Mögliche Feststoffboosterverlängerungen beim Space Shuttle

Eine, wenn auch vorhersehbare Tragik des Space Shuttles war, das es anders als alle US-Träger während der 30 Jahre im Einsatz praktisch keine großen Upgrades gab. Die Gründe sind vielfältig. Anfangs waren durchaus Upgrades vorgesehen. Doch nach der Challengerkatastrophe hatte die Sicherheit Vorrang. So entfiel nicht nur die Centaur Oberstufe, sondern es entfielen auch alle Upgradepläne. Daneben ist dies bei einem bemannten Raumfahrzeug jede gravierende Veränderung sowieso schweirig, man kann ja nicht einfach so einen unbemannten Qualifikationsflug einschieben.

Es blieben nur Upgrades der Feststoffbooster. Es war auch eines geplant, nämlich für den operationellen Betrieb der ISS. Dadurch das man sich mit Russland auf eine Bahnneigung von 51,6 Grad geeinigt hatte – vorher war eine viel niedrige Bahnneigung für die US-Station „Freedom“ geplant, sank die Nutzlast des Space Shuttles stark ab. Eine Verlängerung auf 5 Segmente hätte die Nutzlast für die ISS um 9,1 t erhöht, das waren 50 % der Nominalnutzlast für diesen Orbit.

5 Segment SRB setzt auch die SLS ein. Die Ares V sollte 5,5 Segment SRB einsetzen. Eine Verlängerung der Booster ist um je ein halbes Segment möglich. Da ATK Datenblätter für kleinere Versionen der Booster führt, kann man ausrechnen, dass ein Segment die Startmasse um rund 143 t erhöht und die Trockenmasse um 15 t. Ich habe mir die Aufgabe gemacht, die Nutzlasten des Space Shuttles mit verschiedenen Verlängerungen zu berechnen.

Die Simulation des Space Shuttle Aufstiegsprofil ist nicht ganz einfach, weil der Orbiter auf einer suborbitalen Bahn ausgesetzt wird. Dann befinden sich in ihm aber noch Restflüssigkeiten und Gase des ET bzw. für dessen Druckbeaufschlagung. Die werden dann jedoch abgelassen. Es zünden die OMS um den endgültigen Orbit zu erreichen, mindestens einmal um das Apogäum anzuheben, es können je nach Aufstiegsbahn aber auch zwei Zündungen sein.

Das alles zu simulieren wurde mir zu komplex. Ich habe daher eine andere Taktik gewählt. Anstatt den Orbiter und diese komplexe Bahn zu simulieren, berechne ich nur welche Masse die 3 SSME mit dem ET auf eine 150 x 407 km Transferbahn mit einer Bahnneigung von 51,8 Grad abliefern. Diese Bruttomasse enthält dann den Orbiter, OMS-Treibstoff und Nutzlast. Der nun benötigte OMS-Treibstoff ist aufgrund der Geschwindigkeitsänderung von 75 m/s berechenbar, er macht 2,5 % der Gesamtmasse aus. Diesen ziehe ich dann von der Grossmasse ab und erhalte die Bruttomasse für einen 407-km-Orbit. Die Nutzlast für die ISS ist mit 18,2 t bekannt, so kann ich die Orbitermasse bei Erreichen der ISS bestimmen. Und durch Subtraktion dieser erhält man dann die Nettomasse zur ISS. Ich erhalte so eine Orbitermasse von 81,4 t was zu den bekannten Orbitermassen von 78,5 bis 79,2 t passt.

Version Brutto 150 x 407 km Brutto 407 km Netto 407 km
Space Shuttle 102 t 99,4 t 18,2 t
4,5 Segment SRB 112 t 109,2 t 28,1 t
5 Segment SRB 118 t 115,1 t 33,8 t
5,5 Segment SRB 131 t 127,7 t 46,4 t

Ich komme auf sehr hohe Nutzlasten, für den 5 Segment Booster um 15,6 t mehr, nicht nur 9,1 t wie die NASA angibt. Dafür kann es Gründe geben. Zum einen habe ich am SRB nichts außer dem neuen Segment geändert, das heißt auch nichts an der Düse und Bergungssystem. Beides kann Gewicht addieren. Allerdings ist der Einfluss klein – ich errechnet für 5 t mehr Trockengewicht bei den Booster nur eine Nutzlastabnahme von 500 kg bei der 4,5 Segment Version und mehr als 5 t pro Segment werden es nicht sein, denn die Trockenmasse der normalen Booster beträgt, wenn man das Startgewicht auf die Segmente umrechnet, 22 t pro Segment.

