Die Ariane 6 ist billig zu entwickeln …
… Wenn man es richtig macht. Auf die Erkenntnis kam ich als ich mal aus Jux mal wieder hypothetische Kombinationen durchgerechnet habe. Also stelle ich euch mal das konzept vor. Was brauchen wir?
Zuerst mal eine Nutzlastverkleidung. Da die Satelliten kleiner sein sollen und die Sylda-5 wegfällt habe ich die kurze Verkleidung der Ariane 5 genommen: Gewicht 1.900 kg
Dann brauchen wir eine Oberstufe. Da wird derzeit die Oberstufe für die Ariane 5 ME entwickelt. Deren Treibstoffzuladung wird mit 27,5 bis 28,2 t angegeben. Leider auch ein hohes Trockengewicht von 6 bis 6,25 t. Hier wage ich was neues: ich nehme mal an die Stufe erreicht die Leistungsdaten anderer Oberstufen dieser Größe. Das ist nicht unrealistisch, denn die H10 und EPC zeigen ja das es geht. Leider ist nun aber der Auftrag nicht bei dem Hersteller dieser beiden Stufen gelandet. Als Vergleich bietet sich die DCSS an, sie hat bei 27,2 t Treibstoffzuladung eine Trockenmasse von 3,49 t. Dabei handelt es sich um eine Konstruktion mit getrennten Tanks aus der Legierung 2219, einer bewährten, aber auch nicht gerade neuen Legierung. Mit einem Integraltank und der Legierung 2195 kann man Gewicht sparen. In den USA wird schon daran gearbeitet Tanks für kryogene Flüssigkeiten aus CFK-Werkstoffen zu fertigen, mit der Beteiligung von MT Aerospace, sodass ich nicht die Hoffnung sinken lasse, das wir es auch in Europa hinbekommen. Ich habe als Trockenmasse konservative 4 t angenommen, das sind sogar 500 kg mehr als bei der DCSS, auch da das Vinci schubstärker und schwerer ist.
Dann kommt die zweite Stufe, die eine Zentralstufe bildet, also von Boostern umgeben wird. Ich habe hier einen herkömmlichen P80FW (Erststufe der Vega) angenommen mit einer um 2 t höheren Trockenmasse, für einen Stufenadapter der den Raum für die Düse des Vinci bietet und auch die Vibrationen dämpft. Die Düse soll verlängert sein, sodass er den Vakuumimpuls des Zefiro 23 erreicht.
Diese Zentralstufe wird dann – der eigentliche Clou – von weiteren P80FW umgeben. Bedingt durch die Geometrie sind bis zu 6 möglich. Eine einfache Abschätzung zeigt, dass man mindestens drei braucht damit die Rakete mit 1,25 G abhebt. Die Versionen mit 4,5 und 6 Boostern erlauben dann ein Anpassen an die Nutzlast. Als Zielgeschwindigkeit (Verluste) habe ich, da die Rakete ja mehr der Vega als der Ariane 5 ähnelt, die der Vega angenommen. (gesamte Brennzeit: Ariane 5 ESC-A: 1524 s, Vega: 996 s, dieser Träger: 943 s. Man erhält dann folgende Träger:
Rakete: Ariane 6 aus Vega (3)
| Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Verkleidung [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
|
|---|---|---|---|---|---|
| 424833 | 5589 | 1900 | 10228 | 1700 | |
| Stufe | Anzahl | Name | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
| 1 | 1 | 287358 | 22299 | 2741 | |
| 2 | 1 | 97786 | 9433 | 2839 | |
| 3 | 1 | 32200 | 4000 | 4560 |
Rakete: Ariane 6 aus Vega (4)
| Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Verkleidung [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
|
|---|---|---|---|---|---|
| 521759 | 6729 | 1900 | 10228 | 1700 | |
| Stufe | Anzahl | Name | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
| 1 | 1 | 383144 | 29732 | 2741 | |
| 2 | 1 | 97786 | 9433 | 2839 | |
| 3 | 1 | 32200 | 4000 | 4560 |
Rakete: Ariane 6 aus Vega (5)
| Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Verkleidung [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
|
|---|---|---|---|---|---|
| 618557 | 7741 | 1900 | 10228 | 1700 | |
| Stufe | Anzahl | Name | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
| 1 | 1 | 478930 | 37165 | 2741 | |
| 2 | 1 | 97786 | 9433 | 2839 | |
| 3 | 1 | 32200 | 4000 | 4560 |
Rakete: Ariane 6 aus Vega (6)
| Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Verkleidung [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
|
|---|---|---|---|---|---|
| 715255 | 8653 | 1900 | 10228 | 1700 | |
| Stufe | Anzahl | Name | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez.Impuls (Vakuum) [m/s] |
| 1 | 1 | 574716 | 44598 | 2741 | |
| 2 | 1 | 97786 | 9433 | 2839 | |
| 3 | 1 | 32200 | 4000 | 4560 |
Damit sind also 5500 bis 8600 kg in den GTO transportierbar – das deckt die Ariane 6 ab und bietet sogar noch etwas Luft nach oben. Interessanterweise liegt die Version mit drei Boostern fast bei dem Zielwert für die Ariane 6, sodass ich drauf wetten würde, dass man wohl plant verlängerte P80 Booster einzusetzen. Es gibt ja bei der Vega auch den Plan die Stufen zu verlängern und da wird von einer Z100 mit 100 anstatt 85 t Treibstoff anvisiert, das würde dann die benötigte Mehrperformance bringen.
