Space Shuttle 2.0

Zeit mal wieder für eine meiner „technischen Spinnereien“ Was würde geschehen, wenn die NASA auf die Idee käme, als Nachfolgesystem für das Space Shuttle eines neues zu entwerfen? Aus finanzieller Sicht sind alle Nachfolgeprojekte zur Versorgung der Raumstation ja teurer, wie schon im Blog diskutiert. Leider genügt das Space Shuttle nicht mehr den Sicherheitsanforderungen der NASA.

Fangen wir erst mal an, was es nicht sein wird. Es wird sicher nicht ein zweistufiges bemanntes Gefährt sein, wie bei den ersten Entwürfen des Space Shuttles vorgesehen. Die Entwicklungskosten von zwei bemannten Stufen sind zu hoch und das Risiko ist dann verdoppelt, auch wenn bei flüssigen Antrieben in beiden Stufen wenigstens ein Problem des Space Shuttles gelöst ist – er kann nicht abgetrennt werden solange die SRB arbeiten. Antriebe mit flüssigen Treibstoffen können jederzeit abgeschaltet werden.

Das gleiche gilt für die einstufige Lösung, die mal unter der Bezeichnung „Venture Star“ angedacht wurde. Das setzt enorme Anforderungen an die Leichtbauweise. Venture Star hätte bei 1088 t Startgewicht nur 99 t leer gewogen und dies für ein Gefährt das mit Hitzeschutzschilden den Widereintritt überstehen soll. Ich halte das nicht für realisierbar, zumal Das Gefährt ja nur unbemannt ausgelegt war – mit einer Besatzung und den dafür notwendigen Systemen dürfte dann die Nutzlast gegen Null gehen.

Was also bleibt ist eine zweistufige Lösung bestehend aus unbemannter erster Stufe und bemannter zweiter Stufe. Wie könnte die erste Stufe aussehen?

Es gäbe zwei Möglichkeiten. Das eine sind Raketen die LOX/Kerosin einsetzen und leistungsstarke Triebwerke. Sie haben den Vorteil dass sie besser überwacht werden können und eine große Zeitspanne bieten zwischen den ersten Anzeichen einer Fehlfunktion und einer Lage in der die Gesundheit der Besatzung gefährdet ist. Selbst dann können sie abgeschaltet werden. Der große Nachteil: Es ist bisher noch keine Bergung dieser Stufen geglückt. Einen Aufschlag der heißen Triebwerke mit mechanisch beweglichen Teilen aufs Meer nur gebremst durch einen Fallschirm halte ich für sehr problematisch. Was heute aber technisch machbar ist und auch bei anderen Projekten untersucht ist, ist der Rückflug mit einem Düsentriebwerk zurück zum Startplatz und die Landung dort. (Ariane 5 Flyback Booster, Baikal ….)

Das zweite sind Feststoffbooster. Feststoffbooster sind bei Laien unbeliebt, aber sie haben die Fakten auf ihrer Seite. Sie sind erheblich zuverlässiger als die Triebwerke mit flüssigen Treibstoffen (ich kenne nur 4 Fehlstarts aufgrund des Versagens von Feststoffboostern), daher waren sie auch für die Ares I als erste Stufe vorgesehen. Sie sind noch dazu preiswert und überstehen die bisherige Wasserung von allen Stufen am besten. Die Fortschritte in der Technologie lassen heute auch höhere Brennkammerdrücke zu (höherer spezifischer Impuls) und die Reduktion der Leermasse (CFK-Bauweise). Das würde die Nutzlast des Space Shuttles um rund 4 t steigern. Trotz hoher Kosten bei bemannten Systemen kostet ein Paar der Booster für den Start „nur“ etwa 70 Millionen Dollar. Und dabei hat jeder den Schub von vier Atlas V oder Delta IV Raketen – das zeigt dass sie aus Kostengründen sicher auch bei einem Shuttle 2 in der engeren Wahl sind.

Die Lösung mit dem externen Tank wird wahrscheinlich auch bleiben. Denn es ist die preiswerteste denkbare Lösung. Ich vermute aber man wird nach den Erfahrungen mit dem ET wieder auf die Lösung bei der Saturn V umschwenken wo die Isolation im Inneren der Tanks angebracht war. Weitere Optimierungen würden darin bestehen den Tank komplett in der Legierung 2195 zu fertigen, bisher wird damit nur der Wasserstofftank produziert und die Zwischentankteile aus CFK-Werkstoffen herzustellen. Da der Tank fast einen Orbit erreicht kann so die Nutzlast gesteigert werden. Ich schätze der Tank könnte um 3 t leichter werden, was die Nutzlast in gleichem Maße erhöht.

