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Web Log Teil 367: 19.1.2014 - 22.1.2014

19.1.2013 Mit Schwung ins All

Während manche noch auf den billigen Raumtransport mit Interorbital und SpaceX setzen, wollen zwei Firmen das Problem des Transports zu bezahlbaren Preisen ganz ohne Raketen lösen. Die erste ist schon gescheitert: Slingatron wollte Cubsats mit einer rotierenden Spirale beschleunigen. Bei 40-60 Umdrehungen pro Sekunde wäre die Spirale dann 200 bis 300 m hoch. In Wirklichkeit noch größer, denn die Autoren gingen von 7,6 km/s aus - in Wirklichkeit werden sie wegen der Gravitationsverluste wohl eher 9 km/s brauchen und der Satellit müsste wenn er mit der Geschwindigkeit auf die Atmosphäre trifft einiges aushalten. Slingatron wollte sich per Crowdfunding finanzieren, doch sie bekamen nur 30.000 der 250.000 Dollar zusammen. Dabei sind 250.000 Dollar nichts, dafür bekommt man in der Raumfahrt vielleicht gerade mal den Start einiger Cubesats.

Die zweite Firma ist "Swing Space. Sie hat denselben Ansatz, aber in einer umsetzbaren Form. Sie arbeitet dazu mit Partnern mit Know How wie Lockheed Martin, Raytheon, Aerojet, ATK zusammen. Die Idee ist es die Energie für einen Orbitaleinsatz zu "borgen". Dazu wird zuerst ein Satellit ("Schwungkörper "Slingbody") in einen stabilen elliptischen Orbit gebracht, z.B. einen Orbit von 560 x 70.000 km. Dieser hat eine Umlaufszeit von 24 Stunden und in der Periapsis eine Geschwindigkeit von 10.270 m/s. Steht der nächste Start an, so die Periapsis auf 200 km abgesenkt. Er wird nun noch schneller und erreicht eine Geschwindigkeit von 10563 m/s. Beim Durchlaufen des Perigäums wird ein 100 km langes Kevlarseil heruntergelassen, dass am Ende ein Netz hat, gleichzeitig startet von der Raketenbasis die Nutzlast mit einer Rakete - aber nur einer Stufe. Diese hat nur die Aufgabe die Nutzlast in mindestens 100 km Höhe zu bringen, dort steuert sie mit der Technologie der Aegis Abfangraketen das Netz an und hakt sich mit nach Abwerfen der Nutzlastverkleidung ausgefahrenen Haken ein. der Schwung des Satelliten zieht sie nun ins All, wobei sich die Energien addieren. Hat der Satellit im Orbit z.B. eine Masse von 2 t und der neue eine von 1 t und erreicht er den Zielkörper mit 1 km/s so sieht die Gesamtenergie so aus:

E= ½ mv² = ½ * 1000 kg * (1000 m/s) + ½ * 2000 kg * (10563 m/s)² = 1.12 x 1011 J oder da auch gilt

v = Sqrt(2*E/m)

v = Sqrt (2*1.12e11(1000 + 2000 kg) kg = 8643 m/s

Der Orbit wurde also verändert, mit dieser Geschwindigkeit führt er nur noch bis in 4200 km Entfernung. Es wären sogar noch höhere Nutzlasten möglich. Grenze ist nur, das nach dem Einfangen die Energie noch für einen Orbit reicht, das wären bei 1 km/s Ankunftsgeschwindigkeit des gestarteten Körpers maximal 1500 kg.

Im Prinzip borgt sich der neu gestartete Körper die Energie vom in Orbit befindlichen. Das ist auf den ersten Blick kein guter Tausch, muss man diesen doch erst mal in diese hochelliptische, energiereiche Umlaufbahn bringen. Die Idee der Firma ist es diese Energie nun mit einem viel effizienteren Antrieb aufzubringen. Swing-Space setzt Ionentriebwerke nach dem elektrostatischen Prinzip ein, denkt für spätere größere Versionen aber auch an magnetodynamsiche Antriebe wie das VASMIR. Sie heben zuerst der Perigäum wieder in eine sichere Höhe. Danach trennen sie die Nutzlast ab, die nun den Rest des Orbits selbst anpassen muss und sie beschleunigt den Schleuderkörper wieder in einen elliptischen Orbit.

