Verpasste Chancen bei Ariane 6 und Vega – Teil 4 – Ariane 6 und Vega C

Was ein einziges Blogpost werden sollte ist nun eine (wahrscheinlich) 5-teilig Serie geworden. Das hier ist Teil 4 und endlich komme ich dazu die Ariane 6 zu diskutieren um die es eigentlich von Anfang an gehen sollte.

Nachdem die Ariane 5 zu groß, zu teuer und zu unflexibel war, suchte man nach einer Alternative. Die sollte ein neues Konzept darstellen und somit Arine 6 heißen. Es gab dafür mehrere Konzepte. Bis zum letzten Sommer (2014), stand scheinbar unveränderlich fest, dass die Ariane 6 eine dreistufige Rakete aus Feststoffboostern sein würde, bei der nur die dritte Stufe von der geplanten Ariane 5 ME (bzw. ECB) übernommen werden sollte. Dieses Konzept wird heute als PPH bezeichnet (P = poudre = Feststoff; H = hydrogen = Wasserstoff).

Die Feststoffbooster sollten dabei eine neue Konstruktion haben, basierend auf den Kohlefaserverbundwerkstoffen die auch bei der Vega zum Einsatz kommen. Die Booster sollten die Bezeichnung P145 erhalten. Die genauen Leistungsdaten habe ich nicht gefunden, aber ich gehe davon aus, dass sie etwa 81% mehr Treibstoff als der P80 Booster der ersten Stufe der Vega Raketen haben sollten. (Diese Typenbezeichnungen sollten eigentlich die Treibstoffmenge der Stufe in Tonnen angeben, aber scheinbar wird hier der Gewichtsvorteil durch die Kohlefasern einfach durch mehr Treibstoff ausgeglichen. Eine “P80” aus Kohlefaser wiegt voll befüllt also genauso viel wie eine “P80” aus Metall, hat aber mehr Treibstoff.)

Das alte (PPH) Konzept für die Ariane 6. (Quelle: Wikipedia)

Die erste Stufe bestand nun aus drei nebeneinander montierten P145 Boostern. Über dem mittleren Booster wurde als zweite Stufe ein weiterer P145 montiert, der nach der Stufenabtrennung im Flug gestartet werden sollte und vermutlich auch über eine etwas größere Düse verfügen sollte. Darauf sollte die oberste Stufe mit einem Vinci Triebwerk kommen, später gab es den Vorschlag auch optional eine billigere Oberstufe mit Aestus Triebwerk (MMH/NTO) zu verbauen, wenn weniger Nutzlast benötigt wird. Die Rakete sollte so wahlweise etwa 6 bzw. 8 Tonnen in den GTO befördern können. Sehr flexibel war sie also nicht, man versprach sich aber durch die Massenfertigung der Feststoffbooster viel Geld einsparen zu können.

Dieser Vorschlag stieß aber in Deutschland auf einiges Missfallen, denn hierzulande wird das Vulcain II Triebwerke der bisherigen Zentralstufe der Ariane 5 hergestellt. Die wären in diesem Konzept leer ausgegangen und so regte sich Widerstand. Nach einigem hin und her, kristallisierte sich ein neuer Vorschlag heraus. Die Zentralstufe soll doch wieder von einem Vulcain Triebwerk betrieben werden, auch wenn es dort Umstellungen in der Produktion und möglicherweise auch der Konstruktion geben soll, um Kosten einzusparen. Es habe Gerüchteweise auch schon von einem Vulcain III Triebwerk gelesen, viel würde ich darauf aber nicht geben. Das neue Konzept heißt Ariane 6 PHH. Anders als alle Ariane Raketen zuvor, soll sie aber nicht nach genauen Maßgaben der ESA gefertigt werden, sondern lediglich bei der Firma “Airbus Safran Launchers” in Auftrag gegeben werden.

