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Web Log Teil 132 : 1.10.2009-

Mittwoch 30.9.2009: Ariane 5 Light

Ich habe vor den Aufsatz "Super Ariane" neu zu schreiben, weil er ja schon ein paar Jahre alt ist und nicht mehr dem neuesten Stand entspricht. Ich will das mal im Blog schrittweise machen. Heute - das gehört noch nicht dazu - außer der Reihe Ideen über eine "Ariane 5 Light". Auf die Idee hat mich EADS gebracht das eine wiederverwendbare Ariane ohne Booster und mit nur 6 t Nutzlast vor etwas einem Jahr vorschlug. Natürlich braucht man für diese neue Rakete ein neues Triebwerk, dass dann erst noch entwickelt werden muss - zumindest nach den Ideen von EADS ....

Geht's nicht einfacher. Hier mal ein Vorschlag einer Alternative, nicht als Ersatz für die Ariane 5, sondern nur als Gedankenexperiment. Ziel : Wiederverwendung wo es möglich ist, aber trotzdem hohe GTO Nutzlast. Mein Ansatz: Verwendung von dem was schon existiert. Zuerst einmal - braucht man ein neues Triebwerk? Nein! Das Vulcain ist für 6000 Sekunden Betriebszeit qualifiziert, das sind 10 Zündungen. Damit kann man schon 90 % der Herstellungskosten sparen und ist längst in einem Bereich, wo die Wartung teurer ist als der prozentuale Herstellungsanteil pro Flug. Das von EADS geplante Triebwerk wäre schubstärker (2500 kN Klasse) und 25 mal wiederverwendbar - aber lohnen sich dafür die Investitionen? Wenn die Rakete dann billiger wird, wer profitiert davon - EADS oder der Steuerzahler, der die Rakete finanzierte?

Muss man die ganze Stufe wiederverwenden? Ich sage nein, denn welchen Sinn soll es machen, die Tanks wiederzuverwenden? Hier ist die Gefahr groß, das Haarrisse entstehen, die übersehen werden. Dazu kommt, dass diese leicht gebaut sind und bei einem Wiedereintritt dann deutlich steifer und damit schwerer sein müssen. Mein Vorschlag: Nur die Triebwerke werden geborgen. Dazu wird nach Brennschluss der Schubrahmen abgesprengt. An Ihm befindet sich ein Gleiter mit einer Dreiecksflügelform von rund 10 m Länge und 10 m Diameter. (50 m² Fläche) Er soll nochmals so viel wiegen wie die Triebwerke. Die Triebwerke fliegen dann eine Kurve, landen nicht am Startplatz was sehr aufwendig ist, sondern in Brasilien, was relativ einfach ist, wenn man einen Teil der kinetischen Energie nutzt, um sich etwas quer zur Flugbahn zu bewegen, dann liegt Brasilien nur etwas südlich des Flugpflads. Grob geschätzt soll der Gleiter genauso viel wie die Triebwerke wiegen. Es kommt nicht auf jedes Kilo an, da es nur die erste von zwei Stufen ist.

Allerdings reicht ein Triebwerk nicht aus, um die EPC mit Oberstufe zu starten. Dazu müssen es mindestens drei Vulcain 2 sein. Bei einem Bodenschub von 961 kN und einer Anfangsbeschleunigung von 1.25 g können sie 234.8 t anheben. Bei einer schon 188.3 t schweren normalen EPC (ohne Gleiter und zwei weitere Vulcain Triebwerke lässt dies wenig Spielraum für eine große Oberstufe. Da diese nun den Hauptteil der Beschleunigung aufbringen muss, ist hier eine leistungsfähige und große Oberstufe gefordert. Basis können die Vinci Triebwerke sein. Da die Abtrennung bei niedriger Geschwindigkeit stattfindet, muss der Schub höher sein. Ich habe zwei Vinci angesetzt. Eine normale Oberstufe, nicht mit den strukturell verstärkten Tanks, die wegen der EAP Booster bei der Ariane 5 nötig sind, erreicht ein Treibstoff/Leergewicht Verhältnis von 1:10 (ohne Triebwerk), dazu kommen noch zwei Vinci Triebwerke. Insgesamt ist so bei 234.8 t Startmasse eine Oberstufe mit 36 t Startmasse und 4.6 t Leermasse möglich.

