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Web Log Teil 478: 17.10.2016 - 19.10.2017

17.10.2016: Warum gibt es keine Wasserstoffoberstufe mit Druckförderung?

Mit diesem theoretischen Thema will ich mich heute befassen. Was rauskommt weiß ich selbst noch nicht, auch wenn ich eine Ahnung habe, was raus kommt. Ich will das Thema trotzdem mal als Grundlagenartikel erörtern.

Fangen wir mal mit den Grundlagen des Pro- und Kontra an. Druckförderung ist bei kleinen Stufen, vor allem mit lagerfähigen Treibstoffen der Standard. Alle Satelliten haben Antriebe mit Druckförderung. Manche für größere Geschwindigkeitsänderung (wie z. B. beim Übergang vom GTO in den GEO) aber in jedem Falle um Lageänderungen oder kleine Orbitkorrekturen durchführen zu können.

Die Delta, Titan 3C, Falcon 1 und alle bemannten US-Missionen setzten ebenfalls druckgeförderte Antriebe ein. Warum hat man es niemals mit LOX&LH2 probiert? Auf den ersten Blick wirkt das etwas seltsam. Also fangen wir mal mit einer Erörterung an.

Pro

Der wesentlichste Vorteil einer Druckförderung ist eine Vereinfachung der Förderung. Es entfällt der Gasgenerator und die Turbopumpe. Gerade diese ist oft Ursache von Ausfällen. Der Fehlstart der letzten Antares (der erste Start der neuen Version wurde auf Montagabend verschoben) hatte seine Ursache in einem Versagen der Turbopumpe. Durch die schnell rotierenden Blätter ist die Turbopumpe das Teil mit den meisten beweglichen Teilen und prädestiniert für Fehler. Dadurch ist die Turbopumpe auch ein relativ teures Teil des Triebwerks.

Sie spart man bei der Druckförderung komplett ein. Die dadurch bewirkte Zuverlässigkeit führte auch dazu, dass alle bemannten US-Missionen nur druckgeförderte Triebwerke einsetzten, selbst wenn der Schub wie bei Apollo ungewöhnlich hoch für ein druckgefördertes Triebwerk war.

Contra

Kommen wir zu den Nachteilen.

Der erste ist, das die Tanks unter einem Druck stehen der höher als der Brennkammerdruck. Sehr hohe Brennkammerdrücke sind so nicht möglich. Bei vielen druckgeförderten Triebwerken liegen so die Brennkammerdrücke bei 10 bis 20 Bar. Schon hier sieht man einen Grund, warum Wasserstoff wohl nicht zum Einsatz kommt, den Wasserstoff hat eine kleine Dichte. Die Gesamtmischung ist dann drei bis viermal weniger dicht als lagerfähige Treibstoffe. So braucht man auch drei bis viermal größere Tanks die entsprechend mehr wiegen. Bei Tanks steigt die Masse nach der Kesselformel proportional zum maximalen Druck.

Die genaue Betrachtung

Ein niedriger Brennkammerdruck reduziert natürlich auch die Ausströmgeschwindigkeit. Doch hier ist der Unterschied gar nicht so groß. Die folgende Tabelle enthält die theoretischen spezifischen Impulse (Mittelwert aus freiem Gleichgewicht und eingefrorener Zusammensetzung) für eine Expansion mit Flächenverhältnis 40 und einem LOC/LH2 Verhältnis von 5

Brennkammerdruck

1 bar

2 bar

4 bar

8 bar

16 bar

Spezifischer Impuls

4049 m/s

4173 m/s

4207 m/s

4238 m/s

4268 m/s

Das sieht eigentlich doch toll aus oder? Wenn man von 2 Bar Brennkammerdruck auf 16 bar geht, steigert man den spezifischen Impuls nur um 100 m/s. Damit wäre ein Triebwerk mit niedrigem Brennkammerdruck in der Gesamtüberlegung nicht so viel schlechter, denn was man bei dem spezifischen Impuls gewinnt, verliert man bei den Tanks, die schon bei Turbopumpenförderung den Großteil der Masse einer Stufe ausmachen. Neben der höheren Tankmasse kommt dann ja auch noch das Druckgas hinzu, das man zusätzlich mitführen muss, um den Tankdruck aufrechtzuerhalten.

