Ariane 6 Alternative Version 2
So, nun hat Niels die Tabellen umgewandelt und ihr könnt das ganze nun lesen:
Ich habe ja vor einiger Zeit (Link: http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2013/03/16/alternativvorschlag-zur-ariane-6/) hier meine Idee für eine Ariane 6-Alternative vorstellen dürfen (an dieser Stelle vielen Dank an Bernd). Die Beteiligung über die Kommentare war dabei recht rege und es wurden zahlreiche Verbesserungsvorschläge gemacht. Deswegen habe ich mich dazu entschieden, meinen Artikel noch einmal zu überarbeiten. Es erfolgten dabei folgende Änderungen:
-verringerter Durchmesser der Feststoffstufen, dadurch höherer Schub (Kritik durch Bernd) http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2013/03/19/die-crux-mit-den-feststoffboostern/
-wegfallen der 214-Variante, da sie sie zu hoch werden würde (Kai Petzke)
–Streichung der P208H-Stufe, da sie zu vor allem für die 214 benötigt wurde
-korrigierte Berechnung, z.B: an die Version angepasste Aufstiegsverluste, außerdem habe ich in meiner Raketengrundgleichungs-Tabelle die Masse der Stufenadapter nicht nur zur Leer-, sondern auch zur Vollmasse hinzuaddiert->Leistungsgewinn + einige weitere kleine Sachen
-Nachbesserung bei den Angaben zu Schub und Isp.
-genauere Angaben zu den Düsen
-Daten zu Stufenadaptern überarbeitet
Auch wenn ich in die neuere Version etwa genauso viel Zeit wie in die erste gesteckt habe, sind die Änderungen nicht so groß, dass man den Artikel unbedingt noch einmal lesen muss. Ich wollte einfach für mich noch einmal eine Version haben, in der die wichtigsten Verbesserungen eingearbeitet und Fehler ausgemerzt wurden, und wenn der Text einmal da ist kann man ihn ja auch veröffentlichen. Auch wenn ihr es sicher schon kennt: Bernd hat vor kurzem einen ähnlichen Voschlag, allerdings mit bestehenden Teilen gemacht:
http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2013/05/17/nochn-vorschlag-fur-die-ariane-6/
Mein Ziel bei der Erarbeitung war natürlich weiterhin, einen breiten Nutzlastbereich von unterhalb der Sojus bis hin zur Ariane 5 ECB und darüber hinaus abzudecken.
Ansatz:
Die Rakete besteht zum einen aus zwei Arten von Feststoffstufen, wobei die Kleinere aus einem, die Größere aus zwei Segmenten besteht. Als Oberstufe kommt dagegen eine O2/H2-Stufe zum Einsatz. Dadurch wird gewährleistet, dass für alle Bahnen eine gute Leistung erzielt wird. Da die Feststoffstufen einen hohen Schub aufweisen, ist es möglich sie auf vielfältige Weise zu stapeln oder nebeneinander anzuordnen. Somit kann ein breites Nutzlastspektrum abgedeckt werden.
Zunächst werden die einzelnen Bauteile kurz vorgestellt:
Feststoffstufen:
Hier habe ich mich an dem P80 Motor der Vega orientiert, was auch die Beschaffung von Daten einfacher machte. Somit steht die grundlegende Technik fest:
-das Gehäuse wir aus Verbundwerkstoffen gefertigt, wodurch dass Voll/Leermasseverhältnis gut ist und die Herstellungskosten verringert werden können,
-das Schwenken der Düse erfolgt elektrisch.