Bei einer VEB von 0.5 t Gewicht und einem Verlust von 1.700 m/s ist so eine Nutzlast von 5.5 t möglich:
Ariane 5L  
Nutzlast: 5500 kg in einen GTO Orbit
Startmasse: 240.700 kg
Stufe 1  
Triebwerke: 3 x Vulcain 2
Schub 3 x 961 kN Boden, 3 x 1350 kN Vakuum
Startmasse: 202.600 kg
Trockenmasse 28.300 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4256 m/s (Vakuum)
Brennzeit: 180 s
Stufe 2  
Triebwerke: 2 x Vinci
Schub 2 x 180 kN Vakuum
Startmasse: 36.100 kg
Trockenmasse: 4.100 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4560 m/s
Brenndauer: 405 s
VEB 500 kg
Nutzlastverkleidung 1750 kg (Ariane 5 kurz)

Diese Rakete wäre teilweise wiederverwendbar. Eigentlich nur die Triebwerke der ersten Stufe.  Ich glaube nicht, dass sie wirtschaftlich wäre, vor allem weil die Nutzlast klein ist. Große Satelliten scheiden aus. Ich habe daher weitere Alternativen untersucht. Die erste war der Einbau von vier Vulcain Triebwerken in der ersten Stufe. Das erlaubt es die Oberstufe zu vergrößern. Es geht nicht unbegrenzt: Aus der Erfahrung mit anderen Trägern sollte bei einer zweistufigen Rakete die Oberstufe noch eine Beschleunigung von mindestens 2/3 G aufweisen. Das sind bei 360 kN Schub von zwei Vincis maximal 56 t Gewicht. Zieht man die Nutzlast ab, so bleiben noch rund 49 t. Eine Simulation zeigt, dass eine so große Stufe gar nicht so stark die Nutzlast anhebt. Es wird ein Maximum von rund 5800 kg bei einer rund 45 t schweren Stufe erreicht. Diese rund 300 kg mehr lohnen den Aufwand nicht.

Die zweite von mir untersuchte Konfiguration ist der Einsatz der preiswerten und schubstarken Ariane 4 PAP Booster. Wenn vier dieser Booster an die erste Stufe montiert werden, resultieren eine Reihe von positiven Effekten:

Ariane 5L PAP  
Nutzlast: 7300 kg in einen GTO Orbit
Startmasse: 310.500 kg
Nutzlasthülle 1.500 kg
Booster  
Vollmasse 4 x 12.511 kg
Leermasse 4 x 3.011 kg
Schub 4 x 650 kN
Brennzeit: 42 s
Ausströmgeschwindigkeit: 2500 m/s (Vakuum)
Stufe 1  
Triebwerke: 3 x Vulcain 2
Schub 3 x 961 kN Boden, 3 x 1350 kN Vakuum
Startmasse: 211.000 kg
Trockenmasse 29.000 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4256 m/s (Vakuum)
Brennzeit: 191 s
Stufe 2  
Triebwerke: 2 x Vinci
Schub 2 x 180 kN Vakuum
Startmasse: 49.000 kg
Trockenmasse: 5.300 kg
Ausströmgeschwindigkeit: 4560 m/s
Brenndauer: 553 s
VEB 500 kg
Nutzlastverkleidung 1750 kg (Ariane 5 kurz)

Diese Rakete kann die derzeit größten Kommunikationssatelliten transportieren. Ich glaube dass die Doppelstartfähigkeit nicht mehr so wichtig ist wie noch zu Ariane 4 Zeiten. Verschiedene Äußerungen von Le Gall unterstreichen dies. Da es nun wesentlich weniger Nutzlasten gibt ist es schwieriger zwei Satelliten zu finden, die zum gleichen Startfenster (trotz Erhöhung der Startrate finden weniger Flüge als noch mit der Ariane 4 statt) verfügbar sind und auch versicherungstechnisch ist es ungünstig: Zwar ist Ariane 5 seit 5 Jahren ohne Fehlstart (im Gegensatz zu seinen Konkurrenten), aber durch den Transport von zwei Satelliten ist der möglich Schaden höher, so dass eine Ariane 5 nur wenige Prozentpunkte preiswerter als eine Proton ist. Das dürfte auch der Grund für die EADS Initiative gewesen sein.