Der Shuttle kann heute leichter gefertigt werden als der derzeitige. Da er in den Orbit gelangt bringt, dies auch mehr Nutzlast. Ich denke es wird viele Detailverbesserungen geben wie einen Hitzeschutzschild aus weniger Kacheln, eventuell wird man auch bei den Haupttriebwerken wieder einen Gang zurückgehen – wenn man den Shuttle leichter bauen kann und die SRB mehr Leistung bringen (LOX/Kerosinstufen auf jeden fall), dann benötigt man keine Triebwerke nach dem Staged-Combustion Prinzip, obwohl sich die derzeitigen Triebwerke natürlich bewährt haben.

Der entscheidende Unterschied würde ich aber in einer anderen Nase sehen: Das grundsätzliche Problem des Shuttles ist das in der Systemsicherheit immer schlechter als eine Kapsel dastehen wird. Eine Kapsel wird sich bei geeigneter Form alleine durch den Widerstand so drehen, dass sie den Hitzeschutzschild in die Flugrichtung dreht. Selbst wenn dem nicht so ist, bei der kleinen Fläche ein vollkommener Schutz (also die Bedeckung der gesamten Oberfläche) mit einem Hochtemperaturschuld lein Problem. Aufgrund des kleinen Volumens ist sie strukturell stabiler zu fertigen, da das Zusatzgewicht nicht so ausschlaggebend ist wie bei dem zehnmal größeren Orbiter und sie kann auch notfalls von einem Fluchtturm in Sicherheit gebracht werden ohne durch die dabei entstehenden Kräfte in Stücke gerissen zu werden.

Warum also nicht beides verbinden? Die Nase des Shuttles sollte eine kleine Kapsel sein, deren Boden eine Luke zum Orbiter hat. Das die Luke im Hitzeschutzschild ist, macht nichts aus. Das war für MOL so vorgesehen und die USAF hat eine umgebaute Gemini Kapsel mit einer Luke im Hitzeschutzschild auch im Orbit getestet und wieder geborgen. Beim Start ist an der Kapsel ein Fluchtturm angebracht. Die Besatzung sitzt beim Start in der Kapsel. Nach Abtrennung der ersten Stufe wird der Fluchtturm abgetrennt. Nun könnte der Shuttle bei einer Havarie sich vom ET lösen und zur Erde zurückgleiten bzw. bei einer noch problematischeren Situation könnte man die Kapsel absprengen und mit Fallschirmen landen. Dazu gibt es am Boden der Kapsel weitere Triebwerke zum Absprengen und an der Seite weitere zum Drehen oder für kleine Kurskorrekturen. Für die bessere Aerodynamik kann die Kapsel, solange sie am Shuttle noch befestigt ist von einer dünnen aerodynamischen Verkleidung umgeben werden.

Erst im Orbit angekommen steigt die Besatzung in den Orbiter um. Sie kann auch jetzt noch mit der Kapsel landen z.b. wenn der Orbiter von Weltraummüll oder chinesischen Weltraumwaffen getroffen wird. Auch beim Wiedereintritt sitzt die Besatzung in der Kapsel, falls eine versteckte Beschädigung der Struktur, wie bei der Columbia, zur Zerstörung des Orbiters bei dem Wiedereintritt führt.

Natürlich muss das Shuttle dann automatisch landen, da die Besatzung noch in der Kapsel ist. Aber das kann es schon (es wird nur technisch durch das manuelle Ausfahren des Landefahrwerks verhindert) und X-37B und Buran zeigen auch das es geht. Das wäre das optimale: so sicher wie eine Kapsel und so flexibel wie der Shuttle.