-der Durchmesser beträgt 3m
Es gibt zwei Arten von Motorgehäusen, wobei das längere Gehäuse dem kleineren mit doppeltem Mittelstück entspricht, während der obere und der untere Abschluss gleich bleibt. Ich habe die Stufen nach ihrer gerundeten Startmasse mit P105 beziehungsweise P209 benannt. Es gibt bei dem kleineren Feststoffmotor eine Variante mit niedrigem (N) und eine mit höherem Schub (H), welche dann eine andere Abbrandgeometrie und eine modifizierte Treibstoffmischung verwendet. Es eine Düse für die P105N-Stufe und eine gemeinsame für P105H und P208N vorgesehen, da sich letztere im Schub nicht allzu stark unterscheiden. Da für P105H das Verhältnis Abbrandoberfläche/Düsenmündung geringer ist, dürfte hier der Brennkammerdruck etwas kleiner sein als normal. Der Schwenkmechanismus ist für alle Versionen gleich.
| P105N | P105H | P208N | |||
| Gesamtgewicht in t |
104,70 |
107,08 |
208,60 |
||
| Gesamthöhe in m |
11,36 |
12,06 |
21,63 |
||
| Massen | leer in t |
8,00 |
10,38 |
15,20 |
|
| trocken in t |
7,50 |
9,88 |
14,20 |
||
| Treibstoff in t |
97,20 |
97,20 |
194,40 |
||
| Leistungsdaten | Schub Boden in kN |
2400,00 |
3300,00 |
4800,00 |
|
| Schub Vakuum in kN |
2864 |
3938 |
5729 |
||
| Brenndauer in s |
92,67 |
67,40 |
92,67 |
||
| Spezifischer Imp. In m/s | |||||
| Boden |
2300,00 |
2300,00 |
2300,00 |
||
| Vakuum |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
||
| Motorgehäuse | Brennkammerdruck |
95 bar |
>95 bar |
95 bar |
|
| Masse in t |
3,73 |
3,73 |
7,45 |
||
| Durchmesser in m |
3,00 |
3,00 |
3,00 |
||
| Länge in m |
9,56 |
9,56 |
19,13 |
||
| Düse | Masse in t |
2,37 |
4,75 |
4,75 |
|
| Höhe (nur herausragender Teil) in m |
1,80 |
2,50 |
2,50 |
||
| Expansionsverhältnis |
16,00 |
16,00 |
16,00 |
||
| Basisdurchmesser in m |
0,50 |
0,71 |
0,71 |
||
| Enddurchmesser in m |
2,00 |
2,83 |
2,83 |
||
| Schwenkmechanismus | Masse in t |
0,80 |
0,80 |
0,80 |
|
| Unterteil | Masse in t |
0,60 |
0,60 |
1,20 |
|
| Länge in m |
0,70 |
0,70 |
0,70 |
||
| Treibstoffreste | Masse in t |
0,50 |
0,50 |
1,00 |
Anmerkung: Ich bin der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass die größere Stufe die doppelte Treibstoffmenge der kleineren aufnimmt, was allerdings nicht ganz stimmt, in Wirklichkeit wäre es etwas weniger.
Oberstufe:
Die Oberstufe verwendet die Treibstoffkombination Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff. Als Antrieb dient das Vinci-Triebwerk. Es sollte, um bei den kleineren Kombinationen (z.B. 12, siehe Übersicht der Varianen) die Gravitationsverluste nicht zu groß werden zu lassen, im Schub gesteigert werden. Besser wäre natürlich ein leistungsfähigeres Triebwerk, welches jedoch auch die Kosten nach oben treibt und eine Neuentwicklung nötig macht. Die Bauweise der Stufe orientiert sich an der Centaur, es gibt also für den Treibstoff- und den Oxidatortank einen gemeinsamen Zwischenboden, es wird die Druckstabilisierung angewendet und das Triebwerk ist direkt am Tankboden befestigt. Ich denke, dass so trotz der aufgrund der Vibrationen durch die Feststoffstufen nötigen Verstärkungen ein Masseverhältnis von 7:1 erreichbar ist. Die gesamte Steuerungselektronik der Stufe wie auch der Rakete befindet sich unterhalb des Tanks in einer ringförmigen Elektroniksektion neben den Roll- und Lageregelungstriebwerken. Diese werden erst nach der Stufentrennung aktiv und können somit recht klein dimensioniert werden. Die Nutzlastverkleidung ist direkt auf dem Tank auf einem äußeren Befestigungsring angebracht. Der Satellitenadapter hingegen ist auf einem weiter innen und oben liegenden Ring befestigt. Somit ist der Abschluss zur Nutzlastspitze aus Sicht der Oberstufe immer gleich und es ist möglich, verschiedenste Fairings ohne Änderungen der Oberstufe zu verwenden. Zudem wird eine separate VEB eingespart, welche ja zu einem großen Teil nur aus Struktur besteht. Der Buchstabe F steht in der Benennung für flüssig, die Zahl für die Gesamtmasse.