Das Ganze hat nur ein Haken: Der Schub eines Triebwerks ist abhängig von der Fläche am Ausgang zur Düse und dem Brennkammerdruck. In erster Näherung gilt: Schub = Druck x Fläche. Gehe ich von 30 bis 40 Bar wie heute bei LOX/Lh2 Triebwerken auf 3-4 Bar herunter, so muss bei gleichem Schub die Fläche am Düsenhals zehnmal größer werden, mithin das ganze Triebwerk zehnmal größer, und selbst wenn es nicht so massiv sein muss erheblich schwerer.

Man kann natürlich den Schub reduzieren. Arbeitet das Triebwerk nur im Orbit, so ist das eine tragbare Lösung, aber nicht für alle Fälle. Kommunikationssatelliten haben heute bei bis zu 6 t Masse z.B. nur einen Antrieb mit 400 bis 500 N Schub. Um Treibstoff zu sparen, zünden sie diesen mehrmals um den GEO zu erreichen, da ein 5-t-Satellit sonst den Antrieb fast dreieinhalb Stunden am Stück arbeiten lassen muss. Das reduziert die Gravitationsverluste, die z.B. jetzt bei Exomars mit einem ebenfalls kleinen Antrieb sehr hoch sind. Exomars braucht über 300 m/s mehr, um in den Orbit zu gelangen, als wenn er einen schubkräftigen Antrieb hat. Doch er hat eben nur eine Chance und kann das Manöver nicht auf mehrere kleine aufteilen. Bei LOX/LH2 müsste man als Ausgleich die Stufe gut isolieren, um die Verdampfung vor allem des Wasserstoffs zu vermeiden.

Als zweite Folge des großen Triebwerks sinkt bei einer gegebenen Düsengröße das Expansionsverhältnis. Diese kann ja nicht beliebig vergrößert werden. Nehmen wir eine (schon recht große) Düse mit 2 m Durchmesser, die zu einem 80-kN-Triebwerk gehören soll. Dann kommt man je nach Druck auf folgende Flächenverhältnisse:


Brennkammerdruck

1 bar

2 bar

4 bar

8 bar

16 bar

Flächenverhältnis

3,9

7,8

15,7

31,4

62,8

Spezifischer Impuls

3499 m/s

3779 m/s

4006 m/s

4194 m/s

4344 m/s

Damit erhält man aber auch andere spezifische Impulse. Die nun doch stark absacken. Die Brennkammer dürfte in etwa proportional zum absinkenden Druck schwerer werden (die Fläche steigt quadratisch, doch durch den abnehmenden Druck wird die Wandstärke immer dünner).

Es wird nun an der Zeit das Mal durchzurechnen. Ich habe mich dabei auf existierende Systeme gestützt.

Die folgenden Annahmen werden gemacht:

Man erhält folgende Tabelle:


HM-7B (3 Bar Tankdruck)









Druck: 36 bar 1 2 3 4 5 6 7 8 12 16
Brennkammer: 70,00 2520,00 1260,00 840,00 630,00 504,00 420,00 360,00 315,00 210,00 157,50
Düse: 77,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00 150,00
Expansionsverhältnis 93,10 4,83 9,67 14,50 19,33 24,17 29,00 33,83 38,67 58,00 77,33
LOX-Tank 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75
Gewicht 115,35 115,35 115,45 173,03 230,51 287,90 345,20 402,40 459,50 686,98 912,96
LH2-Tank 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61 5,61
Gewicht 387,11 387,11 387,43 580,67 773,58 966,17 1158,45 1350,40 1542,04 2305,42 3063,78
Helium+Flasche 115,00 39,60 79,21 118,81 158,42 198,02 237,63 277,23 316,83 475,25 633,67
Gasförmiger Wasserstoff
64,97 129,94 194,91 259,87 324,84 389,81 454,78 519,75 779,62 1039,50
Zusatzmasse für Tank
12,58 25,17 56,59 100,52 156,93 225,79 307,07 400,74 898,68 1592,40
Summe Trockenmasse 764,46 3212,07 1992,09 1862,51 1942,51 2106,10 2311,27 2540,03 2783,37 3827,65 4917,91
Aufschlag Strukturen 600,00 200,00 200,00 200,00 200,00 200,00 200,00 200,00 200,00 200,00 200,00
Spez Impuls 4384 3581 3844 3974 4058 4117 4164 4201 4232 4319 4374
Startmasse
15477,04 14322,03 14257,42 14402,39 14630,94 14901,08 15194,81 15503,12 16807,27 18157,41
Brennschlussmasse
3477,04 2322,03 2257,42 2402,39 2630,94 2901,08 3194,81 3503,12 4807,27 6157,41

