Eine dritte Stufe für die Falcon 9

Hier mal wieder ein Beitrag für die Rubrik „wir können es besser“. Vergleicht man bei GTO-Missionen mit der Falcon 9 das Gewicht der zweiten Stufe mit der Nutzlast, fällt ein recht großes Mißverhältnis auf. Die Stufe wiegt fast 20 mal soviel wie die Nutzlast, und selbst die Leermasse ist größer als die Nutzlast. Bei einer Wiederverwendung der ersten Stufe und Musks Ankündigung, die Treibstoffmenge der Oberstufe um 10% zu erhöhen, werden diese Werte noch schlechter. Vergleichen wir mal mit anderen Raketen, die ähnliche Nutzlasten in den GTO bringen:

  • Zenit – 3 Stufen, gleicher Treibstoff wie die Falcon.
    Atlas 5 und Delta 4 – 2 Stufen, aber Wasserstoff als Brennstoff in der Oberstufe.

Diese drei Typen haben eins gemeinsam: Die letzte Stufe wiegt um die 20 Tonnen, und nicht knapp 100 wie bei der Falcon. Was bedeutet, daß wesentlich weniger Leermasse auf die Endgeschwindigkeit zu bringen ist. Hier das Verhältnis Startmasse /Nutzlast:

Falcon 9	101,86
Zenit 3 SL	78,52
Atlas 5		67,33
Delta 4		60,139

Es ist also deutlich zu sehen, daß mit hochenergetischem Treibstoff oder einer dritten Stufe die Leistungsfähigkeit der Rakete zunimmt. Was würde eine dritte Stufe für die Falcon 9 bringen? Wenn man nicht wie Elon Musk alles selber bauen will, bietet sich an dafür die schon existierenden Oberstufen von Atlas oder Delta zu verwenden.
Ich hab das mal durchgerechnet mit 2,5 Tonnen Zusatzgewicht für die zweite Stufe. (Für Stufenadapter und strukturverstärkung, immerhin muß die Stufe eine deutlich größere Last tragen)

Oberstufe Atlas 5		10,66t
Oberstufe Delta (4m-Version)	10,19t
Oberstufe Delta (5m-Version)	10,65t

Bei allen drei Varianten steigt die GTO-Nutzlast auf mehr als das Doppelte. Solange die zusätzliche Stufe nicht mehr als eine komplette Falcon 9 kostet, sollte es sich also finanziell lohnen. Ob das aber jemals realisiert wird ist eine andere Frage.

11 thoughts on “Eine dritte Stufe für die Falcon 9

  1. Also das mit den Faktoren habe ich nicht ganz verstanden. Der erhöhte Schub der neuen Merlin !D würde ja eine dritte Stufe erlauben, ohne dass man Treibstoff bei den unteren weglassen müsste, was sonst nötig wäre, denn viel Schubüberschuss hat die Falcon 9 nicht.

    Aber so was hat man für damals noch übliche Falcon 9 schon 2011 durchgerechnet:
    http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2011/07/15/raketen-die-s-geben-konnte-die-falcon-9-centaur-und-taurus-ii-centaur/

  2. Hallo Joachim, Gratulation zum ersten Gastbeitrag mit eigenem Zugang, die Schar der Gastautoren wird langsam aber stetig größer. Für eine Realisierung deiner Idee müsste Musk aber über seinen eigenen Schatten springen, weil er dann ja Teile von den etablierten Herstellern in seiner reolutionären Epochenumbruchsrakete zu finden wären.

    Ps: Von mir kam und kommt wahrscheinlich erstmal nichts, ich hätte zwar Themen aber irgendwie bin ich gerade in einem Motivationsloch. Ich bewundere Bernd echt wie er konstant die Motivation aufrechterhält.

    Viele Grüße
    Niels

  3. @Niels
    Wie ich selbst schon im letzten Beitrag geschrieben habe, gibt es auch bei mir ein Motivationsloch und die Beiträge sind ja auch deutlich weniger geworden

    @Elendsoft
    Heute kommt dann noch eine Idee von mir für eine Oberstufe nur aus SpaceX-Teilen

  4. Ach da gibt es einige Gründe – die aber immer wieder aufs selbe hinaus laufen: Es passt nicht in Elons Konzept (wobei sich das ja auch quartalsweise ändern kann):

    – Man will alles selber machen. Sich da in Bezug auf eine komplette Oberstufe in Abhängigkeit von anderen (einen Konkurenten) zu begeben ist da ein nogo.

    – F9 macht auch so gute Gewinne. Das Auftragsbuch ist voll.