| Stufe | F30 | |
| Vollmasse in t |
30,35 |
|
| Leermasse in t |
4,35 |
|
| Treibstoffmasse |
26,00 |
|
| Betriebshöhe in m |
13,53 |
|
| Normalhöhe in m |
11,70 |
|
| Isp in m/s |
4560,00 |
|
| Brenndauer in s |
592,80 |
|
| Schub in kN |
200,00 |
|
| Durchmesser in m |
3,80 |
|
| Tanklänge in m |
9,33 |
|
| Treibstoff/Oxidator |
H2/O2 |
|
| Dichte Treibstoff in t/m3 |
0,07 |
|
| Dichte Oxidator in t/m3 |
1,14 |
|
| Mischungsverhältnis |
5,90 |
|
| Vinci 200 | ||
| Schub in kN |
200,00 |
|
| Isp. In m/s |
4560,00 |
|
| Brennkammerdruck in bar |
70? |
|
| Flussrate in kg |
43,86 |
|
| Mischungsverhältnis |
5,90 |
|
| Entspannungsv. |
240,00 |
|
| Halsdurchmesser in m |
0,142 |
|
| Enddurchmesser in m |
2,200 |
|
| Masse in t |
0,55 |
|
| Höhe in m |
2,37 |
|
| Höhe ausgefahren in m |
4,20 |
|
Zwischenstufen:
Wie schon erwähnt, können mehrere Feststoffstufen übereinander „gestapelt“ werden, es werden also verschieden stark belastbare Zwischenstufen benötigt. Diese haben neben der Verbindungsfunktion auch noch die Aufgabe der Rollkontrolle. Außerdem befinden sich hier die Batterien für die Steuerung und das Schwenken der Triebwerke. Auch hier wäre ein modulares System möglich, indem die Zahl der Rollregelungstriebwerke und der Batterien je nach Anforderung variiert wird. Die mit „BoosterKlein“ beziehungsweisen „BoosterGroß“ benannten Zwischenstufen dienen zur seitlichen Befestigung, außerdem wurde zu ihnen noch ein 2m hoher Nasenkonus hinzugezählt.
| Last |
30 |
100+30 | Konus+Strap on 105 | Konus+Strap on 209 | |
| K | G |
BK |
BG |
||
| Masse in t |
0,80 |
2,09 |
1,1 |
1,8 |
|
| Länge gesamt in m |
4,77 |
2,80 |
2 |
2 |
|
| effektive Länge (Auswirkung auf Gesamtlänge) in m |
0,5 |
1 |
– | – |
Anmerkung: Die Zwischenstufenmassen wurden von dem Vega-P80/ Zefiro 23 Adapter hochgerechnet, die Angaben zu den Boosterbefestigungen sind reine Schätzwerte
Nutzlastverkleidungen:
Es gibt drei Typen von Nutzlastverkleidungen mit 3,8, 4,3 und 5,4m Durchmesser. Selbstverständlich gibt es auch Doppelstartvorrichtungen nach Vorbild der Sylda.
| Nutzlast-verkleidungen | |||||||
| Länge |
8 |
12 |
10 |
14 |
12 |
15 |
18 |
| Durchmesser |
3,8 |
3,8 |
4,2 |
4,2 |
5,4 |
5,4 |
5,4 |
| Masse |
0,55 |
0,75 |
0,8 |
1 |
1,9 |
2,2 |
2,5 |
Varianten:
Nun zum eigentlich spannenden Teil: Welche Varianten ergeben sich eigentlich daraus?
