Wenn es nicht ausgemustert wäre, müsste man es erfinden

Ich lese ja gerade Heppenheimers Buch über die Entwicklung des Space Shuttle, sehr interessant, und da kam mir auch wieder die Tragik des Programms in den Sinn. Das Hauptproblem war, dass es für das was es ausführte zu teuer war. Es waren entweder Satellitentransporte oder bemannte Kurzzeitmissionen z.B. mit dem Spacelab. Als es endlich richtig eingesetzt werden konnte wurde es ausgemustert. Zur Versorgung der ISS muss man heute Sojus Kapseln starten, wo die Amis pro Sitz rund 60 Millionen Dollar zahlen, oder Versorgungstransporter, die nur einmal verwendbar sind und nur ein Drittel der Startmasse als Nutzlast transportieren. Dafür zahlt die NASA 3,5 Milliarden für 20 t, eine Menge die zwei Shuttleflüge transportieren könnten. Ich habe das schon mal thematisiert. Das Space Shuttle wäre für die NASA billiger gewesen als sie Transporter. aber lassen wir das.

Machen wir mal wieder ein Gedankenspiel. Nehmen wir mal an, die NASA hätte sich 2006 entschlossen anstatt den COTS Transportern Cygnus und Dragon und dem noch zu bauenden CCDev Traumschiff ein neues Shuttle zu bauen, diesmal aber eines das mit einer Rakete gestartet wird kleiner ist, und den Anforderungen für den ISS Transport genügt, und auch die Lehren aus dem Shuttleprogramm zieht, also z.B. einen einfacher zu wartenden Hitzeschutzschild.

Also mal die Randbedingungen skizziert:

Das Space Shuttle soll mit einer Trägerrakete gestartet werden. Es ist daher kleiner. Ich habe als Träger die Atlas 552 ausgewählt. Zum einen kennt man von ihr den Startpreis, zum anderen setzt die NASA keine Delta 5 ein, und als drittes erlaubt es dies, wenn es nötig sein sollte trotzdem auf die Delta 4 Heavy zu wechseln. Die Nutzlast der Atlas 552 für die ISS Bahn beträgt 18 t.

Das Space Shuttle hat drei Haupttriebwerke mit Schubrahmen, die sind überflüssig. Spart 12,3 t ein.

Ebenso braucht man keinen OMS Treibstoff für den Aufstieg. Das spart die Hälfte des Treibstoffs ein. Dazu braucht man kleinere Triebwerke und kleinere Tanks. Ersparnis: 7 t

Die Flügel können, da keine große Querreichweite gefordert ist kleiner sein, so wie bei anderen Gleitern (CRV, Kliper, Hermes) auch. Wenn man sie auf die Hälfte reduziert, so sind dies 6 t weniger

Die Beschränkung auf die kurze Missionsdauer, das Fehlen von Druckgas für den Tank etc. ergibt dann auch noch ein paar Kleinigkeiten. Zusammen sind dies nochmals 1 t.

Das würde bei einem neuen Space Shuttle die Startmasse (ohne Nutzlast) um 26,3 t und die Landemasse um 18,3 t senken. Die Nutzlast für den ISS Orbit würde auf 42,5 t steigen, das entspricht einem Drittel der Startmasse, also genauso viel wie bei den unbemannten Transportern. Wenn man berücksichtigt dass das Shuttle damals fast keine CFK-Materialien einsetzte und alleine die Avionik über 2 t wog, müsste ein neues Gefährt auf dem aktuellen Stand der Technik sogar noch leichter sein.

Skalieren wir dies auf die kleinere Nutzlast von 18 t der Atlas herunter, dann wären das etwa 5-6 t Nutzlast. Das Shuttle wäre dann auch kleiner, etwa 14,2 m lang, 3,10 m Rumpfdurchmesser, 7 m Höhe und 9,7 m Flügelspannweite. Im Nutzlastraum gäbe es ein fest eingebautes Frachtmodul unter Druck und einen Koppeladapter, da nur ISS Transporte vorgesehen sind muss man nicht Module abkoppeln können, was die Nutzlast erhöht.

Bei 6 Astronauten zur ISS transportiert jeder Transporter 4,8 t Nutzlast. (300 kg pro Astronaut und Ausrüstung gerechnet). Anders als das Shuttle soll er nicht 100-mal wiederverwendbar sein. 5-10-malihe Verwendung würden schon 80-90% der Herstellungskosten einsparen, dann dominieren sowieso die Missionskosten.

Was dürfte es kosten? Nehmen wir dieselben Daten wie sie die anderen Transporter aufweisen: Erster Versorgungsflug 2012, dann acht Jahre Einsatz bis 2020. Vier Flüge pro Jahr, die 19,2 t Fracht transportieren und jeweils 4 Astronauten zur ISS, zwei sind Pilot/Kommandant des Shuttles.