Was die Trockenmasse angeht, so gibt es ein Minium bei 3 Bar Druck beim Triebwerk, 4,5 Bar Tankdruck. In der Bilanz ist der gasförmige Wasserstoff einberechnet. Er ist nicht nutzbar, weil er für die Druckbeaufschlagung gebraucht wird. Ebenso erhöht er die Masse des LH2-Tanks.

Die Gewichtsbilanz ist auch keine komplette Stufe. Die Ariane 4 Drittstufe wog mit dieser Treibstoffzuladung z.b. 1356 kg trocken. Die Differenz ist den Tanks in Zylinderform geschuldet: Zylindertanks haben an den Zylinderwänden die doppelte Dicke wie an den halbkugelförmigen Abschlüssen. Das addiert etwa 500 kg hinzu, dazu fehlt noch der Schubrahmen und die Leitungen. Bei den selbst konstruierten Raketen müsste man nur Schubrahmen und Leitungen hinzurechnen, wofür ich 200 kg für ausreichend halte. Der Spezifische Impuls ist mit dem angegebenen Expansionsverhältnis gerechnet.

Nun irgendwann muss man dann aber zum konkreten umsteigen. Ich habe zur einfacheren Rechnung diese Stufen auf eine jeweils 150 t schwere Lox-RP1 Stufe gesetzt, angelehnt an die Atlas mit 10 t Trockenmasse und einem spezifischen Impuls von 3200 im Vakuum. Hier die Nutzlasten:

7800 m/s10250 m/s

Es gibt wie man sieht ein Optimum, sowohl bei LEO wie GTO-Orbits bei 3-5 Bar Druck.

Sofern man die Stufe, nicht wie hier, benötigt um überhaupt einen Orbit zu erreichen, sondern erst zündet wenn man schon einen Orbit erreicht hat kann man einen Nachteil der „Niedrigdruck“ Versionen abfangen: die große Brennkammer. Geht man mit dem Schub herunter, so wird die Brennkammer kleiner und das Expansionsverhältnis.

Eine Oberstufe für die Ariane 5

Damit komme ich zu der Anwendung, die ich schon im Auge hatte als ich den Artikel schrieb: Als zusätzliche Stufe für die Ariane 5. Bei Kugeltanks ist da sowieso die Treibstoffzuladung begrenzt. Bei 5,40 m Durchmesser darf der größte Tank maximal 2,70 m Durchmesser haben (mehrere kleine Tanks anstatt einem großen, sonst wird die Stufe zu hoch). Das sind beim Wasserstoff dann 700 kg pro Tank oder 1.400 kg insgesamt. Beim Mischungsverhältnis von 5,5 kommen dann noch 7.700 kg LOX dazu. Je zwei Tanks fassen dann den Treibstoff. Reduziert man zudem den Schub des Triebwerks auf 30 kN, so ist nicht nur das Triebwerk leichter, sondern auch das Expansionsverhältnis größer:

Man erhält nun schon sehr gute Gewichtsverhältnisse. In der Praxis wird man aber die Stufe etwas anders bauen. Denn mit der angenommenen langen Düse von 2 m Durchmesser (und etwa 3-4 m Länge) braucht man einen großen Stufenadapter, der die gesamte Gewichtsersparnis wieder zunichtemacht.