Doch die P80 hat einen hohen Startschub – wie sieht es mit der Spitzenbeschleunigung aus?
Nach 90 s fällt der Schub des P80FW ab, vorher liegt er bei 2250 kN. Nimmt man 8,4 t Resttreibstoff an, so resultiert bei der größten Version eine Spitzenbeschleunigung beim Betrieb der ersten Stufe von 5,8 g – das ist etwwas heftig. bei 5 Boostern sind es 5,2 g und bei vier Boostern rutscht sie auf 4,5 g. Bei der zweiten Stufe gibt es die höchste Belastung bei einer kleinen Nutzlast, das ist bei der Version mit drei Boostern der Fall. Hier sind es aber nur 4,2 G. Wenn man die etwas hohe Spitzenbelastung bei dem Modell mit 6 Boostern außen vor lässt, dann ist die Beschleunigung nicht größer als bei anderen Trägern die Grenzen bei 5 bis 5,5 G setzen.
Bleibt noch die finanzielle Seite die man nur abschätzen kann. Die Vega kostet bei zwei Exemplaren pro Jahr 25 Millionen Euro, plus 7 Millionen Euro für den Start. Bei vier Exemplaren sollen es 22 Millionen Euro sein. Das lässt auf einen Koeffizienten von 0,816 für die Lernkurve schließen.
Die kosten für die P80 FW kann man nur schätzen. Bei den Raketen sind die Kosten für Stufen leider nicht proportional zu ihrer Masse, doch wenn ich 50% für die erste Stufe ansetze (eher würde ich 40% annehmen) so sind wie bei vier Exemplaren bei 11 Millionen pro Booster. Bei geplanten 10-12 Starts pro Jahr reden wir aber von 50 bis 60 Stück, wenn die als Referenz die 4-Boostervariante ansetzen. Gemäß Lernkurve wird dann bei einem Koeffizient von 0,816 der preis auf 7,475 Millionen Euro pro Exemplar sinken. Damit kosten die fünf Stufen für die mittlere Version 37,373 Millionen Euro. Bleibt noch die Oberstufe. Auch hier kann man nur schätzen. Bei der ESC-A beträgt der deutsche Anteil 14,3 Millionen Euro, dazu kommt noch das Triebwerk aus Frankreich. Nimmt man 25 Millionen Euro an und setzt auch hier die höhere Startrate von 10-12 anstatt 5-6 Starts in Rechnung so müsste der Preis auf 14,2 Millionen Euro sinken. Damit sind wir bei der Hardware bei einem Preis von 51,573 Millionen euro. Dazu käme noch die Nutzlastverkleidung und natürlich die Startvorbereitungen. Bei der Vega machen diese mit 7 Millionen Euro 28 % Der Hardware aus, das sind weitere 14,44 Millionen Euro -eher weniger denn die Leute werden schneller wenn sie mehr Routine haben und müssen auch bezahlt werden, wenn sie nichts tun, was bei zwei Starts eher der Fall ist als bei 10-12 Starts. Trotzdem kommt man in der Summe auf 66,013 Millionen Euro, also unterhalb des Ziels von 70 Millionen Euro für die Ariane 6.