Auf der technischen Seite fragt sich nun, was denn neu sein soll. Die Tanks der zentralen Stufe sollen einfacher aufgebaut werden. Bisher besteht der Tank der zentralen Stufe aus nur einem Tank, mit einer isolierten Trennwand zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. In der Ariane 6 sollen es zwei getrennte Tanks werden. Getrennte Tanks sind etwas schwerer, aber dafür einfacher und billiger zu bauen. Als Oberstufe kommt die für die Ariane 5 ECB/ME geplante Stufe mit Vinci Triebwerk zum Einsatz. Die beiden großen P241 Feststoffbooster aus Metall sollen durch kleine P120 Booster aus Kohlefaser ersetzt werden. Es sollen wahlweise zwei (Ariane 62) oder vier (Ariane 64) Booster montiert werden, je nach gewünschter Nutzlast. Die Nutzlast soll dementsprechend entweder 5t oder 10,5t betragen, die Kosten werden mit 65mio Euro oder 85mio Euro veranschlagt. Der Flug einer Ariane 5 wird heute mit 170mio Euro veranschlagt, wovon etwa 20mio subventioniert werden.

Das PHH Konzept der Ariane 6. (Die Booster werden hier als 1.Stufe bezeichnet. Über diese Bezeichnung gibt es widerstreitende Meinungen und viel Krach. Blut ist noch nicht geflossen.) (Quelle: CNES)

Nichts hat so viel Erstaunen und Ungläubigkeit hervorgerufen, wie der Preis. Bei gleicher Leistung wie die geplante Ariane5 ME soll die Ariane 64 nur die Hälfte kosten. Die meisten Kommentatoren bedenken diese Tatsache mit zynischen Kommentaren, durchaus zurecht. Was sich hier abspielt, ist eine Zurschaustellung von Korruption, ohne Frage. Aber ganz so leicht ist es nicht. Die Korruption ist für jeden zu sehen. Es fragt sich nur: Worin besteht die Korruption und welche Zukunft sie hat?

Keine der Veränderungen die an der Ariane 6 rechtfertigt eine Halbierung des Preises. Sollte der Preis auch nur näherungsweise zu halten sein, ist klar, dass in der bisherigen Produktion riesige Geldmengen verschwendet wurden – es wäre aber auch klar, dass man ein Mittel gegen diese Verschwendung gefunden hat. Es wäre also ein positives Szenario für die Zukunft, wenn auch ein schlechtes Zeugnis für die Vergangenheit. Sollte der Preis wie zu erwarten nicht gehalten werden, dann erging die Entscheidung der ESA für das aktuelle Konzept der Ariane 6 ohne die notwendige Überprüfung. Tatsächlich ist fraglich, ob in den wenigen Monaten seit der Veröffentlichung des neuen Konzepts überhaupt genug Zeit für so eine Überprüfung war. Allerdings gibt es wegen der vergleichsweise wenigen Änderungen auch ein wenig zu überprüfen.

Eine andere Richtung zeigen Kommentare von Airbus-Safran, die sagen, dass sie um die Kontrolle der Entwicklung der Ariane 6 kämpfen müssen, da sich die ESA wohl doch nicht in eine Rolle als Kunde und Auftraggeber zurückziehen will, nachdem man sich für die 4 Milliarden Euro Entwicklungskosten zu verantworten hat.  Zu der Frage um mögliche Korruption kommt damit aber noch die gesamte schillernde Palette des politischen Kuhhandels hinzu. Falls die Ariane 6 am Ende auch nur Näherungsweise den Versprechungen entspricht, was Termin, Leistung und Kosten angeht, wäre das ein guter Grund den Hut zu ziehen und möglichweise den Glauben an Zeichen und Wunder in der europäischen Politik neu zu überdenken.

Aber was könnte man mit der aktuellen Technik besser machen?

