Das optimale bemannte Raumschiff

Es wird interessant sein welche Konzepte bei den kommerziellen Raumtransporten nun auftauchen werden. Unabhängig davon möchte ich mal spekulieren, was die optimale Lösung sein könnte. Ich möchte mal die verschiedenen Anforderungen aufzeigen:

Sicherheit: Das ist bei bemannten Missionen das absolut wichtigste Kriterium. Ich denke die Sicherheitsdiskussion ist heute schon nicht mehr rational durchführbar. Nach einem Unfall wie vor 7 Jahren geht die Welle in Richtung „Maximale Sicherheit um jeden Preis“ – ein Designkriterium des Ares/Orion Systems und wenn das ganze ein paar Jahre lang her ist und vergessen, dann kommen mehr und mehr Kritiker die die Kosten des Systems sehen und eine billigere Lösung wünschen.

Ich weiß nicht ob es möglich ist für das Gesamtsystem, jedes Subsystem und den Ablauf Kriterien festzulegen, die dann eine Risikobewertung verschiedener Systeme erlaubt und damit einen Vergleich verschiedener Konzepte. Doch eines weiß ich: Die NASA wird nur ein System akzeptieren, bei dem in jeder Phase der Mission die Besatzung gerettet werden kann. Ein Konzept wie beim Space Shuttle, wo dies während des Betriebs der Feststofftriebwerke nicht möglich ist, wird die NASA nicht akzeptieren.

Kosten: Wenn jedes Jahr einige Flüge zu einer Raumstation notwendig ist, so spielen die Langezeitkosten eine große Rolle. Was nützt das sicherste System, wenn es nicht zu finanzieren ist?

Gewicht/Frachtkapazität: Auch ein gewichtiger Punkt bei einem bemannten System, besonders falls die ISS vielleicht doch noch ausgebaut wird – im Prinzip erlauben schon die heutigen Labors dass dort 6-9 Personen forschen können. Dazu kommen noch 3 Personen für „Housekeeping“ Aufgaben – macht zusammen eine gewünschte Stammbesatzung von 9-12 Personen. So viele können heute aber weder transportiert werden, noch gibt es die Wohnquartiere für sie. Nützlich wäre auch der Transport von Fracht, da damit weniger Frachttransporter nötig sind (natürlich nur wenn dies nicht die bemannte Mission entscheidend verteuert).

Diese verschiedenen Anforderungen müssen nun zusammenbracht werden. Ich denke ein Raumgleiter wie Hermes, oder das X-37B scheiden wegen des Sicherheitsaspekts aus. Sie ermöglichen nicht eine Rettung in jeder Situation und sie sind anders als die Kapseln keine sich selbst stabilisierenden Raumflugkörper – sollte ein Gleiter fehlorientiert in die Atmosphäre eintreten verglüht er, eine Kapsel dreht sich durch die Reibungskräfte in die richtige Position.

Ein klassisches Raumschiff wie das Apollo Raumschiff hat aber andere Nachteile. Zum einen geht das Servicemodul bei jeder Mission verloren. Es wird vor dem Wiedereintritt abgetrennt. Vor allem aber ist die Form ungünstig. Bei den klassischen Kegeln können nur an der Basis Astronautensitze angebracht werden – zwar kann man auch weiter oben noch Decks einziehen, doch der Zusatznutzen ist begrenzt. Zum einen muss eine Öffnung in der Mitte zum Wechsel vorhanden sein, zum andern nimmt die Fläche wegen der Kegelform quadratisch ab und die Höhe unterschreitet bald die, die nötig ist um Astronauten unterzubringen. Ab einer bestimmten Höhe ist es möglich die Astronauten übereinander unterzubringen – zumindest in der Mitte. Doch insgesamt haben Kegel die Eigenschaft, dass bei größerem Durchmesser es für die Astronauten immer bequemer wird, aber die Masse pro Person ansteigt. Hierzu ein Beispiel: Die bemannte ATV Version wird 3-5 Astronauten befördern. Im besten Fall also 2/3 mehr als die Sojus, aber fast dreimal so viel wiegen.