Wie könnte es ablaufen? Die Ariane 5 Light startet normal zu einer GTO Bahn. Die vier PAP sind nach 42 Sekunden ausgebrannt, die zentrale Stufe arbeitet noch weiter bis die Rakete eine Geschwindigkeit von 4842 m/s erreicht. Danach werden zuerst die Triebwerke mit dem Schubrahmen und dem Gleiter abgetrennt und dann die Rest EPC von der Oberstufe, die dann einen Orbit erreicht. Aerodynamisch steuert der Gleiter mit Hilfe des Quer und Höhenruders dann einen Flugplatz in Brasilien an und landet dort - das ist kein Problem. Die Space Shuttles machen das seit 30 Jahren. Unterstützt könnte er werden indem man die Restgase im Schubrahmen (Druckgas für die Pneumatik, Helium für den Tankdruck) durch Düsen entlässt und so kleinere Kurskorrekturen durchführt. Dafür extra Treibstoff mitzuführen ist nicht nötig, das ist nur bei den Konzepten "Zurück zum Startort" nötig, weil dafür praktisch die Vorwärtsbewegung Richtung Süd-Ost in eine Rückwärtsbewegung Richtung Nord-West umgedreht werden muss. Nach einer Inspektion wird dann ein neuer Tank anmontiert und das ganze geht von Vorne los.

Ob es billiger wird, das ist schwer zu beantworten. Denn das preiswerteste bei der Ariane 5 sind ja die großen Feststoffbooster. Auf der anderen Seite kostet ein Vulcain Triebwerk alleine auch rund 15 Millionen Euro in der Fertigung.

Sonntag 4.10.2009: Nachlese

Um nicht allzu sehr von Kevins Blog abzulenken heute nur eine kleine Nachlese mit ein paar Gedanken zu Dingen die mir in der letzten Zeit aufgefallen sind. Da wir nun ja eine schwarz-gelbe Koalition bekommen wird viel spekuliert ob Westerwelle das Außenministerium bekommt. Der Auftritt bei der Pressekonferenz "Wir sind in Deutschland, also bitte nur Fragen in Deutsch" war schon peinlich. Wer dann im Internet sucht wird auch auf andere Indizien stoßen dass Westerwelle nur sehr schlecht englisch spricht. Ich halte das für keine gute Voraussetzung für einen Außenminister. Vor allem hat mich aber die Reaktion anderer Politiker wie z.B. Genscher entsetzt "Dafür gibt es doch Dolmetscher". Als erstes mal ist es von Vorteil, wenn man sich persönlich unterhalten kann ohne einen Dolmetscher zu brauchen, schon alleine die Pausen, bedingt durch die Übersetzung sind störend und ruinieren jeden vertrauensschaffenden Kontakt. Zum zweiten: Westerwelle ist in derselben Altersklasse wie ich, er hat ein Studium absolviert und promoviert - und kann kein Englisch? Das gehörte bei mir schon an der Hauptschule zum Pflichtprogramm. Die fehlenden Kenntnisse konnte man bei den Politikern der Nachkriegsgeneration verzeihen, die es größtenteils nicht in der Schule hatten. Vor allem: Was ist das für ein Vorbild? Von den meisten Arbeitssuchenden wird verlangt, dass sie sich in Englisch unterhalten können, weil fast jede Firma heute internationale Kontakte hat, aber von Politikern nicht? Obwohl ich fast nie einer Meinung mit unserem Ministerpräsidenten Öttinger bin, will ich ihn mal zitieren: In der Sendung "Wer rettet die deutsche Sprache?" (SWR-Fernsehen am 8. Dezember 2005) war von ihm folgendes zu hören:

"Ich glaub', dass jeder, egal ob er Facharbeiter einer Werkzeugmaschine ist, ob er Geschäftsführer ist, ob er Zahlen oder Anleitungen lesen muss, daß jeder Englisch verstehen und Englisch sprechen können muss; [...] Deutsch bleibt die Sprache der Familie, der Freizeit, die Sprache, in der man Privates liest, aber - Englisch wird die Arbeitssprache."

Da sollten doch Politiker selbst mit gutem Beispiel vorrangehen! Ist das nicht wieder mal eine Ausgeburt des Berufpolitikertums, von Leuten, die nichts gelernt haben außer Politiker zu sein? Ich meine, Westerwelle ist gut damit zu beraten Finanzminister zu werden. Ja Finanzminister und nicht Wirtschaftsminister, denn der muss die von der FDP so geforderten Steuersenkungen verantworten.

