Die SLS mit Zenit Boostern

Ein Beitrag über sowjetische Technik, bei der auch Energija erwähnt wurde brachte mich auf meinen heutigen Blog. Bekanntlicherweise stellten die Booster der Energija (Block A) auch die erste Stufe der Zenit. Nun entwickelt die NASA die SLS und irgendwann sollen auch die Feststoffbooster durch neue Booster ersetzt werden. „Irgendwann“, weil es nach einer Ausschreibung recht still geworden ist und es wohl erst in ferner Zukunft sein wird. Klar neue Booster kosten Geld, doch was wäre, so meine Überlegung, wenn man die Konfiguration der Energija übernimmt und Zenit-Erststufen einführt?

Ich will zuerst mal die politische Seite außen vor lassen und mich auf die Ergebnisse konzentrieren. Eine Zenit-Erststufe wiegt 354 t bei 7259 t Startschub. Das ist ein unziemlicher Schubüberschuss, sodass eine SLS sogar nur mit zwei Boostern abheben könnte. Wegen der geringeren Masse wird man eine höhere Nutzlast als mit den SRB aber erst bei vier Boostern erreichen. Prinzipiell könnte man natürlich mehr vorsehen – das Maximum, diktiert durch die Geometrie wären 9 Booster, aber ich gehe davon aus das man bei der SLS nur links und rechts im 180 Grad Winkel Booster anbringt, um die Shuttle-Startanlagen inklusive des Starttischs weiterzuverwenden und der hat eben links und rechts Öffnungen für die SRB. Vier Booster gehen trotzdem, wenn man wie bei der Energija sie direkt nebeneinander montiert und die Triebwerke beim Start zur Öffnung des Starttischs orientiert.

Übernimmt man die technischen Daten der Zenit-Erststufe, so kommt eine SLS mit zwei Boostern und IPCS Oberstufe auf 60 t in den LEO und 21 t zum Mond. Die Lösung mit den SRB kommt in meiner Simulation auf 93 t in den LEO und 28 t auf eine Fluchtbahn. Das wäre so keine Alternative zur heutigen SLS, sofern deren Nutzlast voll gefordert ist, aber vielleicht wenn man sie nicht voll benötigt, z.B. für Europa Clipper.

Mit vier Block A ist deren Startmasse zwar immer noch kleiner als bei den SRB, aber durch die niedrigere Leermasse und den höheren spezifischen Impuls ist deren Leistung höher, auch der Startschub ist gemessen an dem geringeren Gewicht höher. Mit vier Block A kommt diese SLS ohne Oberstufe auf 125 t in den LEO und mit IPCS auf 39 t zum Mond, also in etwa die Anforderung der NASA an die EUS (auch wenn ich etwas höhere Nutzlasten für die EUS errechne, aber die entsprechenden NASA-Dokumente weisen auch „mindestens 39 t“ aus. Mit der EUS habe ich nichts durchgerechnet, weil deren Daten derzeit nur geschätzt werden können, zudem ergibt sich wie ich ja errechnet habe mit den Block A gar nicht mehr die Nötigkeit sie zu entwickeln.

Ja aber …

Wird der geneigte und gut informierte Blogleser nun sagen, und bevor sie einen Kommentar absetzen, der so in etwa lautet „Die USA wollen aber keine russischen Triebwerke und mustern gerade das RD-181 aus“. Ja sie haben recht. Die Stufe wird zwar in der Ukraine gefertigt, aber die Triebwerke stammen von Energomasch in Russland. Die Herkunft aus der Ukraine scheint kein politisches Problem darzustellen, denn die erste Stufe der Antares wird vom selben Unternehmen gefertigt und ist eigentlich eine gekürzte Zenit-Erststufe. Ich hätte noch einen zweiten Einwand. Es gab einige Fehlstarts der Zenit die auf die Triebwerke zurückzuführen waren, der spektakulärste wohl der einer Sealaunch Zenit die am 30.1.2007 abhob und wieder herunterfiel und explodierte vor 13 Jahren. Die RD-170/1 scheinen wohl nicht so zuverlässig zu sein, anders als die RD-181 als Version für die Atlas mit nur zwei Brennkammern.

Es gilt also die Rakete zu „amerikanisieren“, das macht es auch der NASA schmackhafter die Stufe einzusetzen. Ich sehe vier mögliche US-Triebwerke die man einsetzen könnte:

  • F-1B, ein Nachbau des F-1A der Saturn V
  • AR-1: ein für die Vulkan entwickeltes Triebwerk das Kerosin/LOX verbrennt, unterlag aber dem BE-4
  • BE-4: LOX/LNG Triebwerk für die Vulkan und New Glenn
  • Raptor: LOX/LNG Triebwerk für die BFR

Das F-1B wäre das einzige Triebwerk mit einem gleichgroßen oder höheren Schub als die RD-170/171. Man benötigt also nur eines. Dafür ist der spezifische Impuls etwas kleiner. Sein wesentlicher Vorteil ist das es ausgereift und erprobt ist. Vom F-1A unterscheidet sich das F-.1B das Dyntex das Triebwerk vereinfacht und dafür etwas auf Leistung verzichtet, so entfällt die Düsenverlängerung des F-1, die Zahl der Kühlröhren wurde reduziert.

Das AR-1 würde ich aussortieren, da es nicht zu Ende entwickelt wurde und sonst in keinem Träger zum Einsatz kommt. Es bietet auch keinerlei Vorteile gegenüber dem BE-4 und Raptor.