Bei den glockenförmigen Sojus Kapseln ist die Geometrie besser, aber das Grundproblem bleibt. In dieser Hinsicht ist der zylindrische Rumpf eines Gleiters durchaus besser ausgelegt. Das CRV hätte z.B. bei 14 t Startmasse rund 7 Astronauten aufgenommen. Hier sinkt auch das Gewicht pro Person bei steigender Größe.

Der einzige Vorteil eines großen Raumschiffs wäre, dass viel Platz für Fracht vorhanden ist (auch das bemannte ATV hätte noch 1-2 t Fracht transportieren können). Aber: Dafür sind in der Regel unbemannte Transporter die bessere Lösung.

Wie könnte nun die optimale Lösung aussehen?

Zuallererst: Wiederverwendbarkeit. Sie ist heute noch die Ausnahme, doch gerade bei einem bemannten System, das sehr robust aufgebaut ist, bietet sie sich geradezu an. Eine Gemini Kapsel wurde ein zweites Mal unbemannt getestet – das zeigt dass es geht. Man kann sich über Details streiten – Weiche Landung auf eine Flughafen mit Triebwerken und Landefahrwerk wie bei der DC-X oder Wasserung – in jedem Falle denke sollten die Kosten deutlich niedriger als derzeit sein. Details müsste man klären, z.B. ob ein preiswerter ablativer Hitzeschutzschild der jedes Mal gewechselt wird eine besser Lösung ist als ein permanenter wie beim Space Shuttle, der jedoch nach jeder Landung kontrolliert werden muss.

Wichtig halte ich es die Systeme die im Servicemodul heute stecken in die Kapsel zu integrieren – Lebenserhaltung, Triebwerke zur Bahnkorrektur etc. Da dort der Platz begrenzt ist schließt dies Langzeitmissionen aus – das ist aber auch nicht nötig. Schon heute lässt man sich viel Zeit um die ISS zu erreichen. Bei Gemini fand die Ankopplung nach 1-4 Umläufen statt, heute vergehen dafür einige Tage. Wenn ein bemanntes Raumschiff wirklich nur Taxi zur ISS ist, ist es nicht nötig es für längere Missionen auszurüsten – das spart Gewicht und Geld.

In der Summe halte ich eine Kapsel mit kleinem Durchmesser, für 3-4 Personen für ausreichend. Ein solches Raumschiff wäre dann auch nicht zu schwer, sondern könnte von einer mittelgroßen Trägerrakete wie der Sojus, Taurus II etc. gestartet werden. Wenn nun jemand „Dragon“ schreit – dann muss ich den enttäuschen. Die Dragon wurde als unbemannter wiederverwendbarer Transporter konzipiert. Sie kann heute nicht einmal eine konstante Atmosphäre gewährleisten (10-46 Innentemperatur nach Datenblatt) und ein Fluchtturm war nie Bestandteil des Konzeptes. (Die Laienhaftigkeit von SpaceX Geschäftsführer Elon Musk zeigt sich auch, dass dies nicht weis und meint man könnte einfach einen existierenden „nachrüsten“ – der Fluchtturm ist integraler Bestandteil des Systems. Die Kapsel muss auf die Lasten die bei der Abtrennung wirken ausgelegt sein. Es muss eine Verbindung geben die sowohl die Auslösung von der Kapsel aus, wie auch im umgekehrten Fall die Landeprozeduren automatisch auslöst etc… Als bei Gemini etwa 1 Jahr nach Entwicklungsbeginn klar wurde, dass das ursprüngliche Konzept eines Paragliders nicht machbar war (das war der Grund den Fluchtturm wegzulassen) verzichtete die NASA auf ihn, weil sonst sich das ganze Programm um 1 Jahr verzögert hätte. Weiterhin dürften alle Nachbesserungen die Dragon deutlich schwerer machen – wahrscheinlich zu schwer für die Falcon 9.

