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Web Log Teil 328: 3.6.2013 - 5.6.2013

3.6.2013: ESC-A/B und moderne Technik

Niels hat mich in einer Mail gefragt, warum ich seine Oberstufe mit 30,35 / 4,35 t Masse für zu leicht erachte. Nun Niels hat den "Fehler" gemacht, sich an Oberstufen aus aller Welt zu orientieren. Die ESC-A/B werden aber nicht wie z.b. die EPC oder H10 Oberstufe von Astrium in Frankreich, sondern von Astrium Bremen gefertigt und die haben sehr schwere Oberstufen konstruiert. Die ESC A wiegt 4,545 kg trocken bei 14,6 t Treibstoffzuladung. Für die ESC B werden 6-6,25 t trocken bei 27,5 bis 28 t Treibstoffzuladung genannt. Bei der ESC-A kommt noch die 0,95 t schwere VEB dazu, bei der ESC-B soll diese integriert sein.

ESC-A SchnittbildDas sind miserable Massenverhältnisse und man fragt sich, wie sie zustande kommen. Nun über die ESC-B gibt es sehr wenige Daten, aber über die ESC-A einige. Die ESC-A entstand aus der H10+ Oberstufe der Ariane 4. Man hat den unten liegenden Sauerstofftank samt Schubgerüst und Triebwerk weitgehend übernommen und nur den LOX-Tank leicht verlängert. Neu ist ein darüber liegender LH2 Tank. Er wird durch einen evakuierten Zwischenraum getrennt und hat die Form einer Hohlkugel, die den LOX-Tank umgibt. Er berührt die Außenwand von 5,40 m Höhe nur an einer Stelle. Dafür wird er mit dem LOX-Tank mit 30-40 Streben verbunden und muss außen verkleidet sein, da auf ihm die VEB sitzt. Diese Konstruktion ist aus vielerlei Gründen "suboptimal":

Das schlägt sich in der Massebilanz nieder. Leider habe ich dank Kommerzialisierung keine Daten aktueller US-Oberstufen auf Komponentenlevel, doch hier mal der Vergleich der Subsysteme der Centaur D und der ESC-A

 

ESC-A

Centaur D

LH2-.Tank

1.980 kg

 

LOX-Tank

220 kg

542 kg (Integraltank)

Stufenadapter

920 kg

777 kg

Schubgerüst

350 kg

179 kg

Triebwerk

170 kg

262 kg

Stufenbeschleunigungs- / Trennungsraketen

190 kg

35 kg

Intertankverbindung (ESC-A) / Isolationspaneele (Centaur)

180 kg

532 kg

Kleinteile Sonstiges

535 kg

305 kg

VEB / Instrumentierung

950 kg

388 kg

Dazu muss man einige Bemerkungen. Die Centaur ist, obwohl in den sechziger Jahren entwickelt, in vielem moderner als die ESC-A. Die Tanks haben keine feste Isolierung, sondern Paneele, die im Flug abgeworfen werden, bei den neueren Versionen ist die Isolierung aber auch fest. Der Tank ist ein Integraltank, LOX/LH2 durch einen gemeinsamen Zwischenboden getrennt. Das macht ihn nicht nur leichter, sondern erspart noch die Intertankverbindung. Der Tank ist zudem druckbeaufschlagt, was ihn trotz Edelstahl als Werkstoff sehr leicht macht. Die Triebwerke sitzen ohne größeres Schubgerüst direkt unten am Tank. Die Centaur setzt zwei Triebwerke ein, die ESC-A nur eines. Beide haben etwa gleichen Schub (65/67 kN). Allerdings arbeitet das RL10 nach dem Expander Cycle Verfahren, daher entfallen die Stufenbeschleunigungsraketen und man braucht nur die Stufentrennungsraketen für die Abtrennung der Nutzlast. Bei der Centaur ist die Elektronik traditionell in die Stufe integriert, bei Europa macht man (damit jeder auch einen Auftrag bekommt) noch eine eigene Equipment Bay, die auf der Stufe sitzt und durch den dazu nötigen Ring schwerer ist.

In der Summe wiegt die Centaur bei der Zündung 15.512 kg bei einem Trockengewicht von 1.592 kg. Die ESC-A 17.900 kg bei einem Trockengewicht von 3.300 kg. Obwohl also die Stufen hinsichtlich Treibstoffzuladung vergleichbar sind, ist die Trockenmasse doppelt so hoch.