Das nächste sind zwei Dinge um Michael Jackson. Es ist schon länger her, da kam eine "Home Story" über die Jackson Familie nach dem Tod. Da fiel mir auf, dass einer der beiden Jungen blond ist und auch das Mädchen recht hellhäutig mit mittelbraunen Haaren. Sehr ungewöhnlich für das Kind eines Schwarzen. Also entweder sollte man mal Bleichcreme untersuchen, ob sie nicht Mutagen wirkt oder ich würde zumindest beim Jungen Michael Jackson zu 100 % als Vater ausschließen. Vor einiger Zeit kam er dann nochmals in die Schlagzeilen, als es die endgültige Beerdigung gab. Offenbar muss die Jackson Familie völlig verarmt sein, obwohl die meisten Mitglieder auch als Musiker erfolgreich sind (Janet, Jemaine und La Toya Jackson fallen mir spontan ein). Anders kann ich es mir nicht erklären, dass die Beerdigungskosten aus dem Nachlass bezahlt wurden.

Gestern kam dann "Wetten Dass?". Für mich gab es zwei Highlights - Zum einen die Dinosaurier am Anfang (waren mein erstes Interessengebiet vor der Astronomie) und dann Whitney Houston, die meine Lieblingssängerin in den achtzigern war. Ich meine sie hat sich gut von ihrem Absturz erholt und sieht wieder gut aus. Doch das Lied konnte mich nicht überzeugen. Von ihrer Stimme findet man da nur sehr wenig wieder, von dem Sprachumfang und den Möglichkeiten die sie hat. Manchmal klang es als würde sie nach Luft schnappen. Auch wenn ich nicht gerade der Fan von langsamen Liedern und Balladen bin, wage ich zu bezweifeln, dass es ein Hit wird. Es stimmt auch nicht die  Melodie. Nun das wäre kein Beinbruch. Es gibt zahlreiche Künstler, die weitermachen obwohl sie es weder finanziell nötig haben, noch sie an frühere Erfolge anknüpfen können. Man möge sich nur mal ansehen wie viele Alben Paul McCartney nach seiner Zeit bei den Beatles gemacht hat. Dabei war auch die eine oder andere erfolgreiche Single, aber an den Erfolg der Beatles konnte er nie anknüpfen. Trotzdem macht er weiter, wahrscheinlich weil er gerne Musik macht. Doch bei Whitney Houston ist ja die Rede vom Comeback und dass ihre Tochter sie nie hat life auf der Bühne erleben können. Das letzte finde ich, ist so ziemlich die blödeste Begründung. Denn die Tochter hätte sicher mehr von einer Mutter, die Zeit für sie hat anstatt einer die herum tourt und wahrscheinlich hätte sie es im Leben auch einfacher weil nicht ganz so viele Leute sie nur als die Tochter von Whitney Houston ansehen. Kurzum: Sie ist wohl etwas abgehoben. Ich hoffe nur dem folgt kein tiefer Fall.

Das leitet mich zum letzten Punkt über: Auch ich mache ja Dinge die ich vor allem tue weil sie mich interessieren und nicht wegen des schnöden Mammons. Ehrlich gesagt mache ich fast alles nur weil es mich interessiert und fast nichts wegen des schnöden Mammons. Letzte Woche bekam ich Band 1 des Raketenlexikons vom zweiten Korrekturleser zurück und bin seitdem dabei ihn nochmals durchzulesen. Ich bin begeistert. Ich halte es für das wichtigste Buch das ich bisher geschrieben habe. Noch besser als das letzte, das auch schon sehr gut war. Es ist ein Buch voller Fakten zu allen US-Trägerraketen. Hätte es so was schon vor 11 Jahren gegeben, so wäre diese Website sicher nicht entstanden, denn da steht wirklich alles wichtige drin. Ab und an fallen mir auch noch ein paar Fehler auf. So habe ich aus der folgenden Seite die NASA Grafik übernommen. (Ares I auf dem Startgelände). Erst nachdem ich bei der Ares V feststellte, dass ich eine veraltete Zeichnung hatte (mit noch unterschiedlichem Stufendurchmessern von erster und zweiter Stufe) bin ich auf die Idee gekommen auch mal die Ares I Abbildung anzusehen und da fiel mir etwas auf. Fällt es Ihnen auch auf? Ich habe auf jeden Fall im Buch die Abbildung ausgewechselt. Das Buch wird wahrscheinlich noch diesen Monat erscheinen, 392 Seiten haben und 29,99 Euro kosten. Ich hoffe dass Teil 2 auch noch dieses Jahr erscheint. Dann folgt Band 2 der europäischen Trägerraketen, aber ich glaube kaum noch dieses Jahr.

