Weltraumrourismus – suborbital

Gestern habe ich gerade noch das Ende einer Dokumentation auf ARTE gesehen über Weltraum-Tourismus, genauer gesagt die suborbitale Variante, wie bei Space Ship One. Der Beitrag war zweifellos etwas älter, weil von 2007 und 2008 gesprochen wurde als läge diese Daten in der Zukunft und die Prognosen, dass es heute 4-5 Unternehmen gibt, die Passagiere auf Parabelflüge gebracht haben ist noch nicht eingetreten. Aber nehmen wir mal an, es gäbe einen Markt – ginge es diese Hopser wirtschaftlich auszuführen? Ein Ticket soll zwischen 120.000 und 200.000 Dollar kosten, das klingt nach viel, doch wie ich seit ein paar Tagen weis, kostet eine Flugstunde im Eurofighter auch 38.000 Euro. Mal sehen wie dies wirtschaftlich klappt.

Spaceship One war ein Flugzeug mit Raketenantrieb. Das hat einige Vorteile und Nachteile. Der Hauptvorteil ist, dass die Landung recht einfach ist – es kann wie ein Segelflugzeug landen. Es hat genügend Flügelfläche, um nicht wie ein Space Shuttle als Stein vom Himmel zu fallen. Auf der anderen Seite ist der Start schwieriger: Das Trägerflugzeug dient nicht dazu, Spaceship One auf Höhe zu bringen oder die Startgeschwindigkeit zu erhöhen. Es dient nur dazu einen fliegenden Start mit dem Raketentriebwerk zu ermöglichen, der auf der Erde wohl schnell das Fahrwerk wegbrechen würde. Für Transporte viel wichtiger: Wie bei jedem Flugzeug ist die Kabine, also der Bereich wo die zahlende Kundschaft sitzt, klein im Vergleich zur Gesamtgröße des Flugzeugs. Das macht den Transport ineffektiv und teuer.

Wie würde ich es machen? Mit einem klassischen Raketenantrieb vom Boden aus. Eine aerodynamische Form für den Wiedereintritt und eine Landung, zuerst abgebremst durch Fallschirme und dann auf den letzten Metern mit Bremstriebwerken. So in etwa wie das DCX Konzept: Unten ein zentrales Raketentriebwerk und einige kleinere Korrekturtriebwerke, oben der Treibstofftank und an der Spitze ein Kegel und ein Zylinder, wo die Leute drin sitzen. Hier mal eine iterativ angenäherte Lösung mit europäischen Komponenten (das gleiche könnte man auch mit einem R-68 berechnen, das wahrscheinlich sogar günstiger wird.

Frage 1: Welche Endgeschwindigkeit muss man erreichen?

Nun das ist wegen der Gravitationsverluste und dem Luftwiederstand nicht so einfach. Doch es gibt Vorlagen: Eine V-2 erreichte eine Spitzenhöhe beim senkrechten Start von knapp 190 km bei einer Endgeschwindigkeit von 2500 m/.s. Spacehsip One und andere begügen sich sogar mit nur 100-120 km Gipfelhöhe. Die Endgeschwindigkeit hängt auch mit der Startbeschleunigung zusammen – je höher sie ist, desto besser. Auf der anderen Seite: Solange man nicht schubstarke Feststofftriebwerke hat, wird das benötigte Triebwerk rasch sehr schwer. Eine praktikable Startbeschleunigung sollte bei rund 1.3-1.6 G liegen. das senkt die Spitzenbeschleunigung auf maximal 3.0 G.

Frage 2: Wie schwer kann das Raumschiff sein?

Das hängt vom Triebwerk ab. Einfach Startschub durch gewünschte Beschleunigung teilen.  Wenn man das Vulcain 2 Triebwerk nimmt, mit einem Bodenschub von 960 kN und einer Startbeschleunigung von 1.6 G, dann etwa 60 t.

Frage 3: Wie viel davon ist Treibstoff?

Nun bei einem angenommenen spezifischen Impuls von 4000 im Mittel beim Vulcain-2 (3100 auf Meereshöhe, bei abnehmenden Druck auf 4248 m/s im Vakuum ansteigend) etwa 28 t. Die Spitzenbeschleunigung beträgt dann vor dem Ausbrennen etwa 42 m/s (wegen des im Vakuum ansteigenden Schubs).

Frage 3: Wie viel entfällt insgesamt auf den Raketenteil?

