RZ RC56 25.02 Quark7.5:RC 42/2006_Quark_4.0_April 25.02.2009 15:47 Uhr Seite 13

Raumfahrt Concret 1/2009 RC-Technologie Wiederverwendbare Boosterstufen für Ariane 5 Von Dr. Martin Sippel

metrisch an der Kernstufe einer Ariane-5 überträgt somit die großen Schubkräfte (EPC) montiert werden. Diese sogenann- der Booster. Der LFBB-Rumpf setzt sich ten Liquid Fly-Back Booster (LFBB) sind mit den zylinderförmigen integralen mehrfach verwendbar und sollen die heu- Haupttanks für die kryogenen Treibstoffe tigen Feststoffmotoren (EAP) ersetzen. fort. Ähnlich zur heutigen Ariane 5 wird Ihre Aufgabe ist es, die Kernstufe bis zur von einem gemein samen Tankboden zwi- Trennung in mehr als 50 km Höhe zu schen Sauerstoff und Wasserstoff ausge- beschleunigen. Es wird davon ausgegan- gangen, um das Fahrzeug möglichst kom- gen, dass die EPC-Stufe mit etwa 185 t pakt zu halten. Verglichen mit dem Tank kryogenem Treibstoff von einem einzel- der EPC-Stufe hat der Tank des Boosters nen, weiterentwickelten Vulcain-Trieb - genau den gleichen Durchmesser, aber werk mit gegenüber heute erhöhtem eine etwas geringere Länge. Diese In den Jahren 2000 bis 2005 hat die deut- Vakuumschub angetrieben wird. Eine Randbedingung für die Geometrie kann sche Raumfahrtagentur die ASTRA-Studie neue kryogene Oberstufe (ESC-B) sollte die Herstellungs kosten reduzieren, da (Ausgewählte Systeme und Technologien darüber hinaus mit einem fortschrittli- keine neuen Vorrichtungen für die für Raumtransportanwendungen) zu Fahr- chen 180 kN-Vinci-Triebwerk ausgestattet Fertigung erstellt werden müssen. Der zeugoptionen und Technologien für zu- sein. Behälter für den flüssigen Sauerstoff ist künftige europäische Raumtransport - über dem Behälter für den flüssigen Wasserstoff angeordnet. Die gesamte systeme finanziert. Die Arbeiten wurden LFBB-Grundkonzept und Geometrie von der deutschen Industrie gemeinsam Treibstoffmasse für den Aufstieg beträgt Der Antrieb der wiederverwendbaren mit Instituten des Deutschen Zentrums 168,5 t. Hinter den Haupttanks liegt der Raketenbooster basiert auf der bei der für Luft- und Raumfahrt DLR durchge- Tragflächenbereich und die hintere Ariane 5-Zentralstufe verwendeten Tech- führt. Ein spektakulärer Erfolg der Studie Rumpfstruktur, welche einen zweiten, nologie (EPC-Vulcain-Triebwerk), allerdings waren die drei Gleitflüge des Landede - nichtintegralen Tank ebenfalls für flüssi- mit einer angepassten Düse mit reduzier- mons tra tors Phoenix im Mai 2004, die die gen Wasserstoff aufnimmt. Die durch die- tem Expansionsverhältnis. Drei dieser Trieb - autonome Steuerbarkeit eines geflügelten sen Tank hindurch führende Hauptför- werke sind in kreisförmiger Anord nung im Raumtransporters im niedrigen Geschwin- derleitung versorgt die Triebwerke auch Heck jedes Boosters angebracht. Die digkeitsbereich nachwiesen. Typische Fahr - aus dem Haupttank mit Treibstoff. Gesamtlänge beträgt 41 m, der Durch- zeuge dieser Klasse neuer Raumtrans - Der Flügel hat trapezförmige Gestalt mit messer 5,45 m. In der 6,7 m langen, ellip- porter sind das Hopper-Konzept so wie das einer Vorderkantenpfeilung von 45°. Die soidförmigen Spitze der Booster sind für in diesem Beitrag ausführlicher beschrie- Spannweite erreicht 21 m und die expo- den Rückflug drei luftatmende Trieb - 2 bene LFBB-Konzept mit Ariane 5-Kern - nierte Flügeloberfläche beträgt 115 m . werke, ein Lage kon trollsystem und das stufe. Beide waren Teil der System - Die Raketentriebwerke sind im Heck auf Bugfahrwerk installiert. Dieser Spitze untersuchungen in ASTRA. einem konischen Schubrahmen ange- folgt eine ringförmige Zwischenstruktur, bracht. Alle Triebwerke können um zwei an der seitlich zwei Canards (Entenflügel) Das untersuchte teilweise wiederverwend - Achsen seitlich geschwenkt werden, um montiert sind. Gleichzeitig dient der Ring bare Raumtransportsystem besteht aus eine ausreichende Kontrolle während der als Anschluss an die Zentralstufe und zwei Raketenboostern, die seitlich, sym- Aufstiegsphase zu gewährleisten. Die Triebwerke sind während des Wieder - eintritts an der Unterseite durch eine Rumpfklappe geschützt. Diese könnte, wenn beweglich, auch für die aerodyna- mische Trimmung und die Flugsteuerung genutzt werden. Die Nutzung dieser Option ist zurzeit allerdings nicht not- wendig, da die Canards äußerst effektiv arbeiten. Durch den Verzicht auf einen komplexen Verstellmechanismus an der Rumpfklappe sind weitere Kosten und Gewichtseinsparungen möglich. An der Rumpfoberseite sind zwei um 45° gegen die Haupttragflächen geneigte Seitenleit- werke angebracht, die ausreichende Längs- stabilität gewährleisten.

