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Web Log Teil 334: 28.6.2013 - 30.6.2013

30.6.2013: Verschüttetes Wissen und Absinkendes Niveau

Auf den heutigen Blogeintrag hat mich Hans gebracht. Wer in den frühen achtziger Jahren einen Heimcomputer kaufte, wurde nach 1-2 Sekunden mit einem "Ready" und einem blinkenden Cursor empfangen, oder wenn er mehr ausgab mit einem "A:>" und ebenfalls einem blinkenden Cursor.

Ohne ein Handbuch zu lesen, wäre man da nicht weitergekommen. Ich bin aber auch der Überzeugung, das wenn man so ein Gerät heute auf den Markt bringt würden die wenigsten damit klarkommen.

Jede Zeit hat ihr Erwartungsniveau ausgehend von dem was die Leute als "normal" ansehen. Als diese Heimcomputer auf den Markt kamen waren sie fortschrittlich. Computer kannte man nicht. Rechnen konnte man allerhöchstens mit Taschenrechnern. Da waren selbst Heimcomputer fortschrittlich. Mit ihnen konnte man Texte bearbeiten ohne Tipp-Ex bemühen zu müssen. Man konnte mit einem kleinen Programm Dinge berechnen für die man bei einem Taschenrechner lange tippen müsste. Heute kann man vieles mit Excel & Co erledigen, selbst nichtlineare Abhängigkeiten auflösen. hätte ich kein Programm für Raketenberechnungen, ich würde das wohl mit Excel erledigen. Ein Rechner der einen auffordert erst mal was zu programmieren, noch dazu ohne sofortigen Syntaxcheck erscheint da als Zumutung, wie ich auch bei den Studenten bemerkte, wenn ich bei den Bemerkungen Dinge lesen musste wie "Wofür muss ich Syntax lernen, das kann doch der Compiler prüfen". Entsprechend sah es dann auch aus. Da gab es dann bei einigen Lösungen neue Befehle.

Dabei ist das nicht das Hauptproblem sondern das logische Denken an dem es hapert und das braucht man nicht nur beim Programmieren. Die Beschränktheit der Möglichkeiten zwang auch ein planvolles Vorgehen, denn sonst kam bei BASIC nur Spagetti-Code heraus.

Was für uns "normal" ist hängt davon ab was wir gewöhnt sind. Damit liegt aber auch fest, was wir schon können ohne das wir es lernen müssen. Bei jedem der ein Betriebssystem benutzt und nur einige Texte schreibt oder surft liegt enorm viel impliziertes Wissen vor. Das merkt man wenn man eine komplett andere Umgebung hat in der man dieses nicht umsetzen kann. Das war früher z. B. beim Wechsel auf Linux der Fall, heute wegen der Angleichung weitgehend nicht mehr. Das umgekehrte liegt vor, wenn jemand heute erst mit Computern in Berührung kommt. Das merkt man erst, wenn man damit zu tun hat. Mein Bruder ist so ein Fall. Obwohl er als Architekt eigentlich einen Beruf hatte (inzwischen im Altersruhestand) der computeraffin ist, war er bald Bauleiter und musste selbst nichts mehr zeichnen. Also kam er um den Computer herum. Erst 1992 wurde einer angeschafft, vor allem um Texte zu schreiben. Internet wurde erst 2006 entdeckt und so richtig vertraut ist er mit der Bedienung immer noch nicht. alle paar Monate muss man Windows komplett neu aufsetzen weil es schon nicht mehr startet, wie er das schafft weiß ich bis heute nicht. Und wenn er mal an meinem Computer ein Ticket bei der Bahn bucht, finde ich im Downloadordner immer einen "Neuen Ordner(1)" als Verzeichnis - das ist das typische Verhalten von Schnellklickern.

Vieles was man früher konnte, können wir heute nicht mehr. Es gibt ja ein eigenes Wissenschaftsgebiet "Experimentelle Archäologie". Da versucht man Werkzeuge, Geräte oder Waffen mit den damaligen Methoden ehrzustellen oder auch diese Methoden erst zu verstehen. Wir bekommen so nicht nur ein besseres Bild von der damaligen Zeit, wie etwas entstand, aber auch was die Leute damals konnten. Im Extremfall würden die meisten, die in die Steinzeit zurückversetzt wären wohl mangels Jagderfolg verhungern.

