Die Schwerlastrakete: Teil 2: Geht es auch ohne?

Michael Griffin, ehemaliger NASA-Administrator sagte einmal in einem Interview, was gegen die Alternativpläne zur Ares V spräche, wäre das man eine große Rakete bräuchte und alle Alternativen aus Teilen der Delta oder Atlas oder dem Shuttle Programm zu wenig Nutzlast hätten. Die Saturn V wäre an der Untergrenze was man brauchte – und in der Tat machte schon eine leichte Nutzlaststeigerung der Saturn V um einige Tonnen deutlich längere Missionen möglich. Will man noch anspruchsvollere Missionen so braucht man mehr Nutzlast. Daher waren Ares V und Ares I Kombination auch auf 60-70 t Nutzlast in eine Fluchtbahn projektiert.

In diesem Punkt gebe ich Griffin recht. Jedoch nicht in dem Punkt, dass man dafür eine Schwerlastrakete braucht. Das will ich im näheren Erläutern. Wobei ich als Vorlage Apollo nehme, da von Orion noch zu wenig bekannt ist Ich stelle hier mal eine Massenbilanz von Apollo auf:

  • Da ist das CM mit knapp 6 t Masse
  • Das Servicemodul: 24,5 t Masse, davon 18,4 t Treibstoff
  • Der Mondlander: 16,4 t Gewicht

Der Treibstoff im Servicemodul wird benötigt, um in einen Orbit um den Mond einzuschwenken und diesen zu verlassen. Dafür wurden bei Apollo rund 1000 m/s Geschwindigkeitskorrekturvermögen benötigt. Beim Einbremsen wird mehr Treibstoff benötigt, weil da der Mondlander noch dabei ist. Zwei Drittel des Treibstoffs werden daher zum Ein bremsen benötigt.

Es gibt nun eine Reihe von Möglichkeiten eine große Trägerrakete durch mehrere kleine zu ersetzen. Schon bei den Planungen für Apollo wurde das EOR Verfahren erprobt (Earth Orbit Rendezvous): Zuerst startet eine Stufe in einen Erdorbit. Danach startet die Besatzung, koppelt an und diese bringt die Besatzung zum Mond. Im Prinzip ist das ausdehnbar auf drei, vier oder noch mehr Stufen. Es steigt aber der logistische Aufwand an. Weiterhin benötigt man immer mehr Startrampen, zumindest wenn kryogene Treibstoffe eingesetzt werden die im Orbit rasch verdampfen können.

Zwei Starts kurz hintereinander sind heute möglich. Das klappte so bei Gemini und Skylab. Raumsonden werden seit Jahrzehnten in Paaren kurz hintereinander von zwei Rampen gestartet. Das US-Militär erreichte noch schnellere Reaktionszeiten mit bis zu fünf Startrampen für ihre Spionagesatelliten. Ich halte zumindest zwei Starts in kurzer Zeit für möglich.

Zeit kann man aber auch anders erhalten. Das eine ist es schrittweise zum Mond zu gelangen. Das Prinzip: Anstatt Kommandokapsel und Mondlander zusammen zum Mond zu starten startet man sie getrennt. Erst im Mondorbit koppeln beide zusammen. Der Mondlander wiegt zwar nur 16,4 t, aber er muss ja in einen Mondorbit erreichen. Dazu braucht man Treibstoff. Macht man eine Detailrechnung auf, so ergibt sich dass Mondlander und Treibstoff zum Einbremsen fast genauso viel wiegt wie das CSM ohne diesen Treibstoff – man benötigt nur noch eine halb so große Rakete. Das kann man dann noch mit dem Ankoppeln von Stufen im Erdorbit kombinieren – und kommt auf noch kleinere Raketen. Das Minimum sind dann die Startmassen der einzelnen Bestandteile. wobei natürlich die vielen Starts größere logistische Probleme bereiten, wie oben schon erwähnt. Der Vorteil der Mondorbitrendezvouslösung ist, das man dei Starts entzerren kann – den Mondlander kann man Monate vor der Kommandokapsel starten. Auf demselben Wege könnte man dann auch unbemannt Labore oder Wohnquartiere oder schwere Ausrüstung landen, bevor die erste Besatzung startet.