In der operationellen Version wird der Orbit natürlich auf die Nutzlast angepasst. Da die Firma ihren ersten Körper mit einer Dnepr starten will kann man von maximal 3000 kg ausgehen. Will man damit einen 2000 kg schweren Satelliten in einen 200 x 700 km Orbit bringen, so muss der Startorbit 200 x 33500 km betragen. Nach Anheben in den operationellen Orbit (Perigäum über 400 km), landet der Satellit dann in einem 400 x 700 km Orbit, denn er selbst zirkularisieren muss.

Wie die Beispiele von Space-Swing zeigen, wird in der ersten Phase an den Transport von Satelliten in sonnensynchrone Bahnen gedacht. Neben dem Anheben des Perigäums muss dann die Inklination noch angepasst. Das ist jedoch nur wenig, bei einer Bahnneigung von 98,184 Grad muss man für einen 600 km Orbit sie um 0,4 Grad absenken und bei 800 km um 0.846 Grad angehoben werden. Das kostet weiteren Treibstoff. aber bei den kleinen Bahnneigungen recht wenig (Geschwindigkeitsänderung unter 200 m/s).

Begrenzt ist das Konzept vom Treibstoff, doch da Ionenantriebe eine zehnmal höhere Ausströmungsgeschwindigkeit erreichen, braucht man viel weniger Treibstoff als bei einem Raketenstart vom Boden aus. Bei einem Treibstoffanteil von einem Drittel sollte der Schwungkörper sechsmal einen Satelliten transportieren können.

Die Firma meint das Konzept umsetzen zu können und beeindruckende Partner gewonnen: Lockheed-Martin und Raytheon (Startrakete und Zielsystem), Orbital (Bus des Schwungkörpers), ATK (leichtgewichtige Solararrays), Aerojet (Ionentriebwerke, chemische Triebwerke und Subsysteme).

Wenn das Konzept umsetzbar ist, so sollten sich die Startkosten auf ein Drittel senken lassen, eventuell sogar auf ein Viertel, abhängig davon wie teuer die Startrakete wird, die keine große Leistung erreichen muss. Sie muss nur fähig sein die Nutzlast auf 2 km/s zu beschleunigen, diese Geschwindigkeit ist nötig, um die Mindesthöhe für den Rendezvouskurs zu erreichen. so wird die Rakete nur etwa 2-3 mal schwerer als die Nutzlast sein. Üblich ist heute eher der Faktor 30. Damit kann ein Großteil der Startkosten eingespart werden.

Später denkt die Firma an den Transport von GTO-Nutzlasten, diese kann man nicht direkt im Zielorbit aussetzen, sondern muss sie in den höheren Orbit mitschleppen. So dauert der Transport einige Wochen bis Monate. Bei der typischen Masse von 3 bis 6 t braucht man dazu aber auch einen viel größeren Schwungkörper, der dann etwa 10 t wiegen wird. Dieser wird sicher erst in einer späteren Phase zur Verfügung stehen. Derzeit ist nach den duftigen Pressinformationen der Start des ersten Schwungkörpers für kleine Satelliten bis 1,5 t Gewicht im Jahr 2018 geplant.