Ich denke sogar, dass dieses System noch wirtschaftlicher sein könnte als das Shuttle. Schaut man sich die Kosten des Programmes an, so fällt auf das jeweils nach nach den beiden Katastrophen dauerhaft die Flugkosten anstiegen und die Flugrate sank. Gerade bei den letzten Flügen sah man das: Irgendwo bricht ein kleines Schaumstück ab und die Flotte steht für Wochen am Boden. Das ist das Bestreben jedes Risiko zu vermeiden, weil es in dem Falle einer Havarie keine Rettung für die Besatzung gibt. Zu den Zeiten von Apollo war dies anders. Die Saturn V wurden sicher gebaut, aber das Risiko wurde soweit reduziert, wie es sinnvoll war, und den Rest sollten der Fluchtturm und die Möglichkeit, jederzeit die Kapsel abzutrennen richten. Die NASA gab nach Columbia das LOC Risiko mit 1:80 bei ISS-Missionen (Besatzung kann in dieser Verbleiben) und mit 1:60 bei anderen Missionen (Servicemission zu Hubble) an. (LOC: Loss of Crew) Die Saturn war dagegen nur mit einer Zuverlässigkeit (Start in die Mondtransferbahn) von 0,95 entwickelt – ein Start von Zwanzig würde statistisch schiefgehen. Das ist ein typischer Wert für eine Trägerrakete. Wäre dies auch das Risiko für die Besatzung so würde dies keiner akzeptieren. Doch das Risiko der Besatzung war dank des Fluchtturms und anderer Maßnahmen nur bei 1:1000. (Ich will hier keine Diskussion über diese theoretischen Größen lostreten, aber es gibt nun mal wegen der wenigen Flüge keine statistisch hinreichend abgesicherten praktischen Werte).

Hier mal eine Vision von mir: Ein Shuttlesystem mit einer Sicherheit wie es vor Challenger vorlag (1:27) – aber auch den damaligen Startkosten (inflationskorrigiert umgerechnet etwa 210 Millionen Dollar). Rein Statistisch geht jeder 27.ste Flug schief. Dann muss für 3 Milliarden Dollar ein Orbiter nachgebaut werden – das ergibt dann Gesamtkosten von 321 Millionen Dollar – also erheblich weniger als heute eine Mission kostet, weil so viele Tests und Prüfungen anfallen, und trotzdem ist das Shuttle „nur“ dreimal sicherer. Die Sicherheit kommt dann nicht durch zig Tests bei einem inhärent anfälligen und fragilen System, sondern einer zusätzlichen, als hinreichend sicher angesehenen Fluchtkapsel und einem Fluchtturm. Ich glaube auch dass man durch noch so viele Tests, Qualitätsaudits und Startverschiebungen bei kleinsten Anlässen nicht die Sicherheit entscheidend verringert – denn was Columbia zeigt ist: es gibt immer ein Restrisiko an das keiner gedacht hat.

Für 321 Millionen Dollar kann heute nicht mal SpaceX die rund 11 t Nutzlast, die heute mit einem MPLM und einer Palette zur Station gebracht werden, befördern. Die wollen für diese Frachtmenge rund 880 Millionen Dollar. Dabei fliegt die Mannschaft noch nicht mit. Würde man die mit russischen Sojus starten so müsste die NASA nochmals rund 300 Millionen Dollar berappen.

Ich habe im folgenden mal zwei Konfigurationen durchgerechnet. Sie basieren auf folgenden Annahmen:

  • Die neuen SRB basieren auf der Filament-Technologie und haben ein Leergewicht von 59 t. Der spezifische Impuls beträgt 2.690 m/s (HTTP1914 und höherer Brennkammerdruck). Die Treibstoffmenge beträgt weiterhin 503 t
  • Eine Variation davon sind 5-Segment SRB (von der NASA schon mal evaluiert) in der selben Bauweise: 73 t leer, 701 t Startgewicht
  • Der Shuttle-ET wurde schon während der Entwicklung deutlich leichter. Sein Leergewicht von 26,4 t bleibt.
  • Die Orbiter wiegen heute rund 79 t. Als sie entwickelt wurden war die Aluminiumlegierung 2219 Stand der Technik. Der Ersatz von 2195 beim Space Shuttle Tank machte ihn um rund 12% leichter, obwohl sie nur beim LH2 Tank eingesetzt wurde. Übertragen auf den ganzen Tank entspricht dies einer Gewichtsreduktion um 22%. Nimmt man an, das 60% der Orbiter aus AL-2219 bestehen, so würde der Übergang auf AL-2195 eine Gewichtseinsparung von 10,4 t. resultieren
  • Demgegenüber steht das Zusatzgewicht einer Kapsel. Ich habe es mit 7 t angesetzt. Eine Apollokapsel, bei der über kurze Zeit 6 Astronauten Platz fanden, wog 5,5 t. Dazu kommt noch etwas Treibstoff und Sprengsätze sowie der Fluchtturm, der beim Start sich noch an ihr befindet und daher etwas Nutzlast kostet. Der Orbiter soll so mit Kapsel 75,6 t wiegen.
  • Eine Alternative Konfiguration setzt die Energija Booster ein, die ja wiederverwendet werden sollen. Startgewicht:372,6 t Leergewicht 65,6 t spezifischer Impuls 3308 m/s. Ich habe hier die zwei und vier Boostervarianten untersucht. Folgende Ergebnisse gab es:
System Nutzlast
Space Shuttle 24,6 t
Space Shuttle 2 31,8 t
Space Shuttle 2 5 Segment Booster 41,5 t
Space Shuttle 2 2 Energija Booster 21,9 t
Space Shuttle 2 4 Energija Booster 51,5 t