Künstlerische Darstellung der Trennung der zwei seitlich angebrachten wiederverwendbaren Booster (LFBB) von einer Ariane 5-Kernstufe. 11 RZ RC56 25.02 Quark7.5:RC 42/2006_Quark_4.0_April 25.02.2009 15:47 Uhr Seite 14

Raumfahrt Concret 1/2009 RC-Technologie/Meinung

Antriebssysteme Für die Beschleunigung der teilweise wie- optimierten Wiederverwendung erhebli- Die wiederverwendbare Boosterstufe be - derverwendbaren Trägerrakete reichen che Herausforderungen an die Trieb- nötigt vier unterschiedliche, voneinander kryogene Nebenstromtriebwerke (Gasgene - werksentwicklung. Obwohl die Trieb - unabhängige Antriebssysteme: rator-Zyklus) fortschrittlicher Technologie werksparameter noch keineswegs einge- • Hauptantrieb mit drei Raketentriebwerken aus. Für diesen Zyklus besteht in Europa froren sind, basieren die Ergebnisse der • Drei Turbofan-Triebwerke für den durch die Vulcain-Familie bereits erhebli- vorgestellten Studie auf gerechneten und Rückflug che Erfahrung. Verglichen mit dem heuti- simulierten Annahmen über die Leis- • Triebwerke des Lagekontrollsystems, RCS gen Vulcain-2-Triebwerk weisen die wei- tungs fähigkeit der Booster-Haupttrieb- • Feststofftriebwerke zur Trennung von terentwickelten kryogenen Booster-Haupt - werke. Die Triebwerksdaten sind in Tab.1 der Zentralstufe triebwerke einen erhöhten Massendurch- im Vergleich mit denen des Vulcain-2 auf- satz und einen höheren Brennkammer- gelistet. druck auf. Darüber hinaus stellt der Für den Rückflug sind drei Turbo fan trieb- Anspruch einer zuverlässigen und kosten- werke ohne Nachbrenner vorgesehen. Aus Tabelle 1 Gründen eines möglichst geringen Ver- brauchs soll Wasserstoff als Treibstoff ver- Vergleich der Triebwerksdaten von Vulcain-2 mit den in dieser Studie wendet werden, der eine deutlich höhere verwendeten hypothetischen Vulcain-3-Daten massenspezifische Energie aufweist. Die Vulcain-2 „Vulcain-3“ prinzipielle Machbarkeit, bei einem exis- Treibstoff: LOX/LH2 LOX/LH2 tierenden militärischen Trieb werk (Tur- Schub (im Vakuum): 1.340 kN 1.622 kN bofan EJ-200) Kerosin durch Wasserstoff Schub (am Boden): 1.000 kN 1.412 kN zu ersetzen, wurde in der ASTRA-Studie Spezifischer Impuls (im Vakuum): 430 s 422 s untersucht. Die Ergebnisse sind vielver- Spezifischer Impuls (am Boden): 318 s 367 s sprechend und es zeigen sich keine unü- Durchmesser: 2,10 m 1,62 m berwindlichen Hindernisse. Nach Angaben Länge: 3,50 m 2,89 m des Herstellers MTU Aero Engines kann ein Triebwerksmasse: 2.050 kg 2.370 kg mit Wasserstoff betriebenes EJ-200- Brennkammerdruck: 116 bar 139 bar Triebwerk ohne weiteres mit geringen Mischungsverhältnis: 6,1 5,9 Modifikationen in einem LFBB eingebaut Düsen-Expansionsverhältnis: 60 35 werden. Um die Kosten in Relation zum Brenndauer je Flug: 540 s ca. 145 s Entwicklungsprogramm in Grenzen zu Geplante Anzahl Flüge je Triebwerk: 1 7 halten, wird davon ausgegangen, dass die