Nun die ESC-A war gedacht als Zwischenlösung. Sie sollte von 2002 bis 2007 fliegen und 2007 von der ESC-B abgelöst werden. Doch nach dem gescheiterten Jungfernflug der Ariane 5 ECA wurden die Gelder für die ESC-B für ein Konsolidierungsprogramm verwendet und seitdem kam es nicht zur Entwicklung, was ihr ein deutlich längeres Leben beschert. Für die ursprüngliche Interimsversion ist das krude Design noch hinnehmbar. Doch bei der ESC-B ist es nicht viel besser, wie das zu erwartende Trockengewicht von 6 t zeigt.

ESC-B TanksWas ist das Problem? Nun zum einen will man bei Astrium Bremen (früher ERNO) weder eine leichtgewichtige Aluminiumlegierung wie die 2195 einführen (26-40% Gewichtseinsparnis gegenüber der Al2219, die man heute einsetzt). Auch Innendruckstabilisierung, wie bei der EPC wird nicht erwogen. Das macht die Stufe schwer. Dazu kommt die ungünstige Tankform. Sie ist bei der ESC-B besser, es sind nun zwei ineinander geschachtelte Tanks, aber es ändert nichts daran, dass das Volumen sehr klein verglichen mit dem Volumen ist. Man erkennt das schon beim ESC-A Tank. Er hat das 3,3-fache Volumen der LOX-Tanks, wiegt aber neunmal mehr, obwohl Wasserstoff nur ein 16-tel der Dichte des Sauerstoffs aufweist. Ideal wäre entweder ein kugelförmiger Tank oder, wenn dies nicht möglich ist, ein zylindrischer, dabei sollten die Abschlussdome, die strukturell verstärkt sein müssen, möglichst klein sein. Das ist bei der ESC-B nicht möglich, weil sie einen Durchmesser von 5,4 m hat - als Zylinder wären beide Tanks nur 3,3 m hoch. Als Kugeltank könnte man die Innendruckstabilisierung ideal einsetzen, da man hier kein Ausbeulen bei geringen Wandstärken befürchten muss. Der Innendruck stabilisiert auch das Treibstoffschwappen durch die Schwingen der EAP. (Ein Kugeltank von 5,4 m Durchmesser fasst rund 5,6 t LH2, die LH2 Zuladung der ESC-B wird aber bei nur 4 t liegen).

Was sich auch auswirkt, ist, dass das Vinci Triebwerk mit 550 kg Masse, deutlich schwerer als zwei schubgleiche RL-10 ist. Das liegt auch an der enorm langen Düse mit dem Expansionsverhältnis von 240. Immerhin integriert man nun die Elektronik in die Oberstufe, sodass die VEB wegfällt.

Was zu berücksichtigen ist, ist das eine Stufe auf Feststoffboostern steifer sein muss als die obige Centaur auf der Standard Atlas. Doch auch hier gibt es einige US-Beispiele:

Oberstufe

Auf ...

Startgewicht

Trockengewicht

Voll/Leermasse

Centaur D-1T

Titan 3E

15.593 kg

2.060 kg

7,59

Centaur G

Titan 4A/4B

23.923 kg

2.775 kg

8,62

Core 2

Ares I

156.000 kg

17.500 kg

8,91

EDS

Ares V

278.500 kg

24.200 kg

11,50

SLS

234.780 kg

23.500 kg

9,99

ESC-B

Ariane 5

34.450 kg

6.250 kg

5,51

Centaur D und Centaur GNun natürlich sind die Oberstufen auf den Ares I/V/SLS nicht direkt vergleichbar, da sie erheblich größer sind und daher naturgemäß bessere Verhältnisse aufweisen. Auf der anderen Seite ist die Oberstufe der Ares I direkt auf einem SRB und wird noch mehr durchgeschüttelt als die ESC-B. Und natürlich sind für alle der drei großen Oberstufen die Legierung 2195 vorgesehen. Die Centaur setzt dagegen Edelstahl ein, der eigentlich schwerer bei gleicher Beanspruchung als Aluminium ist.

