Die Crux mit der Wiederverwendung

Warum gibt es heute noch keine wiederverwendbare Rakete? Sind die Startkosten doch immer noch hoch und Wiederverwendung könnte sie doch entscheidend senken. Die einzigen die es versuchen sind (neben dem Space Shuttle) sind zwei Startups. Kistler, nun Kistler-Rocketplane wollte beide Stufen bergen und ist bankrott gegangen vor dem ersten Start und bei SpaceX hat es in 4 Versuchen noch nicht geklappt, obwohl dort nur die erste Stufe geborgen werden sollte.

Ich will mal erklären, warum es so problematisch ist. Nehmen wir mal eine normale Rakete und zwar, damit es etwas einfacher ist, eine zweistufige. Um einen Orbit zu erreichen, muss man etwa eine Geschwindigkeit von 9500 m/s erreichen. Das ist mehr als die 7800 m/s im Orbit und umfasst auch Hubarbeit, Luftwiederstand, Steuerungsaufwand etc. Die Geschwindigkeit einer Stufe ist berechenbar nach der Raketengrundgleichung:

v = vgas * ln (Startgewicht/Gewicht ohne Treibstoff)

vgas ist die Ausstömungsgeschwindigkeit des Gasas an der Düsenmündung. Diese ist abhängig von der Treibstoffkombination und der Triebwerkskonstruktion.

Das Startgewicht ist das Gewicht, dass die Rakete bei der Zündung hat und das Gewicht ohne Treibstoff bei Brennschluss. Das ist bei der ersten Stufe z.B. das Leergewicht der ersten Stufe + das Gewicht der zweiten Stufe + die Nutzlast.

ln ist der natürliche Logarithmus zur Basis e = 2,71828182845905 (ln(2,71828182845905)=1)

Wenn ich aus Kostengründen zwei Treibstoffkombinationen wählen muss, z.B. Kerosin/Sauerstoff und Wasserstoff/Sauerstoff, dann sollte ich aufgrund dieser Gleichung die Oberstufe mit der energiereicheren Kombination bestücken.

 Warum?

Nun: Bei gleichem Verhältnis von Start/Leergewicht unterscheiden sich die erreichten Geschwindigkeiten nur durch die Ausströmungsgeschwindigkeit vgas und diese ist bei energiereichen Treibstoffen höher. Also wenn beide Stufen hinsichtlich des Voll/Leergewichtes gleich sind, so spare ich Geld wenn ich die kleinere Stufe mit dem Treibstoff höherer Energie bestücke (der meist auch höhere Fertigungskosten verursacht).

Normalerweise aber müssen Satelliten auch in höheren Bahnen oder sogar auf Fluchtbahnen und diese unterscheiden sich in der Geschwindigkeit. Dann muss die Nutzlast kleiner werden. Für die erste Stufe hat diese kleine Änderung kaum Auswirkungen, weil zum eigenen Leergewicht ja noch die gesamte zweite Stufe kommt. Bei der zweiten Stufe verändert sich dass Voll/Leermasseverhältnis viel stärker. Um nun die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen muss sich dieses bei einem niedrigeren Wert für vgas stärker ändern als bei einem höheren. Dafür sorgt die Logarithmus Funktion.

Das ist der Grund warum Wasserstoff in den meisten Oberstufen als Treibstoff benutzt wird. Das ist auch der Grund, warum die Nutzlast der Ariane 5 durch Austausch der EPS zur ESC-A so gravierend ansteigt.

Aus technischer Sicht wird man bei nicht wieder verwendbaren Raketen also die erste Stufe mit dem niedrig energetischen Treibstoff ausstatten. Bei einer wiederverwendbaren Rakete steigt der Aufwand für die Bergung nun rapide an, wenn, je höher die Geschwindigkeit ist. Bei einer Rakete mit flüssigen Treibstoffen will man diese ja möglichst "weich" landen. Idealerweise also wie ein Gleitflugzeug. Eine Bergung nach einer Fallschirmlandung auf dem Meer ist riskanter, einfach weil die Erschütterungen stärker sind und zudem durch den Kontakt mit dem kalten Wasser starker Temperaturstress bei den noch glühenden Teilen der Düse und des Triebwerks auftreten können.