Dank des hohen Schubes von Feststofftriebwerken kann man diese wie schon erwähnt sehr gut stapeln und so kann die Nutzlast auch ohne Booster recht fein variiert werden. Für die Nummerierung der Varianten gilt folgende Regel:
-erste Ziffer (kann entfallen): Anzahl der P208-Antriebe
-zweite Ziffer: Anzahl der P104-Antreibe
-dritte Ziffer: Anzahl der Stufen
Wird in einer Stufe ein Motor mehrfach verwendet, so besteht die Stufe aus mehreren um eine Zentralstufe gebündelten Antrieben (wie bei der brasilianischen VLS oder der Delta IV Heavy). Für den LEO habe ich 7790m/s, für den GTO 10250m/s als zu erreichende Geschwindigkeit angenommen. Für die ersten Stufen ist als spezifischer Impuls stets 2600 m/s angegeben, um die niedrigeren Ausströmgeschwindigkeiten auf Meereshöhe in diesem Mittelwert zu berücksichtigen. Bei der kleinsten Version könnte es Probleme mit der schubschwachen Oberstufe geben. Dazu siehe Teil „Weitere Varianten“. Die Maximalnutzlast sollte, um Strukturgewicht zu sparen, auf 19t begrenzt werden. Angegeben wurde hier aber die theoretische Maximalnutzlast.
| Modell |
12 |
23 |
113 |
43 |
54 |
314 |
414 |
514 |
|
| Aufstiebsverluste |
1800,00 |
1700,00 |
1600,00 |
1600,00 |
1500,00 |
1450,00 |
1450,00 |
1450,00 |
|
| Gesamtmasse ohne Nutzlastspitze |
136,41 |
245,78 |
347,35 |
454,26 |
569,55 |
769,56 |
978,76 |
1189,06 |
|
| Höhe ohne Nutzlastspitze |
23,66 |
36,62 |
46,19 |
23,56 |
35,92 |
46,19 |
46,19 |
46,19 |
|
| Nutzlast LEO |
3,75 |
7,80 |
11,20 |
13,70 |
17,70 |
24,20 |
29,10 |
33,50 |
|
| Nutzlast GTO |
0,00 |
2,10 |
3,70 |
4,80 |
6,60 |
9,60 |
11,80 |
13,70 |
|
| Nutzlastv-erkledung | Maße | 8*3,8 | 12*3,8 | 10*4,2 | 14*4,2 | 12*5,4 | 15*5,4 | 15*5,4 | 17*5,4 |
| Masse |
0,55 |
0,75 |
0,80 |
1,00 |
1,90 |
2,20 |
2,20 |
2,50 |
|
| Stufe 1 | 1*P105N | 1*P105H | 1*P209N | 3*P105N | 3*P105H | 2*P209N | 3*P209N | 4*P209N | |
| voll |
104,70 |
107,08 |
208,60 |
314,10 |
321,23 |
417,20 |
625,81 |
834,41 |
|
| leer |
8,00 |
10,38 |
15,20 |
24,00 |
31,13 |
30,40 |
45,61 |
60,81 |
|
| Isp durchschnittlich |
2600,00 |
2600,00 |
2600,00 |
2600,00 |
2600,00 |
2600,00 |
2600,00 |
2600,00 |
|
| Brenndauer |
92,67 |
67,40 |
92,67 |
92,67 |
80,00 |
92,67 |
92,67 |
92,67 |
|
| Startschub |
2400,00 |
3300,00 |
4800,00 |
7200,00 |
9900,00 |
9600,00 |
14400,00 |
19200,00 |
|
| Höhe |
11,36 |
12,06 |
21,63 |
11,36 |
12,06 |
21,63 |
21,63 |
21,63 |
|
| Adapter | 1*SK | 1*K | 1*K | 3*BK | 3*BK | 2*BG | 3*BG | 4*BG | |
| Masse |
0,80 |
2,09 |
2,09 |
3,30 |
3,30 |
3,60 |
4,20 |
5,60 |
|
| Höhe |
0,50 |
1,00 |
1,00 |
2,00 |
2,00 |
2,00 |
2,00 |
2,00 |
|
| Stufe 2 | 1*F30 | 1*P105N | 1*P105N | 1*P105N | 1*P105H | 1*P209N | 1*P209N | 1*P209N | |
| voll |
30,35 |
104,70 |
104,70 |
104,70 |
107,08 |
208,60 |
208,60 |
208,60 |
|
| leer |
4,35 |
8,00 |
8,00 |
8,00 |
10,38 |
10,38 |
10,38 |
10,38 |
|
| Isp |
4560,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