20.1.2014: Zeit für den nachhaltigen Computer

Es musste mal so kommen, auch wenn es mehr als 30 Jahre nach dem ersten PC erst dazu kam: Die PC-Branche ist da angekommen wo andere Branchen auch sind , bei einer nur inkrementellen Verbesserung des Produktes. Wer heute einen PC neu kauft und sich die Datenblätter anschaut wird kaum Unterschiede zu vor vier Jahren sehen, da hatte mein aktueller PC z.B. folgende Ausstattung:

Schaut man sich für den Preis (499 Euro) um, so wird man in wesentlichen nicht viel leistungsfähigere Hardware bekommen. weder Prozessorgeschwindigkeit, noch Speicherdichte noch Festplattenkapazität konnten so gesteigert werden wie in den vergangenen Jahren als sie sich alle zwei Jahre verdoppelten. Zeit wäre es für die Branche nun auf Nachhaltigkeit zu setzen. Das macht sie derzeit nicht, vielmehr gibt es nun mehr Rechner in schicken Gehäusen oder Bauformen als früher, z.B. um ihn hinter dem Monitor anzubringen (früher Unsinn, wenn der PC viel schneller veraltet ist als der Monitor) oder im Design eines HiFi Bausteins (macht auch nur Sinn, wenn er lange genutzt wird, denn seine HiFi Anlage tauscht man nicht alle 3-4 Jahre aus).

Was sich aber nicht geändert hat ist das Grundkonzeption den PC billig zu bauen, und das meine ich auch so. Meine drei letzten PC haben alle nach 4-5 Jahre das zeitliche gesegnet indem es immer mehr unerklärliche Hardwareabstürze, Windows mit Blue Screen oder ganz eingefroren gab. In der ct stand vor einigen Jahren, Hauptgrund für diese ausfälle seien Elektrolytkondensatoren die man auf dem Motherboard in Masse findet um die Spannungen für Prozessor und Speicher aus den angelieferten 3,3 5 und 12 V abzuleiten. Man sollte das Konzept überdenken. Entweder Festkörperkondensatoren einsetzen oder wenn das nicht geht das Risiko senken indem man die 12 V Spannung (wird glaube ich nur noch vom Floppy benötigt) weglässt und dafür eine niedrige Spannung die der Prozessor braucht so um die 1,2 bis 1,5 V einführt.

Das zweite ist die Datensicherheit. Hier ist es sogar schlimmer geworden. eine SATA-Festplatte für einen PC hat eine Fehlerrate von 1 Bit pro 1014 Bits. Das klingt toll, doch eine 4 TB Platte, die größte momentan erhältliche hat schon 3,2x1013 Bits. Wenn man den Inhalt dreimal kopiert hat (z.B. für ein Backup) so hat man statistisch das erste fehlerhafte Bit. Abhilfe geht - es gibt ja auch SATA Platten für Server mit einem fehlerhaften Bit pro 1016 bis 1017 übertragenen Bits, nur kosten die eben mehr. Trotzdem hat eine Festplatte eine begrenzte Lebensdauer und bei einem privaten PC scheint man sich darum einen Teufel zu scheren. Früher war das noch einfach. Als man mit Disketten hantierte, konnte man die einfach kopieren - na ja einfach wenn man nicht die Reihenfolge verwechselte. Doch wenn man auch Diskjockey war, das war in 1-2 Minuten erledigt und auf eine Diskette passte eine Menge Text drauf - damals sammelte man ja nicht so viele Daten, sondern musste die noch selbst alle eingeben...

Später bei den ersten Festplatten nutzte man Disketten als Backup, was aber so ab 20 Stück zu umständlich wurde. Seitdem war jedes bezahlbare Backupmedium nicht von Dauer. Die bezahlbaren Halbzoll-Streamer hatten bald nicht genügend Kapazität, die CD und DVD erweisen sich auch bald als zu klein. Da eine Festplatte irgendwann aber mal kaputt geht muss ein Backup her (ich rede hier nur zur Absicherung gegen Hardwareausfälle, nicht gegen Viren und Fehler des Users). Derzeit kann das nur eine zweite Festplatte sein, die automatisch gespiegelt wird. Da dann viele Daten bewegt werden ist die Problematik der hohen Bitfehlerate noch größer. Gegen das hilft eine andere Kodierung der Daten, indem man Prüfsummen oder redundante Bits einführt um bei einem Fehler diese zu korrigieren, das geht aber nur wenn man das gleich beim Schreiben macht, denn sonst können ja schon die Daten verfälscht werden, also man gleicht die geschriebenen Daten mit denen im Puffer ab.