12 thoughts on “Das optimale bemannte Raumschiff

  1. Ich widerspreche: Wiederverwendung ist der falsche Weg. Das hat schon der Space Shuttle gelernt. Die Belastungen während einer Weltraummission sind einfach zu groß:
    * Mechanisch, akkustisch und teilweise auch thermisch beim Start
    * Vakuum und Zero-G während der Mission (so dass sich z.B. Staub
    überallhin verteilt)
    * Thermisch und mechanisch beim Wiedereintritt

    Im Ergebnis muss man nach jedem Flug die komplette Kapsel auseinanderbauen, alles inspizieren, und dann das Puzzle wieder richtig zusammensetzen. Besser, man baut in Serie gleich mehrere Kapseln aus neuen Teilen.

    Apollo / Skylab hat auch wunderbar gezeigt, wie man das Frachtproblem löst: Fliegt nur die Crew, nimmt man einen „kleinen“ Launcher. Muss Ausrüstung mit, nimmt man einen großen Launcher, und macht einen „dual launch“ mit einem Frachtmodul unten und der Kapsel oben. Gut, die Mondmissionen waren faktisch sogar ein triple launch, mit (von unten) Mondlandefähre, Kommandomodul und Kapsel.

    Das heißt, man braucht idalerweise einen Launcher, dessen Nutzlast leicht skalierbar ist. EELV bietet sich geradezu an, evtl. für „Crew only“ launches auch in einer etwas verkleinerten Variante. Wobei ich jetzt nicht weiß, wo EELV kostenmäßig liegt.

    Jag

  2. Hi,

    was die Sicherheit angeht, so hab ich in den 90ern mal gelesen, das eines der interessantesten Dinge, die die Amerikaner von den Russen gelernt haben, sei es gewesen, nicht jeden Handgriff für jede Kleinigkeit im voraus zu trainieren, sondern die Funktionsweise der Systeme und deren Zusammenspiel. (Denn es ist unmöglich, jede mögliche Situation vorher sehen zu können und im Vorfeld entsprechend zu trainieren.)
    Damit konnten etliche Probleme auf der Mir behoben werden, die bei der amerikanischen Art des herangehens nicht (bzw. nicht schnell genug) lösbar gewesen wären. Habe allerdings keine Ahnung, ob man das in den Führungsetagen der Nasa immer noch so sieht. – Es handelte sich auch um die Meinung eines/einer Astronauten/in.

    Und was den Transport, sowohl von Material, als auch von Personal angeht, so denke ich, sollte man auch Richard Bransons Virgin Galactic im Auge behalten. Die wollen bisher zwar nur bis an die Grenze des Alls, und mit Touristen Geld verdienen, aber ich denke, wenn die mit ihrem Konzept erfolg haben, dann werden schnell stimmen laut werden, die fordern, das man das Konzept weiter aufbohrt, um auch in Umlaufbahnen zu kommen. Dann bräuchte es sehr wahrscheinlich zwar eine grössere Version des Trägerflugzeugs, das dann auch bis auf 20 oder 25 km aufsteigen kann (derzeit sind es 15), und eine erweiterte Version des SpaceShipTwo, was dann wohl eher ein SpaceShipThree werden würde. Aber es könnte funktionieren. (Allerdings bin ich über die Details auch nicht sehr weit informiert, und weis auch nicht, wie viele Virgin Galactic da heraus rückt.)

    Hans

  3. Wiederverwendung ist eine Kosten frage
    wenn die Herstellungskosten für Kapsel zu hoch sind
    lohn sich Wiederverwendung, doch hier lauern Nebenkosten:
    wie Wasserlandung die eine Bergungsflotte benötigt
    Landlandung mit Gleitsegel und Fahrwerk treibt R&D Kosten hoch.
    und ich meine mit Wiederverwendung nicht bis zu 40 Missionen wie Shuttle
    sonder Max. 10-15 und davon erste Hälfte bemannt
    und letzen Hälfte als unbemannter Cargo Version.

    zu Missionskosten Minimierung
    die Kapsel kann in „Winterschlafmodus“ am ISS gedockt sein
    (ähnlich Gemini B an MOL wahrend Mission)

    eine gute Kapsel Design das leider nie verwirklich wurde ist Zarya
    http://www.astronautix.com/craft/zarya.htm

  4. @Kai: Ein Raumschiff muss eine Mission überleben können. Wenn es eine Mission überleben kann, dann auch mehrere. Die Kapseln sind übrigens recht massiv gebaut. Eine Sojusrückkehrkapsel ist kleiner als ein Auto, wiegt aber dreimal so viel.