Was bleibt? Man kann die Ariane 6 schon jetzt bauen – ohne Neuentwicklung. Als Nebeneffekt wird die Vega billiger, da sie von den Kostensenkungen profiziert, auch die Startmannschaft könnte Vega und Ariane 6 betreuen. Alleine die billigere P80 durch höhere Stückzahlen senkt den Startrpreis von 32 auf 27 Millionen Euro ab. Das einzige was man bräuchte wäre ein neues Launchpad. Doch das würde sicher nicht die 3-4 Milliarden kosten die man für die Ariane 6 veranschlagt.
Es wurde schon desöfteren versucht, den Weltraumtransport zu verbilligen: In den USA mit dem Space Shuttle, später mit dem EELV-Programm und der Entwicklung gleich zweier Trägersysteme, der Atlas 5 und der Delta 4; In Japan suchte man mit der Entwicklung der H2-A konkurrenzfähig zu werden und auch die Ariane 5 sollte nicht teuerer als ihr Vorgänger werden. Ein wirklicher Durchbruch wurde bisher allerdings nicht erreicht. Auch space-X wird wohl keine Wunder bewirken.
Wie will man da mit einer Ariane 6 so viel preisgünstiger werden, vor allem, wenn man die Doppelstartkapazität der Ariane 5 aufgibt? Kleinere Raketen sind schließlich im Verhältnis teuerer. Die hohen Kosten der Pegasus zeigen, dass die Anwendung von Feststoffantrieben ebenfalls nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann.
Man muss sich fragen, ob die Industrie überhaupt ein so Interesse an Kostensenkungen hat, wenn jede verkaufte Ariane-5 ein dreistelliges Millionengeschäft darstellt. Wer also Kosten wirklich senken will, dem bleibt wohl nur auf Billiglohnländer wie Russland, China oder künftig vielleicht Indien zu setzen. Doch die werden auf Dauer auch nicht billig bleiben.
Eigenständigkeit kostet eben.
Man kann aber versuchen, die Kosten durch ein verbessertes Konzept und vernünftige Politik zu senken. Die USA könnten durch die Aufgabe der Delta IV oder der Atlas V viel Geld sparen, was aber aus Sicherheitsgründen nicht gewollt ist. Bei der Ariane kann man die Anzahl der verwendeten Stufen senken (wie bei Bernds A6). Zudem sind Feststoffantriebe billiger als Wasserstoffstufen. Wenn man es richtig angeht, kann man auch hier sparen.
Zur Ariane 6: Man könnte die Nutzlast um 700-800kg steigern, wenn man nach dem Schema 4-2-1 zündet. Auch die Spitzenbelastung sollte geringer sein, obwohl die Startbeschleunigung noch immer rund 1,3g beträgt. Ein Problem wäre vielleicht die Struktur, denn die zwei ungezündeten Seitenstufen müssen ja mitgeschleppt werden=hohe Strukturbelastung.
Viele Grüße
Niels
Zur Strukturbelastung: Wenn man 4 – 2 – 1 zündet, kann man die Stufen auch so anordnen, dass man nur zwei Booster (die der „zweiten Stufe“) direkt an der Kernstufe anbringt, und jeweils zwei der vier Booster der „ersten Stufe“ außen an den Boostern der „zweiten Stufe“ montiert. So wird dann kein Booster stärker belastet als in der 3-1-Variante auch.
Man könnte daraus wahrscheinlich sogar eine 6 – 3 – 1-Variante bauen, die nutzlastmäßig wahrscheinlich sogar die Ariane 5 erreicht.
Man hätte also:
* Vega „klein“ mit P80FW und weiteren Feststoffstufen plus Oberstufe mit lagerfähigen Treibstoffen
* Vega „groß“ mit drei P80FW (davon zwei als Booster) plus der Oberstufe der Vega „klein“ (für LEO/SSO) oder einer teilbetankten Oberstufe wie hier vorgeschlagen (für GTO). Wahrscheinlich kann man damit eine Nutzlast ähnlich der Falcon 9 erreichen (3,2 t „Ariane-kompatibler“ GTO)
* Fast-Ariane-6-Ersatz wie von Bernd vorgeschlagen, mit vier P80FW und Zündung 3 – 1, sowie einer guten kryogenen Oberstufe.
* Ariane-6-plus mit sieben P80FW, Zündung 4 – 2 – 1, und kryogener Oberstufe.
* Ariane-5-Ersatz mit zehn P80FW, Zündung 6 – 3 – 1, und kryogener Oberstufe
Kai