Wir brauchen das aber auch heute nicht mehr, dafür zählen andere Qualitäten. Fakten kann man heute viel einfacher im Internet nachprüfen als früher in Büchern. Auch bei Software wird erwartet, dass man einfach so loslegen kann (anders als bei den oben angesprochenen Heimcomputern). Heute liest kaum noch einer das Handbuch, oder wie es bei den Programmieren heißt "RTFM". Um so wichtiger sind bei vielen Fächern, wenn die Fakten an Bedeutung verlieren die mysteriösen" Grundlagen. Sie sollen einen befähigen mit sich verändernden Anforderungen und Fakten schneller zurecht zukommen, indem man Basiswissen durch neue Fakten ergänzt oder Methoden auf neue Gebiete anwendet. Das erstaunliche ist, dass es meiner Erfahrung nach gerade daran hapert. Programmieren ist ja vor allem Logik und die Fähigkeit ein Problem in Teilprobleme aufzulösen und diese mit den Mitteln einer Programmiersprache zu formulieren. Diese selbst und die Syntax ist eher nebensächlich. Das es hier einen Mangel gibt habe ich auch von anderen Dozenten gehört die länger als ich dabei waren und auch das es schlechter wird.

Also eigentlich sollte es einfacher werden. Als ich das erste mal studierte gab es viele Grundlagen zu lernen, aber noch mehr Fakten. Ich selbst hatte ja schon bei meinem zweiten Studium, das nicht an einer Uni, sondern einer FH war, ein Gefälle festgestellt. Natürlich im Stoff, wo die Uni auf einem Niveau startete das ich von der Schule nicht kannte. Entsprechend groß war der Zeitaufwand den Vorlesungen zu folgen. Bei der FHTW war dem nicht so. Bei den Fächern, die ich schon an der Uni hatte (Physik und Mathematik) konnte ich direkt vergleichen und da schaffte man trotz 66% mehr Stunden in Mathematik weniger als auf der uni. Ob dies nun mehr an dem unterschiedlichen Studium mit unterschiedlichen Abschlüssen ist (Master und Bachelor) oder das Eingangsniveau real gesunken ist, kann ich nicht beurteilen.

Doch ein Zitat eines anderen Dozenten macht mich nachdenklich "Als ich Abitur machte, waren das 8% eines Jahrgangs, heute sind es 50%, das muss ja folgen haben". Ja muss es, da man nach Vorschrift so korrigieren muss, das ein Durchschnitt herauskommt der zwischen 2,5 und 3 liegt, da dies so gegeben wäre wenn die Noten "gleichverteilt" sind. Natürlich bedeuten mehr Studienanfänger nicht automatisch, dass mehr Dumme anfangen, weil es auch eine wirtschaftliche Frage ist. aber die Tendenz ist gegeben. Die Frage ist auch ob wir so viele Studenten brauchen - wer macht dann eigentlich die ganzen anderen Arbeiten die kein Studium erfordern?

Ich habe übrigens gerade mal nachgeschaut und in dem Jahr in dem ich Abitur machte, war die Studienanfängerquote 2,5-mal kleiner als heute. Als größeren Unterschied sehe ich aber die Organisation: Das FH Studium mit "Stundenplan" für jedes Semester festgelegten Fächern und das Unistudium mit Vorlesungen und Kursen die man zwar nicht in beliebiger Reihenfolge aber doch weitegehend selbstverantwortlich belegen kann. Das zwingt einen zu selbstständigem Arbeiten, Eigeverantwortlichkeit und Selbstorganisation. Aber mit diesem System wird man wohl nicht so viele Studenten durchschleusen können.