12 RZ RC56 25.02 Quark7.5:RC 42/2006_Quark_4.0_April 25.02.2009 15:47 Uhr Seite 15

Raumfahrt Concret 1/2009 RC-Technologie

Lageregelungstriebwerke meisten bestehenden Kompo nenten des Anschlussring EJ-200-Triebwerks unverändert und ohne Luftatmende Rückflugtriebwerke neue Qualifikation verwendet werden können. Die Festlegung der Anforderungen an den Schub der Triebwerke für das Lagekon - Strukturen trollsystem (RCS) beruht auf Erfahrungen zur Tankbe- mit den einzigen beiden bis heute geflo- festigung genen wiederwerwendbaren Raum glei tern: Dem amerikanischen Space Shuttle und Tank für flüssigen Wasserstoff der dem sowjetischen Buran. Ent sprechend Turbotriebwerke der Literatur für das Space Shuttle muss Tank für Ethanol-Tank gasförmiges beim Wiedereintritt eine Gierwinkelbe - Helium 2 Tank für schleunigung des Fahrzeugs von 0,5°/s gasförmigen Bugfahrwerk erreicht werden können. Dies kann durch Sauerstoff vier Triebwerke auf jeder Seite mit jeweils Vorläufiger Entwurf der LFBB-Nasensektion und des Halterings mit den innenliegenden Subsystemen. 2 kN Schub erzielt werden. Derselbe Triebwerkstyp wird auch für die Nick- und Rollkontrolle mit Ausrichtung nach oben Aerodynamische Auslegung mit einem „transsonischen“ Tragflächen bzw. unten verwendet, so dass für die und Analyse profil (RAE2822). LFBB-Konfiguration insgesamt 10 Trieb- Das sich aus den Vorüberlegungen und Das aerodynamische Design ist ein inte- Rechnungen ergebende aerodynamische werke mit je 2 kN Schub auf jeder Seite graler Bestandteil jedes Entwurfs einer des Boosters erforderlich sind. Als Treib - Design des Boosters mit Canards wurde als wiederverwendbaren geflügelten Stufe. Basis für die Definition eines Modells für stoffe kommen gegenwärtig mehrere Die aerodynamische und flugdynamische Varianten infrage: die klassische Kombi- Windkanal-Messungen verwendet. In den Simulation der vollständigen Rückkehr- vergangenen Jahren wurden mit zwei nation N2O4/MMH, sowie die beiden flugbahn zum Startplatz von der Tren- unterschiedlichen Modellen in den beiden umweltfreundlichen Kombinationen gas- nung bei Mach 6 bis zur Landephase bei förmiger Sauerstoff mit Äthanol und gas- Windkanälen TMK und H2K des DLR in Mach 0,27 erfordert einen getrimmten Köln eingehende Versuche durchgeführt. förmiger Sauerstoff mit Wasserstoff aerodynamischen Datensatz. Die zu fin- (GO2/GH2). dende aerodynamische Konfiguration muss Nach LFBB-Brennschluss werden zur Kraftmessungen im Bereich von Mach 0,6 sowohl in engen Grenzen die Trimm- und bis 7 wurden dazu benutzt, um die aero- sicheren und schnellen Trennung von der Stabilitätskriterien erfüllen als auch ein Zentralstufe kleine aber sehr schubstarke dynamischen Eigenschaften zu verifizie- robustes Verhalten des Boosters über den ren. Dabei bestätigte sich das Ergebnis der Feststofftriebwerke eingesetzt. Diese sind gesamten Flugmachzahlbereich aufweisen. in der Verbindungsringstruktur und inner- CFD-Analysen, dass im Unterschall bei halb der Tragflächenstruktur unterge- bestimmten Schwerpunktlagen eine aero- Bereits in einer frühen Phase des aerody- dynamische Instabilität auftritt, die aus bracht. Das Design dieser Motoren ist aus namischen Entwurfs zeigte sich die Un- den Separationstriebwerken abgeleitet, der Wechselwirkung der Canardströmung verzichtbarkeit von Canards, um die Trimm- mit dem Hauptflügel resultiert. Dies ist die gegenwärtig bei den Ariane 5-Boostern barkeit des Boosters zu ermöglichen und (EAP) verwendet werden. Die Schubkraft allerdings kein grundsätzliches Problem die Stabilität zu erhöhen. Für die Canards für den LFBB, da heutige Flugsteuerungen liegt allerdings höher, um der größeren wird ein asymmetrisches NACA 3408 Masse der LFBB Rechnung zu tragen. Der ohne weiteres in der Lage sind, eine solche Profil mit 65° Pfeilung an der Vorderkante Situation sicher zu beherrschen. Treibsatz ist um ca. 64 % zu verlängern und der und 22° an der Hinterkante verwendet. Düsenhalsdurchmesser wächst um 28 %. Die Haupttragflächen sind trapezförmig