Idealweise wird man die Stufe so konstruieren, dass oben vier Wasserstofftanks mit einem kleineren Durchmesser liegen, darunter in der Mitte das Triebwerk umgeben von den LOX-Tanks. Die sind schon bei 7,7 t Treibstoff 1,61 m hoch. Wenn das Triebwerk genauso hoch ist, entfallen (in Analogie zu bekannten Triebwerken) rund 60 cm auf die Brennkammer. Der Durchmesser des Triebwerks ist etwa ein Drittel der Länge, daraus errechnet man eine Abschlussfläche von 314 cm² die bei 40 N/cm² einem Schub von 12,5 kN entsprechen. Die 1 m lange Düse würde sich auf 80 cm Durchmesser erweitern, das entspricht einem Expansionsverhältnis von 7,1 und einem spezifischen Impuls von 3748 m/s.

Brennkammer: 117,00
Düse: 50,00
Expansionsverhältnis 7,10
LOX-Tank 1,61
Gewicht 36,59
LH2-Tank 2,70
Gewicht 172,57
Helium+Flasche 12,57
Gasförmiger Wasserstoff 28,99
Zusatzmasse für Tank 2,50
Summe Trockenmasse 388,73
Aufschlag Strukturen 200,00
Spez Impuls 3748
Startmasse 9017,71
Brennschlussmasse 617,71

Dafür wurde eine solche Stufe nur 618 kg trocken bei 8,4 t Treibstoffzuladung wiegen. Allerdings bräuchte man noch ein Gerüst für die Tanks und einen Adapter. Setzen wir dafür noch mal 482 kg an, so liegt bei bei 9500 kg voll und 1.100 kg trocken. Auf eine Ariane 5 platziert, würde sie die GTO-Nutzlast um 550 kg anheben, das ist wenig, liegt aber daran dass dann auch die VEB von der ECS-A auf diese Stufe umzieht. Man könnte aber etwas Gewicht einsparen. So kann man die Elektronik zwischen LOX und LH2 Tanks integrieren, ebenso die anderen Teile der VEB, das spart deren Strukturgewicht ein, was nochmals einige Hundert Kilogramm bringt. Zudem kann man den gasförmigen Wasserstoff für die Manöver nach Brennschluss nutzen und so Hydrazin einsparen, das bisher dafür verwendet wird.

Wichtiger als die Nutzlast ist aber die Wiederzündbarkeit. Diese Stufe könnte für Galileo die Zirkularisation durchführen was die Nutzlast für den Galilleoorbit auf 6087 kg erhöhen würde. Das reicht für 6 anstatt 4 Satelliten pro Start.

Resümee

Eine kleine Oberstufe mit relativ niedrigem Brennkammerdruck, mehreren kugelförmigen Tanks, also im Prinzip eine EPS nur mit LOX/LH2 wäre für bestimmte Missionen durchaus interessant. Solange die dadurch bedingte lange Brenndauer kein Problem ist (obige Stufe müsste um die 8,4 t Treibstoff zu verbrennen z.B. 2543 s lang betrieben werden.

Wenn man die Verdampfungsverluste im Griff hat, wären für mich neben Hochenergiemissionen (Flüge zu Jupiter und weiter) auch GTO->GEO Transfers und Missionen zum Mond interessant. Airbus (früher EADS) hat auch ein 300-N-LOX/LH2 Triebwerk im Portfolio, aber das ist eher als Satellitenantrieb gedacht.

Es wäre aber bei einer Oberstufe für die Vega einsetzbar. Sie hat nur einen Durchmesser von 1,9 m, was bei kugelförmigen Tanks bei Stück von je 90 cm Durchmesser 78 kg Wasserstoff und 390 kg Sauerstoff entspricht. Das ist in etwa die Treibstoffzuladung, die derzeit das AVUM hat, jedoch mit einem um ein Viertel höheren spezifischen Impuls. Es steigert wahrscheinlich die Nutzlast nicht sehr, aber wenn man mal vom ukrainischen Triebwerk wegkommen will würde ich so was zumindest mal untersuchen.

Bei den niedrigen Druckwerten wäre auch noch ein zylindrischer Tank denkbar. Er ist schwerer, doch seine Geometrie ist günstiger. Das nachzurechnen überlasse ich aber euch.