Alle vier neuen Systeme wären zur Versorgung der ISS geeignet (da die Flüge regelmäßig erfolgen, würde der Transport eines MPLM mit 9 t Fracht und einer Nutzlastanforderung von 15 t (inklusive Koppeladapter) ausreichen. Die Rechnung ist relativ konservativ. So besteht mehr als 60% des Orbitergewichts aus Aluminium und das Ersetzen der Legierung 2219 beim Tank wurde nicht mit berücksichtigt. Denkbar wären auch OMS Triebwerke mit höherem spezifischen Impuls (z.B. die von der EPS Oberstufe) alles zusammen gibt sicherlich weitere 4-5 t Nutzlast. Doch es geht ja nur um eine „Hausnummer“.

Bei einem unbemannten System wäre übrigens das Design ein anderes: Da würde man die erste Stufe als Gleiter bauen und die zweite als Wegwerfstufe – Schließlich gelangt bei diesem Konzept immer noch der Orbiter mit in die Umlaufbahn und der wiegt doppelt so viel wie die Nutzlast.

14 thoughts on “Space Shuttle 2.0

  1. Ich möchte mich auf die schöne Skizze beziehen. Wenn ich das richtig verstanden habe, so sitzt die Crew während dem Start und bei der Landung in der Kapsel vorne an der Nase. Der Skizze kann man aber entnehmen, dass es noch ein typisches Flugzeugcockpit gibt. Ich frage mich wozu? Ohne diese Ausbuchtung kann das Shuttle aerodynamischer gestaltet werden. Und ohne die schweren Scheiben auch leichter. Wenn man mit der Nutzlast im Frachtraum hantieren will so braucht man eh weitere Fenster an anderer Stelle.
    Das soll eine kleine Empfehlung fürs Shuttle 2.0 sein (leichter, aerodynamischer, günstiger)

    Ich hoffe es kommen noch zahlreiche weitere kleine Verbesserungsvorschläge. Ansonsten finde ich das Konzept gut.

  2. Guter Artikel.

    Aber ich glaube mich zu erinnern, dass die SSME nie wirklich die angedachte Zuverlässigkeit ohne wiederholte Generalüberholung erreicht haben (aber das könnte auch aus der Post-Challenger-Zeit kommen) und auch nie die angedachten 109% Schub (außen in Notfällen).

    Von flugzeugähnlichem Verhalten, also: Landung -> neuer Tank dran -> neue Booster dran -> Auftanken -> Neustart; ohne zwischenzeitliche Generalüberholung nach jedem Flug, wie es in den 70er Jahren angedacht war, redet ja schon längst niemand mehr.

    Feststoffraketen finde ich nachwievor (von Silvester einmal abgesehen 😉 ) zumindest unelegant. Aber da ich wahrscheinlich weder über den Bau eines neuen Shuttles entscheiden werden muss, noch selbst mit ihm fliegen werde, überlasse ich das denen die es wissen müssen.

  3. Ein Kombi ist auch äußerst unelegenat aber für den Einkauf viel praktischer als ein eleganter Porsche. Wenns nach mir ginge würde überall nur Wasserstoff eingesetzt werden – die startmasse wird dann minimal, aber es geht nicht um technische Eleganz sondern kosten.

  4. Ich habe da mal ne Frage:
    Ist es möglich mit dem vorgeschlagenen System den ET in einen Orbit zu befördern, der sagen wir mal für 10 Jahre stabil ist? Und wenn ja, wie wirkt sich das auf die verbliebene Nutzlastkapazität aus?
    So vom Gefühl her würde ich sagen, dass es machbar ist. Und dass dabei sogar noch Nutzlastkapazität für den Ausbau des ET zu einer Raumstation frei wäre.