Nun die Sitze kosten 63 Millionen pro Person auf der Sojus, dass wären wenn man nur 4 Astronauten pro Flug als neue ISS Besatzung rechnet 1008 Millionen Dollar pro Jahr. Für die 19,2 t Fracht zahlt die NASA OSC und SpaceX 3360 Millionen Dollar. Zusammen also 4368 Millionen Dollar pro Jahr. Bei acht Jahren Einsatz mithin 34944 Millionen Dollar.

Demgegenüber stehen zum einen die Startkosten (32 x 230 Millionen Dollar) und die Entwicklungskosten und die gebauten Gleiter. Nimmt man einen 8-maligen Einsatz pro Gleiter so wären es vier Stück. Wenn jeder 2 Milliarden Dollar kostet so lässt dies noch 19,583 Millionen Dollar für die Entwicklungskosten – es dürfte dafür zu machen sein Hermes war in etwa genauso groß wie dieses Minishuttle, anders als dieses ein Erstwerk für die Europäische Industrie und hätte in der letzten Version 15,8 Milliarden Dollar im Wert von 2012 gekostet /real 7667 Millionen Euro im Wert von 1991).

Das bedeutet, so ein Minishuttle wäre ökonomisch sinnvoll, selbst wenn man nur die Transportkosten betrachtet, doch natürlich kosten auch die derzeitigen Transporter Geld. Das COTS Programm kostete schon 800 Millionen, das CCDev Programm hat schon 2 Milliarden bewilligte Mittel verschlungen und ist noch nicht mal soweit, das das Design abgeschlossen ist. Der Erstflug wird nach 2017 erfolgen und dann sollen zwar die Gefährte billiger als die Sojus sein, doch bis dahin dürften die Entwicklungskosten diese Einsparungen mehr als zunichte machen. Berücksichtigt man dies, so wird es sogar noch attraktiver, genauso wenn wie derzeit vorgesehen der ISS Betrieb weiter verlängert wird. Darüber soll nächstes Jahr entschieden werden.

Selbstverständlich könnte dieses Shuttle auch größere Mengen an Ergebnissen und ausgediente Experimente oder ähnliches zur Erde zurückbringen. Der Nutzlastraum wäre etwa 8 m lang und hätte einen Durchmesser von 2,6 m. Das Volumen entspricht pro Tonne Nutzlast dem der MPLM.

Gegenüber dem Space Shuttle hätte es sogar einen Vorteil: Das Space Shuttle war zu groß für die ISS. Es hätte alleine bei jedem Flug 16 t Nutzlast transportiert, vier Flüge waren vorgesehen um die Besatzung alle 3 Monate auszutauschen, das wären über 60 t Nutzlast pro Jahr. Die ISS hätte so viele Versorgungsgüter gar nicht benötigt. Hier reichen die 3 Flüge aus um die geplanten US-Transporte zu ersetzen und daneben kann ein ATV oder drei Progress entfallen.

Kurzum: es wäre die beste Lösung zumindest unter dem Transport Aspekt. Auch vom Sicherheitsapsekt her gäbe es viele Probleme nicht. Man könnte die Triebwerke nutzen um bei einer Gefahr das Mini-Shuttle von der Trägerrakete zu trennen, diese selbst hat aber nicht so viele Risiken wie das STS (kein Tank mit Schaumstoffbruchstücken, keine SRB, Abschalten ist möglich wenn es einen Defekt gibt und dann ist die Atlas „safe“. Natürlich wird es nie so viel Sicherheit wie eine Kapsel mit dicken Wänden und einem Hitzeschutzschild rundum sowie der Eigenschaft, sich so zu drehen, dass sie den Schutzschild Richtung Plasma dreht aufweisen, doch verglichen mit dem Space Shutle ist es sicherlich erheblich risikoloser.

Was meint ihr zu der Idee?

11 thoughts on “Wenn es nicht ausgemustert wäre, müsste man es erfinden

  1. Das klingt so oberflächlich betrachtet ja ganz nett. Aber die 3,1 meter Rumpfdurchmesser kommen mir irgendwie etwas klein vor; – keine Ahnung, warum.
    Ach ja, und dann frage ich mich, ob die Spannweite für die Nutzlastabdeckung der Rakete nicht zu gross ist? Ansonsten müsste man den Gleiter ohne Nutzlastabdeckung auf die Rakete montieren, so ähnlich, wie es beim Hermes geplant war. Damit handelt man sich aber erhebliche Probleme mit der Aerodynamik ein, insbesondere in den unteren Luftschichten der Atmosphäre, wie mal bei Michael Khan zu lesen war.

