Probleme beim Crossfeeding

Immer mal wieder wird von den Herstellern Cross-Feeding als Möglichkeit zur Leistungssteigerung von Trägerraketen genannt. Wenn es aber um eine Realisierung geht, wird ganz schnell wieder zurückgerudert. Dabei ist die Treibstoffversorgung aus abwerfbaren Tanks schon lange üblich. Siehe Space Shuttle oder Breeze.

Das erste Problem ist, das der Treibstoff aus den Boostern gleichschnell verbraucht werden muss, damit der ganze Spaß nicht aus dem Gleichgewicht kommt. Bei der einfachsten Variante, einem gemeinsamen Leitungssystem, kommt es dann aber zu Problemen: Der Treibstoff fließt nicht nur zum Triebwerk, sondern sammelt sich auch in dem Tank, der am weitesten unten liegt. Günstig sind dann Raketen mit nur zwei Boostern, wie Delta 4 Heavy oder F9H. Da liegen sämtliche Tanks auf einer Linie. Beim Neigen kann dann die Rakete so gedreht werden, dass die Tanks immer auf gleicher Höhe liegen.

Bei mehr als zwei Boostern wie bei der Angara 5 kann man aber drehen wie man will, man bekommt bei geneigter Rakete nie alle Tanks auf gleiche Höhe. Dann ist ein gemeinsames Leitungssystem nicht möglich. Theoretisch könnte man auch bei der Angara 5 alle Stufen auf einer Linie anordnen. Dazu müssten zwei Booster statt an der Zentralstufe an den anderen beiden Boostern montiert werden. Was mechanisch aber recht ungünstig wäre. Die inneren Booster müssten dann auch noch die Kräfte von den äußeren Boostern auf die Zentralstufe übertragen. Die dafür verstärkte Struktur bringt dann zusätzliches Gewicht, so dass sich der Spaß eher nicht lohnt. Von den dazu nötigen Umbauten am Startkomplex ganz zu schweigen.

Einen Ausweg bieten Raketen mit mehreren Triebwerken wie die F9 oder Electron. Hier kann jedem Booster ein Triebwerk oder eine Gruppe von Triebwerken zugeordnet werden. Lässt sich die Anzahl der Triebwerke nicht glatt durch die Zahl der Booster teilen, kann das „unpassende“ Triebwerk schon beim Start aus der Zentralstufe versorgt werden.

Bei der F9H könnte dann jeder Booster 4 Triebwerke der Zentralstufe versorgen, und das 9. läuft mit Sprit aus dem eigenen Tank. Eine andere Möglichkeit ist die Aufteilung in drei Dreiergruppen. Bei zwei Boostern müssen dann eben drei Triebwerke mit eigenen Sprit laufen. Dafür ist dann eine Super Heavy mit drei Boostern möglich, bei der das Cross Feeding voll ausgereizt wird. Ob das bei der großen Triebwerkszahl sinnvoll ist, kann man sich allerdings streiten.

Denkbar wäre in der Zentralstufe auch ein Triebwerk mit mehreren Turbopumpen. Jede würde dann den Treibstoff aus einem Booster holen. Das wäre aber teurer, schwerer und weniger zuverlässig. Deshalb wurde so ein Triebwerk noch niemals gebaut. Und nur für die Zentralstufe eins neu zu entwickeln lohnt sich nicht. Da wäre es sinnvoller, mehrere kleine Triebwerke einzubauen. Besonders wenn es schon welche in der passenden Größe gibt.

Eine Alternative zum gemeinsamen Leitungssystem ist das Umpumpen von Treibstoff in die Zentralstufe. Es ist ja üblich, nach einiger Zeit die Triebwerke zu drosseln. Am einfachsten geht das, wenn die Turbopumpe weiter mit voller Leistung läuft, und nur die Zufuhr zur Brennkammer gedrosselt wird. Was nicht vom Triebwerk verbraucht wird fließt dann in die Tanks der Zentralstufe. Ideal ist das nicht, weil für das Triebwerk ein viel höherer Druck gebraucht wird als zum Umpumpen. Einen Haken hat das allerdings: Bei Triebwerke die mit dem Hauptstromverfahren arbeiten, ist das nicht möglich. Dann wäre zum Umpumpen eine extra Turbopumpe nötig. Das bedeutet nicht nur zusätzliches Gewicht, auch zusätzliche Kosten. Und eine Baugruppe mehr, die ausfallen kann. Zum Umpumpen mit niedrigem Druck wird relativ wenig Energie benötigt. Da wären durch Elektromotoren angetriebene Pumpen (wie in der Electron) eine mögliche Alternative.

Daraus folgt, dass die F9H die günstigsten Voraussetzungen für Crossfeeding bietet. Das wurde von Spacex auch mal genannt, in letzter Zeit ist allerdings nichts mehr davon zu hören. Warum sollte man auch die Nutzlast weiter steigern, wenn die schon größer ist als gebraucht wird? International geht ja der Trend eher zu geringerer Nutzlast, wie bei Ariane 6 oder den verkleinerten Proton-Versionen.