Vergleichbar von der Auslegung und den Beanspruchungen ist die Centaur G. Auch hier wurde die Centaur D einfach erweitert, indem ein neuer LH2 Tank von 4,35 m Durchmesser angebracht wurde. Der Zwischentank blieb aber. Auch sie ist deutlich schwerer als die Centaur der Atlas, deren letztes Exemplar 23.392 / 2.462 kg (bei zwei Triebwerken) wiegt. (9,50 zu 1). Das sind bei der Centaur G rund 260 kg mehr, nicht 2000 kg wie bei der ESC-B. Nun ist die Centaur ein optimiertes Design, das kann man von Astrium Bremen sicher nicht verlangen, dazu fehlt die technologische Kompetenz in Bremen, die bisher nur kleine Oberstufen mit lagerfähigen Treibstoffen und Druckstabilisierung entwickelt haben, aber man kann es mit einem zweiten „nicht optimierten“ Design verglichen - dem der DCSS. Die Delta IV Zweitstufe ist schnell und billig entwickelt worden (die gesamte Delta IV Entwicklung ist ja billiger als die ESC-B), also so viel sollte man dann vom Hersteller schon verlangen können.

Bei der Delta IV Oberstufe sind zwei getrennte Tanks für LH2 und LOX mit einem Zwischenstufenadapter verbunden, der recht viel Platz lässt. Dort befinden sich z.B. die Druckgasflaschen und der Treibstoff für das Lageregelungssystem. Darunter ist ein konventionelles Schubgerüst. Auch hat das RL-10B eine ausfahrbare Düse wie das Vinci, nur etwas weniger Schub. Die DCSS wiegt 30.710 kg / 3.490 kg also Masseverhältnis von 8.79 zu 1) und sie hat fast dieselbe Treibstoffzuladung wie die ESC-B. Berücksichtigt man das das Vinci 240 kg mehr als das RL-10B wiegt, und in der VEB noch Treibstoff für die Rollachsenkontrolle der EPC steckt, sollte ein Trockengewicht von 4 t möglich sein. Das meint auch MT Aerospace, bei deren Konzept eine LOX/LH2 Stufe mit dem Vinci Triebwerk 28,6 / 3,7 t wiegt (7,79 zu 1). Überträgt man dies auf die ESC-B kommt man auf 4,19 t Trockenmasse also ziemlich genau 2 t weniger als derzeit geplant. 2 t weniger sind bei der letzten Stufe 2 t mehr Nutzlast - 14 anstatt 12 t.

Delta 4 Oberstufe DCSSWie kommt man auf diese Masse? Nun, selbst wenn ich nicht leichte Legierungen oder Innendruckstabilisierung einsetze (MT Aerospace soll an der Legierung 2195 arbeiten und die Innendruckstabilisierung wird bei der EPC eingesetzt, man kann es also in Europa), dann gewinnt man schon viel durch eine geeignete Tankform und die ist bei dieser Treibstoffmenge eben keine mit einem Durchmesser von 5,40 m. Beim MT Aerospace Konzept sind es zwei getrennte Tanks und 3,60 m Durchmesser. Bei in etwa 4 m Durchmesser müsste man die Stufe einordnen. Für die Ariane 6 ist eine zweite Stufe von 4,40 m Durchmesser geplant. Geht man auf diesen Durchmesser, so steigt die Länge um 50%, aber das Voll/Leermasseverhältnis verbessert sich deutlich. Optimal würde ich 3,8 bis 4 m Durchmesser ansehen.

Das Ganze hat auch noch einen zweiten Vorteil: Die Oberstufe wäre so 1:1 auf die Ariane 6 transferierbar, bei der sie sowieso dünner sein muss. Der einzige Preis ist ein Adapter an der Nutzlastverkleidung, die nach wie vor 5,40 m Basisbreite hat. Dann wäre das Geld wenigstens gut investiert, denn man spart sich für die Ariane 6 neue Ausgaben (so muss man aber bei der Ariane 6 eine neue Stufe konstruieren, ich vermute aber das ist Absicht). Es sollte das Eigeninteresse von Astrium Bremen sein die Stufe auf die Ariane 6 auszulegen, denn dort kann man sich noch weniger als bei der Ariane 5 2 t Mehrgewicht leisten. Bei der Ariane 5 reduziert das die Nutzlast von 14 auf 12 t. Doch bei der Ariane 6 von 8 auf 6 t bzw. 5 auf 3 t, also prozentual viel stärker. Sonst könnte es spätestens bei der Ariane 6 dazu kommen, das den Auftrag eine Firma bekommt, die leichte Stufe konstruieren kann, wie z.B. Air Liquide, die mit der H10 (Voll-/Leermasseverhältnis bei der letzten Einsatzversion: 9,75 zu 1) gezeigt hat, das sie die Technik beherrschen.