Eventuell wird die Cloud das überflüssig machen. Doch zumindest GoogleDrive und Skydrive, die ich ausprobiert habe sind keine Lösung nicht mal nur für Benutzerdaten. Beide erwarten dass man einen eigenen Ordner anlegt, anstatt dass man den schon vorhandenen Ordner benutzt soll man nun Daten alle doppelt haben. Weiterhin ist nicht beeinflussbar dass die Daten sofort in der Cloud landen, auch wenn man die Bandbreite dafür hat. Doch wenn man die Mängel abstellt kann man sicher daran denken, das man zumindest für die wichtigen Benutzerdaten die Cloud nutzt. Immerhin gibt es ja beim Betriebssystem eine gute eingebaute Sicherung. Die habe ich bei meinem Bruder, der sich die Mühe gibt alle Viren die es im Netz gibt, zu suchen beim letzten totalausfall genutzt und so eine Menge Arbeit gespart.

Das leitet über zum nächsten Problem: Die Daten aus dem Speicher müssen natürlich auch korrekt sein. Die Lösung iust dafür schon alt - Prüfbits. So was hatten NASA Rechner in den Sechzigern, Cray Großrechner in den Siebzigern und Server haben den ECC Speicher auch - einziger unterschied: 9 anstatt 8 Chips pro Modul und eine kleine Elektronikschaltung. Er ist etwas teurer, aber das war's schon.

Natürlich wird der PC teurer - das Motherboard etwas bisschen, der ECC Speicher kostet auch etwas mehr und die zweite Festplatte auch, aber ich denke das sind bei einem 500 Euro PC dann vielleicht 150 Euro mehr - maximal, dafür hätte er das Potenzial so lange zu leben wie andere Geräte der Unterhaltungselektronik. Dazu gehört natürlich auch ein Konzept das nachhaltiger ist, also es ermöglicht etwas auch nach Jahren auszutauschen, das geht mit Festplatten, Brennern, aber bei Speichern wechseln die Sockel dauernd ab und bei Prozessoren in noch schnellerem Tempo, selten ist ein Motherboard länger als 2 Jahre lang lieferbar.

Meiner Ansicht nach wird es dazu aber nicht kommen. Selbst teure Mediacenter-PC die über 1000 Ezro kosten sind nicht anders aufgebaut als andere PC. Stattdessen hat sich die Branche einem anderen, lukrativen Markt zugewandt, den mobilen Geräten wie Smartphones oder Tabletts. Die werden in noch schnelleren Zyklen als PC's verkauft und bringen noch mehr Geld, denn die Leute legen dafür mehr auf den Tisch.

21.1.2014: Wird's die Ariane 6 wuppen?

Wenn man die Nachrichten verfolgt so scheint die ESA ja sehr optimistisch mit der Ariane 6 wieder konkurrenzfähig zu werden. Ziel sind 70 Millionen Euro Startpreis für 7 t Nutzlast. Neben höheren Produktionsziffern durch Einzelstarts und identische Booster in erster und zweiter Stufe soll auch eine Neustrukturierung des Trägersektors sein. Auch nicht-Raumfahrtfirmen sollen sich für Strukturen bewerben können und es soll nur noch 50 anstatt 150 Firmen geben.

Doch wird es klappen? Ich bin skeptisch. In der Retrospektive ist es eher erstaunlich, dass Europa bisher so erfolgreich war. An dieser stelle eine kleine Revue der bisherigen Trägerentwicklung. Europa baute die Ariane 1 als Träger für eine europäische Eigenständigkeit mit geringem technologischen Risiko. Sehr bald bekam Arianespace die nur als erste Firma nur für die Vermarktung von Trägern gegründet wurde (lange bevor in den USA man das als "private Raumfahrt" neu erfand) Aufträge, den ersten von Intelsat. Das waren damals Vorschusslorbeeren, von denen die Firma profitierte.