1) Mehr Booster, mehr Flexibilität

Die Ariane 6 ist zwar etwas flexibler in der Nutzlast, zwischen 5 und 10,5 Tonnen Nutzlast klafft eine große Lücke. Möchte man nur 6 oder 7 Tonnen transportieren, ist man entweder auf eine weiter Nutzlast angewiesen, oder muss in den sauren Apfel beißen, 20mio Euro für zwei P120 Booster auszugeben.

Ich finde es etwas merkwürdig, dass man nur 4 Halterungen für Feststoffbooster im Abstand von 90 Grad bei der Ariane 6 vorsieht. Wegen des schwachen zentralen Triebwerks müssen die Booster nämlich unbedingt symmetrisch angeordnet sein. Mit 4 Halterungen kann man also nur 2 oder 4 Booster montieren. (Die amerikanische Atlas V kann auch mit nur einem Booster starten. Das sieht etwas schräg aus, aber funktioniert.) Mit 6 Halterungen im Abstand von 60 Grad hätte man zwei zusätzliche Optionen. Dann könnte man nicht nur zwei oder vier Booster symmetrisch anbringen, sondern auch drei im Abstand von 120 Grad. Eine Ariane 63 für 75mio Euro mit einer Nutzlast von etwa 8 Tonnen wäre eine gute Zwischengröße. Eine Ariane 66 würde mit passender Zündreihenfolge der Booster eine Nutzlast von deutlich über 12 Tonnen (alles GTO) und einem Preis von 105mio Euro ermöglichen.

Natürlich müsste man dafür die Konstruktion ändern, aber zur Zeit existiert diese nur auf dem Papier und Papier ist geduldig. Lediglich bei der Ariane 66 Variante könnte es Probleme geben. Man müsste die Rakete dafür etwas stabiler bauen um den zusätzlichen Schub aufzunehmen. Da das aber in der unteren Stufe passiert, ist die Auswirkung begrenzt. Außerdem müsste man eine neue Variante des P120 Booster bauen, mit größeren Düsen und der Möglichkeit sie im Flug zu zünden – aber das ist aller Erfahrung kein großes Problem und war für die ursprüngliche Variante der Ariane 6 ohnehin geplant.

2) Drei Stufen statt Zwei Stufen mit Boostern

Eine weitere mögliche Modifikation wäre ein Vulcain Triebwerk, das im Flug gezündet wird. Die Rakete würde dann zu einer echten dreistufigen Rakete. Bei der Ariane 5, und auch der geplanten Ariane 6, wird das Vulcain Triebwerk der Zentralstufe zusammen mit den Boostern gezündet. Die Zündung des Triebwerks am Boden sollte der Ariane 5 vor allem dem Schutz der Astronauten im Hermes Raumschiff dienen. Unbedingt nötig ist es nicht, schon gar nicht für eine Ariane 6 die nur zum Satellitentransport gedacht ist.

Die Booster sind in jeder denkbaren Konfiguration stark genug um die gesamte Rakete allein anzuheben. Startet man das Vulcain Triebwerk erst im Flug, könnte es eine größere Düse haben und hätte eine höhere Effizienz. Außerdem würde das Vulcain im ersten fünftel des des Fluges nicht mehr die Masse der Feststoffbooster mitschleppen müssen und dabei Treibstoff verschwenden. Überschlagsmäßig hätte ein solches Vorgehen der Ariane 5 etwas mehr als eine Tonne zusätzlicher Nutzlast gebracht, bei der Ariane 64 wäre es ähnlich. (Ich ging dabei davon aus, das ein für Vakuumbetrieb optimiertes Vulcain genauso effizient arbeitet wie das HM7B Triebwerk in der Oberstufe von der Ariane 5 ECA.)