  2. Ein solcher Shuttle 2.0 wäre ja nicht einfach eine Verkleinerte Version des ersten Shuttles,und man müsste nicht so sehr auf eine für den Einsatzzweck nutzlose grosse Querreichweite achten, so dass es möglich sein sollte den Gleiter auch in Bezug auf den Aufstieg günstig zu gestalten. Im Prinziü ein Lifting BOdy, das spar Spannweite. So das nicht möglich ist, wäre auch denkbar eine passende Nutzlasthülle zu bauen die den Gleiter umgibt. Die Länge ist kein Problem, die lange Nutzlastverkleidung der Ariane 5 ist heute schon 17 Meter lang und kann per Distanzringen verlängert werden, eine noch Längere ist in Entwicklung. Von der Länge her also kein Problem, schwieriger dürfte die erforderliche Verdopplung des Durchmessers im Vergleich zu den bisherigen sei, will man den Gleiter komplett unterbringen, aber das sollte machbar sein. Der Adapter zur Nutzlasthülle wird halt dann nur relativ schwer sein, und die Atlas sähe in der Konfiguration etwas seltsam aus..als hätte sie einen Wasserkopf
    Nachteil des ganzen: Eine so riesige Nutzlasthülle ist durch ihre schiere Grösse schwer. Also wird man um GFK nicht herumkommen wenn man die Nutzlastverluste nicht zu gross werden lassen (was den Gleiter auch wieder schwerer macht, da er mehr Treibstoff zum anheben seiner Bahn benötigen wird.) Weiterhin muss sie so früh als möglich abgesprengt werden. Einen Weiteren Nachteil sehe ich bei einer Nutzlasthülle das man die bei einer Fehlfunktion der Rakete erst loswerden muss ehe man den Gleiter abtrennen kann- kostet auch Zeit.

  3. Es gibt ja schliesslich das laufende Projekt des Dream Chaser, das aus einem Mini Shuttle besteht, dass an der spitze einer Atlas gestartet werden soll. Im Unterschied zu Bernd’s Vorschlag, transportiert dieses keine Fracht.

  4. Wer sagt denn, das das Ding eine Nutzlasthülle braucht? Nur weil das X-37B in einer verpackt ist muss dem nicht so sein. Hermes sollte ohne Nutzlasthülle szarten. Selbst wenn geht ein ziemliches Gefährt rein. Das CRV zur Rettung der Astroanuten sollte ja in der Shuttle Ladebucht mitfliegen und der hat einen noch kleinen Durchmesser.

  5. Beim Space Shuttle hat es auch ohne Nutzlastabdeckung funktioniert, und das trotz einer unsymetrischen Anordnung. Das Problem sollten also lösbar sein.
    Ob die Preiskalkulation realistisch ist, kann man allerdings erst nach einigen praktischen Einsätzen sagen.

  6. Klingt soweit gut. Allerdings müsste die Sicherheit noch mal genau geprüft werden, speziell der Verzicht auf ein direktes Rettungssystem. Immerhin hat die Atlas V 552 ebenfalls Feststoffbooster, zwar keine so großen wie das Shuttle aber dafür gleich 5 Stück, auch hier dürfte eine Abtrennung in den ersten 2 Minuten (also während der Brennphase der 5 SRBs) recht problematisch sein.

  7. Bei entsprechnder Auslegung hinsichtlich des Schubs kann man die OMS Triebwerke dafür nutzen. Auch bei Hermes war ja geplant mit einem Antrieb an der Basis den ganzen Raumgleiter von der Rakete abzutrennen und die dragon verfolgt ein ähnliches Konzept

  8. Mal eine dumme Frage: Warum nicht einfach die „Dragon“ wiederverwendbar machen? Bremstriebwerke für das weiche Aufsetzen auf Land wiegen selbst inklusive Treibstoff wahrscheinlich weniger als Fahrwerk, Steuerflächen und Hydraulik. Bezüglich praktisch aller anderen Eigenschaften (Aerodynamik beim Start, verfügbares Innenvolumen bei gegebener max. Leermasse, Schutz des Hitzeschutzschilds beim Start etc. pp.) ist eine Kapsel sowieso besser als ein Shuttle.

    M.W. arbeitet SpaceX sowieso bereits an der genannten Erweiterung der Dragon: Die SuperDraeco-Triebwerke sollen sowohl als Notfallrettungssystem als auch zur weichen Landung dienen. Allerdings können sie nicht beides gleichzeitig: Im Fall eines Startabbruchs plumpst Dragon dann am Fallschirm ins Meer. Ansonsten übt SpaceX die Sache mit der weichen Landung auch eifrig mit ihrem „Grasshopper“-Projekt.

    Ob die NASA gut verhandelt hat, sprich, ob die Vorteile aus CRV-Entwicklung auch künftigen CRS-Startkosten zugute kommen, weiß ich natürlich nicht. Je schlechter die NASA verhandelt hat, desto mehr seiner kühnen Visionen kann Musk angehen.

    Kai

  9. „Ein ganz normaler Fallschirm tut es auch“
    Ja, aber das könnte ziemlich hart werden. Die Sojus z.B. hat Bremsraketen, wenn auch nur für das letzte bisschen Geschwindigkeitreduzierung.

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