Eigentlich dachte ich, ich könnte noch was über Oliver Pocher schreiben. Ich kann den Typ nicht ab, weil er auch den Niedergang der Sendekultur symbolisiert. Das jemand Erfolg haben kann, der sich eigentlich nur über andere lustig macht oder diese beleidigt finde ich, zeigt recht deutlich wie mies das Fernsehen inzwischen ist. Allerdings kam in der ersten Show Shakira, die inzwischen Whitney Houston als Lieblingssängerin bei mir abgelöst hat. Soweit, mir deswegen die Show anzugucken, wollte ich aber dann doch nicht gehen. Doch dank YouTube konnte man das für mich interessante auch so anschauen. Ich kann mich aber diesmal nicht mokieren - für das was man von Oliver Pocher gewohnt ist, war er relativ brav und dass er mal so freundlich zu den Gästen ist wie Gottschalk wird man niemals erwarten können. Shakira kam auf jeden Fall viel natürlicher rüber als Whitney Houston und ich freue mich schon auf das neue Album.

Wichtige Neuigkeiten gibt es auch: Messenger absolvierte ihren dritten und letzten Merkurvorbeiflug bevor sie in eine Umlaufbahn einschwenken soll. Auch diesmal gab es trotz eines Stromausfalls viele Bilder. Die Mission hat jetzt schon Merkur vollständig kartiert, obwohl sie noch nicht in den Orbit eingeschwenkt ist. Dabei kostet sie gerade mal so viel wie 3 Monate ISS Betrieb (unter Einbeziehung der nötigen Space Shuttle Flüge sogar nur 1 Monat). Ich warte ja noch auf einen Gastblog von Ruhri in dem mir erläutert wird, welch atemberaubende Grundlagenforschung an Bord der ISS diese Unsummen rechtfertigt.

In Reminiszenz an Whitney Houston ihr erster Hit hier nochmals als Video:

Montag 5.10.2009: Auf dem Weg zur Super Ariane 1: ESA Vorschläge

´Wie angekündigt, nun in mehreren Teilen mein Vorschlag für den Ausbau der Ariane 5 zu einer "Super Ariane". Ich will in diesem Teil zusammenfassen, was sich die ESA und Industrie an Gedanken gemacht hat für die Leistungssteigerung der Ariane, ohne ein komplett neues Trägersystem zu entwickeln. Am Wochenende wird dann ein Gastblog von Michel Van erscheinen. Ich hoffe das wird eine Dauereinrichtung. Vielleicht klärt mich auch Ruhri in einem Gastblog über die so epochal wichtige Grundlagenforschung an Bord der ISS auf. Ich warte auch noch darauf, dass jemand den Fehler in der Grafik im letzten Blog entdeckt. Ich dachte nicht, dass er so schwer zu finden ist.

Übersicht über die ESA Vorschläge

Im folgenden eine Zusammenfassung verschiedener ESA Untersuchungen, die zusammen mit der Industrie erarbeitet wurden. Die Maxime dabei war die Nutzlast der Ariane 5 zu steigern, ohne die Architektur des Trägers radikal zu verändern, wie dies z.B. mehr Triebwerke, verlängerte Stufen oder mehrere Feststoffbooster bedeuten würden.

EPC

Seit Ariane konzipiert wurde, leidet sie unter einem Manko: Dem geringen Schub des Haupttriebwerkes. Das verursacht Gravitationsverluste, die Ariane 5 muss also eine deutlich höhere Geschwindigkeit erreichen um in einen Orbit zu gelangen, als das Vorgängermodell. Beim Abtrennen der Booster geht z.B. die Beschleunigung auf 0,75 g zurück - weniger als die Erdbeschleunigung. So steigerte schon die Einführung des Vulcain 2 (1350 anstatt 1145 kN Schub) die Nutzlast um 1.150 kg. Innerhalb eines bestimmten Bereiches bringen jeweils 10 kN mehr Schub rund 80 kg mehr Nutzlast. Auf der anderen Seite kann auch über den spezifischen Impuls nachgedacht werden, auch wenn das Vulcain 2 schon einen sehr hohen Wert aufweist. Auch hier bringen 10 m/s mehr rund 80 kg mehr Nutzlast.