    @Hans SpaceShip Two erreicht 1,1 km/s. Der Unterschied zwischen 1,1 km/s und 7,8 km/s Orbitalgeschwindigkeit ist der gleiche wie zwischen reinem Radfahrer (25 km/h) und einem Sportwagen (177 km/h). Und ich bezweifle, dass man ein Fahrrad so schnell wie einen Sportwagen hinbekommt….

  5. Wiederverwendbarkeit ist schon die richtige Idee.

    Wobei die beste Wiederverwendung die ist, die nicht voraussetzt, dass man etwas immer wieder in den Orbit schleppen muss.

    Die ISS ist – in Vollbesetzung – zum Beispiel ein ziemlich gutes Beispiel für „Wiederverwendung“. Man sieht es nur nicht wirklich, weil die ISS nun mal per Definition den Orbit nicht wieder verlässt.

    Wenn man die Arbeit auf der ISS mit dem Space Shuttle durchführen möchte, dann braucht man dafür jederzeit eines im Orbit. Wenn ich mich richtig erinnere, kann das Shuttle aber nicht viel länger als 2-3 Wochen im Orbit bleiben. Man bräuchte also 20-30 Shuttle Starts pro Jahr um eine vollbesetzte ISS zu ersetzen. (Wobei man dann die Möglichkeit von Langzeitexperimenten einbüßen würde.)

    In Jahren mit 8 Starts pro Jahr, gab die NASA 5 Milliarden Dollar für das Shuttle aus. Bei 30 Starts im Jahr würde man wohl wenigstens 15 Milliarden Dollar pro Jahr ausgeben. Schon nach 7 Jahren ist das so viel wie für die gesamte ISS.

  6. Um den Gedanken fortzusetzen, ohne das Kommentar zu lang werden zu lassen:

    Das gleiche gilt auch für regelmäßige Missionen zum Mond oder etwa zum Mars. Dafür muss man nicht immer wieder ein neues Raumschiff auf der Erde bauen. Man kann auch einmal eine Fähre bauen, die dann im Orbit nur noch aufgetankt und mit Ladung/Besatzung und neuen Rückkehrkapseln versehen wird.

    Der Vorteil ist der gleiche wie bei der ISS. Für die Versorgung ist weniger Aufwand nötig als regelmäßigen Neubau und Start von der Erde.

  7. Moin,

    ich bezweifel, dass es ein Raumschiff moeglich ist, das besser, guenstiger und sicherer als die erprobte Sojus ist. Die Russen haben mehrere Alternative ausprobiert, und sind immer wieder zur R7 zurueckgekehrt. Die R7 started jetzt auch von Kourou. Das beste waere, wenn die R7 auch vom Cape starten wuerde. Das waere guenstiger und zuverlaessiger als Orion, SpaceX oder OSC und fast sofort verfuegbar.

    ciao,Michael

  8. @Michael. Die Sojus habe ich nicht als Vergleich genommen, weil jeder Vergleich mit russischen startservices unfair ist. Sie ist aufgrund des unterschiedlichen Lohnniveaus immer billiger zu produzieren – was aber nach den Erfahrungen in den letzten nicht unbedingt heißt dass sie auch den Kunden billiger kommt (Siehe Erhöhung der Preise der Sojus nachdem sie nun von Kourou starten kann um 100 %).
    Gleiches gilt auch für die ISS:
    http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=30550
    Nun kostet ein Sitz schon über 55 Millionen $, vor drei Jahren waren es noch 25….