Mechanische Auslegung der Boosterstruktur In der ASTRA-Studie wurde ein vorläufi- ger mechanischer Konstruktionsentwurf aller Hauptstrukturelemente des LFBB von den beiden deutschen Raumfahrtindus- trieunternehmen EADS Astrium in Bremen und MAN (heute MT Aerospace) in Augsburg durchgeführt. Die Tragflächen, das Schubgerüst, die Tanks und der Rumpf wurden unter Berücksichtigung der ope- rationellen Belastungen dimensioniert, die aus flugmechanischen und aerodynami- schen Analysen stammen.

Die wesentliche Funktion der Booster- struk tur ist die Schubübertragung auf die Mit der Schlierentechnik aufgenommenes Foto eines LFBB-Modells im DLR-Windkanal bei Mach 4. 13 RZ RC56 25.02 Quark7.5:RC 42/2006_Quark_4.0_April 25.02.2009 15:47 Uhr Seite 16

Raumfahrt Concret 1/2009 RC-Technologie

EPC-Stufe. Die Kraftübertragung ist an Das Strukturkonzept der Tragfläche be- start komplexer ist und zu Lasten der der vorderen Befestigung vorgesehen, um steht aus einem Flügelkasten mit 4 Nutzlastflexibilität geht, wird er von die strukturelle Konstruktion der gegen- Holmen, die mit Rippen versteift sind. Die Arianespace seit Jahrzehnten erfolgreich wärtig verwendeten Ariane 5-Kernstufe Platten des Schubkastens sind in Kohle- eingesetzt. Es erscheint derzeit wenig beizubehalten. Der Schub der Booster faser-Sandwich-Bauweise ausgeführt, wahrscheinlich, dass dieses insbesondere wird entsprechend vom Schubgerüst über jeweils verstärkt durch eine T-Sektion am unter Kostengesichtspunkten attraktive den hinteren Rumpf und die integralen oberen und unteren Ende. Schließlich ist Prinzip in Zukunft im kommerziellen Tanks zum Anschlussring und von dort in das Schubgerüst, das die drei Raketen - Betrieb durch Einzelstarts ersetzt werden die EPC-Stufe geleitet. triebwerke aufnimmt, in Form eines kann. Kegelstumpfs geformt und ebenfalls aus An der Spitze der Booster befindet sich Kohlefaserverbundwerkstoffen konstruiert. Einige der charakteristischen Massen- eine aerodynamische Nasenkappenstruk - daten der untersuchten LFBB-Konfi- tur, in der eine größere Zahl von Sub- Während des atmosphärischen Wiederein- guration sind in Tab. 2 wiedergegeben. Die systemen untergebracht sind [Abb.6]. Dies tritts erreicht die aerothermodynamische Trockenmasse basiert auf den Ergebnissen sind insbesondere die Turbofans mit einem Aufheizung des Boosters kurzzeitig maxi- der detaillierten Analyse von Booster - der zugehörigen Wasserstofftanks, das mal 100 kW/m2 im Staupunkt. Dies ist ein struktur und derjenigen wichtiger Unter- Lagekontrollsystem (RCS) mit Tanks, das relativ geringer Wert im Vergleich zu orbi- komponenten. Unter diesen Randbedin - Bugfahrwerk und einige Avionik-Unter- tal eintretenden Systemen wie dem Space gungen beträgt die Nutzlastkapazität bei systeme. Diese alle müssen durch die Shuttle. Trotzdem müssen die Außenseite Doppelstart der Satelliten beeindruckende Nasenstruktur geschützt und getragen der kryogenen Tanks, die in Kohlefaser 12,3 t in den GTO. Damit ist der in allen werden. ausgeführten Tragflächen und der Rumpf seinen Stufen (Booster, Kernstufe und gegen die Wärmeeinwirkung geschützt Oberstufe) kryogene Träger in der Lage, Die Fortsetzung des vorderen Rumpfteils werden. Aufgrund einer ersten Analyse fast 2% seiner Startmasse in den GTO zu besteht aus dem Booster-Befestigungs- des Wärmeschutzes ist eine flexible bringen. ring sowie einem integralen, die Schub- Isolierung (FEI) unterschiedlicher Dicke für belastung tragenden Wasserstoff- und große Bereiche der Boosteroberfläche Der Vergleich mit der heutigen Ariane 5 Sauerstofftank, ähnlich dem Aufbau der ausgewählt worden. Eine andere Möglich - ECA in Tab. 2 zeigt