29.6.2013: Wir konstruieren uns eine Angara

In meiner losen Reihe "wir (ich) können es besser als die Raumfahrtagenturen" will ich mich heute mal der Angara widmen. Also einer Alternative zur Angara. Eine modulare Trägerfamilie die besser als die Angara Familie ist. Zuerst einmal sollte man die Ziele definieren:

Als Beispiel wie ich so was aufziehe will ich das mal erläutern. Das erste ist mal eine Nutzlastabschätzung. Die Sojus liefert die Nutzlastvorgabe für das kleinste Familienmitglied. Sie wiegt rund 300 t, das wäre bei in etwa gleicher Technologie also die Vorgabe für die kleinste Version. Für Raketen mit flüssigen Treibstoffen ist ein Schub/Gewichtsverhältnis von 1,25 beim Start üblich, das sind dann 3750 kN. Schaut man sich im russischen Arsenal um, so fällt einem sofort das RD-180 mit 3827 kN Schub auf Meereshöhe ein.

Für die bei der Sojus nötigen LEO Missionen braucht man eine Oberstufe für die bei LEO noch LOX/Kerosin als Treibstoff ausreicht (für weitere Oberstufen später mehr). Typisch für eine Oberstufe ist ein Schub/Gewichtsverhältnis von 0,7 wenn sie relativ groß ist. Bei kleinen Stufen ist es geringer.

Die Größe der Oberstufe ist bei in etwa gleichem spezifischem Impuls leicht abschätzbar denn es gilt erste Stufe/Oberstufe ~ Oberstufe/Nutzlast. Da die Nutzlast bekannt ist 88 t) kann man mit etwas probieren in etwa 40 t veranschlagen. Zusammen mit der Nutzlast sind wir dann bei 48 t. Das bedeutet dass man einen Schub von etwa 336 kN braucht. Leider gibt es in der Größe nichts aber es reicht auch ein etwas kleineres, hier das RD-0124.

Damit kommt man auf eine Startmasse von 250 t für die erste Stufe, 40 t für die zweite und 10 t für Nutzlast und Nutzlastverkleidung. Orientiert man sich an der Start/Leermasse der Atlas V CCB mit demselben Triebwerk so hat die erste Stufe eine Leermasse von 17,25 t. und orientiert man sich an Block I für die zweite Stufe so hat diese eine Trockenmasse von 3,2 t. Mit 1600 m/s Verlusten kommt man so auf 10,89 t Nutzlast. Damit ist schon mal das erste Kriterium erreicht - mehr Nutzlast als die Original Sojus

Wie bei der Angara erweitert man diese Kernstufe durch Booster. Während es dort aber praktisch die gleiche Stufe ist, sehe ich kleinere Booster vor. Das erlaubt es die Nutzlast einfacher granular einzustellen. Ansonsten verdoppelt, verdreifacht sie sich gleich. Die Booster bei mir haben in etwa die halbe Startmasse der Hauptstufe. Sie weisen ein etwas höheres Schub/Gewichtsverhältnis von 1,5 zu 1 auf um auch schwerere Oberstufen transportieren zu können. Bei etwa 125 t Startmasse kommt man dann auf einen Schub von 1875 kN. Russland hat dafür das RD.191 entwickelt. Aber warum eigentlich? Zum einen hat man im Auftrag von Südkorea das RD.151 mit 1667 kN Schub entwickelt, das geeignet wäre und es gibt noch die NK-33 mit 1543 kN Schub. Beide sind etwas schubschwach, reduziert man die Startmasse auf 110 t so passt das RD-151. Die Größe muss sich nach der Zentralstufe richten, da diese unten an ihrem Schubgerüst und oben am Stufenadapter angebracht sind. Bei 110 t / 9 t Gewicht (abgeleitet von der Angara) wäre der Durchmesser der Zentralstufe 1,507 mal größer als die des Boosters. Das kann man z.b. mit Boostern von 2,80 m Durchmesser und einer Zentralstufe von 4,20 m Durchmesser erreichen.

Für GTO-Missionen braucht man noch eine LOX/Lh2 Stufe. Die Triebwerkswahl ist dann einfach. Es gibt nur eines, das Russland für die GSLV entwickelte. Es ist das RD-56 mit 73,4 kN Schub. Basierend auf den Daten der Centaur III kommt man auf eine Beschleunigung von 0,31 g für Oberstufe und Nutzlast. Bei einem Triebwerk ist man dann bei 23,7 t Gesamtgewicht und bei zweien bei 47,4 t. Das leitet zum letzten Feature über. Wenn man die Oberstufen konstant lässt und nur die Boosterzahl variiert so bringen die Oberstufe trotz höherem spezifischen Impulseinen immer kleineren Teil der Gesamtgeschwindigkeit auf. Sinnvoll ist es daher zwei unterschiedliche Größen anzubieten. Das ist relativ einfach möglich wenn man zwei Schubrahmen für ein und zwei Triebwerke vorsieht. Der Treibstofftank besteht dann aus einem oder mehreren zylindrischen Segmenten mit konstanter höhe. Dazu kommen noch die sphärischen Abschlüsse.