Wahrscheinlicher ist, dass die NASA ein anderes Aufstiegsprofil fährt. Wie man an dem Höhendiagramm sieht, ist die für maximale Nutzlast optimierte Aufstiegsbahn bei den Versionen mit höherem Startschub flacher. Ebenso kann es sein, das das Abbrandverhalten verändert wird, um die Brenndauer zu verlängern, sonst würde die Spitzenbeschleunigung auf 46 m/s bei der 5,5 Segmentversion ansteigen. Ein auf Basis der SRB neu designter Booster von ATK hat z.B. 133 anstatt 123 s Brennzeit. Ein Großteil der zusätzlichen Nutzlast beruht aber auf der Reduzierung der Gravitationsverluste:

Version Aufstiegsverluste
Space Shuttle 1906 m/s
4,5 Segment SRB 1757 m/s
5 Segment SRB 1690 m/s
5,5 Segment SRB 1586 m/s

Bei der 5-Segment Version würden die gleichen Aufstiegsverluste, mithin ein ähnliches Aufstiegsprofil z.B. die Differenz in der Nutzlast von 6,5 auf 1,2 t senken. Dafür gibt es Gründe, wie die aerodynamische Belastung des Shuttles.

Daneben gibt es natürlich noch andere Eigenheiten des Space Shuttles, die ich nicht simuliere und die Einflüsse auf die Nutzlast haben, so der variable Schub der Haupttriebwerke. Um Ende der Brennzeit wird der Schub ständig gedrosselt, um eine 3-g-Spitzenbeschleunigung aufrechtzuerhalten. Selbst wenn man dies beibehält, wäre diese Phase bei höherem Gewicht des Space Shuttles mit Nutzlast kürzer und die Höhe der Schubreduktion ebenfalls. Allerdings denke ich, wurde diese 3-g-Kriterium festgesetzt, damit auch nicht ausgebildete Astronauten als Nutzlast- oder Missionsspezialisten mitfliegen können, was bei den ersten Missionen ja auch oft vorkam. Nach dem Challengerunglück waren aber alle Passagiere ausgebildete Astronauten. Diese haben, wenn sie andere Reisemöglichkeiten nehmen – egal ob es Sojus, Starliner oder Dragon sind, heute mit erheblich höheren Beschleunigungen zu tun, die auch die der 5,5 Segmentbooster überschreiten.

Trotzdem gibt es natürlich noch offene Fragen, so ob der Tank die zusätzliche Belastung aushält. Die Schubreduktion erfolgte auch nicht nur spät, sondern auch in der frühen Phase um die aerodynamische Belastung zu senken. Die letzte vollständige Kommunikation mit der Challenger, oft noch zu hören in Dokus war die Ansage von der Missionskontrolle, dass nun die Triebwerke wieder Schub zulegen „Throttle up“ nachdem sie während des Zeitpunkts von Max-Q herunterfuhren.

Eine weitere offene Frage die bei der Nutzlast mitspielt ist, ob die NASA auch von mehr Downmass ausgeht, also auch mehr Masse zurückführen will. Da man rund 5 % der Startmasse als Treibstoff braucht, um den Orbit zu verlassen, bedeuten 10 t mehr Nutzlast 500 kg mehr OMS-Treibstoff. Es dürfte trotzdem genügend OMS Treibstoff geben, um die Missionen durchzuführen.

Oberstufen

Das 5-Segment-Upgrade war ja gedacht, um die Nutzlast für die ISS zu erhöhen. Ganz weggefallen ist nach der Challengerkatastrophe die Entwicklung von Oberstufen. Da Wasserstoff/Sauerstoff als zu riskant galt, bleiben eigentlich nur noch lagerfähige Treibstoffe – Sauerstoff/Kerosin wäre auch denkbar, bietet aber wenige Vorteile und Sauerstoff ist zwar nicht so flüchtig wie Wasserstoff, aber würde auch eine aufwendige Isolierung benötigen.

Meiner Meinung nach hatte ie NASA aber tatsächlich eine Alternative untersucht, die gut geeignet war. Das war eine Agena-Version für den Space Shuttle. Die Agena ist eine der ältesten Oberstufen und sie lief Mitte der Achtziger aus. Verglichen mit den anderen Stufen mit lagerfähigen Treibstoffen wie der Transtage oder Delta hat sie aber einen Vorteil: Ihr Triebwerk hat eine Turbopumpe. Damit liefert es mehr Schub als ein AJ-10 und vor allem benötigt man keine Tanks, die hohen Druck aushalten, weil der Treibstoff durch Druckgasförderung ins Triebwerk gelangt. Das senkt die Leermasse deutlich ab, wichtig wenn man vom LEO in den GEO möchte oder gar zu den Planeten.