|
| Brenndauer |
592,80 |
92,67 |
92,67 |
92,67 |
67,40 |
92,67 |
92,67 |
92,67 |
|
| Schub |
250,00 |
2864,35 |
2864,35 |
2864,35 |
3938,48 |
5728,70 |
5728,70 |
5728,70 |
|
| Höhe |
11,80 |
11,36 |
11,36 |
11,36 |
11,36 |
21,63 |
21,63 |
21,63 |
|
| Adapter | 1*SK | 1*SK | 1*SK | 1*K | 1*K | 1*K | 1*K | ||
| Masse |
0,80 |
0,80 |
0,80 |
2,09 |
2,09 |
2,09 |
2,09 |
||
| Höhe |
0,50 |
0,50 |
0,50 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
||
| Stufe 3 | 1*F30 | 1*F30 | 1*F30 | 1*P105N | 1*P105N | 1*P105N | 1*P105N | ||
| voll |
30,35 |
30,35 |
30,35 |
104,70 |
104,70 |
104,70 |
104,70 |
||
| leer |
4,35 |
4,35 |
4,35 |
8,00 |
8,00 |
8,00 |
8,00 |
||
| Isp |
4560,00 |
4560,00 |
4560,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
2745,00 |
||
| Brenndauer |
592,80 |
592,80 |
592,80 |
92,67 |
92,67 |
92,67 |
92,67 |
||
| Schub |
200,00 |
200,00 |
200,00 |
2864,35 |
2864,35 |
2864,35 |
2864,35 |
||
| Höhe |
11,70 |
11,70 |
11,70 |
11,36 |
11,36 |
11,36 |
11,36 |
||
| Adapter | 1*SK | 1*SK | 1*SK | 1*SK | |||||
| Masse |
0,80 |
0,80 |
0,80 |
0,80 |
|||||
| Höhe |
0,50 |
0,50 |
0,50 |
0,50 |
|||||
| Stufe 4 | 1*F30 | 1*F30 | 1*F30 | 1*F30 | |||||
| voll |
30,35 |
30,35 |
30,35 |
30,35 |
|||||
| leer |
4,35 |
4,35 |
4,35 |
4,35 |
|||||
| Isp |
4560,00 |
4560,00 |
4560,00 |
4560,00 |
|||||
| Brenndauer |
592,80 |
592,80 |
592,80 |
592,80 |
|||||
| Schub |
200,00 |
200,00 |
200,00 |
200,00 |
|||||
| Höhe |
11,70 |
11,70 |
11,70 |
11,70 |
Weitere Varianten:
Die 54-Variante verwendet recht viele kleine P105 und wäre deswegen vergleichsweise teuer(siehe meine Kostenrechnung). Als Ausweg können zwei P209N um ein P105N angeordnet werden. Dazu müssen am P209N die Befestigungen nach unten verschoben werden, was jedoch mit recht geringem Aufwand möglich sein sollte. Bei etwa gleichen Kosten kommt man auf etwa 7,9t GTO-Nutzlast, immerhin gut 1,3t mehr als bei der 54-Version. Für sehr große GTO-Nutzlasten können sechs P209 um die Zentralstufe herum angebracht und nach dem Schema 4-2 gezündet werden (715). Die Nutzlast ist hoch genug, um theoretisch Dreifachstarts durchführen zu können, praktisch ist das aber wohl nicht durchführbar. Für große LEO-Nutzlasten könnte die F30 Stufe weggelassen werde (714 LEO). Dazu müsste jedoch die Steuerungselektronik im obersten P105N-Feststoffantrieb oder in einer separaten VEB untergebracht werden. Alternativ wäre eine besonders verstärkte F30 für 514 mit etwa der gleichen Nutzlast möglich. Weiterhin kann der P80-Motor der Vega durch den P105N ersetzt werden, wobei alle anderen Stufen beibehalten werden. Das währe eine günstige Alternative zur 12, die ja wegen der Schubschwachen Oberstufe eventuell nicht realisierbar ist. Wird noch mehr Nutzlast benötigt, kann eine P209N-Stufe ergänzt werden, wobei hier wahrscheinlich schon die Vega-Nutzlastverkleidung zu klein ist.