6 thoughts on “Probleme beim Crossfeeding

  1. Wie hoch wäre aber der Gewinn durch Cross feeding?
    Hab mir darüber auch schon mal Gedanken gemacht weil ich mir mal Gedanken gemacht habe über den Aufbau einer Raumstation im Mondorbit oder am Erde Mond L2 Punkt als eine Art Infrastruktur im Weltraum wo vom Mond gewonnenes Wasser zur Versorgung und für bemannte und unbemannte Flüge weiter ins All genutzt wird. (entweder aufgespalten mit normalen LOX/Wasserstoff Triebwerke oder man nutzt das Wasser als Arbeitsmedium für ein Plasmatriebwerk) Auf jeden Fall bräuchte man für solch ein Vorhaben sehr leistungsfähige Trägerraketen um das ganze Material hochzuschaffen. Dabei war mein Gedanke eine Träger Familie auf Basis der sich in Entwicklung befindenden Vulcan Rakete von ULA (anfangs noch Falcon 9/Heavy aber aufgrund der zweifelhaftigkeit der Spacex Angaben und der Nutzlastraubenden Bergung der Falcon 9 bin ich Dan auf die Vulcan umgestiegen). Auf jeden Fall habe ich das Dan einmal auf Basis der Vulcan Heavey mit ACES Oberstufe durchgerechnet die ja mit 23000kg in den GTO Angegeben wird davon habe ich Dan in etwa 50000kg LEO abgeleitet (kann man wahrscheinlich eher als Schätzung bezeichnen). Dan habe ich das wieder auf mehrere Varianten mit 4,5 und 7 Eratstufwn hochgerechnet wobei die Zentrale Stufe immer von den Booster mit Treibstoff versorgt wird. Hierbei bin ich auf folgende Werte gekommen.
    Vulcan A4 (eine Zentralstufe 3 Booster jeweils um 120grad versetzt angebracht und ACES Oberstufe) ca. 65000kg LEO
    Vulcan A5 (eine Zentralstufe 4 Booster jeweils um 90grad versetzt angebracht und ACES Oberstufe) ca. 82000kg LEO
    Vulcan A7 (eine Zentralstufe 6 Booster rund um die Zentralstufe angebracht und ACES Oberstufe) Ca. 123000kg LEO

    Sind diese Werte in etwa Realistisch oder habe ich einen Fehler eingebaut?
    Das Cross feeding würde es ermöglichen das diese Bündelungsraketen Dan im Prinzip nicht mehr 2,5 Stufig sind sondern 3 Stufig (die Zentrale Stufe hat nach der Abtrennung ja noch ihren kompletten Treibstoff auch wen sie die ganze Zeit schon brennt was ja auch die gravitationsverluste reduzieren sollte)

    1. Die Daten für die Vulcan sind ebenso spekulativ wie die für die FH. Aus einfachen physikalischen Gründen kann man leicht ableiten das der Vorteil um so größer ist je länger die Brenndauer der Stufen. Da kommt man dann zwangsläufig zur Delta Heavy. Bei der habe ich das für eine GTO-Bahn durchgerechnet und komme zu 2.800 kg mehr, also ein deutliches Plus.

      Der Hauptnachteil ist im Artikel aber nirgendwo erwähnt. Man muss nun ja Leitungen zwischen den Stufen ziehen, die sauber verschließen und durchtrennen wenn die Stufen getrennt werden und sie dürfen nicht reißen und lecken, trotz starker Vibrationen.

      1. In wie weit würden sich Leitungen zwischen den Stufen aus technischer Sicht von der Verbund zwischen dem Space Shuttle Orbiter und dem Ausentank unterscheiden?
        Dort hat man das Prinzip des Treibstoff umpumpens ja schon erfolgreich praktiziert.

        1. Erstens waren es dort nur zwei Leitungen, das Problem verschärft sich mit der Anzahl der Leitungen. Weiterhin hat der Tank keine Triebwerke die auch Trreibstoff verbrauchen. Damit beide Booster gleichzeitig ausgebrannt sind muss immer die gleiche Menge in jeder Stufe verbraucht werden. Das ist aber von vielen Größen abhängig, auch von den Tankleitungslängen und Geometrie.

  2. Deine Argumentation der Schrägstellung ist falsch. Du vergisst das eine Rakete viel Schub entwickelt und die Beschleunigung drückt die Treibstoffe an den Punkt wo die Triebwerke sitzen. Dort ist meist auch die Treibstoffleitung.

    Würde man deiner Argumentation folgen, dann wären bei Oberstufen die ja parallel zur Erdoberfläche ausgerichtet sind man nur die Hälfte des Treibstoffs nutzen, denn dann wäre die Leitung am Tiefsten Punkt des Tanks ja nicht mehr von Flüssigkeit bedeckt.

    1. Beim Start wirken zwei Kräfte: Schub und Gravitation. Wenn die Rakete nicht senkrecht steht, ist die Resultierende immer gegen die Längsachse geneigt.
      Bei einer waagerecht fliegenden Oberstufe wird die Gravitation durch die Fliehkraft mit zunehmender Geschwindigkeit bei zunehmenden Treibstoffverbrauch kompensiert. Gleichzeitig wird die durch das Triebwerk erzeugte Beschleunigung mit steigenden Treibstoffverbrauch größer. Der Einfluss der Erdgravitation geht dann gegen Null.

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