Bei 6 t Maximalnutzlast für ein Triebwerk kommt man so auf 17,7 t Startmasse für die 1 Triebwerkvariante und bei 15 t Maximalnutzlast für die zwei Triebwerksvariante auf 32,4 t Startmasse. Basierend auf den Daten der DCSS der Delta 4 kommt man so auf eine Trockenmasse von 3,7 t bei der großen und basierend auf den Daten der Centaur D 2 t bei der kleinen Version.

Der Transport der schweren Oberstufen hat natürlich auch Folgen auf die untere Stufe mit dem RD-0124. Hier braucht man wegen der Oberstufen sogar die Möglichkeit 1,2 oder 3 Triebwerke einzusetzen. Zwei RD-0124 erhöhen das Startgewicht von 48 auf 96 t. Das sind abzüglich der Oberstufe mit 17,7 t Gewicht und 7,4 t für die Nutzlast dann kann die Oberstufe mit zwei Triebwerken 30 t schwerer sein. Mit drei RD-0124 und der schweren Oberstufe und 15 t Nutzlast kann die Oberstufe 81,6 t wiegen. Damit hat man dann folgende Stufen:

Stufe Kürzel Startmasse Leermasse Triebwerke Brennzeit
Zentralstufe   250 t 17,25 t 1 x RD-180 185,6 s
Booster 2,3.... 110 t 8 t 1 x RD-151 203,2 s
Oberstufe I (klein) Ik 40 t 3,2 t 1 x RD-0124B 440,5 s
Oberstufe II (mittel) Im 70 t 4,6 t 2 x RD-0124B 391,5 s
Oberstufe I (groß) Ig 80 t 6,0 t 3 x RD-0124B 295,3 s
Oberstufe II (klein) IIk 17,7 t 2 t 1 x RD-56 941 s
Oberstufe II (große) IIg 32,4 t 3,7 t 2 x RD-56 860,6 s

 Wie man sieht, hat die Zentralstufe nominell eine kürzere Brenndauer als die Booster. Das ist jedoch kein Problem, da das RD-180 im Schub reduzierbar ist und davon sollte auch Gebrauch gemacht werden um die Spitzenbeschleunigung zu reduzieren. Damit erhält man folgende Familienmitglieder:

Rakete: Angara 0-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
13079020901000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
111000090003304
21770020004402

Rakete: Angara 1-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
27303043301000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1250000172503312
21770020004402

Rakete: Angara 1-Ik

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
29435933591000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1250000172503312
24000032003520

Rakete: Angara 2-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
514620102202000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1220000180003304
2250000172503312
33240037004402

Rakete: Angara 2-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
49832886282000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1220000180003304
2250000172503312
31770020004402

Rakete: Angara 2-Im-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
572721130212000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1220000180003304
2250000172503312
37000046003502
41770020004402

Rakete: Angara 3-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
627870124703000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1330000270003304
2250000172503312
33240037004402

Rakete: Angara 3-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
611261105613000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1330000270003304
2250000172503312
31770020004402

Rakete: Angara 3-Ig-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
711892164923000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1330000270003304
2250000172503312
38000060003502
43240037004402

Rakete: Angara 3-Ig-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
695875151753000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1330000270003304
2250000172503312
38000060003502
41770020004402

Rakete: Angara 3-Im-IIk

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
685913152133000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1330000270003304
2250000172503312
37000046003502
41770020004402

Rakete: Angara 7-Ig-IIg

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1160724253243000102281600
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1770000630003304
2250000172503312
38000060003502
43240037004402

Schon bei drei Boostern ist man bei über 16 t GTO. Man sieht auch das nicht alle Varianten sinnvoll sind. Hier angegeben sind die GTO Nutzlasten. Für LEO kommt man auf folgende Nutzlasten:

Angara 0-IIk 5900,6
Angara 1-IIk 10978,0
Angara 1-Ik 10889,5
Angara 2-IIg 24348,6
Angara 2-IIk 20895,1
Angara 2-Im-IIk 28740,1
Angara 3-IIg 29280,3
Angara 3-IIk 25507,7
Angara 3-Ig-IIg 36593,1
Angara 3-Ig-IIk 33770,9
Angara 3-Im-IIk 33575,7
Angara 7-Ig-IIg 55774,1

Für Ariane 5 kompatible GTO (+600 m/s mehr als GTO mit 51,5 Grad Inklination) kommt man auf folgende Nutzlasten:

Angara 0-IIk 1476,6
Angara 1-IIk 3320,8
Angara 1-Ik 2214,6
Angara 2-IIg 8027,0
Angara 2-IIk 6831,7
Angara 2-Im-IIk 10594,0
Angara 3-IIg 9885,2
Angara 3-IIk 8393,3
Angara 3-Ig-IIg 13332,8
Angara 3-Ig-IIk 12336,9
Angara 3-Im-IIk 12397,0
Angara 7-Ig-IIg 20634,7

Selbst wenn man etwas höhere Verluste einkalkuliert (so wird man beim GTO einen zu Ariane 5 kompatiblen Orbit anstreben, was die Geschwindigkeit um 600 m/s erhöht), sind die Nutzlasten noch sehr groß und dies bei nur drei Boostern. Bis zu 7 Booster sind möglich, das würde die Nutzlast in der Version Angara-7 ig-iig würde 25 t in einen normalen und 20,8 t in einen Ariane 5 kompatiblen GTO transportieren.

Das kann nun eine erste Abschätzung sein, die man optimieren kann. So wäre für die kleineren Versionen der Stufen, aber wahrscheinlich auch für die größeren von Vorteil, wenn die Zentralstufe länger brennt als die Booster. So vermeidet man eine unangenehme Beschleunigungsspitze. Eine Lösung wäre es die Booster nochmals um 10 t in der Masse zu verringern, dafür aber die Zentralstufe mit verlängerten Tanks auszustatten die man bei dem Start ohne Booster nur teilweise gefüllt. LOX/RP-1 Tanks sind relativ leichtgewichtig, typischerweise rechnet man für 10 t Treibstoff mit einer Tankmasse von unter 100 kg. würde man diese Stufe also für 20-30 t mehr Treibstoff auslegen und bei den Versionen ohne Booster einfach den Treibstoff weglassen ("off loading" so hätte man nicht viel Nutzlast bei diesen verloren könnte aber bei den größeren Versionen noch etwas herausholen.

Was ist nun der Unterschied zur "echten" Angara:

Was meine Version nicht ist, ist ein Träger für kleine Nutzlasten. doch Russland startet davon wenige mit Rockot und Dnepr. die Kosmos 11K65 und Zyklon sind schon ausgemustert und die wenigen Starts der Rockot und Dnepr galten vor allem europäischen Nutzlasten, die nun ja als Alternative die Vega haben. Denkbar wäre aber die IIk Oberstufe auf ein en Booster zu setzen, dann hat man eine Rakete mit etwa 60% der Nutzlast der kleinsten Version, die ich in die Tabelle mit aufgeführt habe. Sie ist aber trotzdem noch leistungsfähiger als Dnepr und Rockot.

Zuletzt noch ein Wort zu den (angeblichen) Plänen für eine neue Schwerlastrakete von 150 bis 180 t Nutzlast. Russland hat schon eine solche! Sie nennt sich Energija, Mit acht Boostern hätte Sie 145 t transportiert. Wenn man beim Tank, der bei der Energija recht schwer war auf moderne Materialen übergegangen wäre, so denke ich wären die 150 t mit Sicherheit erreichbar gewesen.

1.7.2013: Nach dem europäischen Mondprogramm

Also da ihr mich schon nach einem Nach-Mondprogramm Einsatz der Komponenten gefragt habt, her eine mögliche Vision. Sie mag nicht besonders originell sein, aber wenn man nach einer Lösung sucht die möglichst wenige Neuentwicklungen braucht wohl eine der wenigen Möglichkeiten.