  5. Normalerweise fehlt einem ET nur etwa 100 m/s Geschwindigkeit für einen Orbit. Der Transport von 27 t in eine rund 500 km hohe Bahn erfordert dann weiteren Treibstoff. Beim derzeitigen System wäre das nicht möglich, da der OMS Treibstoff für beides nicht ausreicht. Bei zusätzlichen OMS Tanks würde der Transport des Tanks die Nutzlast wohl auf etwa 8 t reduzieren.

    Analoges dürfte für die erweiterten Konzepte gelten wobei durch das geringere Orbitergewicht die Einbuße nicht ganz so hoch ist.

    Vielleicht schaust Dur Dir mal diesen Blog an:
    http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2010/02/21/hotel-et/

  6. Schon bei Mercury ganz zu Beginn der bemannten Raumfahrt wollten die Konstrukteure die Astronauten in fensterlose Konservendosen stecken. Letztere haben Ersteren schwer was gehustet. Fenster wird es immer geben.

  7. Waldemar, wieso willst du den Außentank zur Erweiterung einer Raumstation verwenden? Ein Shuttle-Außentank ist für eines gebaut, und zwar den Transport von flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff in zwei getrennten Innentanks und die Versorgung des Shuttles mit diesen beiden Treibstoffkomponenten. Er ist nicht dafür gebaut, dass Menschen sich darin aufhalten. Was soll das also für einen Sinn machen?

  8. Hallo Observer.

    Die Idee ist aber nicht neu und wurde von der NASA schon in den siebziger Jahren untersucht und es ist technisch möglich. Auch sie S-IVB aus der Skylab entstand war eine normale Oberstufe, es gab zwar Einbauten aber keine Änderungen an der Struktur.

  9. Jein! Sicher, die NASA hat die Idee gehabt, aber so, wie Waldemar es sich vorstellt, wurde es schließlich nie umgesetzt. Die Skylab-Astronauten mögen zwar im Wasserstofftank gelebt und ihren Müll im Sauerstofftank verstaut haben, aber die Stufe wurde eben auf der Erde umgebaut und ist niemals eine „richtige“ Raketenstufe gewesen. Das dürfte genau deshalb funktioniert haben, weil Skylab erheblich leichter gewesen ist als eine voll betankte Drittstufe plus Apollo-Kapsel plus Mondlander. Die ersten beiden Stufen dürften daher ausgereicht haben, Skylab in den Orbit zu beschleunigen. Da bist du aber der Experte. Klar könnte man auch einen Shuttle-Außentank mit einer Inneneinrichtung versehen, aber wie soll das Ding dann in den Orbit kommen?

    Nein, die Idee, Astronauten in eine ausgebrannte Raketenstufe (mit oder ohne Triebwerke) zu schicken, sie den Resten von Treibstoff und Oxidator auszusetzen und sie den Innenausbau im Flug durchführen zu lassen, wurde wohl völlig zu Recht als eine schlechte aussortiert.

  10. Der „Wer Workshop“ war lange zeit die favorisierte Idee für den Ausbau von Skylab. Natürlich ist es mit dem Tank nicht getan, es wären viele Aufbauflüge nötig um die Inneneinrichtung zu installieren. Aber es geht und auch die ISS benötigte bis zu ihrer heutigen Form über 30 Shuttleflüge….

  11. Der Punkt ist aber doch, dass man sich am Ende dagegen entschieden hat. Ich denke, diese Entscheidung war auch völlig richtig. Was bringt es, zig Aufbauflüge durchzuführen, um eine ausgebrannte Raketenstufe zu einem verwendbaren Raumstationsmodul umzubauen, wenn man mit jedem Flug auch genausogut ein fix und fertiges Modul in den Orbit schaffen kann? Nicht zu vergessen, dass jeder dieser Flüge wiederum eine Raketenstufe produziert, die man theoretisch ausbauen könnte. Das wächst einem doch in Null Komma Nix über den Kopf.

  12. Nun ja damals dachte man eben noch an Komfort und mit 1.500 m³ Volumen hat ein ET mehr Volumen als die ganze ISS, bei der ja das einzige Wohnmodul gestrichen wurde.

    Aber die Flüge waren nicht das Problem. Schließlich waren die Shuttle Flüge doch so enorm preiswert, rechnete die NASA doch mit Flugkosten von 31 Millionen Dollar und 48-60 Flügen pro Jahr. So viele Satelliten gab es gar nicht zu transportieren, also musste man eben aus ET eine Raumstation aufbauen….

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