Was man also braucht, ist keine Schwerlastrakete. Allerdings wäre eine größere Rakete als die heute leistungsfähigsten doch wünschenswert. Mit Trägern vom Schlage der Ariane 4 oder Delta 4 Heavy bräuchte man schon viele Flüge für eine Mondmission.

Aber diese Träger sind ausbaubar. EADS stellte einen Plan für eine Ariane 5 mit 50 t Nutzlast für Mondmissionen vor. Boeing und Lockheed Pläne für Heavy Lift Versionen ihrer Träger, die auch 50-70 t transportieren können. Griffin war das zu wenig. Ich meine: Es reicht. Hier mal eine konkretere Planung. Ich setze dafür eine veränderte Delta 4 Heavy ein. Die Änderung: 6 anstatt 2 Booster an der Zentralstufe. Sie werden mit der Zentralstufe gleichzeitig gezündet. Diese arbeitet aber nur mit 55% Schub. Nach dem Ausbrennen der Booster wird die Zentralstufe auf 100% hochgefahren und zuletzt zündet die DEC-Centaur. Basierend auf den Daten der Delta IV Heavy für GTO Missionen errechne ich eine Nutzlast von 57 t für eine 600 km hohe Kreisbahn (wird für Teil 3 benötigt) und 20 t auf Fluchtgeschwindigkeit.

Setzt man die Centaur auch zum Einbremsen in den Mondorbit ein (veranschlagt: zusätzliche 900 kg Isolation um die Treibstoff flüssig über dreieinhalb Tage zu halten) so kann diese Kombination 14,4 t in einen Mondorbit bringen. Bei einem lagerfähigen Treibstoff, der vom Mondlander eingesetzt wäre, entspräche dies etwa 14 t Nutzlast. Das ist etwas kleiner als der Lander von Apollo 11. Auf der anderen Seite hatten die Apollo Abstiegs und aufstiegstriebwerke spezifische Impuls von 2943 m/s. Das Aestsustriebwerk mit derselben Kombination und Technologie erreicht dagegen schon 3188 m/s. Das reicht aus bei einem Geschwindigkeitsbedarf von jeweils 2200 m/s für Abstieg und Aufstieg (plus Schwebezeit) bringt alleine dieser kleine Gewinn einen deutlichen Nutzlastzuwachs. Daher war auch geplant für den Altairlander eine noch leistungsfähigere Kombination einzusetzen, bevor die NASA wieder ihren Rückwärtsgang einlegte.

Bleibt noch das Kommandomodul. Für das sind 20 t auseichend, Denn auch hier entfallen nun der Treibstoff zum Abbremsen des Mondlanders. Auch hier könnte es vom etwas höheren spezifischen Impuls profitieren.

Es ist trotzdem knapp und würde gerade eine Wiederholung von Apollo ermöglichen. Doch wie schon gesagt – es ist ja nur das Minimum. So könnte ein dritter Start ein kleines Labor direkt auf der Mondoberfläche mit schwerem Gerät absetzen. Dann kann der Mondlander sehr leichtgewichtig bleiben, denn er ist nur Transportvehikel. Wird er größer oder auch das CSM größer so kann er zuerst nur in eine hochelliptische Umlaufbahn eingebremst werden (das CSM genauso) und eine separate Stufe mit lagerfähigem Treibstoff koppelt an beide an und senkt ihren Orbit ab, bzw. bringt das CSM aus dem Mondorbit zurück zur Erde. Das spart Treibstoff für das Einbremsen in den Mondorbit und beim Verlassen.

Diese zwei bis vier Flüge für eine Mondlandung, mit den notwendigen weitgehend automatischen Kopplungsmanövern logistisch viel aufwendiger ist. Aber es ist billiger. Ich sehe keine großen Entwicklungskosten wenn es eine Delta IV Heavy schon gibt – man muss eigentlich nur ein paar Booster mehr ranhängen. Vielleicht ist eine Mission teurer als die einer Ares V. Doch bei mindestens 16 Milliarden Entwicklungskosten muss man schon sehr oft fliegen, um insgesamt teurer zu sein.