Was ist, wenn es Astrium Bremen nicht hinbekommt? Nun es gibt noch andere deutsche Firmen. MT Aerospace hat einen guten Vorschlag, die Firma fertigt nicht nur für Ariane 5 Bulkheads, sondern auch für Atlas und H-IIA. Vielleicht sollte man mal den Hersteller der Oberstufe wechseln. Die ESC-B Entwicklung wird mit 1,2 bis 1,7 Milliarden Euro angegeben, weitaus teurer als die ESC-A Entwicklung und fast so teuer wie die Ariane 1 Entwicklung inflationskorrigiert. Ich meine dafür kann man State-of-the-Art erwarten. Wenn eine Firma das nicht hinbekommt, dann sollte eine andere damit beauftragt werden.

5.5.2013: Hubble und das Shuttle

Für die NASA gilt das Hubble Weltraumteleskop als Paradebeispiel für die Nützlichkeit des Space Shuttles. Er ermöglichte die Reparatur der Krümmung des Spiegels. Später kamen dann noch weitere Servicemissionen, bei denen man die Instrumente jeweils durch neue, die dem Stand der Technik entsprechen austauschte. Kritiker sehen das anders. Das ganze ist teurer als wenn man das Weltraumteleskop nachbaut. Zeit das nachzuprüfen und nachzurechnen. Das ganze ist nicht ganz einfach, weil die NASA nicht mehr die Missionskosten der Shuttle Starts publiziert.

Hier das Szenario: Anstatt Servicemissionen zu starten baut man das HST nach und setzt dort die aktuellen Instrumente ein. Die Kosten für die Instrumente muss man daher nicht berücksichtigen, sie würden auch in einem Nachbau unterkommen. Gestartet wird es jeweils mit einer aktuellen Trägerrakete. Fangen wir mal an diese zu beleuchten

Hubble war startbereit 1986, es musste bis 1990 auf den Start warten. Eine Trägerrakete hätte es aber schon 1986 hochliften können. Der Zeitverzug hat Folgen: man kann bei einem Großprojekt wie Hubble nicht einfach alle Wissenschaftler entlassen und nach 4 Jahren wieder zusammentrommeln. Die Teams müssen vier Jahre alng zusammengehalten werden. Gaia als ein neues nur mittelgroßes Projekt beschäftigt rund 400 Wissenschaftler. Bei Hubble dürften es sicher über 1000 sein. Bei einem Gehalt von 50.000 Dollar pro Jahr ist man dann leicht bei 50 Millionen Dollar Fixkosten. Wie sehr Verzögerungen ein Projekt verteuern sieht man an Galileo - die Lagerung und längere Reise verlängerten die Mission um 6 Jahre und die Kosten steigen von 960 auf 1364 Millionen Dollar. Also auch hier pro Jahr Mehrkosten von 70 Millionen Dollar. Hubble dürfte eher noch höher liegen. Immerhin wurden 1986 noch 1,3 Milliarden Dollar Kosten genannt, 1990 waren es dann über 2 Milliarden Dollar (mit Start).

Das sind schon mal 700 Millionen Dollar die das Shuttle kostete. Als Trägerraketen (um es zu starten) gab es ab 1982 die Titan 34D mit Startkosten von 154 Millionen Dollar und einer maximalen Nutzlast von 14.515 kg. 1989 folgte die Titan 4A mit Startkosten von 250 Millionen Dollar und einer maximalen Nutzlast von 18.140 kg. 1997 folgte die Titan 4B mit Startkosten von 325 Millionen Dollar und 21.680 kg Nutzlast. 2002 steht dann die Atlas 551 zur Verfügung mit 20.520 kg Nutzlast und 243 Millionen Dollar Startkosten.