3) Vega ganz Groß

In jedem Fall positiv zu erwähnen ist, dass der neue P120 Booster der Ariane 6 auch in der neuen Vega C (für “consolidated”) zum Einsatz kommen soll. Dazu kommt eine größere zweite Stufe (Zefiro 40, statt Zefiro 23). Die dritte und vierte Stufe soll durch eine einzige große Oberstufe (AVUM+) ersetzt werden. Später ist geplant im Rahmen des Lyra Programms eine neue Oberstufe mit flüssigem Methan und Sauerstoff zu entwickeln, die eine höhere Ausströmgeschwindigkeit und damit einen größeren Nutzlastanteil in der Oberstufe ermöglichen. (Vega E)

Man kann die Vega auch ganz groß denken. Was, wenn aus der Ariane 6 nichts wird? Malen wir einmal den Teufel an die Wand und behaupten, die Entwicklung wird teurer als geplant und dauert zu lange. Die ESA muss schnellstmöglich Ersatz organisieren. Was tun?

Man baut die Vega aus nach Vorbild der russischen Angara Rakete. Man würde den P120 Booster als Standardraketenmodul in Massenproduktion benutzen und daraus flexible, modulare Raketen bauen. Will man nur etwa 3t in den LEO oder etwas mehr als 1t in den GTO bringen, nimmt man ein Modul mit einer Oberstufe. Braucht man etwas in der Größe der Soyuz (8t LEO, 3t GTO), dann benutzt man 3 P120 Module. 2 Module zündet man am Boden, das dritte als zweite Stufe in der Luft, die Oberstufe erledigt den Rest. Bei der Oberstufe könnte man eine Neuentwicklung machen, oder man baut nochmals die Oberstufe der Ariane 4 nach, die das gleiche Triebwerk wie die Ariane 5 ECA Oberstufe genutzt hat. Allerdings hat man Verträge mit Russland zur Nutzung der Soyuz abgeschlossen und sollte diese Verträge des diplomatischen Verhältnisses zuliebe auch nicht unterlaufen. Sollten sich die politischen Spannungen mit Russland allerdings verschärfen, wäre eine solche Vega Rakete eine Option.

Im Endausbau könnte eine 4-Stufige Vega Rakete stehen mit sieben P120 Modulen und einer ca. 100t schweren Oberstufe inklusive Nutzlast. Vier der Module würden als erste Stufe beim Start gezündet, zwei Module als zweite Stufe, ein Modul als dritte. Die Oberstufe hätte an dem Punkt eine Geschwindikeit von etwas über 4km/s (die genaue Geschwindigkeit ist abhängig von Gravitationsverlusten und Aerodynamik, hier geht es um eine Überschlagsrechnung). Die Oberstufe müsste völlig neu entwickelt werden, da die ESA derzeit nichts geeignetes in dieser Größe baut. Die zweite Stufe der Falcon 9 v1.1 würde aber genau der Größe entsprechen (mit einem Vollgewicht von etwa 90t und einer Leermasse von etwa 4t). Wenn die ESA etwas ähnliches nachbauen würde, hätte die Rakete eine Nutzlast in der Größenordnung von etwa 10-12t und könnte die Ariane 6 ersetzen. (Das alles setzt voraus, dass ein P120 Modul exakt 50% mehr Schub hat als das P80, 50% mehr wiegt, 50% mehr Treibstoff hat und die gleiche Ausströmgeschwindigkeit.)

Die Kosten würden sich im Bereich von 70mio Euro für die sieben P120 Booster plus Kosten für die Oberstufe und den Kosten für die Durchführung des Starts bewegen. (Da die Ariane 64 etwa 20mio Euro mehr kostet als die Ariane 62, kostet ein P120 wohl etwa 10mio Euro.) Die große Vega wäre also wohl etwas teurer als die Ariane 6. Allerdings sollte die größere Produktionszahl von Boosterraketen deren Preis deutlich senken, so dass der Preis im Ergebnis wohl vergleichbar wäre.

Aber im Grund läuft die ESA heute dem Stand der Technik und modernen Konzepten in der Raumfahrt hinterher. Wie die aussehen diskutiere ich im letzten Teil.

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