In der folge hat man die Ariane 1 recht preiswert in der Leistung gesteigert indem man einfach etwas streckte, bewährte Komponenten neu einsetzte und zwei kleine Feststoffbooster dazu nahm. Herauskamen Ariane 2-4. Als letztere ihren Erstflug hatte, dürften die US-Shuttles keine kommerziellen Nutzlasten mehr transportieren und die US-Anbieter für Träger mussten erst mal wieder die Produktion hochfahren - die Jahre nutzte Arianespace um sich als Marktführer zu positionieren und blieb dies seitdem.

Die US-Industrie erweis sich nicht als die große Konkurrenz, die Delta II war bald zu klein, die Titan 4 zu teuer und die Atlas litt unter einem wenig flexiblen System um sich an die Größe der Nutzlast anzupassen. Zusätzlich erniedrigte die Inklination von 28 Grad auch noch die Nutzlast um 15%.

Noch bevor die Ariane 4 ihren Jungfernflug hatte beschloss man die Ariane 5. Damals leider als nicht sehr weitreichende Entscheidung nicht primär als Träger für Kommunikationssatelliten, sondern für den Raumgleiter Hermes und das Labor Columbus. Während die Rakete in Maßen noch den laufenden Gewichtsteigerungen von Hermes bei der frühen Entwicklung folgte, lies man alle Optionen fallen, die anfangs für den kommerziellen Transport vorgesehen waren für eine leistungsfähige Oberstufe. Das alles musste man später in Ausbauprogrammen teuer nachliefern.

Ariane 5 hatte nicht nur einen schweren Start mit zwei Fehlstarts bei den Jungfernflügen der Generic und Evolution Versionen (plus zweiter Starts mit fehlerhaften Orbits, die man nach SpaceX Nomenklatur aber als 100% Mission Success ansehen kann), sie erwies sich auch nicht als so preiswert wie gedacht. Geplant war ein Startpreis von 100 Millionen Dollar, es waren anfangs 100 Millionen Euro und sind nun 160 Millionen Euro. Gemessen daran, das die Nutzlast größer ist, hat man zwar den Preis über 15 Jahre pro Kilogramm hakten können, aber - und das ist die Crux, die Konkurrenzsituation hat sich geändert.

Konkurrenz sind heute nun nicht mehr US-Träger, die noch teurer als die Ariane 5 sind, sondern russische Träger. Auch wenn in Russland vieles durch die Inflation teurer geworden ist, so sind die Herstellungskosten doch nicht mit denen in Europa zu vergleichen. Als Phobos Grunt 2011 scheiterte, wurde bekannt, dass die gesamte Mission 5 Milliarden Rubel, das waren damals 120 Millionen Euro. Nun kostet aber alleine die Zenit, wenn sie im Westen angeboten wird rund 70 Millionen Euro. Es fällt schwer zu glauben, dass man für den Rest die ganze Raumsonde und Instrumente bauen konnte und man die Mission durchführen konnte. Es wird eher so sein, dass die Herstellungskosten in Russland viel geringer sind, vielleicht halb so hoch wie bei uns, wenn nicht geringer. Damit einher geht bei russischen Starts allerdings auch ein sehr hohes Verlustrisiko - Phobos Grunt, aber auch einige Proton Fehlstarts die fast immer nur russische Nutzlasten betreffen zeigen dies. Trotzdem erfreut sich die Proton großer Beliebtheit.