Das HST wog beim Start 11.100 kg. Die zusätzliche Nutzlast erlaubt zweierlei: Zum einen bei den Nachbauten schwerere Instrumente, sowie geringere Anforderungen an die Leichtbauweise, wodurch es potenziell billiger werden kann. Eine zweite Möglichkeit ist es einen höheren Orbit anzustreben. Das hat mehrere Vorteile. Zum einen bedeckt die Erde einen Teil des Himmels, er ist nicht beobachtbar. Dieser Teil ist um so kleiner je höher der Orbit ist. Zum anderen sinkt das Teleskop laufend ab, es hat keinen eigenen Antrieb. Gestartet wurde es in einen 611 km hohen Orbit, derzeit umkreist es die Erde in 556 km Höhe. Das war nur möglich weil jede Servicemission es noch leicht anhob. Rosat, etwa zur gleichen Zeit in einen 596 km hohen Orbit ist letztes Jahr verglüht. Mit einer Trägerrakete könnte man es in wesentlich höhere Orbits befördern. Schon die Titan 34D kann es in einen 1100 km hohen Orbit bringen. Bei der Titan 3B mit der höchsten Nutzlast wäre es ein über 3000 km hoher Orbit. Als Nebeneffekt belastet dies die Batterien weniger, die pro Orbit einmal geladen und entladen werden. Alternativ wäre ein Start in einen Sonnensynchronen Orbit möglich, bei dem die Batterien nur zweimal im Jahr benötigt werden.

Würde man die Ersatzexemplare zeitgleich wie die Servicemissionen starten. So wären es folgende:

Dem müssen die Space Shuttle Kosten gegengerechnet werden. Der Start von Hubble kostete 300 Millionen Dollar, danach gibt es nur noch die Zahlen für die Servicemission 2 und bei der letzten Mission wurden 1,1 bis 1,5 Billionen genannt - vor allem wegen der Sicherheit weil eine zweite Raumfähre für den Start vorbereitet wurde. Die NASA rechnet die Zahlen gerne schön, so wird für die Servicemission 3A nur 110 Millionen genannt, doch wie immer bei der NASA sind das nur die variablen Kosten. Im selben Jahr gab die NASA aber 2426,7 Millionen Dollar für nur drei Starts aus, so macht dies über 800 Millionen Dollar pro Flug. Berechnet man außer der letzten so die Kosten so kommt auf folgende Daten:

Start: 439 Millionen Dollar

Servicemission 1: 408 Millionen Dollar

Servicemission 2: 308 Millionen Dollar

Servicemission 3: 809 Millionen Dollar

Servicemission 4: 1100 Millionen Dollar

Für die letzte habe ich die niedrigste Summe die ich fand - 1100 Millionen genommen, sie wurde auch wegen der Kosten sehr kontrovers diskutiert. Das sind 3064 Millionen Dollar für die Servicemissionen ohne Instrumente.

Es steht zu befruchten das es noch teuer ist, denn zum zwanzigjährigen Jubiläum von Hubble, 2010 wurden die Gesamtkosten von Hubble mit 9,6 Milliarden Dollar angegeben. Das ist dann nochmals 5 Milliarden Dollar mehr als die Kosten von Hubble, Startkosten und Instrumente und es fällt schwer zu glauben, dass dies alles Missionskosten sind. Das STSI das es managend hat fest 450 Personen angestellt, dazu kommen noch Mitarbeiter der ESA und vieler beteiligter Institute. Trotzdem gab das STSI an, 80% der Kosten würden in Instrumenten landen, die etwa 100-400 Millionen Dollar pro Service Mission ausmachen. So kommt man nicht auf 5 Milliarden Dollar. Es ist zu erwarten, das sie Shuttlestarts noch teurer sind, vor allem weil sie Außeneinsätze erfordern, die aufwendig in der Durchführung und Vorbereitung sind.

Aber nehmen wir nur die 3.064 Millionen Dollar, addieren dazu die obigen 700 Millionen Dollar für die Differenz der Angaben von 1986 und 1990, so ist man bei 3.764 Millionen für die Space Shuttles und Verzögerungen. Davon müssen wir die 1.222 Millionen Dollar für Startkosten mit Trägerraketen abziehen. Bleiben 2.542 Millionen Dollar für vier Teleskope. Ist das machbar? Nun das sind 635 Millionen Dollar pro Exemplar. Das wird nicht leicht. Aber die Instrumente sind nicht dabei und die machen einen ziemlichen Batzen aus. Rechnet man sie hinzu so kommt man auf über 800 Millionen Dollar pro exemplar.

