Verpasste Chancen bei Ariane 6 und Vega – Teil 1 – Ariane 1-4

Die Europäische Raumfahrtagentur ESA hat im letzten Jahr einige wichtige Entscheidungen getroffen, ich wage einmal einen Rückblick und habe einige Gedanken dazu. Aber zuvor kommt erst einmal die Geschichte der Ariane, diesmal der weitgehend baugleichen Ariane 1,2,3 und 4.

Die ESA hat in den 80er Jahren den Amerikanern das Fürchten gelehrt, zumindest im Bereich der Trägerraketen für kommerzielle Satelliten. Das war so kaum abzusehen. Der Vorgänger der Ariane Raketen ist zurecht in Vergessenheit geraten. Die “Europa Rakete” hatte in den 70er Jahren nicht eine einzige erfolgreiche Mission. Mit der Tradition sie zu übersehen werde auch ich hier nicht brechen.

Die erste Ariane Rakete startete 1979, erstmals auch aus Kourou und nicht vom australischen Woomera. Mit einem Startplatz nur knapp nördlich vom Äquator hatte sich die ESA einen fast perfekten Ort für Raketenstarts gesichert. Von dort kann man nicht nur das Maximum der Rotationsgeschwindigkeit der Erde mitnehmen, die Rakete fliegt auch von Anfang an in der richtigen Ebene für einen geostationären Orbit. Das ist wichtig, denn eine geneigte Flugbahn zu ändern benötigt viel Treibstoff. Zusätzliches Gewicht, mit dem man lieber einen schwereren Satelliten transportieren oder mit einer kleineren Rakete auskommen würde.

Die Technik in der Ariane Rakete war vor allem robust und erinnert etwas an die Falcon 9 Rakete von SpaceX, allerdings hatte sie immer zumindest 3 Stufen und teilweise Booster Raketen. Der Grund dafür sind höhere Leermassen und weniger effiziente Triebwerke in den ersten Stufen. Die Raketenstufen von SpaceX haben nur die halbe Leermasse der erste Ariane Raketen (im Vergleich zum Vollgewicht). 30 Jahre machen einen großen Unterschied.

Ein Viking Triebwerk (Quelle: Wikipedia)

Die ersten beiden Stufen der Ariane 1,2,3 und 4 Raketen wurden mit Viking Triebwerken betrieben. Die Viking Triebwerke hatten etwas über 600kN Schub – oder genug um 60t anzuheben. Die erste Stufe hatte vier dieser Triebwerke, die zweite Stufe eines. Der Treibstoff ist Unsymmetrisches Dimethylhydrazin und Distickstofftetroxid – eine Kombination die in den 50er und 60er Jahren entwickelt wurde und sich bewährt hat. Die Entwicklungsgeschichte kann man in dem äußerst unterhaltsamen Buch “Ignition! – An Informal History of Liquid Rocket Propellants” (Link zum pdf des Buchs) von John D. Clark nachlesen. Der große Vorteil der Kombination ist, dass man keine Zündung braucht, wenn sich die Treibstoffe vermischen, entzünden sie sich von allein. Der Nachteil ist der höher Treibstoffverbrauch, bei gleichem Schub, im Vergleich zu Kerosin und Sauerstoff. Der Vorteil ist die geringere Komplexität. Viking Triebwerke wurden in Massenfertigung und damit entsprechend billig hergestellt.

Die zweite Stufe benutzt das gleiche Triebwerk, aber mit einer größeren Düse. Die Düse hilft, den Schub des Triebwerks besser auszunutzen. Das heiße Gas aus der Brennkammer tritt unter hohem Druck aus einer Öffnung aus. Außerhalb der Brennkammer, dehnt sich der Abgasstrahl sofort in alle Richtungen aus. Der Sinn einer Düse ist es nun, die Gase die sich zu Seite weg bewegen mit den Seitenwänden der Düse aufzufangen nach hinten umzulenken. Dabei drückt das Abgas nicht nur die Düse auseinander, eine Komponente der Kraft schiebt auch die Rakete noch etwas stärker in Flugrichtung. Um so größer die Düse ist, um so besser kann sie das Abgas ausnutzen.

Warum haben die Triebwerke der ersten Stufe dann kleinere Düsen, wenn das doch so gut ist? Nun, beim Start drückt die Atmosphäre gegen den Abgasstrahl. Das mag im Zentrum des Strahls egal sein, aber am Rand verliert er immer mehr an Druck. An einem bestimmten Punkt ist der Druck der Atmosphäre größer als der Druck des Abgasstrahls. Das wäre an sich nicht so schlimm, wenn der Druck von außen nicht zu Oszillationen führen würden, die drohen das Triebwerk zu zerstören. Es bleibt den Konstrukteuren nichts anderes übrig, als kleinere Düsen zu verbauen und die geringere Effizienz zu akzeptieren, oder eine komplizierte Mechanik zur Verlängerung der Düse bei kleinerem Außendruck zu verbauen. Eine Raketenstufe die erst in größerer Höhe gezündet wird, kann immer eine größere Düse verwenden. Aber auch diese Größe ist begrenzt, denn irgendwann übersteigt das zusätzliche Gewicht der größeren Düse den zusätzlichen Nutzen, oder die Düse wird breiter als die Rakete an sich.