  9. Moin Bernd,

    den niedrigen Lohnkosten steht eine niedrige Arbeitsproduktivitaet entgegen. Im Effekt sind damit die Lohnstueckkosten in Deutschland niedriger als in Russland, zumindest wenn ich normale Produkte vergleiche. Aber, Raketen sind keine normalen Produkte. Wie schon John Walker, der AutoCad Author, im August 2009 meinte: „It’s official! NASA is a jobs program.“ Fuer die ESA gilt genau das gleiche, wenn ich mir z.b. die Planungen fuer die Ariane anschau.

    Raketen sind Tripple Use:
    – Die zivile Nutzung liefert schoene Bilder fuer die Fernsehpropaganda.
    – Die militaerische Nutzung bewahrt das gleichgewicht des Schreckens.
    – Und die Arbeitsbeschaffungsmassnamen, sorgen dafuer das Firmen aus dem militaerisch-industriellen Komplex ihre Entwickler bezahlen koennen.

    Das heist in Euro, Rubel oder US$ laesst sich der Preis von Raketen nicht vergleichen. Der Preis der Raumfahrt ist unabhaenig von Lohnkosten und Arbeitsproduktivtaet, sondern einzig und allein davon bestimmt wie viel Subventionen ein Staat seinem militaerisch industriellen Komplex zukommen laesst, wie viel davon Bestechungsgelder sind, und wie viel davon irgendwo versickert.

    Unabhaengig von dieser staatlichen Marktverzerrung ist ein erprobter Traeger stehts guenstiger, sicherer und damit besser als eine Neuentwicklung. Die R7 basiert technisch auf den 50er Jahren, und wurde seitdem nur noch verbessert. Jeder Designfehler der bei der R7 passieren koennte ist bekannt und ausgemerzt. Insbesondere die Sojus wurde im laufe der Jahrzehnte kontinuierlich verbessert.

    Interessant waeren daher eher Fragen, wie sich bestehende Systeme neu kombinieren lassen. Die guenstigste Loesung fuer eine kleine europaeische Raumstation waere, imho, die Station mit der Ariane zu starten, und die Crew mit der Sojus. Beides von Kourou aus. Damit wird das ISS Problem vermieden, dass 3 von 4 Startplaetzen benachteiligt sind, weil sie die falsche Inclination haben, und die Amis mit ihre heute hue morgen hott Politik waeren ausgebootet.

    ciao,Michael

  10. Moin Michael,

    eigentlich ist der erste April schon vorbei 🙂
    Bei Raumfahrt gilt ein andere Verhältnis zu Lohnstückkosten als bei einer größeren Serienproduktion. Sie sind dort der entscheidende Kostenfaktor. Wie ich aber schon in anderen Artikeln gesagt habe: Preiswert ist russische Technologie nur solange man sie nicht braucht (siehe Startkosten der Sojus 2 von Kourou, kosten für einen Astronautentransport für die NASA)

    Zur Sojus: Laufende Verbesserung = neue Fehler (siehe Vulcain 2). Zudem gibt es in Russland neue Fehlermöglichkeiten die es im Westen nicht gibt. So ging mal eine Sojus in den 90 ern verloren als vom Treibstoff Teile abgezweigt und der Rest „gestreckt“ wurde…..

  11. Hi,

    > Der Unterschied zwischen 1,1 km/s und 7,8 km/s
    > Orbitalgeschwindigkeit ist der gleiche wie
    > zwischen reinem Radfahrer (25 km/h) und einem
    > Sportwagen (177 km/h).

    okay, das ist ein Argument. Aber ich hab ja auch nicht gesagt, dass das SpaceShipTwo in den Orbit fliegen soll, was es bei dieser Geschwindigkeit wirklich nicht kann.
    Ich dachte mehr an das Konzept, das dahinter steckt, also einen Träger erst mal mit einem Flugzeug auf ca. 20 km Höhe bringen, dort ausklinken und die Raketen zünden, die ihn in den Orbit bringen. Hat das schon mal wer durchgerechnet, mal so in die Runde gefragt?

    Hans

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