Im Normalfall ist es so, dass Raumsonden und Satelliten beim Nachbau billiger werden. Um wie viel ist recht unterschiedlich. Bei völligen Neuentwicklungen ist das zweite Exemplar recht preiswert, beim Einsatz schon existierende Busse kann man kaum was sparen. Die NASA rechnete als sie noch Raumsonden im Doppelpack startete mit 30-40% der Kosten für das zweite Exemplar. In der Höhe lag auch der Nachbau von Cluster, als diese 1996 verloren gingen. Setzt man dies bei Hubble an, so sollte der Nachbau 390-520 Millionen Dollar kosten (mit Instrumenten), so sollte es möglich sein, zumal wir ja eine dauerhafte Fertigung über 15 Jahre haben, mit einem Exemplar alle 4 Jahre. Das sollte die Kosten drücken.

Mehr noch, man kann auf Erfahrungen des Militärs bauen. 2012 bekam die NASA zwei Teleskope geschenkt - mit demselben Durchmesser wie Hubble, aber für den KH-11 Spionagesatelliten entworfen. Diese wurden für 275 Millionen Dollar gebaut, also nur 138 Millionen pro Exemplar. Natürlich braucht man dann noch einen Satelliten drumherum, doch dafür hat man nun fast 500 Millionen Dollar übrig und da sollte das zu machen sein. Die Übernahme dieser Optiken hätte auch den Vorteil, dass es Weitwinkeloptiken sind, die anders als Hubble ein hundertmal größeres Gebiet abdecken. Das bedeutet dass man sie für Durchmusterungen nutzen kann - mit dem Preis, dass die Auflösung geringer ist.

Mehr noch, man könnte sogar neue Technologien einsetzen. Die nur 3402 kg schwere und 369 Millionen Euro teure Herschel hat z.B. einen Siliziumkarbidspiegel von 3,5 m Durchmesser - leichter als das Glas das HST einsetzt und daher größer, obwohl der Satellit nur ein Drittel von Hubble wiegt. EADS Astrium offeriert einen Spionagesatelliten mit derselben Technologie und 4,1 x 5,2 m Spiegel (elliptische Form) der sogar so leicht ist, dass er in einen GEO-Orbit gebracht werden kann.

Natürlich wären heute nicht mehr alle Teleskope aktiv. Astronauten haben bei Hubble zuerst das Solarpanel, dann den Bordcomputer und zuletzt die Lageregelungskreisel und die Batterien ausgetauscht. Mehr Observatorien bedeuten auch mehr Kosten. Realistisch wird man wahrscheinlich zwei, maximal drei gleichzeitig betrieben. Auch nach einem neuen Exemplar sind die alten ja nicht schrottreif. Neue Instrumente ersetzten alte um neue Beobachtungsqualitäten einzubringen, wie NICOMS für Infrarotbeobachtungen. An der Sensitivität oder Auflösung ändern sie nichts, die ist von den CCD bestimmt, die schon in der ersten Generation eingesetzt wurden, aber die Chips wurden immer größer. So hatte Hubble ursprünglich eine Wide Field und eine Faint Objekt Camera an Bord. Beide mit 800 x 800 Pixeln, nur die eine mit dem 2,5 fachen Feld. Die dritte Generation ersetzte beide Instrumente durch eine Kamera mit 4096 x 4096 Pixeln. Diese hat nun das Gesichtsfeld der großen Kamera und die Auflösung der kleinen. Verbindet also die Vorteile beider Instrumente. Mit einem CCD-Array wie sie heute mit bis zu Gigapixelgröße möglich sind, könnte man auch die Vorteil der Weitwinkeloptiken ausnützen.

In der Summe sind die Servicemissionen von Hubble also nur eine teurer Alternative für die man auch mehrere Teleskope hätte bauen können. So was gab es ja früher einmal - die OAO und OSO Satelliten wurden in Serie gebaut und erhielten jeweils neue Instrumente.


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