| Modell |
224 |
715 |
715 LEO | Vega XL | Vega XXL | |
| Aufstiebsverluste |
1500 |
1500 |
1400 |
1400 |
1400 |
|
| Rakete | Gesamtmasse ohne Nutzlastspitze |
665,35 |
1608,96 |
1577,81 |
143,57 |
354,27 |
| Höhe ohne Nutzlastspitze |
35,92 |
46,19 |
33,99 |
26,36 |
48,49 |
|
| Nutzlast LEO |
20,30 |
– |
34 |
2,6 |
7,8 |
|
| Nutzlast GTO |
7,90 |
18,3 |
– |
2,4 |
||
| Nutzlastverkleidung | Maße | 12*5,4 | 17*5,4 | 17*5,4 | 7,88*2,6 | 7,88*2,6 |
| Masse |
1,90 |
2,5 |
2,5 |
0,49 |
0,49 |
Vorteile:
Der Hauptvorteil liegt natürlich in der Serienfertigung. Die Oberstufe ist immer gleich und die große und die Versionen des Feststoffantriebs unterscheiden sich nur durch das ein- oder zweifach ausgeführte Mittelstück und die Düse. Es können Einzelstarts in den GTO durchgeführt werden, ohne auf die Möglichkeit von Doppelstarts oder den Transport von großen Nutzlasten in einen niedrigen Erdorbit verzichten zu müssen. Außerdem muss nur noch ein Starkomplex unterhalten werden.
Zuvor muss die Rakete jedoch entwickelt werden. Hier wird auf schon existierende Technik wie das Vinci oder schon errichtete Produktionsanlagen wie die für die P80-Stufe der Vega zurückgegriffen, sodass sich die Investitionskosten einigermaßen in Grenzen halten sollten.
Meine Kostenrechnung:
Am Ende hat mich dann natürlich noch interessiert, wie groß etwa die Kosten wären. Beim Abschätzen der Kosten habe ich mich hieran orientiert: http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2011/03/20/die-senkung-der-transportkosten-teil-2/ Bernd hat ja vor kurzem ein ähnliches Konzept mit bestehenden Teilen veröffentlicht, worin meine Kostenrechnung in etwa bestätigt wird: http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2013/05/17/nochn-vorschlag-fur-die-ariane-6/
P105: 10 Mio. Euro
P209: 15 Mio. Euro
Oberstufe: 20 Mio.
Nutzlastspitze und Sonstiges: 5 Mio.
Start: 5 Mio. bzw. 10 Mio. ab 54
| Variante | Vega XL | Vega XXL |
12 |
23 |
113 |
43 |
54 |
224 |
314 |
414 |
514 |
715 |
714 LEO |
| Preis in mio. € |
32 |
47 |
40 |
50 |
55 |
70 |
85 |
85 |
90 |
105 |
120 |
150 |
130 |
| Nutzlast LEO |
2,4 |
7,8 |
3,8 |
7,8 |
11,2 |
13,7 |
17,7 |
19,00 |
19 |
19 |
19 |
19 |
34 |
| Nutzlast GTO |
– |
2,4 |
– |
2,1 |
3,7 |
4,8 |
6,6 |
7,90 |
9,6 |
11,8 |
13,7 |
18,3 |
– |
Besonders für die kleinen Varianten sind die Kosten wohl zu hoch, insbesondere im Vergleich mit der Vega. Wenn man sich die größeren Varianten ansieht, so sind die Kosten jedoch recht konkurrenzfähig, zum Vergleich siehe hier: http://www.bernd-leitenberger.de/startkosten.shtmlNimmt man Bernds Kostenrechnung, so sind die Preise recht pessimistisch angesetzt.
Wie ich bei meiner Recherche festgestellt habe, ist mein Vorschlag in ähnlicher Form bereits zum Patent angemeldet: http://www.google.com/patents/EP0508609B1?cl=en