19.10.2017: Werbung

Der heutige Blog wird nicht lang, doch er drängt sich mir auf. Es geht um Werbung. Werbung wird ja meistens als störend empfunden und zumindest ich habe das Gefühl sie ist einfaltloser geworden. Es gibt ja ganze Shows mit witzigen Werbespots, doch die bedienen sich immer aus dem Ausland. In Deutschland darf Werbung maximal nervig sein. Und weil sie so nervig ist, mal ein Blog über nervige Werbung.

Das Erste ist die Werbung in Erstem und zweiten Programm. Es ist ja inzwischen nicht mehr viel. Vor allem aber nervt mich, dass es immer die gleiche Werbung ist und vor allem besteht sie inzwischen zu einem großen Teil aus Produkten für Wehwechen: Schlafmittel, Schmerzmittel und Salben, dazu Nahrungsergänzungsmittel wie das völlig unnütze und überteuerte Vitasprint. Ich bin jetzt 51, aber wenn ich mir die Werbung ansehe, dann habe ich das Gefühl die Zielgruppe und damit auch die Zuschauer der Sendungen ist weit über 70. Da es zudem immer die gleichen Spots sind, sieht man sie auch dauernd, manche zweimal während einer Werbepause. So ist der Nervfaktor enorm. Die privaten Programme sind nicht besser. Die schaue ich inzwischen meist über Medientheken an, weil mir die Werbeblöcke zu lange und zu häufig sind. Online ist es noch deutlich weniger. Aber sie bekommen es nicht hin, die Lautstärke der Werbespots aufeinander zu justieren. So ist ein Ikeaspot enorm laut und manche Spots sind extrem grobpixelig wie von Hornbach oder Coca Cola. Sehr unprofessionell für eine Branche, die darauf angewiesen ist, dass die Leute nicht wegkucken oder das Browser-Fenster schließen. Mein Tipp für die Branche: Setzt doch einfach durch, dass es nur noch Fernseher ohne Fernbedienung gibt, dann zappen noch weniger weg.... Ich finde es ist kein Zufall, das das Aufkommen von Fernsehern mit Fernbedienung zusammenfällt mit der Verbreitung des Privatfernsehens, denn die Fernbedienung gab es schon deutlich früher.

Schlecht ist vor allem die Machart dies mittlerweile gibt. Die Radiowerbung von Grippostadt-C übertrifft die ansonsten auch nervige Seitenbacherwerbung in dem Nennen des Produktnamens: siebenmal in einem nicht mal 20 s langen Spot. So was Ähnliches macht nun auch Medipharma Cosmetics. Der Spot fällt schon durch die schlechten Schauspieler auf die betont künstlich reden und natürlich immer toll geschminkt sind. Das muss man ja auch tun, wenn man Einkaufen geht. Dazu werden sie vor einem Regal aufgenommen, das voller Produkte des Herstellers ist (leicht erkennbar an den grün-weissen Packungen), auch das ist in einer Apotheke nicht so. Da bekommen selbst Renner wie Aspirin maximal einen schmalen Regalboden. Der neueste Spot für ihre Olivenöl-Creme hebt dreimal in Ton und einmal in Schrift heraus, das diese ohne Mineralöle und Parabene ist. Das ist schon extrem auffällig, vor allem wenn Apotheker und „Verbraucherin“ dasselbe sagen. Übrigens sind Mineralöle weniger allergisch als Naturöle, ganz zu schwiegen von kalt gepresstem Olivenöl, das nicht zahlreiche Begleitsubstanzen enthält, die bei raffinertem Öl entfernt wurden.

Inzwischen macht auch die deutsche Landwirtschaft Werbung. Zumindest im Radio läuft nun Imagewerbung über Leute, die der deutschen Landwirtschaft "vertrauen“. Einer geht so. „Überall haben deutsche Landwirtschaftsprodukte einen guten Ruf, nur bei uns nicht. Denken Sie mal darüber nach. Ich vertraue der deutschen Landwirtschaft“.