Die erste Stufe hat bei nicht so hoher Abtrennungsgeschwindigkeit noch meist eine Aufstiegsbahn mit geringer horizontaler Geschwindigkeit, da zuerst die Rakete vertikal beschleunigt. Es ist dann möglich nach dem Scheitelpunkt die Stufe zu drehen und nahe des Startplates zu landen. Bei höherer Geschwindigkeit ist die Stufe am Scheitellpunkt ihres Aufstiegs weiter von der Basis entfernt. Ein Gleitflug zu einem Landeplatz in Richtung der Flugbahn wäre möglich – doch existiert ein solcher bei einem Start in Richtung freies Meer? Eine zweite Problematik ist die höhere Geschwindigkeit, die dann auch erheblich höheren Aufwand bedeutet um die Stufe vor der nun stärkeren Reibungshitze zu schützen.

Wir haben also das Paradoxon zu lösen, dass:

  • Bei Wiederverwendung der ersten Stufe mit niedrig energetischen Treibstoffen dies technisch einfacher ist, aber finanziell unattraktiv
  • Die Wiederverwendung der ersten Stufe mit höher energetischen Treibstoffen ist finanziell lohnender, aber technisch erheblich schwieriger.

Nun die zweite Stufe. Bei dieser wird es noch komplexer. Die Oberstufe erreicht einen Orbit. Beim Wiedereintritt hat man nun zwar die Wahl des Landeorts, aber es muss auch die gesamte Energie abgebaut werden, die ein Raumschiff im Orbit hat. Das erfordert eine dicken Hitzeschutzschild. Es wird Treibstoff benötigt, um die Stufe zu deorbitieren. Dabei sollte die Oberstufe möglichst leicht sein, um die Nutzlast zu maximieren – vor allem für den wichtigsten Orbit, den geostationären Übergangsorbit, der nochmals 2500 m/s mehr Geschwindigkeit erfordert.

Die Frage ist daher ob man die Oberstufe überhaupt deorbitieren sollte, oder der Aufwand die Stufe nur verteuert, aber durch die Nutzlastabnahme, jede Einsparung durch die Bergung zunichte gemacht wird.

So konzentrieren sich heute die Bestrebungen die erste Stufe zu bergen. Entweder durch Modifikation bestehender Stufen, wie der EPC170 oder durch einen neuen Gleiter wie Phoenix. Das erste soll die Startkosten um ein Drittel senken, das zweite halbieren. Trotzdem ist die Entscheidung nicht so leicht. Zum einen ist die Modifikation der bestehenden Stufen billiger und einfacher zu machen als eine Neuentwicklung wie Phoenix und zum zweiten ist Phoenix nur für erdnahe Orbits gedacht. Die im Nutzlastraum platzierte Oberstufe, kann nicht sehr groß sein. Für GTO Starts ist er so kaum geeignet.

Vom operativen Aspekt her hat Russland hier Vorteile: Starts von Baikonur aus führen über fast die gesamte Aufstiegsbahn über russisches Gebiet. Es ist so einfacher die Stufe auf einem Flugplatz weich zu landen. So verwundert es nicht, dass viele Ideen zur Bergung von Stufen auch aus Russland kommen. Man denke hier an die Booster der Energija oder die Baikal Version der Angara. Dummerweise sind die Fertigungskosten in Russland so niedrig, dass sich eine bergung weitaus weniger lohnt als im Westen.

One thought on “Die Crux mit der Wiederverwendung

  1. in der Regel gelten folgende werte

    erste stufe Fallschirmbergung
    steigt die Leermasse auf 16% der total masse erst stufe

    erste stufe mit Flügel und Düsentriebwerk für Rückflug
    steigt die Leermasse auf 24% der totale masse erst stufe

    zweit stufe Bergung
    steigt die Leermasse auf sogar bis 37% wegen Hitzeschild
    somit steigt startmasse der Rakete und Nebenkosten

    noch ein Problem ist Wasserstoff, energiereicher Treibstoff
    hat nachteil es sickert durch Tankwandung, Leitungen ins um liegen material
    und versprödet es langsam, was Wartung sehr teuer mach

    etwas was bei Kerosin/Sauerstoff nicht auftritt und Wartung billig macht

    Space Shuttle und ROMBUS Konzept werfen den Wasserstoff tank über Bord bei Flug
    weil in dem fall billiger und sichere neu zu bauen, als zu instand zu setzen.

    quelle: Grenzenlose Dimension Raumfahrt, Band 2 von Harry Ruppe

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