erreicht werden soll, so sind es 36 t pro Booster. Auch hier wieder mit einem Voll-/Leermasseverhältnis von 11 gerechnet ist man bei 202 t Start und 18,4 t Leermasse. Den Schub am Boden habe ich mit 3600 kN angenommen. Die Auswirkungen sind vor allem bei der Ariane 62 dramatisch, da auch sowohl spezifischer Impuls, wie auch Brennzeit höher sind. Der negative Effekt der Untermotorisierung der Hauptstufe wird so zum Teil kompensiert. Die Nutzlast steigt in meinem Ariane 62 Modell von 5 auf 11 t in den GTO an. Entsprechendes auch bei der Ariane 64. Hier sind es sogar 22 t anstatt 12 t. Das ist so viel mehr, das man in Wirklichkeit wohl kleinere Booster mit drei oder vielleicht sogar zwei Triebwerken einsetzen würde. Zu klein dürfen sie aber auch nicht sein, sollen sie doch auch bei der Vega zum Einsatz kommen. Mit 137 t schweren Boostern und drei Triebwerken kommt die Ariane 62 auf 7 t in den GTO und die Ariane 64 auf 16 t. Das halte ich für einen guten Kompromiss, da ja neue Booster eher mehr Nutzlast bringen sollen. Bei den Ariane 6 Modellen ist noch zu sagen, das die Massen von mir so gesetzt wurden, damit die veröffentlichten Nutzlasten erreicht werden. Es fehlen anders als bei der Vega C die genauen Trockenmassen.

Variante	Nutzlast
Ariane 62 – 202 t Booster mit vier Prometheus	11 t in GTO
Ariane 64 – 202 t Booster mit vier Prometheus	22 t in GTO
Ariane 62 – 137 t Booster mit drei Prometheus	7 t in GTO
Ariane 64 – 137 t Booster mit drei Prometheus	16 t in GTO
Vergleich: Ariane 62	5,2 t in GTO
Vergleich: Ariane 64	12 t in GTO

Mit zwei LOX/Methanstufen und ihren langen Brennzeiten und hohen spezifischen Impuls braucht man eigentlich keine weiteren Oberstufen für die Vega. Bei der Vega, ohne die Notwendigkeit eine untermotorisierte Erststufe beschleunigen zu müssen, kann man sogar ein Triebwerk ausbauen. Leider ist nun aber das Triebwerk für die zweite Stufe zu groß. Der Schub ist nur auf 300 kN reduzierbar. So erhalte ich nur 1,7 t Nutzlast in den Referenzorbit. Die Stufenmasse habe ich zu 20 t angesetzt. Ideal wäre wohl eine nur 10 t schwere dritte Stufe mit einem 100-kN-Triebwerk die dann leer nicht 2,7 sondern 1,4 t wiegt und entsprechend die Nutzlast erhöht. Das wäre eine Chance für die Mira, so heißt das erwähnte LNG/LOX Triebwerk, das gerade diese 98,1 kN Schub hat. Eine 10 t schwere Stufe kommt mit diesem Triebwerk auf 1,6 t Nutzlast, eine 20 t schwere Stufe auf 1,8 t.

Variante Vega zweistufig	Nutzlast
Vega 137 t LOX/LNG + 20 t Stufe	1,7 t in SSO
Vega 137 t LOX/LNG + 10 t Stufe (Mira)	1,6 t in SSO
Vega 137 t LOX/LNG + 20 t Stufe (Mira)	1,8 t in SSO

Auch hier haben wir wieder den Effekt, dass die Leermasse der zweiten Stufe zu hoch ist. Wir brauchen also eine zusätzliche, dritte Stufe. Nur – die der Vega zu übernehmen macht wenig Sinn. Der Zefiro 9A wäre nur wenig leichter und das AVUM hat einen sehr kleinen Schub und nur wenig Treibstoff. Ich habe mich daher auf eine Stufe auf Basis des Aestus entscheiden und zuerst die EPS der Ariane 5 übernommen. Zu den 11,2 t Vollmasse und 1,2 t Leermasse habe ich noch 400 kg für die Avionik addiert, so viel wiegt sie auch bei der Vega. Auch hier gibt es eine Kröte zu schlucken – es ist der geringe Schub des Aestustriebwerks von 28,7 kN. So kommt man auf eine Brennzeit von über 1100 Sekunden. Da wir nun wieder eine dreistufige Rakete haben, bin ich bei der zweiten Stufe wieder auf 45 t Masse gegangen, aber vollen Schub, damit die Gravitationsverluste möglich klein sind und die stufe möglichst schnell Höhe erreicht, denn während der Brenndauer von 1100 s wird sie Höhe verlieren. Zudem benötigt man dann wieder drei Triebwerke in der ersten Stufe, da die Rakete so deutlich schwerer ist. Sie konnte nun aber auch auf 165 t Masse wachsen. Aus meiner Erfahrung mit bisherigen Simulationen weiß ich, dass die optimale Stufe leichter ist. Ich habe daher in mehreren Schritten jeweils 1000 kg Startmasse und 100 kg Trockengewicht abgezogen und dann die Nutzlast ermittelt. Das Verhältnis entspricht dem der Strukturen in der EPS ohne das rund 200 kg schwere Triebwerk:

Vollmasse	Leermasse	Nutzlast in 700 km SSO
11.600 kg	1.600 kg	2.700 kg
9.600 kg	1.400 kg	3.100 kg
8.600 kg	1.300 kg	3.500 kg
7.600 kg	1.200 kg	4.100 kg
6.600 kg	1.200 kg	4.900 kg
5.600 kg	1.100 kg	3.500 kg
Erste Stufe: 165 / 15 t	Zweite Stufe 50 / 4,5 t	Für alle Versionen

Man sieht bis etwa 6 bis 7 t Masse steigt die Nutzlast an, dann wird die Stufe zu klein. Der höchste Wert liegt dann aber mehr als doppelt so hoch wie bei der Vega C.