deutlich, dass die Ariane-5 Kernstufe (EPC). Als Basis für die keit für den Booster ist eine Ausführung Wiederverwendbarkeit mit einer höheren Strukturauslegung des Booster-Befes - als sogenannte heiße Struktur. Dann Trockenmasse (für z.B. Flügel, Fahrwerke, tigungringes dient der vordere Anschluss- könnte auf den Thermalschutz weitestge- Turbotriebwerke) verbunden ist, dass aber ring der Ariane-5 EPC-Struktur. Dessen hend verzichtet werden, was deutliche aufgrund des höheren spezifischen Im- Hersteller MAN hat verschiedene Anpas- operationelle Vorteile und eine größere pulses der Treibstoffkombination Wasser- sungen und besondere Ergänzungen vor- Unempfindlichkeit gegenüber Witte - stoff-Sauerstoff die Gesamtstartmasse der genommen, um die Anforderungen der rungsein flüssen aufweist. Diese Alter - neuen Variante mit LFBB trotz höherer wiederverwendbaren Booster zu berück- native erfordert jedoch gegenüber dem Nutzlast geringer bleibt. sichtigen. Der Ring befindet sich zwischen oben beschriebenen Konzept eine andere der Nasenkappenstruktur und dem vorde- mechanische Konstruktion unter Verwen- Die Aufstiegsflugbahn mit den LFBB ist ren Ende des Sauerstofftanks. Er ist eines dung anderer, metallischer Materialien sehr ähnlich dem der gegenwärtig betrie- der wesentlichen Strukturelemente des wie Titan und Stahl. benen Ariane 5 mit Feststoffboostern. Boosters mit sehr hohen auftretenden Eine Drosselung der LFBB-Triebwerke ist Belastungen und mehreren Kraftangriffs- Analyse des Raketensystems und nicht notwendig, da die Beschleu ni - punkten wie z.B. den Befestigungen der gungsgrenzen der heutigen Ariane 5 nicht Canards und der Kraftübertragung in die seiner Nutzlastkapazität erreicht werden. Nach etwa drei Minuten nicht wieder verwendbare Kernstufe. Die Die meisten kommerziellen Ariane 5-Flüge Flugzeit ist eine Geschwindigkeit von fast Länge des Ringes beträgt 2,5 m bei einem werden auch in Zukunft von Kourou aus 2 km/s und eine Flughöhe von über 50 km Durchmesser von 5,45 m, entsprechend in einen 180 km x 35.786 km geosta- erreicht. Da nun der gesamte Raketen- dem Außendurchmesser des Boosters. tionären Transfer-Orbit (GTO) mit etwa 7° treibstoff der LFBB verbraucht ist, erfolgt Inklination starten. Genau diese Orbit- die Separation und die Zentral- und Die zylindrischen Tanks sind durch Inte- daten sowie die Nutzung der Mehrfach- Oberstufe setzen alleine ihren Flug in den gralversteifungen strukturell verstärkt. Als startstruktur SPELTRA zum Start von Orbit fort. bevorzugter Werkstoff ist eine sehr leichte gleichzeitig mindestens zwei Satelliten Aluminium-Lithium-Legierung gewählt. werden für die Analyse der Referenz - Die wiederverwendbaren Booster steigen Der hintere Teil des Rumpfes, der nicht mit mission verwendet. Obwohl der Doppel - dem kryogenen Treibstoff in Berührung Tabelle 2 kommt, sollte aus Kohlefaserverbund - Vergleich der Booster und Trägerraketenmassen (kg) zwischen heutiger Ariane 5 ECA und werkstoffen gefertigt und lokal gegen vorgeschlagener Variante mit wiederverwendbaren Flüssigboostern Beulverformungen verstärkt werden Ariane 5 mit LFBB Ariane 5 ECA [Abb.7]. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Boosterstufe Trockenmasse: 46.200 36.800 auf der Startrampe die gesamte Start- konfiguration auf den beiden seitlich an Boosterstufe Brennschlussmasse: 54.000 37.500 die Zentralstufe angebrachten LFBBs Boosterstufe Startmasse: 222.500 277.500 lastet. Trägerrakete Startmasse: 698.850 777.000 GTO Nutzlastmasse (Mehrfachstart): 12.330 9.000 GTO Nutzlastmasse (Einzelstart): 13.140 9.500 14 RZ RC56 25.02 Quark7.5:RC 42/2006_Quark_4.0_April 25.02.2009 15:47 Uhr Seite 17