Die neue Agena wäre auf NTO/MMH als Treibstoffe umgestellt worden, hätte ein neues Triebwerk mit großer Expansionsdüse erhalten. Zwei Versionen waren gedacht. Die eine war eine Standard-Agena von 1,54 m Durchmesser, nur modernisiert. Sie hätte für GTO-Missionen ausgereicht. Die Zweite hätte zwei Zusatztanks erhalten, die dann die Stufe einfach verbreitern. Sie wäre für GEO- und Planetenmissionen eingesetzt worden und 27.5 t gewogen – damals (1973) plante man noch Shuttle Upgrades, welche mehr als die nominellen 29,5 t Nutzlast erbringen würden. Diese Agena hätte man mit einem Nutzlast Upgrade einführen können. Sie sollte 6 t in den GEO (zum Vergleich: IUS: 2,3 t) bringen, noch etwas mehr zum Mars. Der Vorteil wäre eine für lagerfähige Treibstoffe hohe Nutzlast gewesen, zudem wäre die Version mit Zusatztanks auch kompakt gewesen. Allerdings gab es nur wenige Nutzlasten, die diese Stufe erfordert hätten und die normale Version hatte den Nachteil das sie lang, aber nur 1,54 m Durchmesser hatte. Eine Neukonstruktion, die kürzer ist, aber den Nutzlastraum in der Höhe voll ausnützt wäre bei kleineren und mittelschweren Satelliten und Raumsonden wohl besser gewesen. Das hätte dann gemische Missionen wie das Aussetzen eines Satelliten mit der Agena und der Transport von Fracht oder eines Spacelabs zugelassen, oder eben mehrere Satelliten auf einmal, aber auch Satellitentransporte hatte die NASA nach Challenger ja weitestgehend eingestellt.

10 thoughts on “Mögliche Feststoffboosterverlängerungen beim Space Shuttle

  1. Finde solche Artikel eigentlich immer etwas traurig. Hier sieht man immer wie viel Potential das Space Shuttle mit ein paar im Vergleich zur eigentlichen Space Shuttle Entwicklung einfachen Updates gehabt hätte.
    Mit ein paar solchen Updates (du hast ja schon andere Artikel mit Möglichkeiten der Space Shuttle Nutzlast Steigerung veröffentlicht) wäre beim ISS Aufbau nicht mehr das Problem gewesen das man die Module der ISS mit dem Space Shuttle nur teilweise ausgestattet starten kann sondern eher wie Schaffe ich es die Nutzlast überhaupt auszunutzen.

    1. Wenn ich mich richtig erinnere war das Shuttle eine eierlegende Wollmilchsau die alles Mögliche konnte aber nichts davon gut.
      Das einzige was nur das Shuttle konnte waren die Hubble Reparaturen und das einfangen und zurückbringen von Satelliten. Was die Sowjets ziemlich nervös machte.
      Kein Update konnte verhindern, dass die Erwartungen an das Shuttle nicht erfüllt wurden.
      Es einzustellen war die richtige Entscheidung auch wenn einige hinterhertrauern.

      1. Ich hielt / halte die Beendigung des Shuttelprogramms damals wie heute für falsch.

        Damals, weil es überhaupt keine ernsthafte Nachfolge gab. Nur einige Ideen, die noch mit reichlich politischem Konfliktpotential behaftet waren. Es war klar, dass eine Entwicklung von was auch immer ewig dauern und vergleichsweise teuer würde. Spätestens als man nahezu alle beteiligten Mitarbeiter mitsamt ihrem know how gefeuert hatte.
        Alle Unkenrufe von damals sind eingetroffen.

        Heute, weil klar geworden ist, dass trotz riesigem monetärem Aufwand viele Jahre kein wirklicher Fortschritt stattgefunden hat (den das Shutttleprogramm nicht direkt auch selbst hätte bringen können) und auch noch die nächsten 10 Jahre nicht stattfinden wird.