Das Grundproblem der NASA ist das der Sicherheits-Risiko Abwägung. Wussten sie dass eine Saturn V für ein LOM Risiko von 1:20 entwickelt wurde? Vereinfacht gesagt: bei 20 Mondmissionen konnte eine scheitern, bevor eine Mondtransferbahn erreicht wurde. Viel geringer war das LOC Risiko, das den Verlust der Besatzung kennzeichnet. Es lag bei 1:1000 Mit solchen Zahlen gibt sich die NASA heute nicht mehr ab. Eine „human rated Delta IV“ hätte ein LOM von 1:172 gehabt und ebenfalls ein LOC von 1:1100. Doch die Ares I sollte ja noch viel sicherer sein… Es wird auf maximale Sicherheit entwickelt und das schließt jegliches Risiko wie sie neue Technologien, Das zeigte sich ja schon beim Constellationprogramm bei dem viele anfängliche Neuerungen ja wegfielen, sodass es am Schluss eher wie eine Wiederholung von Apollo aus.

Das ist aber auch das Problem von kleineren Trägern, die eben mehr Flüge erforderlich machen. Mehr Risiko und weiterer Aufwand für Kopplungen. Nur: So wie die NASA es sich denkt: wir entwickeln mal mit Milliardenaufwand einen neuen Träger, ein neues Raumschiff und machen damit das was wir schon mal gemacht haben geht das nicht. Dafüer bekommt die NASA weder das Geld, noch will die Öffentlichkeit eine Wiederholung von etwas was es schon gab.

Im nächsten Teil werde ich zeigen, wie es sogar noch besser geht – mit nur zwei Flügen einer 60 t Rakete ein Mondprogramm durchführen, dass besser als das von Apollo ist…

13 thoughts on “Die Schwerlastrakete: Teil 2: Geht es auch ohne?

  1. Hallo, wirklich interessantes Konzept, besonders das Lunar Orbit Rendezvous sollte heutzutage viel weniger kritisch sein als zu Apllo Zeiten (Dockingtechnologien, Computer, etc.). Ich habe aber besonders zur projektierten Rakete noch ich einige Frage:

    – Müsste die Struktur der Centaur Stufe nicht immens verstärkt werden (ich glaube mich zu erinnern, dass sie selbst für die 29t einer projektierten Atlas V Heavy zu schwach wäre)?

    – Müsste selbiges nicht auch mit der Delta IV Zentralstufe geschehen? (neue laterale Aufhängungspunkte der Booster, erhöhte vertikale Belastung durch erhöhte Nutzlast, …)

    – Müsste man nicht auch die RS-68 Triebwerke „man-raten“?

    – Würden die jetzigen RS-68 Treibwerke (besonders das zentrale) die Hitze beim Start aushalten? Gerade die Ares V und verschiedene Direct Varianten hatten ja das Problem, dass die ablativ gekühlten RS-68 zumindest die Hitze der SRBs nicht aushalten würden. Würde also die Notwendigkeit bestehen das regenerativ gekühlte RS-68B zu entwickeln?

    – Wie sieht es mit der Startinfrastruktur aus? Müsste nicht auch an den Crawlern und dem Sound Suppression System aufgrund der immens veränderten Schubgeometrie im Vergleich zum Shuttle umfangreiche Veränderungen gemacht werden?

    – In wie weit würden sich obige Probleme, wenn sie denn zutreffen, auf die Leistungsfähigkeit (Strukturverstärkung!) und die projektierten Kosten in etwa auswirken?

  2. – da die Nutzlast nur 20 t in eine LTO Bahn beträgt sehe ich keinen Grund für eine strukturelle Verstärkung, das ist weniger als bei der Delta IV Heavy heute
    – Eine Verstärkung der CCB mag notwendig sein, wirkt sich aber nicht so sehr auf die Nutzlast auf, zudem die relative Beschleunigung klein ist (die CCB haben ja nur einen Geringen Schubüberschuss, Feststoffbooster sind hier kritischer)
    – Mit „man rated“ kann man leicht die teuerste Rakete der Welt bauen. Nominell ist schon heute die Delta IV zuverlässiger als die Saturn V. Die Sicehrheit resultiert durch den Fluchtturm
    – Die Probleme der Ares resultieren durch die kurzen Düsen der Booster. Bei keiner flüssigen Rakete mit vielen Triebwerken gab es Probleme durch die Hitze da die Düsen aktiv gekühlt werden.
    – Die Rakete startet natürlich von den Launchpads der Delta IV Heavy aus.
    – nur gering. Zumal ich recht konservativ gerechnet habe