Raumfahrt Concret 1/2009 RC-Technologie

Langfristiges europäisches Entwicklungsszenario für Trägerraketen basierend auf gemeinsamer LFBB-Infrastruktur.

zunächst noch antriebslos in einer ballisti- unterschiedliche Träger vom unteren Am anderen Ende des Leistungsspektrums schen Bahn auf 90 bis 100 km Höhe und Nutzlastbereich bis hin zu Superschwer- befinden sich die Superschwerlastraketen fallen anschließend zurück und führen lastraketen mit einem nahezu einheitli- wie Saturn V und Energija, wie sie in Zu- ihren aerodynamischen Wiedereintritt chen Fahrzeug einzusetzen. In diesem Fall kunft für ein ehrgeiziges Explorations- durch. Zur Minimierung des Rückflug- könnten die Stückzahlen der LFBB und oder Weltraumnutzungsszenario benötigt treibstoff bedarfs soll der eigentliche seiner Ableitungen in der Produktion auf werden. Zu denken ist beispielsweise an Rückflug der LFBB so schnell wie möglich ein Niveau gebracht werden, wie es sonst bemannte Mond- und Marsflüge aber erfolgen, allerdings ohne irgendwelche unter realistischen Bedingungen für RLV auch an eventuell eines Tages zu errich- Belastungsbeschränkungen zu verletzen. niemals erreichbar wäre. Neben den tende riesige Solarkraftwerksatelliten für Nach Erreichen der dichteren Luftschich - Vorteilen in der Fertigung sind auch die Stromversorgung der Erde. Interes - ten und Verlangsamung kann der Booster Vorteile in Betrieb und Wartung und santerweise kann auch hier das LFBB- aerodynamisch in Richtung des Startorts damit dramatische Kosteneinsparungen Konzept nahezu unverändert sehr effektiv gedreht werden und der Gleitflug bis zum zu erwarten. eingesetzt werden. Mit fünf kreisförmig Erreichen einer optimalen Reiseflughöhe um eine Zentralstufe von 10 m Durch- wird fortgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt Mindestens drei verschiedene Trägersysteme, messer angeordneten LFBBs kann eine befinden sich die LFBB über dem Atlantik die bei unterschiedlichen Nutzlastkapazi- Schwerlastrakete konstruiert werden, die und mit einem Abstand zum Startort von täten alle auf den LFBB als Grundelement es ermöglicht, mit einer relativ kleinen ca. 550 km und mit ihrer maximalen aero- aufbauen, sind denkbar. kryogenen Oberstufe bis zu 70 t in den dynamischen Gleitzahl von 5,5 im Unter- LEO zu bringen. Technische Vorunter - schall ist kein Landeort ohne Turbotrieb - In der Klasse der kleinen bis mittleren Ra- suchungen des DLR zeigen, dass hierbei werke erreichbar. keten (etwa Vega bis Sojus) liefert die keine prinzipiellen technischen Schwierig - Nutzung eines einzelnen LFBB als Erst- keiten zu erwarten sind. Allerdings müss- Mit 30% Treibstoffreserven für den Rück- stufe einen interessanten Anwendungs - ten die Tragflächen während des Aufstiegs flug, um möglichen ungünstigen Bedin- bereich, wenn dieser mit konventionellen einschwenkbar sein, damit auch alle LFBB gungen wie Gegenwind oder dem Um - nicht wiederverwendbaren Ober stufen tatsächlich um die Kernstufe angeordnet fliegen von Schlechtwettergebieten Rech- kombiniert wird. Die relativ geringe Ober - werden können. Ein vergleichbarer Ansatz nung zu tragen, werden etwa 3,65 t Was- stufenmasse ermöglicht theoretisch eine zum Schwenken der Flügel ist für das rus- ser stoff für den mehr als einstündigen sehr gute Nutzlastleistung der für Ariane 5 sische Baikal-Konzept vor einigen Jahren Rückflug benötigt. dimensionierten LFBB. Allerdings stellt der vorgeschlagen worden (siehe RC 3/2001, Wunsch nach Wiederverwendbarkeit in Heft 18). Langfristige diesem Fall eine besondere Herausfor de- rung dar. Das Flugprofil ist so zu gestalten, Das teilweise wiederverwendbare System Entwicklungsperspektive dass die auftretenden Belastungen des aus LFBB mit Ariane-5 als Kernstufe könn- Neben dem oben beschriebenen, teilweise Boosters beim Wiedereintritt in akzepta- te in fernerer Zukunft zu einem Träger mit wiederverwendbaren Trägersystem in blen Grenzen bleiben, die ähnlich zu zwei wiederverwendbaren Stufen (TSTO) Kombination mit Ariane 5-Zentralstufe denen der Hauptanwendung liegen. Daher weiterentwickelt werden, die einen niedri- wurden darüber hinaus vom DLR mehrere müssen die Bedingungen bei der Stufen - gen Orbit erreichen. Dafür wären zwei Möglichkeiten untersucht und bewertet, trennung beschränkt werden, so dass LFBBs mit verbesserten Triebwerken als den LFBB für die Nutzung in unterschied- damit auch die Nutzlastkapazität be- Erststufe zusammen mit einem Orbiter um lichen Trägerklassen weiterzuentwickeln. grenzt wird. Dennoch sind die angestreb- einen nicht wiederverwendbaren externen Dieser Ansatz ist attraktiv, wenn es ge- ten Flugleistungen der Vega-Klasse und Treibstoffbehälter (wie beim Space Shuttle) lingt, die wiederverwendbare Stufe für darüber erreichbar. zu gruppieren. Für den Transport von 15 RZ RC56 25.02 Quark7.5:RC 42/2006_Quark_4.0_April 25.02.2009 15:47 Uhr Seite 18