Passend dazu kommt heute als Meldung, dass ein Veterinäramt in unserem Bundesland mit der Kontrolle nicht nachkommt und massive Verstöße bei Schweinemastbetrieben festgestellt hat. Ich vertraue unserer Landwirtschaft nicht, zumindest nicht pauschal. Daran ist primär nicht die Landwirtschaft schuld, sondern Handel und Verbraucher, weil Fleisch ja so billig sein muss. Dass dies auf Kosten der Tiere gehen muss, ist doch klar. Natürlich wird es auch sonst noch schwarze Schafe geben, aber ich nehme mal an, das die meisten Landwirte gerne auch bessere Bedingungen und weniger Krankheiten bei den Tieren hätten, aber das mit den niedrigen Fleisch- und Milchpreisen eben nicht möglich ist. Meine Konsequenz ist weitestgehender Fleischverzicht und wenn dann kaufe ich nur Bio. Nicht weil ich Wert auf Bioware lege, hinsichtlich des Einsatzes von Hormonen oder Medikamenten, sondern weil dort die Bestimmungen wenigstens etwas mehr Platz und -Zeit den Tieren geben. Solange sich an den Zuständen in der Tiermast aber nichts ändert und die meisten Verbraucher kennen auch die Zustände, solange machen solche Imagespots wenig Sinn.

Zuletzt noch zu einer Firma, bei der ich gerne einkaufe: ALDI. ALDI ist ja der letzte Discounter mit nur wenigen Markenprodukten. Derzeit läuft eine Werbung nach dem Motto „Einfach ist besser“. Das Wörtchen „Einfach“ ist natürlich Auslegungssache. Ist der Einkauf einfach? Die Produkte? Steht Einfach für eine Beschränkung z. B. wenig konsumieren oder geringe Diversität? Für mich steht „einfach“ im Zusammenhang mit ALDI für ein reduziertes Produktsortiment. Sie haben etwa 500 Produkte, LIDL 1200, Supermärkte 2500 bis 3500. Und zwar wirklich reduziert. Es geht mir nicht darum aus 5 oder 6 Sorten Vollmilchschokolade auswählen zu können, aber bestimmte Produkte, die ich eigentlich häufig brauche, finde ich nicht bei ALDI wie: normale Karamell- oder Fruchtbonbons, Rotkohl, rote Beete, Spülmaschinensalz, Kartoffelpuffer … Selbst verglichen mit LIDL ist das Sortiment sehr klein. So macht der Bonus auch noch Umsatz, denn dort kaufe ich die Sachen dann meistens ein. Aber etwas mehr Vielfalt wäre mir schon recht.

Seit unser LIDL aber umgebaut hat, weiß ich, was ALDI meint: Jeder Markt ist zu einem guten Teil identisch eingerichtet und man findet sich schnell zurecht. Bei LIDL finde ich mich nach einem Umbau für Wochen nicht mehr zurecht. Dieses Mal haben sie es aber zu weit getrieben. Um noch mehr unterzubringen, haben sie zusätzliche Regale eingebracht, sodass es wirklich eng ist, manchmal wird es schon problematisch, wenn zwei mit einem Einkaufswagen aus verschiedenen Seiten kommen. Vor allem haben sie die Produkte, die zusammengehören auseinandergerissen. Süßigkeiten findet man nun nicht mehr in einem Regal nebeneinander, sondern auf die Gänge verteilt: in einem Schokolade, im zweiten Kekse und im dritten Bonbons. Anscheinend soll man möglichst viel durch den Laden laufen. Obwohl man durch die neuen Regale eigentlich mehr präsentieren kann, habe ich bei den letzten Einkäufen festgestellt, dass ich Dinge nicht mehr bekomme, die ich sonst gekauft habe, so eine Eissorte, die von mir geliebte Schokolade mit mittlerem Kakaogehalt (nicht Vollmilch und nicht Bitter) und einiges mehr. Also wird mich der Bonus-Markt in Zukunft noch öfters sehen, denn LIDL ist für mich inzwischen zu kompliziert und hat den wichtigsten Vorteil verloren, nämlich dass ich dort einiges bekam, was ich nicht bei ALDI kaufte, aber trotzdem nicht Marke ist. 


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