Nun es gibt dann neben den Tanks noch den Bedarf für kleine Triebwerke, welche kurz vor der Landung die Restgeschwindigkeit, von etwa 15 m/s, die beim Fallschirmabstieg noch verbleibt, abzubauen. Bei 5 m/s² benötigt man dafür einen Schub von rund 16 t. Das ist ein kleines Problem, denn selbst wenn das Vulcain so umgerüstet wird, dass es im Schub regelbar ist, so würde es sicher nicht auf nur 16-20 % des Schubs reduziert werden können. Bei Verringerung des Brennkammerdrucks auf 1/5 würde der Düsenmündungsdruck deutlich kleiner als 1 atm sein und damit ist ein Betrieb nicht mehr möglich. Die beste Lösung wären daher einige kleine kurz zündende Feststofftriebwerke, wie bei der Sojus und Dämpfer in den Landebeinen, welche die Restenergie auffangen.

Diese Triebwerke mit eingerechnet kann man von einer Trockenmasse von rund 6 t ausgehen. Das lässt etwa 26 t für die eigentliche Passagierkabine übrig.

Frage 4: Wie viele Passagiere können dann fliegen?

Eine Schwere Frage. Die Kabinengröße ist einfach zu berechnen. Hier kann man von den im Weltraum schon eingesetzten Transportern MPLM und ATV leicht die Größe ohne Innenausstattung berechnen. Die Innenausstattung und die Anzahl der Passagiere ist natürlich abhängig von dem Volumen dass man jedem Passagier zubilligt – schließlich wollen diese schwerelos schweben , was Raum benötigt. Was komplett entfallen kann, ist eine Lebenserhaltung: Selbst wenn jede Person nur 1 m³ Volumen zur Verfügung hat dauert es rund 3 Stunden bis das Kohlendioxidlevel einen Grad erreicht hat der Kopfschmerzen verursacht – und der Flug dauert ja nur 15-20 Minuten.

Basierend auf dem MPLM Abmessungen und einem Gewicht von 18 t (nur für die Kabine) entspricht dies einem Volumen von rund 460 m³. Bei einem Zylinder mit einem Durchmesser von 8 m mit einem Kegel als Spitze, entspricht dies einer Höhe von 8.0 m für den Zylinder und rund 7 m für den Kegel. Wenn die Passagiere an der Außenseite sitzen so wären im zylindrischen Teil 4 Decks möglich mit rund 24 Sitzplätzen im 1 m Abstand. Im Kegel Teil könnte man weitere 30 Personen unterbringen. Zusammen also rund 126 Personen. Bei rund 120 kg pro Person (inklusive Sitz) kommt man so auf eine „Nutzlast“ von rund 15 t – zusammen mit den 18 t welche die Kabine wiegt, sind dies dann schon 33 t – also mehr als zulässig sind. Die Lösung ist den Zylinder auf 6 m zu verkürzen (3.9 t Gewicht eingespart und nur noch 102 Passagiere) – so kommt man auf rund 26.4 t.

Ein Flug transportiert also rund 100 Passagiere

Frage 5: Ist es profitabel?

Das ist natürlich die schwerste Frage. Ich habe bewusst das Vulcain Triebwerk genommen, weil es ein sehr teures Triebwerk ist, aber auch seine Leistungsdaten bekannt sind. Das Raketentriebwerk muss nach einer bestimmten Fluganzahl ausgetauscht werden. Da Raumgefährt wird die Flüge recht gut überstehen, denn verglichen mit einem Space Shuttle, muss nur etwa ein 40.stel der Energie abgebaut werden, was ohne Hitzeschutzschilde möglich ist.

Das Vulcain 2 ist für eine Gesamtbetriebsdauer von 6000 Sekunden ausgelegt. Ein Flug erfordert eine Betriebsdauer von rund 88 Sekunden. Es kann also für mindestens 60 Flüge (genau: 68) eingesetzt werden. Danach muss ein neues her – und das kostet derzeit noch rund 15 Millionen Euro. Alleine für da Vulcain sind also pro Flug rund 0.25 Millionen Euro zu bezahlen. Da 100 Passagere aber ein Einkommen von rund 10 Millionen Euro generieren, kann dieses Konzept tatsächlich profitabel sein, und zwar um so profitabler, je schubstärker das Triebwerk ist, weil das Volumen in der dritten Potenz ansteigt, die Oberfläche, aber nur in der zweiten: Der Anteil der Kabine sinkt so ab oder wenn man ihn konstant hält hat jeder Passagier mehr Raum zur Verfügung. Schon in dieser Variante hat jeder Passagier schon so viel Raum wie in der Apollo Kapsel, deutlich mehr als im Mercury und Gemini Programm und in der Sojus Kapsel.