So, mal angenommen, wir hätten ein europäisches Weltraumprogramm durchgeführt und ein CRV und eine Ariane mit 50 t LEO Nutzlast entwickelt. Was dann? Nun sinnvollerweise geht man dann den Erdorbit an. Eine europäische Raumstation ist damit leicht umsetzbar, wobei ich ein etwas ungewöhnliches, aber sehr praktisches Konzept umsetzen müsste.

Damit die Raumstation finanzierbar bleibt, sollten alle Module weitgehend identisch sein. Sinnvoll ist auch eine dezentrale Energieversorgung. Mir gefiel sehr gut das Konzept von Mir, wo jedes Modul einen eigenen Antrieb hat und damit an die Station ankoppeln konnte und eigene Solarzellen für die Stromversorgung so konnte die Station mit den Modulen wachsen, ohne das man wie bei der ISS solange der Solargenerator noch nicht ganz installiert ist nur eine Minimalbesatzung aufrecht erhalten kann.

Fangen wir mit den Grundsatzentscheidungen an. Es gibt zwei bevorzugte Umlaufbahnen beim Start vom CSG aus. Das eine ist eine äquatornahe Bahn. In ihr ist die Nutzlast der Ariane maximal. Der Nachteil ist, dass bei diesen Bahnregime man jeden Tag 14-15 mal die Batterien auf und entladen muss, sie also nach einigen Jahren ausgewechselt werden müssen. Ein zweiter Vorteil ist, dass wenn man keine Relaissatelliten einsetzen will man mit wenigen Bodenstationen in Äquatornähe einen Großteil der Bahn abdecken kann.  Das zweite ist eine sonnensynchrone Umlaufbahn, bei dieser hat man dieses Problem nicht und kann dazu noch die ganze Erdoberfläche erfassen, falls man Erdbeobachtung machen will. Die Nutzlast würde dann auf 43 t absinken wenn man diese Umlaufbahn anstrebt, da der Geschwindigkeitsbedarf etwa 470-500 m/s höher ist als für eine äquatornahe Umlaufbahn.

Die Nutzlast einer 50 t Ariane wäre in jedem falle groß genug ganze Module vollausgerüstet zu starten. Columbus wiegt voll ausgestattet 21 t und ist 6,84 m lang mit einem Durchmesser von 4,48 m. Leer sind es nur 9,7 t. Behalten wir den Durchmesser bei (die Nutzlasthülle der Ariane von 5,40 m Durchmesser lässt sowieso nicht viel mehr zu, so könnte man ein größeres Modul starten.

Hier nun mein ökonomisches Konzept.

Basisknoten

Der Basisknoten ist der Ankopplungspunkt für alle anderen Module. Hier könnte man einen der für die ISS hergestellten Knoten nachbauen, nur etwas gestreckter, weil man mehr Nutzlast hat. eine Änderung ist auch, das zwei kopplungspunkte vorgesehen sind für ATV/CRV, das heißt mit russischem Kopplungsadapter. Nur er erlaubt eine Ankopplung ohne Unterstützung der Station. (Einfangen mit dem Kran) Ich gehe im folgenden von einer mindestens 500 km hohen Umlaufbahn aus um die Nutzlast zu maximieren. Das reduziert den Treibstoffbedarf um die Bahnhöhe beizubehalten beträchtlich. Die Nutzlast der Ariane 5 soll 40 t in diesen Orbit betragen, das lässt sowohl eine sonnensynchrone wie auch äquatoriale Umlaufbahn zu. Basierend auf den Daten der beiden gefertigten Module wäre es dann ein 11,30 m langer Zylinder mit insgesamt 10 Kopplungspunkten: Je vier in einem Kreis an der Zylinderaußenseite am oberen und hinteren Ende. Dazu kommen je zwei auf den Zylinderkreisflächen vorne und hinten, diese sind die mit russischen Kopplungsadapter. Das lässt das Ankoppeln von bis zu 8 Modulen einem ATV und einem CRV zu. Zwischen den Kopplungsadaptern sind vier Solargeneratoren von 3 x 12 m Länge, die 40 kW Strom liefern. Weiterhin befinden sich hier zwei Arme, mit denen bei Außenarbeiten assistiert wird sowie eine Luftschleuse. Auf eine Inneneinrichtung wird verzichtet, um den Zylinder möglichst lang zu gestalten und so auch zwei Reihen von Modulen anzukoppeln.

