Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/langer-marsch-5-wie-chinas-neue-rakete-besser-als-die-ariane-5-wurde-1611-124250.html    Veröffentlicht: 04.11.2016 16:29    Kurz-URL: https://glm.io/124250

Langer Marsch 5

Wie Chinas neue Rakete besser als die Ariane 5 wurde

Trotz aller Fortschritte liegt die chinesische Raumfahrttechnik noch Jahrzehnte hinter dem Stand der europäischen, amerikanischen und russischen. Durch effizienten Einsatz dieser Technik übertrifft die Langer Marsch 5 aber selbst die Ariane 5.

Am Donnerstag hob Chinas neue Schwerlastrakete Langer Marsch 5 ab. Bei ihrem ersten Flug brachte sie den Experimentalsatelliten Shijian-17 in den Orbit, der die Verwendung von Ionentriebwerken in chinesischen Satelliten testen soll. China zeigt mit dieser Rakete deutlich, was man aus schwacher Technik herausholen kann. Gleichzeitig führt die Konkurrenz vor, wie man trotz starker Technik Potenzial verschenkt.

Denn während Langer Marsch 5 (Chang Zheng-5) für die chinesische Raumfahrt einen großen Schritt nach vorn bedeutet, zeigt ein Blick auf die technischen Daten deutlich, dass die chinesische Technik noch immer weit hinter dem technischen Stand anderer Länder liegt. Vor allem die Triebwerke sind ungewöhnlich schwer für den Schub, den sie liefern, und dabei weniger effizient als vergleichbare Technik. Auch die Konstruktion der Tanks entspricht nicht ganz dem modernen Leichtbau. Dabei wird die mögliche Nutzlast einer Rakete vollständig von Leichtbau und Treibstoffeffizienz bestimmt. Dennoch schlägt sie die Konkurrenz in jedem Leistungsvergleich. Wie ist das möglich?

Die Ariane 5 ist der einzige Konkurrent

Die Rakete kann bis zu 14 Tonnen in den geostationären Übergangsorbit (GTO) befördern. Außer schweren Satelliten soll sie auch Missionen wie den Mondlander Chang'e 5 und die Module für Chinas nächste Raumstation, Tiangong-3, starten. Es gibt derzeit nur drei Raketen, die mehr als 10 Tonnen in den GTO befördern können: Neben Langer Marsch 5 sind das die US-amerikanische Delta IV Heavy und die europäische Ariane 5. <#youtube id="8Fnj4QlEHJw"> Die Delta IV Heavy hat zwar die gleiche Leistung wie die Langer Marsch 5, aber mit Startkosten von fast einer halben Milliarde US-Dollar befördert sie fast nur noch schwere Spionagesatelliten des US-Militärs. Der Betreiber will sie schnellstmöglich durch die neue Vulcan-Rakete ersetzen.

Somit ist die europäische Ariane 5 die einzige Konkurrenz zu Langer Marsch 5, zumindest bis die schon oft verschobene Falcon Heavy von SpaceX fliegt. Trotz der rückständigen Technik der Chinesen unterliegt die Ariane 5 aber jedem Leistungsvergleich. Mit einem Startgewicht von 777 Tonnen erreicht sie nur eine Nutzlast von 10,5 Tonnen. Die chinesische Rakete ist mit 867 Tonnen zwar etwas schwerer, aber in Anbetracht einer Nutzlast von 14 Tonnen deutlich effizienter.

Dabei ist das Konzept hinter der Langen-Marsch-5-Rakete durchaus mit der Ariane 5 vergleichbar. Eine zentrale Raketenstufe mit sehr effizientem Wasserstoffantrieb wird mit der Hilfe von weniger effizienten Booster-Raketen gestartet. Für Missionen, die Satelliten in hohe Umlaufbahnen oder Raumsonden auf eine Fluchtbahn von der Erde wegbringen sollen, gibt es noch eine weitere wasserstoffbetriebene Oberstufe. Gerade dort können Leichtbau und niedriger Treibstoffverbrauch einer Rakete zu hoher Effizienz verhelfen.

Die Booster aus Russland

Die Geschichte der Booster-Raketen geht bis in 1990er Jahre zurück, als China einige Exemplare russischer RD-120 Triebwerke erhielt. Diese kerosinbetriebenen Triebwerke gehörten schon damals nicht mehr zur russischen Spitzentechnologie. Sie entwickeln weniger Schub und sind weniger effizient als die neueren Triebwerke, die vom RD-170 abgeleitet wurden. Im Lauf der 2000er Jahre wurden die Triebwerke zunächst kopiert und schließlich eigene Triebwerke entwickelt. Das bisher leistungsfähigste ist das YF-100. Insgesamt werden in der Rakete acht YF-100-Triebwerke verbaut. Zwei dieser Triebwerke treiben jeden der Booster an.