Frage 6: Alternative Antriebe?

Bringt es etwa auf Kerosin/Sauerstoff über zu gehen, zum Beispiel das Merlin Triebwerk oder das RD-180? Ich glaube nicht, zumindest nicht wenn man ein Triebwerk sehr oft einsetzen kann. Bei Übergang auf Kerosin/Sauerstoff steigt schon der Treibstoff verbrauch von 28 auf 34 t – Rund 6 t weniger für die eigentliche Nutzlast, oder eine Reduktion um ein Drittel. Feststoffantriebe sind noch schlechter und ob sie noch so preiswert sind, wenn sie zig Mal eingesetzt werden?

Ein Vorteil könnte bei dem Einsatz von mehreren kleinen Triebwerken bestehen, dass man dann die Landung mit einem dieser Triebwerke durchführen kann. Doch dann braucht man zum Start mindestens 5 – ob dann 5 kleine Triebwerke (z.B. Merlin) billiger als ein große sind?

Frage 7: Was lernen wir daraus?

Nun es könnte profitabel gemacht werden, selbst mit heute verfügbaren 0815 Triebwerken von der Stange, ohne ein Raumschiff wie Spaceship One. Der Schlüssel ist Größe – Solange ein Raumschiff nur einige Passagiere befördert bleiben die Flüge teuer. Aber ein Vulcain kann rund 100 Passagiere hochheben. Ein RS-68 etwa 250. Selbst wenn die Kabine nur teilweise ausgebucht ist, liegt da der Anbieter wohl in der Gewinnzone.

Frage 8: Und in den Orbit?

Das ist eine komplett andere Frage. Bei diesen suborbitalen Flügen beträgt der Treibstoffanteil minimal ein Drittel der Startmasse. Knapp die Hälfte entfällt auf das Raumschiff. Bei einem Orbitalflug liegt er bei über 90 % und das Raumschiff bei maximal 6-7%. Schon aus diesem Grund müsste ein Orbitalflug erheblich teurer sein. Dazu kommt dann noch die Notwendigkeit eines schweren Hitzeschutzschildes der die Nutzlast weiter reduziert. Vor allem ist es aber dann nicht mehr möglich eine große Kabine zu starten und man ist dann bei kleinen Kapseln wie bei der Sojus, die relativ viel wenigen und dennoch wenig Platz bieten.

Frage 9: Alles Roger oder was?

Nein natürlich nicht. In den Details liegt der Teufel. Hier nur ein Paradoxon:

Für den aerodynamischen Auftrieb wäre ein reiner Kegel oder ein anderer Auftriebskörper sehr geeignet. Dieser hat aber ein schlechtes Oberflächen/Volumen Verhältnis und es ist schwierig in die Schräge Sitze einzupassen. Ein Auftriebskörper in Form eines Nur Flügels, wäre eine Lösung die ohne Landetriebwerke nd Fallschirm auskommt. Wegen des senkrechten Starts müssten dann aber die Sitze innerhalb von Minuten alle um 90 Grad schwenkbar sein (von der Vertikalen in die Horizontalen).

So und nun noch ein paar andere aktuelle Dinge

Mit dem vierten Buch ist mir eine echte Last abgefallen. Ich habe nun wieder den Kopf frei für andere Dinge und habe schon zwei Aufsätze über die Taepodong und Rendezvousmanöver geschrieben. Das Buch war auch dahingehend gut, als dass ich mich mehr auf zuverlässige Quellen verlasse – und wenn es von der Taepodong-2 keine zuverlässigen Daten gibt, dann schreibe ich lieber nichts als falsche Daten. Ich habe wie schon gesagt zwei neue Seiten im Blog, eine mit der aktuellen Umfrage und eine für empfehlenswerte Grundlagenbücher. Ich hätte mir eine größere Beteiligung an Thomas Gastblog gewünscht – schließlich greift er ein Thema aus, das mir als rationalen Menschen wohl fern liegt. Wie soll ich denn Gastautoren zum Publizieren animieren, wenn ihr ihre Blogeinträge nicht goutiert? Ansonsten habe ich noch ein paar Ideen für Blogs, z.B. über EADS.