        Mit dem (finanziellen) Aufwand, den man mittlerweile in die Nachfolger gesteckt hat, hätte man das Programm auch weiter betreiben und alle paar Jahre einen neuen Shuttle mit dann modernster Technik nachschieben können, welcher ein dann 30 Jahre altes Modell ersetzt.
        Darunter auch die reine Cargo-Version (quasi die große Schwester der heutigen X-37) oder gestreckter Haupttank, größere Booster, vielleicht sogar mit Flüssigtriebwerken, wie sie jetzt ja auch für die SLS-Zukunft angedacht sind.
        Oder vollautomatische Missionen ohne Besatzung.
        Vielleicht hätte man sogar eine Wiederverwendbarkeit des zentralen Tanks hinbekommen? Was SpaceX heute macht, war damals zwar undenkbar, aber wer weiss, was ohne die diversen Animositäten von Politikern etc., alles an Innovationen im Laufe der Zeit noch möglich geworden wäre.

        Etwas vereinfacht:
        Man hätte schon damals den Tank verlängern und unten ein paar (Wegwerf-)Triebwerke anschrauben können. Die Booster könnten überflüssig, oder zumindest optional sein. Mit Flüssigkeitstriebwerken, statt Feuerwerksraketen.
        Mit heutigem Wissen: mit Rückflugmöglichkeit zum Start, statt sie aus dem Mehr zu fischen und dann quasi doch zu verschrotten…

        Mal unabhängig vom Ego des E. Musk:
        der inkrementelle Ansatz von SpaceX hat schon was! Bei jedem Flug eine Kleinigkeit verbessern, Zug um Zug auch mal größere Module austauschen, so dass man nach 10 oder 20 Jahren ein runderneuertes deutlich leistungsfähigeres System hat.
        Stattdess immer wieder alles wegwerfen, wenn es denn endlich mal sauber funktioniert (auch aus den Desastern hat man ja gelernt) und wieder ganz von vorn begonnen…

        Die Europäer sind da nicht viel besser, aber zusätzlich durch ihre Vielstaaterei gehemmt.
        Die Russen hatten einfach nicht genug Geld und nebenbei ist ihnen ihr Staat(enbund) unter den Füssen auseinandergefallen.
        Japaner und Inder bescheiden sich mit Satelliten und Zubringerdiensten.

        Einzig die Chinesen scheinen eine wirklich großen Langzeitplan zu haben und diesen langsam, aber sicher zu verfolgen. Egal, welcher Präsident gerade ganz oben steht. Sie haben ja auch keine andere Chance, da die anderen sie nicht wirklich mitspielen lassen. (aus durchaus guten Gründen, aber das ist eine andere Geschichte)

        1. Das Space Shuttle wurde ausgemustert als das fertiggestellt wurde wofür sie gebaut wurden – die Versorgung einer Raumstation. Würde heute die NASA die vier Routineflüge zur ISS, die geplant waren durch Fracht- und Mannschaftstransporter ersetzen so wäre das teurer als die Space Shuttle, weil die Transporter jeweils verloren gehen. Allerdings nur bei gleicher Kapazität, denn so viel wie die Shuttles transportieren können braucht man in der Praxis nicht (die Shuttles waren als Stationsversorger 1969 ja auch mal kleiner geplant mit nur 12 anstat 30 t Nutzlast).

          Zum ET ist ganz einfach zu sagen das er das billigste an einem Flug ist und sich die Wiederverwendung nicht lohnt, vor allem weil jedes Zusatzgewicht dafür 1:1 von der Nutzlast abgeht. Das Problem das Space Shuttle waren nicht die Kosten einer Mission, es waren die Fixkosten die 2/3 der jährlichen Kosten ausmachten.

          1. Mal so ne Frage Fixkostentechnisch.
            Wie sind die Fixkosten Dan eigentlich bei der SLS?
            Hardwaremäßig ist die SLS ja dem Space Shuttle sehr ähnlich bzw. eigentlich das gleiche nur ohne Wiederverwendung nur fliegt es ja viel seltener wen man sich die aktuellen Pläne anschaut.
            Das einzige was bei der SLS nicht an Fixkosten änfällt ist die Orbiterwartung dafür muss man aber für Jeden Flug neue Triebwerke und Booster nehmen.
            Da werden beim SLS die Fixkosten wahrscheinlich auf ähnlichem nivo sein und Pro Flug wahrscheinlich noch höher oder Irre ich mich da?

          2. Die Kosten der SLS sind nicht veröffentlicht, so weiß man auch nichts über die Fixkosten.

            Auch beim Space Shuttle rutschte das nur raus wenn es kritik gab, so bei einer Senatsanhörung warum die Flüge zur ISS so billig seien und wie das mit dem Gesamtbudget dees Shuttles zusammenhing bzw. als es den Vorschlag gab als nach STS-107 alle Flüge klappen den Ausstieg wieder zu kippen und ein Manager vorrechnete, das ohne Flug das Shuttle pro Monat 200 Millionen kostet und man Jahre bräuchte das Programm neu zu starten.