Die Booster der Langer Marsch 5 sind dabei weitgehend identisch mit der ersten Stufe der kleineren Langer Marsch 7. Die noch kleinere Langer Marsch 6 wird von nur einem YF-100 angetrieben. Ihre erste Stufe dient ihrerseits als Booster für die größere Langer Marsch 7. Auf diese Weise kommen die Triebwerke zukünftig in fast allen chinesischen Raketen zum Einsatz. Durch die hohen Stückzahlen können die Produktionskosten gesenkt werden. Eine Erfahrung, die die Esa selbst mit der Ariane-4-Rakete gemacht hat, deren Viking-Triebwerke über 1.000-mal gebaut wurden. Auch die Raketen von SpaceX profitieren vor allem von der Massenproduktion der Merlin-Triebwerke.

Aber mit der Einführung der Ariane 5 verabschiedete sich die Esa von der Massenproduktion der Triebwerke. Stattdessen sollten einfache Feststoffbooster zum Einsatz kommen. Ihre schlechte Leistung sollte durch Hightech-Triebwerke im Rest der Rakete kompensiert werden. Das scheiterte aber an der fehlenden Koordination.

Ein Booster pro Monat ist zu wenig

Die Ariane 5 startet mit zwei Feststoffboostern, die in Einzelfertigung gebaut werden. Im Durchschnitt wird pro Monat ein Booster benötigt. Die Vulcain-2- und HM7B-Triebwerke der restlichen Stufen werden sogar nur alle zwei Monate benötigt. Entsprechend ist das Personal unterbeschäftigt und die Produktionsanlagen werden äußerst schlecht ausgenutzt. Starts der Ariane 5 mussten von Anfang an subventioniert werden und wurden nie wirtschaftlich. Die Startkosten der Ariane 6 sollen durch größere Stückzahlen der Raketen und einfacher aufgebauten Boostern um fast die Hälfte sinken.

Die Booster der Langen Marsch 5 sind zwar technisch veraltet und haben fast das doppelte Leergewicht vergleichbarer Booster auf aktuellem Stand. Aber die Treibstoffkombination aus Kerosin und flüssigem Sauerstoff sorgt für einen niedrigeren Treibstoffverbrauch und macht sie dennoch deutlich besser als die Feststoffbooster der Ariane 5. Diesen Nachteil müssen die übrigen Stufen der Ariane 5 wieder wettmachen.

Chinesische Triebwerke sind dreimal so schwer

Die zentrale Stufe ist das technisch fortgeschrittenste und anspruchsvollste Teil der Ariane 5. Bei der Langen Marsch 5 wird sie von zwei YF-77-Triebwerken angetrieben. Zusammen haben sie zwar den gleichen Schub wie das Vulcain-2-Triebwerk der Ariane 5, aber dafür auch das dreifache Gewicht. Noch dazu verbrauchen sie beim gleichen Schub 2,5 Prozent mehr Treibstoff. Ihre Triebwerksdüsen werden durch Wasserstoff gekühlt. Aber um den Aufbau zu vereinfachen, wird dieser Wasserstoff nicht zurück ins Triebwerk geleitet und verbrannt, sondern direkt nach außen abgegeben.

Das Resultat ist eine ineffizientere, schwerere Raketenstufe. Die zentrale Stufe der Ariane 5 ist fast drei Tonnen leichter, obwohl sie mehr Treibstoff fassen kann und noch dazu effizienter ist. Aber trotz aller teuren Hightech in den leichten Tanks und dem Vulcain-2-Triebwerk reicht das nicht aus, um die geringere Leistung der ineffizienten Feststoffbooster auszugleichen.

Die Oberstufe ist das Wichtigste

Die letzte Stufe ist der wichtigste Teil jeder Rakete. Das ganze Konzept der Stufentrennung basiert darauf, dass die unteren Stufen abgeworfen werden und ihr Gewicht nicht zusammen mit der Nutzlast in den Orbit gelangen muss. Je früher eine Stufe abgetrennt wird, umso weniger wirkt sich ihr Leergewicht auf die Leistung der Rakete aus. Für die letzte Stufe gilt dieser Luxus nicht mehr. Jedes Kilogramm zusätzliches Gewicht bedeutet ein Kilogramm weniger Nutzlast. Nirgends wirkt sich ein effizientes Triebwerk so stark auf die Nutzlast aus wie hier.

In der chinesischen Rakete werden zwei wasserstoffbetriebene YF-75D-Triebwerke der neuesten Bauart verwendet. Sie arbeiten im effizienten Expanderzyklus, wie die amerikanischen RL-10-Triebwerke der Centaur-Oberstufe und erreichen auch einen ähnlichen Schub bei vergleichbarer Effizienz. Allerdings werden sie als Paar montiert. Ein einzelnes Triebwerk kann mit einer sehr viel größeren Düse ausgestattet werden, wodurch der Treibstoffverbrauch beim gleichen Schub um etwa 5 Prozent sinkt.