Raumfahrt Concret 1/2009 RC-Technologie/Meinung

geostationären Satelliten ist zusätzlich Träger technisch risikolos und die einge- LFBB-System kann nicht nur die heutigen eine kleine Oberstufe vorgesehen, die setzten Ressourcen können auf die kos- Booster der Ariane ersetzen, sondern auch nicht rückkehrfähig ist, da der Wieder- ten mäßige Optimierung und die sichere die Erst- und Boosterstufen anderer eintritt aus diesem Orbit sehr schwierig Beherrschung der Wiederverwendbarkeit Trägerraketenklassen, um einen großen und teuer wäre. Obwohl das System für von Raketenstufen und Triebwerken Bereich unterschiedlicher Nutzlastmassen Missionen in den LEO als auch in den GTO fokussiert werden. Da im Wesentlichen die in den Erdorbit zu bringen. Damit ließen technisch eine Option darstellt, steht eine Feststoffmotoren der heutigen Ariane 5 sich zum einen die Entwick lungskosten Optimierung in Bezug auf die Kosten noch durch eine wiederverwendbare Stufe er - breit verteilen und zum anderen die mög- aus, um einen Vorteil gegenüber dem teil- setzt werden sollen, besteht andererseits lichen Produktionszahlen steigern, wie sie weise wiederverwendbaren Träger mit nur ein begrenztes Potenzial, die Trans - bei einem wiederverwendbaren System Ariane 5 zu zeigen. portkosten in den Orbit drastisch zu redu- sonst nur schwierig zu erreichen sind. zieren. Allerdings ist dieses Ziel auch Operationelle Kosten können durch Schlussfolgerungen wesentlich aufwändigeren und ehrgeizi- Synergien in der Wartung wesentlich stär- Die technischen Untersuchungen des DLR geren Projekten, wie dem Space Shuttle ker gesenkt werden, als dies bei einer und der Industrie an einem teilweise wie- oder Venture Star in der Vergangenheit Einzelanwendung möglich wäre. derverwendbaren Raumtransportsystem nicht gelungen. mit wiederverwendbaren Boosterstufen, Nachdem die technischen Voranalysen mit die an einer weiterentwickelten Ariane 5- Eine wichtige Motivation für die Weiter- einem vielversprechenden Ergebnis abge- Kernstufe angebracht sind, demonstrieren entwicklung der Ariane 5 mit LFBB ist die schlossen sind, ist es nun an den Ent- die Machbarkeit eines solchen fortschritt- besondere Umweltfreundlichkeit dieser scheidungsträgern in der Politik, den lichen europäischen Trägersystems. Das neuen Trägerkombination. Anders als bei zuständigen Ministerien und bei der ESA, nur mit den kryogenen Treibstoffen flüssi- den Feststoffmotoren tritt ausschließlich diesen Ansatz voranzutreiben und dem ger Wasserstoff und Sauerstoff arbeitende Wasserdampf und gasförmiger Wasserstoff europäischen Raumtransport damit eine Raketensystem ist in der Lage, 12,3 t im aus den Triebwerken in die Atmosphäre. Spitzenstellung in der Welt zu garantieren. Doppelstart oder 13,1 t Nutzlast im Einzelstart in den GTO zu bringen. Die im ASTRA-Programm während der letzten Dr. Martin Sippel ist Leiter der DLR System analyse 5 Jahre durchgeführten Untersuchungen Raumtransport (SART) am Institut für Raumfahrt - systeme in Bremen. Im Rahmen der ASTRA-Studie durchge- haben ergeben, dass ein teilweise wieder- verwendbarer Träger auf Basis der LFBB ein führte Kostenanalysen zeigen, dass eine ☛Weiterführende Informationen: wiederverwendbare Boosterstufe der solides und flexibles System darstellt. Die http://www.dlr.de/SART kostengünstigste Einstieg in die Wieder - notwendigen Technologien können alle verwendbarkeit im europäischen Raum- innerhalb der nächsten 10 Jahre ent- transport darstellt. Zugleich ist ein solcher wickelt werden. Das wiederverwendbare