  3. Bei der Delta 4 Heavy mit 6 Boostern könnte man auch die Zentralstufe beim Start mit Treibstoff aus den äußeren Stufen laufen lassen, und erst wenn dort der Sprit alle ist auf die eigenen Tanks umschalten. Das dürfte die Nutzlast noch etwas erhöhen, und die maximale Beschleunigung wäre geringer. Das Prinzip des Außentanks wird ja schon beim Space shuttle eingesetzt, nur daß der dort keine eigenen Triebwerke hat. Neu wäre dabei nur daß der Treibstoff aus mehreren Tanks gleichmäßig verbraucht werden muß, aber das sollte kein unüberwinliches Hindernis sein.

  4. Mei o mei o mei!!
    Wenn ich das so lese, dann könnten mir glatt Zweifel kommen, ob es eines Tages überhaupt mal möglich wird, Raumfahrt so zu betreiben, wie es heutzutage im Strassen- oder Luftverkehr Alltag ist. Also wir packen das Frachtgut und die „Passagiere“ ein, tanken und starten. Zuerst einmal zu einer Raumstation im LEO, MEO oder GEO-Orbit oder auch zum Mond, später zu den nahen Planeten (Venus, Mars) und noch später auch zu den äusseren Planeten… – Also richtig so, wie es in der Science Fiction zu sehen ist.

    Aber ich glaube, ohne das jemenad nicht völlig neue Triebwerkskonzepte entdeckt oder erfindet, und auch entsprechende Triebwerke baut, wird das nichts. Dennoch geb ich den Glauben nicht auf, das so jemand irgendwann auftauchen wird, und die Triebwerke baut. Ob wir das allerdings noch erleben werden, ist ’ne andere Frage.

  5. Das Haupthindernis isst es einen Orbit zu erreichen. Ab da kann man ja über futuristische Konzepte nachdenken (es gäbe auch noch den thermischen Nuklearantrieb der heute technisch möglich ist, und andere Konzepte sind zumindest theoretisch denkbar).

    Aber erst mal in den Orbit kommen, und da geht es nur mit chemischen Antrieb. Alle anderen Energieformen scheiden technisch aus (zu geringer Schub) oder sind, sagen wir mal nicht so gut für die Umwelt z.B. die Nuklearen Varianten egal ob thermisch oder mit Atombomben…

    Da wird es auch nichts anderes geben.

    Was vielleicht denkbar für Material oder unbemannte Transporte ist, wäre der Schuss ins all mit einer Kanone und einer Oberstufe die dann die Bahn zirkularisiert. Doch ob die hohen Geschwindigkeiten die dazu noch in der Lufthülle erreicht werden müssen, nicht sofort zum Verglühen führen, ist auch offen.

    Fiction ist Fiction, auch wenn es den Anspruch erhebt Science zu sein.

  6. Dass das eigentliche Problem darin liegt, erst mal in den Orbit zu kommen, ist mir schon klar und das wir das heute nur mit chemischen Antrieben können, die dabei tonnenweise Treibstoff verheizen, ist mir ebenfalls klar.

    Aber ich hab ja die Hoffung noch nicht aufgegeben, das die Physiker eines Tages die offenen Fragen, die mit der Gravitation zusammen hängen, beantworten werden. Dann sollte es möglich werden, selbige lokal begrenzt umzudrehen oder sonstwie zu unserem Vorteil zu nutzen. Dann könnte man auch Raumschiffe bauen, wie man sie in der SF sieht. Das es vorerst aber nur Fiktion ist, ist klar. Aber es heisst ja Science Fiction, weil die Fiction auf Ideen aus der Science beruht.

    Ach ja, die Kanone halte ich auch für eine eher schlechtere Idee. U.a. wegen der hohen Anfangsbeschleuniugung und der Temperaturen.

  7. Gravitation umdrehen?
    Gravitation kann man nicht „umdrehen“. Das ist keine Kraft wie Magnetismus wo es „positiv“ und „negativ“ gibt. Solange Masse da ist ist Gravitation da (übrigens nicht erst seit Einstein, sondern auch schon seit Newton…).

    Am besten die Erde sprengen, dann ist die Gravitation weg….