Der nächste Start gilt dem Crewvehicle mit einer normalen Ariane 5. Sie bringt die erste Besatzung zur Station, die noch klein ist. Sie koppelt an den russischen Adapter an.

Das erste Nutz-Modul folgt nach der Ankopplung der Besatzung. Es besteht wie alle folgenden aus zwei Teilen:

Einem Modul von 4,48 m Durchmesser und 22 m Länge, es ist nicht ausgerüstet und hat an den Wänden zahlreiche Frachtschubladen zum Verstauen. Dahinter ist ein ATV Servicemodul mit dem hinteren Teil des ICC (Gas / Wasser Anschluss). An der Außenseite befinden sich am Servicemodul Solarzellen, welche weiteren Strom liefern. Die Besatzung schließt das Modul an die Bordstromversorgung und Gas/Wasser/ Kommunikationssysteme an. Dieses erste Modul ist bedeutend größer als die folgenden, weil es ein Frachtmodul ist, in ihm wird die Fracht gelagert.

Die folgenden sind nach demselben System aufgebaut, aber kürzer (8,00 m Länge) und der Mittelgang der noch verbleibt, ist vor dem Start vollständig mit Fracht gefüllt. Somit wird mit jedem Modul Fracht gebracht und bis alle acht Module angeschlossen sind braucht man keinen Frachttransporter.

Jedes Modul besteht so aus:

8 t ATV Servicemodul (Treibstoff + Servicemodul)

8 T Fracht (Trockenfracht, Wasser, Gase)

24 t voll eingerichtetes Modul.

Sieben Module können so angefügt werden. z.B. drei Forschungsmodule und vier für die Mannschaft (Fitness, Wohnbereich, Lebenserhaltung/technische Systeme etc.). Die 8 t Fracht die jedes Modul bringt, müssten bei sieben Astronauten für 6 Monate reichen. In diesem Rhythmus würde man auch die Crew auswechseln. Nach dreieinhalb Jahren wäre dann die Station komplett. (Bei der Frachtmenge habe ich mich nach den Transporten 2011/2012 zur ISS gerichtet, aber 2/3 des Treibstoffs wegen der höheren Umlaufbahn weggelassen und auf 7 Mann anstatt 6 Mann hochgerechnet).

Es ist nun eine Station entstanden mit einem Bruttovolumen von 1100 m³ oder einem Nettovolumen (feier Raum ohne Wandinstallationen) von 560 m³. Das ist mit der ISS vergleichbar auch von der Masse (400 t).

Nun würde einmal pro Jahr ein "Super-ATV" anlegen. Das ist ein ATV mit 16 t Nutzlast, der von einer 50 t Ariane gestartet wird. Er besteht aus einem der Module, nur vollgefüllt mit Fracht. Im Serviemodul befinden sich Gase und Wasser und mit dem Treibstoff wird die Bahn regelmäßig korrigiert.  An der gegenüberliegenden seite ist dann immer das Crewraumschiff für 7 Personen. Dieses entstand aus dem normalen ATV und kann daher mit einer normalen Ariane 5 gestartet werden. Die Regelbesatzung betrage 7 Personen, so viel gehen in die relativ geräumige CRV Kapsel hinein.

Was braucht man sonst noch?

Ganz nützlich wären Daten-Relay Satelliten. Die USA setzen das TDRS-System ein. Für eine Raumstation stellen weder die Größe der Sendeantenne noch die Sendleistung ein Problem dar. Weiterhin ist es problemlos möglich in ein hochfrequentes Frequenzband für den Uplink zum Satelliten zu verwenden. Bei 32 GHz Sendefrequenz, einer 3 m großen Empfangsantenne und einer Sendeantenne mit einer Öffnung von 14 Grad kann man 250 MBit/s übertragen, was ausreichend sein sollte für alle Daten und Videosignale. Diese nur mittel bündelnde Sendeantenne hat den Vorteil sehr Tolerant bei der Nachführung zu sein.