Das Gewicht der Triebwerke und des Tanks ist aber keineswegs mit der US-Technik vergleichbar. Während die Centaur leer nur 10 Prozent des Gewichts im vollgetankten Zustand hat, sind es bei der chinesischen Stufe ganze 23 Prozent. Die Langer Marsch 5 verliert hier wegen ihrer einfachen Technik fast drei Tonnen Nutzlast, noch ohne die niedrigere Effizienz der Triebwerke zu berücksichtigen.

Mit ihrer überlegenen Technik müsste die Ariane 5 mühelos besser sein, doch das ist nicht der Fall.

Die Oberstufe als ewiges Provisorium

Bei der Oberstufe kann die Ariane 5 mit echter Hightech punkten. Die Oberstufe jeder Rakete hat die kleinsten Triebwerke. Bei Einsatz der gleichen Technik sind kleinere Triebwerke deutlich billiger. Es lohnt sich nirgendwo so sehr, Triebwerke auf größtmögliche Effizienz und Gewichtseinsparung zu optimieren. Leider tut die Ariane 5 genau das nicht.

Sie wurde für den Einsatz des Raumgleiters Hermes im niedrigen Erdorbit entwickelt. Nachdem Hermes gestrichen wurde, sollte die Ariane 5 trotzdem verwendet werden. Aber es gab noch keine passende Oberstufe für höhere Orbits. Dafür wurde die ECA entwickelt. Sie sollte eine Zwischenlösung sein und soviel Technik wie möglich von der Ariane 4 übernehmen. Dazu gehörte auch der Sauerstofftank, der aber für eine Raketenstufe mit viel kleinerem Durchmesser entworfen wurde.

Die notwendigen Strukturen, um den Sauerstofftank in der Stufe zu installieren, und das zusätzliche Gewicht des torusförmigen Wasserstofftanks machten die diese Zwischenlösung zur schwersten Oberstufe der Welt. Ihr Leergewicht beträgt 25 Prozent des Vollgewichts und das Triebwerk ist auch nicht effizienter als die chinesischen YF-75D mit den kleineren Düsen.

Das Provisorium wurde nie ersetzt

Die viel zu schwere Oberstufe macht den gesamten technischen Aufwand für die Optimierung der unteren Stufen und des leichtgewichtigen Vulcain-2-Triebwerks wieder zunichte. Natürlich sollte die ECA immer wieder durch eine bessere ECB-Oberstufe mit dem neuen, stärkeren, effizienteren und wiederstartbaren Vinci-Triebwerk ersetzt werden. Die neue ECB-Stufe wäre für die Ariane 5 optimiert gewesen. Sie wäre leichter und hätte trotzdem größere Treibstofftanks. Allein dadurch hätte die Rakete wenigstens zwei Tonnen Nutzlast gewonnen.

Aber im Jahr 2001 scheiterte der erste Flug mit der ECA, weil das damals noch neue Vulcain-2-Triebwerk einen Defekt hatte. 2003 wurde die Entwicklung der ECB wegen Geldmangel eingestellt, bis sie 2005 im Rahmen der Ariane 5 ME (Midlife Evolution) doch wieder entwickelt werden sollte. Dabei wurden aber die Anforderungen an den Schub des Vinci-Triebwerks von ursprünglich 120 Kilonewton zuerst auf 150 Kilonewton erhöht. Aber auch die Entwicklung der Ariane 5 ME wurde bald gestrichen. Das Vinci-Triebwerk ist auch noch immer nicht fertig, denn inzwischen soll es 180 Kilonewton Schub liefern. Der erste Flug soll jetzt im Jahr 2020 mit der Ariane 6 stattfinden.

Die Esa baut Hightech ohne Organisation

Es ist keine Frage, dass die europäische Raumfahrttechnik der chinesischen weit überlegen sein könnte. Aber seit 20 Jahren schafft es die Esa nicht, das Provisorium zu ersetzen, das als wichtigstes Teil der wichtigsten Rakete der Esa dient und die Leistung der gesamten Rakete stark in Mitleidenschaft zieht. Es ist die Organisation der überlegenen Technik zu einer effektiven Konstruktion, an der die Esa seitdem scheitert.

Dabei ist genau das eine Kunst, die nicht nur in China, sondern auch in Europa einmal meisterhaft beherrscht wurde. Die Esa wurde gegründet, weil zuvor der Bau der Europa-Rakete in einem organisatorischen Desaster endete. Seither heißen Europas Raketen Ariane, um nicht mehr an dieses peinliche Kapitel zu erinnern. Die Esa schaffte es damals mit ungeahntem Pragmatismus, Raketen zu entwickeln, die trotz einfacher Technik konkurrenzfähig waren - eine Tugend, an die sie sich wieder erinnern sollte.  (fwp)


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