Zu Heft 53 und 54/55 Turbopumpen). Das lag am unnötig kom- ben relativ genaue Kostenanalysen er- In seinem Beitrag „Energija-Russlands plizierten Entwurf des Triebwerks und der möglicht - auch für die verschiedenen mächtigste Trägerrakete“ stellt Andreas Hein damals noch mangelhaften Erfahrung für Kon zepte von wiederverwendbaren Sys- kritische Betrachtungen zur Wiederver - wiederverwendbare Triebwerke. Die ande- temen, siehe zum Beispiel das „Handbook wendbarkeit an, die sich allerdings an den re geplante Maßnahme zur Kostenre- of Cost Engineering for Space Trans- denkbar schlechtesten Beispielen von duzierung war die Bergung der Feststoff- portation Systems“. Energija-2 und dem US Space Shuttle ori- Booster. Bergung nach einer Wasserlan- entieren. Bei Energija-2 handelt es sich dung am Fallschirm ist jedoch ein Son- An einem wiederverwendbaren Transport - um eine Studie, die Energija-Rakete derfall von Wiederverwendbarkeit und die Meinung system wird man letztendlich nicht vor- nachträglich ganz oder teilweise wieder- Erfahrung hat gezeigt, dass dies keine beikommen, wenn man tatsächlich eine verwendbar zu machen, und beim Space wirtschaftliche Methode ist. Die Kosten Mondstation errichten und betreiben will. Shuttle handelt es sich – im Gegensatz zur der zusätzlich nötigen Bergungsaus rüs - Die jetzige (erste) Phase des amerikani- tung, des Bergungsbetriebes mit zwei Spezial- landläufigen Auffassung - keineswegs um schen Mondprogramms mit Verlustra - schiffen und die Reparatur der häufigen ein (ursprünglich geplantes) voll wieder- keten durchzuführen bedeutet, dass 80 % verwendbares Trägersystem, sondern um Aufschlags- und Meer wasserschäden führ - der Programmkosten auf den Transport ein einer Verlustrakete entsprechendem ten letztlich zu den gleichen Kosten wie bei entfallen. Das kann man auf die Dauer System, was sich auch in den vergleichba- Verwendung jeweils neuer Verlust-Booster. nicht durchhalten. Und ein effizientes ren Kosten ausdrückt. Wiederverwendbar wiederverwendbares Transportsystem wird ist nur das geflügelte Rückkehrsystem, der Bei der Konzeption des Space Shuttle „Orbiter“, der eigentlich die Nutzlast dar- Anfang der 70er-Jahre wusste man noch keineswegs geflügelt sein. Das wäre die stellt. Man hat dabei allerdings den cle- sehr wenig über Wiederverwendbarkeit teuerste Lösung und sie ist auch für veren Trick angewandt, die Triebwerke, die und auch nicht über Kosten und Wirt- größere Nutzlasten (hier 100 t in LEO oder eigentlich zur 2. Stufe (dem ET – schaftlichkeit. mehr) nicht geeignet. Expendable Tank) gehören, in den Orbiter Das ist heute anders. Es wurden in den zu integrieren, um sie zurückbringen zu letzten 40 Jahren nicht nur umfangreiche Dr. Dietrich E. Koelle, TransCostSystems, können. Aus der ursprünglich spezifizier- Studien über alle möglichen technischen 85521 Ottobrunn. ten 55-fachen Wiederverwendung wurde Konzepte von voll wiederverwendbaren jedoch nichts, da die Triebwerke nach und für diesen Zweck optimierten Trans- jedem Flug auseinandergenommen und portsystemen durchgeführt, sondern die teilweise ersetzt werden mussten (z.B. die 16 inzwischen gemachten Erfahrungen ha-