Natürlich sind auch weitergehende Lösungen wie die Kommunikation mit zwei Parabolantennen oder Laserterminals möglich, dann kann maan leicht mehrere Gigabit/s übertragen. Ein Relaysatellit kann die Hälfte des Orbits abdecken, zwei fast den ganzen, mit kleinen Lücken. Drei in jedem Falle den ganzen Orbit.

Kostenabschätzung

Ich beziehe mich hier auf die schon gemachten Berechnungen für die 50 t Ariane im Beitrag über das Mondprogramm: 200 Millionen Euro für die 50 t Ariane, Gemäß dem Gesetz der Lernkurve würden zwei zusätzliche Ariane 5 pro Jahr einen Ariane 5 Start auf 148 Millionen Euro verbilligen. Ein ATV kostet 280 Millionen Euro und das CRV 420 Millionen Euro.

Das Columbusmodul kostet 880 Millionen Euro. Bei den gestarteten kommt aber jeweils noch ein ATV Modul dazu, dass man auf 200 Millionen Euro schätzen kann. Allerdings haben wir nicht ein Modul, sondern sieben identische und acht ATV Module. die in 6 Monatsabstand gestartet werden, das müsste sie bedeutend verbilligen. Ich rechne mit 1 Milliarde pro Stücck, auch da sie größer als Colombos sind.

Dann kommen noch die Datenrelays Satelliten. Auch wenn die ESA gerne was besonderes nimmt, es würden auch drei normale Kommunikationssatelliten reichen, die mit Start unter 300 Millionen Euro kosten. Dann sind wir bei folgenden Kosten

Einmalig / Aufbauphase

Laufende Kosten

Dazu kommt noch eine unbekannte Menge an Missionskosten für Astronautenausbildung, Mission Control, Experimente, Ersatzteile etc.

Die ISS kostet die NASA derzeit 3 Milliarden Dollar pro Jahr, und zwar ohne CRS und CCdev, also nur für Sitze auf der Sojus und die Kosten für die Station (die Versorgung übernehmen ja größtenteils Russland und die Juniorpartner). Überträgt man das auf die europäische Station so wird es wirklich teuer. Was deutlich billiger ist ist der Aufbau. Das liegt primär daran, dass man die kosten durch standardisierte Elemente senkt und nicht über 30 Flüge zum Aufbau braucht, sondern nur neun.

Richtig billig wird's nicht, aber ich denke damit hat keiner gerechnet. Eine billige Lösung wäre wahrscheinlich so was wie das mal in der Frühphase der ISS-Beteiligung (damals hieß sie noch "Freedom") geplante freifliegende Labor das von Hermes angeflogen worden wäre und in dem sich Astronauten nur kurz aufhalten sollten und automatische Experimente zu warten und Proben zu bergen ( neues Material zu bringen. Nur das wäre so groß wie Columbus gewesen, also viel kleiner als diese Station, sondern eher mit dem zu vergleichen was China mit Shenzhou und Tiangong betreibt.

In der Summe kostet es viel, ohne das es viel Nutzen (auch Prestigenutzen) bringt. Derzeit gibt die ESA ungefähr 540 Millionen Euro pro Jahr (2011) für den Posten "bemannte Raumfahrt" aus. Das ist weniger als ein Drittel der Aufwendungen.

Immerhin es hätte einen Zusatznutzen - die Ariane 6 wäre vom Tisch. Das Programm macht die Fertigung von 10 Boostern, drei EPC und zwei ESC-B Oberstufen und vier Vinci Triebwerken mehr pro Jahr aus. Dadurch müsste die Ariane 5, die diese Komponenten verwendet automatisch billiger werden, denn dafür werden derzeit (bei 5,5 Starts pro Jahr) 11 Booster, 5,5 EPC und 5 Oberstufen pro Jahr gefertigt. Gemäß Lernkurve würde dies die Rakete auf 140-148 Millionen Euro verbilligen. Zuschüsse wären nicht mehr nötig und sie wäre genauso teuer pro Kilogramm Nutzlast wie die kommende Ariane 6. Wenn erst mal Falcon heavy, Langer Marsch 5 und Angara 7 zur Verfügung stehen, dann wird man auch sicher genügend schwere Satelliten für die 50 t Ariane finden, denn diese sind haben ja noch eine größere Nutzlast als die Ariane 5 ME.


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