Das HM7B Triebwerk der dritten Stufe der Ariane Raketen, es wird immer noch in der Ariane 5 verwendet. Man beachte die große Düse im Vergleich zum kleinen Triebwerk oben. (Quelle: Wikipedia)

Mit zwei Stufen hätten die ersten Varianten der Ariane Rakete kaum Nutzlast transportieren können. Deswegen gab es eine dritte Stufe mit Wasserstoff-/Sauerstoffantrieb. Diese Treibstoffkombination hat zwar die höchste Effizienz aller gebräuchlichen Raketentreibstoffe, ist aber auch mit dem größten Aufwand verbunden. Flüssiger Wasserstoff ist extrem kalt, ist schwer zu handhaben und Tanks müssen dick isoliert werden (wie man beim letzten Flug des Space Shuttles Columbia leider sehen musste). Zu allem Überfluss ist er sehr leicht. Ein Liter flüssiger Wasserstoff wiegt gerade einmal 70 Gramm, weshalb er extrem große (und schwere!) Tanks braucht. Trotzdem überwiegt die höhere Effizienz, oder besser gesagt, die höhere Ausströmgeschwindigkeit der Abgase, auch als Spezifischer Impuls bekannt. Gerade in den oberen Stufen ist eine hohe Effizienz sehr hilfreich um größere Nutzlasten zu erzielen, aber die aufwändige Technik macht solche Stufen teuer.

Die Ariane 4 in allen Varianten, mit Flüssigboostern (L) und Feststoffboostern (P). (Quelle: Wikipedia)

Dieses Konstruktionsprinizip wurde für alle der ersten vier Generationen der Rakete beibehalten. Die Ariane 2 hatte schubstärkere Triebwerke und längere Tanks mit mehr Volumen für zusätzlichen Treibstoff und entsprechend größerer Nutzlast. Bei der Ariane 3 montierte man zusätzlich zwei kleine Feststoffraketen an die erste Stufe. Das Erfolgsmodell mit über 100 Flügen war aber die Ariane 4.

Die Ariane 4 war eine äußerst flexible Rakete, die knapp 5 Tonnen Nutzlast in den Geostationären TransferOrbit (GTO) bringen konnte. Das ist ein stark elliptischer Orbit, dessen niedrigster Punkt in 200-400km Höhe liegt und dessen höchster Punkt in 36000km Entfernung von der Erde – in Höhe des Geostationären Orbits – liegt. Den Rest muss der Satellit mit eigenen Triebwerken bewältigen. Dazu wurden vier Boosterraketen mit jeweils einem Viking Triebwerk an die erste Stufe montiert. Für leichtere Nutzlasten konnte man auch auf zwei oder alle vier Booster verzichten oder durch Feststoffbooster ersetzen.

Am Ende der Achtziger Jahre griff auch in Europa das Shuttle Fieber um sich. Die ESA wollte ein bemanntes Raumschiff, den Raumgleiter Hermes, entwickeln. Die Rakete die sie dazu verwenden wollten, sollte die Ariane 5 sein. Die Ariane 5 mag das erfolgreichste Kind ihrer Zeit gewesen sein, aber bis heute wird jeder Start mit über 20 Millionen Euro subventioniert. Über die Ariane 5 schreibe ich dann morgen.

3 thoughts on “Verpasste Chancen bei Ariane 6 und Vega – Teil 1 – Ariane 1-4

  1. sorry – kleine typos(?):

    >> entwickelt wurde und sich bewehrt hat. Die

    http://www.duden.de/suchen/dudenonline/bewähren

    Präsens Indikativ Konjunktiv I Imperativ
    Singular ich bewähre ich bewähre
    du bewährst du bewährest bewähr, bewähre!
    er/sie/es bewährt er/sie/es bewähre
    Plural wir bewähren wir bewähren
    ihr bewährt ihr bewähret
    sie bewähren sie bewähren

    >> immernoch

    http://www.duden.de/rechtschreibung/immer_noch

    >> Um so größer die Düse ist, um so besser kann sie

    http://www.duden.de/rechtschreibung/umso

    Sehr gute Arbeit – vielen Dank für den Blog!

    MfG. – M.L.
    🙂

    • Bei Texten die kurz vor Mitternacht (oder danach) entstehen, übernehme ich keine Haftung. Und die Schlussredaktion ist leider außer Haus (wie schon die letzten 4 Jahre).

      Aber trotzdem Danke.🙂

      Ich kann mich leider nicht dazu bringen, “um so” zu “umso” zu ändern. Das fühlt sich für mich falsch an und wenn sich nur genug Leute nicht an die Regel halten, kommt es auch so in den Duden.😉 Beim “immer noch” ist es genau das Gegenteil. Ich war mir sicher, dass das als ein Wort geschrieben wird, auch wenn es komisch aussieht. Tja.

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