    – Elon mag grundsätzlich keine Mehrfachstarts.

    – für höhere Massen in den GTO hat man bald (TM) die Heavy

    – man will möglichst wenig Varianten und lieber mit wenigen möglichst viele Starts absolvieren. Das scheint ökonomischer zu sein.

    – keep it simple: Keine Tiefkühlung des Wasserstoffs mit all seinen schwierigkeiten. Grundsätzlich nur ein Triebwerkstyp und Treibstoff pro Träger. … Das gilt sowohl für bau als auch Integration und Start des Trägers.

    – last but not least: F9 ist eh nur ein Übergangsträger bis ein neuer mit Raptortriebwerk entwickelt wird.

    Selbe gilt ja auch für die F9H: Auch die könnte man an etlichen stellen verbessern. CrossFeed, Core der 1. Stufe länger als die Booster bauen…

    just my 2 ct

  5. Interessant wäre eine kleine Oberstufe die unter der Nutzlastverkleidung integriert wird. Das hätte dann kaum einen Unterschied zur zweistufigen Falcon bei der Integration des Trägers. Sowas in der Art wie ne Breeze von den Russen. Entweder mit lagerfähigen Treibstoffen, dann könnte die Stufe schon betankt zusammen mit der Nutzlast integriert werden. Oder vielleicht eine Kerosinstufe mit dem Kestrel. Das wäre imho auch eher realistisch weil alles von SpaceX kommen würde und sich der Aufwand in Grenzen hält. Ne Centaur halt ich für unrealistisch wegen Firmenpolitik und auch aus technischen Gründen, die Falcon 9 v1.1 ist jetzt schon ziemlich lang, die Centaur würde da noch ein paar Meter aufbauen.

  6. Eine Breeze würde durchaus passen. Aber bei dem Rummel um Ersatz des RD-180 und die Ukraine-Kriese wird das schon aus politischen Gründen nichts.
    Denkbar wäre auch die Verwendung von Feststoff-Boostern. Dadurch kommt wenigstens eine halbe Stufe dazu, was sich auf die GTO-Nutzlast auch günstig auswirkt. Und durch eine variable Boosterzahl läßt sich die Rakete besser an die jeweilige Nutzlast anpassen. Nur müßten die auch wieder eigekauft werden. Und um die selbst zu entwickeln und zu bauen fehlen der Wille und das Geld.

  7. Ich hab mich mal mit Bernds Excelsheet zur Ziolkovskigleichung rumgespielt. Davon ausgehend dass die Falcon 9 v1.1 in der jetzigen Konfiguration 4.800 kg in einen GTO schafft nimmt man eine Stufe die ähnlich der Fregat aufgebaut ist, also 1,5m bis 2m hoch, das passt noch locker unter die Nutzlastverkleidung, eine etwas bessere Werte Voll/Leermasse von 7.000 kg zu 1.000 kg und ein Triebwerk mit 3.200 m/s dann komme ich auf 6.500 kg. Ich denke so eine Oberstufe könnte mit vertretbaren Aufwand und komplett „in house“ bei SpaceX entwickelt und gebaut werden. Triebwerk wäre ein Kestrel oder ein auf dem Superdraco basierndes hypergoles Oberstufentriebwerk.

    Dass sich SpaceX dirket in Russland bedient und sich ne fertige Fregat oder Breeze-M liefern lässt ist wie du sagst aufgrund der Lage jetzt und der allgemeinen Firmenpolitik eher unrealistisch.

  8. Offtopic: Warum nimmt die Kommentarfunktion meinen Beitrag unter Bernds Blog zur Falcon 9 Drittstufe nicht? hab schon zwei mal meinen Kommentar getippt und gesendet und jedes mal ist der weg wenn ich aktualisiere?

  9. Auch mein Favorit wäre eine Oberstufe basierend auf dem Kestrel. Immerhin hatte SpaceX das Triebwerk schonmal im Einsatz, sogar auf einer eigenen Stufe. Klar wäre die Oberstufe dann mit 31 kN etwas schwachbrüstig, aber das ist bei Arianespace ja auch nicht besser. Aber es wäre eben auch ein zusätzliches Triebwerk und eine zusätzliche Stufe, und widerspräche damit SpaceX-Prinzip, die Zahl der unterschiedlichen Systeme und Komponenten zu reduzieren.

    Im Falle von der Falcon Heavy baut SpaceX wahrscheinlich eher Crossfeeds ein, um faktisch auf drei Stufen zu kommen, als eine seperate Oberstufe.

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