  8. „Am besten die Erde sprengen, dann ist die Gravitation weg“ – dieser Spruch verdient eine Goldmedaille in Sachen sarkastisch angehauchte humoroese Spontanerguesse 😉

  9. Na ja anders gehts nicht. Wo Materie ist da ist Gravitation. Im Weltall wachsen die meisten Körper durch die Gravitation. Es gibt nirgendwo so was wie „Anti-Gravitation“. Schwarze Löcher, Pulsare, Quasare, allesamt Phänomene bei denen die Gravitation sogar stärker war als die molekularen Kräfte zwischen den Atomen. Schmeiss eine Wasserstoffbombe in ein Schwarzes Loch – es passiert nichts, es ist danach nur noch anziehender.

    Bei aller Liebe zu Sci-Fi sollte man eben wissen was physikalisch möglich ist und was nicht.

  10. Ist denn eigentlich schon bewiesen, das es keine Antigravitation gibt? – Bisher spricht zwar vieles dafür das es so ist, aber von einem Beweis ähnlich jenem, der besagt, das die Quadratur des Kreises unmöglich ist, weis ich nichts von einem Beweis, der besagt, das es keine Antigravitation geben kann.

    Andrerseits: Newton hat das Gravitationsgesetz erstmalig 1686 publiziert, Einstein die allgemeine Relativitätstheorie 1915, also 229 Jahre später. Seit 1915 sind 95 Jahre vergangen. Wenn man nun davon ausgeht, das zwischen zwei so umwälzenden Entdeckungen in der Physik, wie es jene von Newton und Einstein waren, etwa 200 Jahre liegen, dann haben wir jetzt erst Halbzeit, und mit einem wirklich umwälzenden Ergebnis ist frühestens gegen Ende diese Jahrhunderts zu rechen…

    Ich weis, das ist auch hypothetisch, aber gerade in der Physik gibt es ja viele Hypothesen, die noch darauf warten, entweder Bewiesen oder widerlegt zu werden. Dazu hat man ja u.a. den LHC gebaut.

  11. Ja und selbst Einstein hat an der Gravitation nichts geändert. Also nichts mit hochrechnen.Die Kraft gehorcht immer noch der einfachen Formel

    F = m1*m2 / r²*g

    g = 6,672611e-11

    Und da ist kein Minus in der Formel. Es ist eine Naturkraft und zwar eine von nur vier! außerdem gibt es ja nicht nur die Theorie sondern auch die Praxis. Und die zeigt, dass es im beobachten Weltall nur positive Gravitation gibt.

    Bist Du ernsthaft der Meinung man könnte vorausrechnen wann die nächste physikalische Umwälzung kommt?

    Da ist ja eher der WM Sieg berechnbar….
    http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2010/06/04/die-wm-formel/

  12. > Bist Du ernsthaft der Meinung man könnte vorausrechnen wann
    > die nächste physikalische Umwälzung kommt?

    Ach was! – Das war eine Hypothese, die ich so in den Raum gestellt habe, die eintreffen kann oder auch nicht. Die Erfahrung und die Wahrscheinlichkeit sprechen bisher dafür, das sie nicht eintrifft. Aber deshalb stelle ich sie trotzdem in den Raum.

    Und die Sache mit den vier Naturkräften zweifel ich auch gar nicht an. Der Punkt ist an der Stelle ja blos, das sich drei davon mit einer einheitlichen Theorie erklären lassen, die vierte aber nicht. Und das ist eben die Gravitation. Vielleicht ist der nächste grosse Umbruch ja der, wo es gelingt, diese alle in eine Theorie zusammen zu fassen. Nur das klappt ja bisher nicht so optimal. Oder es wird bewiesen, das es nicht geht. Aber dieser Fall lässt eben auch noch Raum für Spekulationen offen. Und ohne Spekulationen gibt es ja bekanntlich keine Forschung, die der Frage nach geht, was an den Spekulationen dran ist. D.h. ob sie zutreffen können, und wenn ja, in wie fern, oder ob sie Humbug sind, und warum.
    Und ich glaube, damit lassen wie es gut sein, weil wir uns eh nicht einig werden. Übrigens bin ich jetzt auch erst mal nicht da, kann also auch nicht mehr sofort antworten.

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