Dieser Zusammenhang gilt natürlich nicht für sehr große Triebwerke. Bei rund 1800 kN Schub erreicht die Ariane 5 eine Beschleunigung von 1 g bei der Abtrennung. Wesentlich größere Triebwerke steigern dann die Nutzlast nicht mehr so stark, auch weil natürlich dann das Trockengewicht der Stufe ebenfalls mit ansteigt. Der zweite Fokus den Arianespace und Industrie (SNECMA) im Blick haben, sind die Produktionskosten. Das Vulcain 2 ist die teuerste Einzelkomponente an der Ariane 5. So sollen auch die Produktionskosten gesenkt werden. Wenn diese stark sinken, so kann auch auf Leistung verzichtet werden. SNECMA und ESA haben drei Klassen von Triebwerken untersucht:

Booster

Am meisten bringt eine neue Technologie bei den Boostern. Das klingt widersprüchlich, weil sie als erste Stufe sehr viel leistungsfähiger werden, müssen um die Nutzlast zu steigern. Auf der anderen Seite sind die Booster der technologisch veraltetste Teil. Die Vega wird die Technologie der CFK Werkstoffe bei großen Boostern erproben. Die Fertigungsanlagen sind schon für die Ariane 5 ausgelegt. CFK Werkstoffe versprechen eine Reduktion der Leermasse von 38,5 auf 27 t. Sie erlauben einen höheren Brennkammerdruck und damit können auch die Düsen verlängert werden. Zusammen mit einer neuen Treibstoffmischung steigt so der spezifische Impuls um 40 m/s. In der Summe versprechen CFK Booster so 1.750 kg mehr Nutzlast. Leider gehen diese mit höheren Belastungen einher. So steigt die dynamische Belastung in der Aufstiegsbahn um 0,48 Bar oder 30 %. Dadurch muss diese angepasst werden. Trotzdem bleibt dann noch eine Nutzlast von 1000-1500 kg.

ESC-B Oberstufe

Die ESC-B Oberstufe ist der neueste Teil der Rakete. Optimierungen sind daher nicht in großen Maße möglich. Vorgeschlagen wurde eine Erhöhung des Schubs des Vinci Triebwerks von 180 auf 200 kN. Der Effekt ist, dass bei gleicher Treibstoffmenge die Brenndauer um 70 Sek sinkt. Da die Rakete Oberstufe während des Betriebs laufend Höhe gewinnt verliert sie an Geschwindigkeit und verrichtet Hubarbeit. Die Reduktion der Brenndauer von 1100 Sekunden bei der EPS auf 950 Sekunden bei der ESC-A hat diese schon reduziert. Eine Erhöhung des Schubs des Vinci Triebwerks könnte diese weiter reduzieren. Der Gewinn an Nutzlast wurde nicht präzisiert, dürfte jedoch nur in Bereich von einigen Hundert Kilogramm liegen

Zusammenfassung

Beim Umsetzung aller Optionen kann die Nutzlast der Ariane 5 auf 14-15 t in den GTO Orbit und rund 27 t zur ISS gesteigert werden. Dies ist mehr als doppelt so viel wie die erste Version aufwies - zumindest für den GTO Orbit. Für die ISS Versorgung ergibt sich immer noch eine Steigerung um 50 %.Soll mehr Nutzlast erhalten werden, so müssen die bisherigen Stufen und Booster revidiert werden.

Montag 5.10.2009: Auf dem Weg zur Super Ariane 1: Eigene Verbesserungsvorschläge

Blog StatsZuerst mal noch ein bisschen Smalltalk. Ich freue mich dass der Blog so viel Zuspruch findet und füge hier mal eine Grafik bei, die das belegt. Neben dem allgemeinen Trend nach oben sind zwei Dinge deutlich sichtbar: Jeweils nach den Sommerferien kommt ein Schwung neuer Leser. Diesen Sommer besonders stark, auch bedingt durch das Interesse an dem vierzigjährigen Jubiläum der ersten Mondlandung, dass ich auch bei meinen Büchern feststellte (würde ich immer so viele Bücher wie im Juli verkaufen, ich könnte zumindest das Essen damit finanzieren...) Leider ist es seitdem entsprechend Mau, auch weil wohl dann viele Bücher von Amazon & Buchhandlungen auf Vorrat gekauft wurden und nun erst mal abgesetzt werden müssen. Der Einbruch im Februar kommt übrigens nicht durch mangelnde Nachfrage zustande sondern ein neues Wordpress Theme, das die Statistiken deaktiviert hatte.