China könnte auch noch mithalten, wird mit der Langen Marsch sogar noch in der Nutzlast ausschließen und führt ein geographisch günstig gelegeneres Gelände ein. Allerdings verhindern derzeit noch ITAR Exportrichtlinien, dass chinesische Unternehmen Satelliten starten dürfen die US-Bauteile enthalten, was bei den meisten der Fall ist. Am unteren Ende der Nutzlastskala kommt nun auch SpaceX dazu. Bei ihnen muss man sehen ob sie in Zukunft halten können, was sie versprechen, das gilt nicht nur beim Preis sondern auch bei der Erledigung von Aufträgen bei denen sie ja schon teilweise Jahre hinterherhinken. Immerhin kann man nach den ersten zwei Starts sagen dass sie keine große Bedrohung sind, denn durch die Forderung nach Ariane 5 kompatiblen Orbits wird die Nutzlast von 4,85 auf rund 3,3 t gesenkt. So können sie nur kleine Satelliten starten.

Was jedoch ein Dauerproblem ist, ist das wirtschaftliche Umfeld. Wenn ein Konkurrent auftaucht, der es "richtig macht", also eine gleich gute Trägerrakete zu derselben Preisstruktur fertigt, dann hat Europa immer noch zwei fundamentale Nachteile. Das eine ist die Struktur der ESA. Nach dem Prinzip des "geographical returns" bekommt jeder Einzahler Aufträge in derselben Höhe. Das bedeutet man muss die Aufträge nach Ländern verteilen und die Rakete entsteht in ganz Europa. Das Vulcain 2 wird von SNECMA in Frankreich als Hauptverantwortlicher gefertigt, doch die Brennkammer stammt aus EADS Deutschland in Ottobrunn, die Turbopumpe von Volvo in Schweden, die Düseneweiterung von GKN Aerospeace in england und die Hydraulik um das Triebwerk zu schwenken von MT Aerospace in Augsburg. Das ein Produkt, das so entsteht, zwangsweise teurer ist als eines das man in einem Herstellungsort fertigt dürfte klar sein. Man hat das erkannt und will nun weniger Firmen haben, doch am Grundübel kann man nichts ändern. Zum anderen haben wir die technologische Kompetenz auch unterschiedlich verteilt. In Deutschland hat man seit den Sechzigern nur kleine Triebwerke mit lagerfähigen Treibstoffen entwickelt. Italien hat den Einstieg in die CFK-Fertigung von großen Feststoffboostern gewagt. Aus der technologischen Kompetenz wäre es daher sinnvoller, wenn die Ariane 6 nicht mehr als ESA Projekt, sondern als Französisch-Italienisches Projekt entstehen würde, das täte auch der Kostenstruktur gut.

Das zweite ist der Euro. Mit der Einführung dessen hat sich vieles geändert. Ariane 1-4 wurden in französischen Francs angeboten. Diese nicht sehr harte Währung hatte einen günstigen Wechselkurs zum Dollar. Mit dem Euro hat sich das geändert. Anfangs war der Wechselkurs 1:1 zum Dollar, stieg dann aber mit der nachgebenden US-Wirtschaft unter der Bush Regierung langsam an um vor dem Börsencrash rund 1,45 Dollar pro Euro zu erreichen. Anders ausgedrückt: da international Satellitenstarts in Dollar verkauft werden ist Ariane 5 um 45% teurer geworden, derzeit sind es nach gesunkenem Kurs immer noch 37% mehr als geplant.

Das hat die ESA auf den Plan gerufen. Von 2005 bis 2009 zahlte sie 960 Millionen Euro damit Arianespace seine Preise nicht erhöhen musste. Danach war der Kurs etwas günstiger und es gelang (in geringem Maße) auch die Fertigungskosten zu senken. Trotzdem zahlt auch heute noch die ESA 100 bis 120 Millionen Euro als Subvention pro Jahr. Das wird auch kritisiert, da beim neuem Batch die kosten nur um wenige Prozent gegenüber dem letzten von 2009 gesenkt wurden. Immerhin wird Ariane 5 nicht teurer. Kritisiert wird dass diese Ausfallbürgschaft nicht dazu führt die Produktionskosten zu senken, aber seien wir ehrlich, das macht jede Regierung so. Die USA zahlen noch einiges mehr an ULA und Japan startet auch nur auf ihren sehr teuren H-IIA und H-IIB.