Die Pakete wird man dann nicht mehr Vega nennen können – von der Rakete bleibt außer der Avionik und eventuell Nutzlastverkleidung ja nichts mehr übrig. Sinnigerweise müsste man sie Epimetheus nennen – das war der Bruder von Prometheus in der Antike. Doch da das weder gut klingt noch für die meisten leicht merkbar ist, plädiere ich für Aethon, das war der Adler der Prometheus täglich an der Leber fraß, nachdem dieser wegen Frevel angekettet wurde. (im griechischen Original hieß er Aithon, übrigens zeigt das eine ziemlich gute medizinische Kenntnis, denn die Leber ist in der Tat das einzige Organ das nachwachsen kann).

Optimieren

Die guten ergebnisse haben mich nun doch angespornt, denn was haben wir nun – neue Booster für Ariane 6 auf Basis des Prometheus, eine Zweitstufe auf Basis des Prometheus. Eine Drittstufe auf Basis des schon existierenden Aestus. Dafür sparen wir drei feste Stufe und einen Teil des AVUM ein. Mehr noch: es gibt überall mehr Nutzlast. Also habe ich die Stufen nochmals ausgelegt nun so, das die minimale Startbeschleunigung – bei einer „Aethon“ 12 m/s beträgt. Bei Ariane 6 sind sie wegen der anderen Architektur etwas größer. Dann kommt man auf eine 165 t / 15 t schwere Erststufe mit drei Prometheus. Die anderen Stufen habe ich unverändert gelassen, ich rechne in der Realität aber mit einer Reduzierung der Leermasse – bei Ariane 5/6 haben wir relativ hohe Leermassen bedingt durch die starken Vibrationen, die die großen Booster auf die Rakete übertragen. Damit ich auf die von ESA angegebene Nutzlast komme musste ich die Leermasse der dritten Stufe z.B. auf 6,7 t festlegen. Die Delta IV Zweitstufe mit 10 % weniger Treibstoff wiegt dagegen nur 3,5 t leer. Entsprechendes gilt auch bei der Zentralstufe (20 t trocken bei nur 150 t Treibstoff). Das dürfte also auch noch etwas Nutzlast bringen.

Da die erste Stufe nun etwas größer ist, habe ich die zweite Stufe der Aithon auch noch etwas vergrößert von 45 auf 50 t Startmasse. Dann gab es wieder die Iteration, die beste Oberstufe zu finden. Das Optimum ist nun etwas zu einer größeren Stufenmasse gerutscht und liegt nun um 7,6 t Stufenmasse.

Nutzlasten für andere Bahnen

Die folgenden Nutzkasten basieren auf meinen Simulationen, nicht unbedingt deckungsgleich mit Angaben im Users Manual, sofern vorhanden.

Rakete	700 km SSO	GTO	Mondtransfer c3=-1 km²/s²	Marstransfer c3=16 km²/s²
Vega C	2.500 kg	400 kg
Aethon	5.300 kg	1.600 kg	900 kg
Ariane 62	8.200 kg	5.200 kg	2.600 kg	1.600 kg
Ariane 64	19.000 kg	12.000 kg	8.000 kg	5.500 kg
Ariane 62 Prometheus	12,300 kg	8.900 kg	3.900 kg	2.900 kg
Ariane 64 Prometheus	27.000 kg	18.500 kg	12.600 kg	9.300 kg

Bei den Arianevarianten ist bei SSO zu berücksichtigen, dass man in der Realität die letzte Stufe nicht voll betanken wird, das steigert wegen des geringen Schubs sogar die Nutzlast. Ich habe, weil sonst die Zahl der Modifikationsmöglichkeiten weiter ansteigt, mit vollbetanktem UPLM gerechnet.

Kostenabschätzungen

Ein P120 Booster kostet nach Differenzberechnung der Startpreise von Ariane 62 und 64 etwa 15 Millionen Euro. Die Vega C soll genauso viel wie eine Vega kosten und die liegt bei 32 Millionen Euro. Da alle Alternativen mehr Nutzlast versprechen, könnten die Booster bzw. Stufen sogar teurer sein. Erreicht man das Ziel von 1 Million Euro für ein Prometheus, so würde wenn die Strukturen genauso viel kosten wie der Antrieb selbst, der Booster bei nur 6 Millionen Euro liegen. Auch der Startpreis der Vega C wäre so leicht zu unterbieten. Man muss dieses Ziel nicht mal erreichen. Würde ein Prometheus Triebwerk 2,5 Millionen Euro kosten so wäre bei diesem Ansatz der Booster nicht teurer als ein P120. Verbindet man das mit dem Nutzlastgewinn, so würde es sich finanziell lohnen.

Ausblick

Die Ergebnisse haben mich angesport zu einem Ausblick auf die Ariane 7 – kommt in den nächsten Tagen als Artikel.