Da bin ich beim zweiten Teil: Meinem aktuellen Buchprojekten. Band 1 des Trägerraketenlexikons ist einmal durchgelesen und die Grammatikkorrektur ist nun auch drüber. Derzeit lese ich es zum zweiten Mal, so dass berechtigte Hoffnung besteht, dass es noch diesen Monat erscheint. Ich habe das Probekapitel in einer aktualisierten Form online gestellt.

Doch nun zum zweiten Teil. Diesmal befasse ich mich mit Optimierungen der Ariane 5, die ich für sinnvoll erachte, als Konkurrenz zu denen der ESA, aber wie bei dieser noch ohne radikale Neuerungen.

ESC-B Oberstufe: Zurück an die Zeichenbretter!

Ein Merkmal der ESC-A und ESC-B Oberstufen sind ihre hohen Leermasse. Die ESC-A hat eine von 3,3 t nach Zündung (ohne Stufenadapter und Vorbeschleunigungsraketen) und die ESC-B eine von 6 t (nicht sehr genau, aber die einzige Angabe die ich offiziell finden konnte (ESA BR-250). Woran liegt dies?

Thlio Kranz, von der DLR (an dieser Stelle einen Herzlichen Dank für die Beantwortung vieler Fragen!) erklärt dies mit dem veränderten Schwingungsspektrum durch die großen Feststoffbooster. Sie erzeugen niederfrequente Schwingungen mit höherer Amplitude, bringen damit den Treibstoff stärker zum Schwappen als dies bei Trägern ohne oder mit nur kleinen Boostern der Fall ist, so wie z.B. der Ariane 4, Delta IV oder Atlas V. In der Tat ist auffällig, dass bei Trägern mit großen Feststoffboostern die Oberstufen eine deutlich höhere Leermasse. Das zeigt auch folgende Tabelle:

  ESC-A Centaur G Titan Ares I Oberstufe
Vollmasse: 17834 kg

23.923 kg

156.000 kg
Leermasse: 3.300 kg 2.775 kg 17.500 kg
Voll/Leermasseverhältnis 5,40 8,62 8,91
Triebwerke: 162 kg 282 kg 2.400 kg
max. Nutzlast: 21.000 kg* 5.776 kg 27.000 kg*
Besonderheiten: Nichtintegrale Tanks Druckstabilisierte Tanks Alu-Li Legierungen

Auch bei der Ares I - hier überhaupt nur ein Feststoffbooster als erste Stufe - sind die induzierten Schwingungen ein Problem, wenn auch in einem anderen Zusammenhang. Hier ging es um die Gefährdung der Besatzung durch das Rütteln und die Beeinträchtigung beim Aufstieg (Ablesen der Instrumente, Bedienung von Hebeln und Schaltern).

Zur Erklärung habe ich noch drei wichtige Daten mit eingeführt: Die Trockenmasse ist natürlich auch abhängig von der Motorisierung: Hier sollte die ESC-A mit nur einem schubschwachen Triebwerk eigentlich besser da stehen als die beiden Oberstufen des Ares und Titan. Zum zweiten bestimmt auch die maximale Nutzlast die Leermasse - Hier liegt nur ein Wert für die Titan vor, die anderen sind von den maximal möglichen Nutzlastmassen angegeben. Da 1000 kg mehr Nutzlast die Struktur um 20 kg schwerer machen ist dies auch zu berücksichtigen. Dazu kommen natürlich noch Designentscheidungen. So verwendet die ESC-A kugelförmige Tanks, die nur an einer Stelle die Wand berühren. Die Centaur G dagegen druckstabilisierte Tanks und die Oberstufe der Ares sehr leichtgewichtige Legierungen, die beim Space Shuttle Wasserstofftank dessen Masse um 25 % reduzierten. Berücksichtigt man diese Faktoren, so ergibt sich ein Leergewicht von 2380 kg für die ESC-A bei Übertragung der Centaur G Daten. Für die ESC-B errechnet sich ein Wert von 4110 kg. Das sind 920 beziehungsweise 1890 kg weniger. Entsprechend würde die Nutzlast ansteigen. Noch größer wird der Gewinn, wenn die leichtgewichtigen Legierungen der Ares Zweitstufe eingesetzt werden. Dann würde eine Trockenmasse von nur noch 3.880 kg für die ESC-B resultieren.