            Über Finanzen reden Raumfahrtagenturen nur wenn sie günstig aussehen.

          3. Die Wiederverwertung bezog ich auf die Booster. So, wie bei der F9-Heavy oder Energija.
            Den Tank ist so weit und hoch geflogen, dass der wohl die Belastungen beim Wiedereintritt nicht überstanden hätte. Das riesige Ding hätte so viele Verstärkungen / Triebwerke, etc gebraucht, dass die Nutzlast wohl komplett hätte entfallen müssen.

            Gäbe es die Shuttles noch, würde man auch passende Nutzlasten finden. Möglich wäre z. B. auch, einen Teil der Nutzlast in Form von zusätzlichen Treibstofftanks mitzuführen und damit die ISS zu beschleunigen, statt dazu die Progress-Transporter oder ATV zu benötigen.
            Oder gößere Teleskope (Hubble-Nachfolger) zu starten / warten.
            Das man das mitführen von Zusatzstufen in der Ladebucht aufgegeben hat, muss ja nicht das letzte Wort geblieben sein.
            Mit zusätzlichen Tanks wären auch längere Flüge oder höhere Umlaufbahnen möglich gewesen.

            Viele Möglichkeiten, alles eingestampft.

            Die von mir angesprochenen Nachfolger und Weiterentwicklungen hätten ja auch dem Bedarf entsprechend kleiner ausfallen können. Vielleicht nicht gleich so klein wie die X-37, aber eben mit den häufiger gewünschten 10 to Nutzlast…

        2. @HansSpace: „Mal unabhängig vom Ego des E. Musk:
          der inkrementelle Ansatz von SpaceX hat schon was! Bei jedem Flug eine Kleinigkeit verbessern, Zug um Zug auch mal größere Module austauschen, so dass man nach 10 oder 20 Jahren ein runderneuertes deutlich leistungsfähigeres System hat.
          Stattdess immer wieder alles wegwerfen, wenn es denn endlich mal sauber funktioniert (auch aus den Desastern hat man ja gelernt) und wieder ganz von vorn begonnen…“

          Den inkrementellen Ansatz kann man machen; es ist halt eine Philosophiefrage. SES Astra war zumindest mal genau gegensätzlich; da kam bei Auslieferung eine Kernfrage: „Did you change anything?“ Wenn man das verneinen konnte, war das Teil akzeptiert, wehe man hat was modifiziert, dann ging die Arbeit erst los: Qualifikation, Begründungen, Nachweise etc.

          Interessant im Zusammenhang mit Space-X und Deiner Aussage „alles wegwerfen und ganz von vorn beginnen“: Das ist ja lustigerweise genau das, was Space-X jetzt mit dem Starship etc (oder wie die Teile gerade aktuell genannt werden) macht.

          1. @Anja
            Das Starship und das ganze drumherum ist sicherlich „alles neu“.
            Allerdings werfen sie nicht alles vorhandene weg!
            Die Aussage ist, dass die F9 „ausentwickelt“ ist. An diesem Produkt ist nicht mehr viel zu verbessern. Die 1. Stufe landet schon ziemlich sicher und wird öfters erneut genutzt. Auch die neuen Dragon-Kapseln sind mehrfach verwendbar. Sogar das Einfangen der Nutzlastverkleidung klappt mittlerweile.
            Lediglich eine Bergung / Wiederverwendung der 2. Stufe musste man aufgeben. Da hat man wohl eingesehen, dass die aktuelle Konstruktion auch mit vertretbaren Verbesserungen eine Landung schlicht nicht überleben würde.

            Diese Fassung der F9 wird nun solange gebaut und gestartet, wie sie jemand haben will.
            Wobei da noch nicht das letzte Wort gesprochen wurde. An den Verkleidungen bastelt man ja wohl noch weiter (Größe, Fähigkeit zur Landung)

            Sie wird nicht einfach vom Markt genommen, nur weil es jetzt ein Starship gibt (oder bald geben soll)

            Die Nasa hat die Shuttles eingemottet, ohne einen realen Plan für bessere(!) Nachfolger in der Mache zu haben. Insbesondere der Nahtlose Übergang von einem Programm zu nächsten fehlt. Die jahrelange Lücke wird es so bei SpaceX oder auch bei ULA und Ariane mit ihren jeweiligen Neuentwicklungen beim Übergang nicht geben.

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