Ich befürchte daran wird sich auch bei einer Ariane 6 nichts ändern. Bevor man aber für einige Milliarden Euro (wie teuer es wird weiß man ja auch noch nicht) eine neue Rakete konstruiert sollte man überlegen was man will. Ich verstehe die Argumentation, dass man mit Einzelstarts besser fährt - höhere Startrate, weniger Probleme Nutzlasten zu kombinieren. Ariane 4 startete Mitte der Neunziger bis zu 12 mal pro Jahr, Ariane 5 ist nun bei 6 Starts, und es fällt immer schwerer zwei Nutzlasten zu kombinieren. Auf der anderen Seite halte ich die Beschränkung auf 7 t Nutzlast für kurzsichtig. Zwar hat sich, nachdem seit 1960 die Startmasse stetig anstieg sich nun die maximale Masse bei 6 t eingependelt, doch das liegt daran das Kunden zwei Startmöglichkeiten haben wollen und da ist eben bei der Proton und Zenit bei 6 t Schluss. Wenn die Ariane 6 kommt gibt es aber die Angara 5 und 7, die Langer Marsch 5 und Falcon heavy, alle mit höheren GTO-Nutzlasten.

Das zweite sind die Entwicklungskosten. Die sind seit Ariane 5 ziemlich hoch. Schon Ariane 5 war teuer, die Weiterentwicklung kostete dann noch einige Milliarden, ohne das was wesentliches neu entwickelt wurde. Wenn es die ESC-B mal geben wird, dann wird mit allen Vorfinanzierungen die stufe 2 Milliarden Euro kosten - 2 Milliarden Euro nur für eine Oberstufe. Ariane 6 soll 3-4 Milliarden Euro kosten, genau wird man es wohl erst nach einem, Review im Juli wissen. Für mich sieht das so aus: wir brauchen eine kryogene Oberstufe - da entwickeln wird schon eine, warum kann man die nicht 1:1 auf der Ariane 6 einsetzen - bei anderen Stufen (Agena, Centaur, Block DM, Breeze) ging das doch auch. Dann haben wir noch Feststoffbooster - haben wir da nicht gerade welche für die Vega entwickelt? Warum skaliert man die nicht hoch und warum kostet dann die ganze Rakete so viel?

Meine Meinung: erst mal sehen wie man Ariane 5 preiswert erweitern kann, Vorschläge habe ich ja schon gemacht, dazu gehört auch, dass man sich mit dem Vorschlag für die ESC-B mit Rekordtrockenmasse nicht zufrieden gibt. Glaubt man ESA eigenen Dokumenten müsste man durch CFK-Booster, ESC-B und ein preiswerteres Vulcain 3 auf 14 t Nutzlast kommen. Dann wird der Träger auch preiswerter. Mit der ESC-B könnte man auch ESA Raummissionen und GTO-Nutzlasten zusammen starten was anscheinend auch ein Grund für die Ariane 6 sein soll. Wird die Ariane 5 nicht ausgelastet sollte man überlegen ob man bezuschusst oder nicht. Müssen wir Kommunikationssatelliten für Drittländer starten oder nur unsere eigenen Nutzlasten? Die USA tun ja genau dies seit nun 10 Jahren. Ich bin mir nicht sicher ob die Ariane 6 die Erwartungen der ESA erfüllt.

22.1.2014: Die Ariane 6 ist billig zu entwickeln ...

K.. 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]
42483355891900102281700
StufeAnzahlNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
11287358222992741
219778694332839
313220040004560

Rakete: Ariane 6 aus Vega (4)

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
52175967291900102281700
StufeAnzahlNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
11383144297322741
219778694332839
313220040004560

Rakete: Ariane 6 aus Vega (5)

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
61855777411900102281700
StufeAnzahlNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
11478930371652741
219778694332839
313220040004560

Rakete: Ariane 6 aus Vega (6)

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
71525586531900102281700
StufeAnzahlNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
11574716445982741
219778694332839
313220040004560

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 etwas 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 kaäme 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.


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