Mag das hohe Leergewicht der ESC-A noch erklärbar sein durch die schnelle und kostengünstige Entwicklung, so sollte es bei der ESC-B, die ja noch nicht fertig entwickelt werden nicht hingenommen werden. Da es die letzte Oberstufe der Ariane 5 sein soll ist hier ein Neudesign dringend erforderlich. Ich sehe drei Mögliche Verbesserungen:

Ich halte daher eine Erhöhung der Nutzlast der ESC-B Version um 1000-1500 kg auf 13.000 kg möglich.

Tunen der Booster

Es gibt bei Feststoffboostern eine Reihe von Zusammenhängen zwischen Schub, Druck und Brennzeit:

Ich habe dies in einer Tabelle zusammengefasst, wobei ich von den angegebenen Ariane 5 Referenzwerten ausgegangen bin (5840 kN Startschub, 132 s Brennzeit, 240,65 t Treibstoff, 61 bar). Es wird folgende Tabelle erhalten


Original


Brennzeit 132,0 140,0 145,0 150,0
Treibsatz 976,8 1036,0 1073,0 1110,0
Höhle 1096,4 978,0 904,0 830,0
Oberfläche 3444,9 3072,9 2840,4 2607,9
Druck 61,0 54,4 50,3 46,2
Schub 5840,0 5209,3 4815,2 4421,0
Fläche 3816553,0 4293184,0 4605316,0 4928400,0
Treibstoff 240,7 270,7 290,4 310,8
Beschleunigung 16,7 14,0 12,5 11,1

Da eine bestimmte Mindestbeschleunigung gegeben sein muss, scheidet eine Brennzeit von 150 Sekunden aus, doch 140 Sekunden, eventuell sogar 145 sollten möglich sein. Bei einer konservativen Annahme würde die Wahl auf 140 Sekunden fallen. Was sind die Vorteile:

Zusammen bringt diese einfache Änderung, ohne konstruktive Veränderungen 950 kg mehr Nutzlast.

Zusammenfassung

Hier nur berechnet für die Ariane 5 ESC-A (die Daten für die ESC-B sind mir noch zu dürftig und noch nicht endgültig) erhält man durch die angegeben Maßnahmen:

eine Nutzlast von 11250 anstatt 9600 kg, also rund 1650 kg mehr, oder in etwa dass was sie ESC-B Oberstufe bringen sollte. Bei der ESC-B ist der Gewinn höher und sollte in etwa bei 13.600 kg liegen.

Weitere Optimierungen

Traditionell ist bei europäischen Raketen die VEB eine eigene Konstruktion. Die VEB hat drei Funktionen: Sie beinhaltet die gesamte Bordelektronik, sie beinhaltet das Rollachsenkontrollsystem für die EPC und sie ist struktureller Bestandteil der Rakete. Sie ist bei der Ariane 5 recht schwer. Das lag bei der ersten Version wegen der innerhalb der VEB liegenden EPS Stufe. Bei der derzeitigen VEB Typ C entfällt dies und sie mit 950 kg schon um rund 550 kg leichter. Trotzdem macht nur ein kleiner Bruchteil davon die Elektronik aus. Sie könnte ohne Problem in die Oberstufe integriert werden, zumal nur ein äußerer Ring benötigt wird, der sowieso als Platz durch die domförmigen Tankdeckel zur Verfügung steht (höchster Punkt in der Mitte der Stufe). Verlagert man noch das Rollkontrollsystem (die ESC-A hat ihr eigenes System) in den Stufenadapter so denke ich ist die VEB einsparbar und eine weitere Gewichtsreduktion von 500 kg möglich. Als Folge erhält man eine Maximalnutzlast von 11750 kg bei der ESC-A und 14.100 kg bei der ESC-B . ohne neue Booster, ohne neues Haupttriebwerk!


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