BE-4 und Raptor verbrennen Methan. Das bedeutet, dass weitere Änderungen an der Stufe nötig sind. Die Tanks haben eine andere Länge als bei der Zenit und wenn man nicht eine kleinere Stufe haben will, muss man den Methantank verlängern, weil Methan nur die halbe Dichte von Kerosin hat und den Sauerstofftank leicht kürzen.SpaceX reklamiert etwas höhere Werte für den spezifischen Impuls als in der Literatur angegeben, doch dürften die nur für die Vakuumversion gelten, die hier nicht einsetzbar ist, wenn sie nicht Wunschdenken sind. Beim BE-4 finde ich dagegen die 334 s zu niedrig und würde eher auf 360 s tippen. Beim Schub sind beide Triebwerke gleich hoch. Man benötigt mindestens drei, eher vier Triebwerke, um ein RD-170 zu ersetzen.

Will man möglichst schnell eine erprobte Stufe so würde man auf das F-1B setzen, es ist die Option mit den wenigsten Änderungen am Restsystem und das Triebwerk muss keine weitere Qualifikation für bemannte Starts durchlaufen.

Mit dem F-1B sinkt bei gleicher Startmasse der Booster die Nutzlast mit der IPCS zum Mond von 39 auf 35 t ab. Allerdings würde der um 800 kN höhere Schub auch eine Verlängerung der Booster um 60 t pro Stück zulassen, dann kommt man wieder auf die 39 t auf die Mondtransferbahn. In jedem Falle liegt es höher als mit den Shuttle SRB.

Drei BE-4 haben einen etwas geringeren Schub als das RD-171. Der spezifische Impuls ist nicht bekannt. Mit 334 s, einem Wert, der geschätzt wird, ist er aber fast genauso hoch wie beim RD-171, daher auch die Nutzlast gleich hoch. Aus geometrischen Gründen würde man wohl eher vier Triebwerke einsetzen. Da man sowieso die Tankaufteilung für Methan ändern muss, bietet es sich an die 2400 kN Mehrschub für eine Verlängerung um 200 t auf 550 t Startmasse zu nutzen. Dann käme man auf 52 t Nutzlast zum Mond bei vier Boostern. Mit höherem spezifischen Impuls wie ich annehme sogar noch mehr. Die Raptors habe ich außen vorgelassen, da sich monatlich die technischen Daten (zumindest die spärlichen veröffentlichten) ändern. Sollte SpaceX den reklamieren Wert von 380 s für den spezifischen Impuls erreichen, dann wäre bei gleichem Schub wie die BE-4 die Nutzlast nochmals etwas höher.

Fazit

Mit vier BE-4, eine auf 550 t Startmasse verlängerte Stufe würde man deutlich über 50 t Nutzlast kommen, mithin über 10 t mehr als die EUS bringen sollte, wobei diese, wenn sie eingesetzt wird, ja noch weitere Nutzlaststeigerungen bringt. Das wäre also wenn die Kosten beherrschbar bleiben attraktiv. Die Kostenfrage ist wohl auch der Grund, warum man die Stufe in der Ukraine bauen lassen sollte, denn nicht umsonst hat Grumman/ATK den Auftrag an Juschnoje vergeben und nicht die Stufe selbst gebaut. Es wird natürlich nicht dazu kommen, dazu steckt zu viel Prestige in der SLS, aber es gibt einen Anhaltspunkt, was mit dann US-gefertigten Boostern möglich ist.

9 thoughts on “Die SLS mit Zenit Boostern

  1. 10 Jahre verschenkt!
    Vor etwa 10 Jahren ja bereits Booster mit flüssigen Brennstoffen geplant. NASA ließ dafür sogar an der F1B entwickeln, Projekt Pyrios. Dass es funktioniert beweist China mit der Long March 5, die aus dem Stegreif ebenfalls RP-1 Booster verwendet. Aber sehr interessant, dass die BE-4 Variante die höchste Nutzlast bringt. Ich wette für Blue Origin würde ein Anruf und ein Scheck genügen, und sie würden es wohl technisch auch hinkriegen.

    Die SRBs vom Shuttle weiterzuverwenden ist damit ein weiterer Knüppel, der dem SLS Programm zwischen die Beine geworfen wurde und der wieder einmal politische anstatt nicht technische Gründe hatte.

    1. Sie haben eine sehr komische Vorstellung von den Abläufen und der Technik zu haben. Tatsache ist das die NASA kein F-1B entwickelt hat, sondern das F-1A. Das F-1B ist ein Vorschlag von Dynetix für Flüssigbooster.

      Die Booster der Langen Marsch 5 haben durchaus Probleme wie man an dem Fehlstart und wenigen bisher durchgeführten Starts sieht und das Triebwerk ist auch nicht neu, sondern das der Zenit-Zweitstufe angepasst auf den betrieb auf Meereshöhe.

      Bei ansonsten gleichen Parametern ist es logisch das das Triebwerk mit dem höchsten spez. Impuls die höchste Nutzlast bringt, das ist nicht überraschend sondern so logisch wie Wasser immer bergab und nie bergauf fliesst.

      Mit Schecks läuft es nicht mal beim „Commerical Programm“, selbst da will die NASA eng in alles eingebunden sein und bei der SLS als Prestigeprojekt wird man diesen Weg nicht gehen.

      Die SRB waren auch bei der Ares vorgesehen und bei der Finanzierung der SLS auch das einzige was möglich war. Nur Politiker meinen wenn sie ankündigen das man bis 2024 auf dem Mond landet und sie kein Geld ausgeben, das dann auch so passiert. Nun ja nicht alle Politiker, nur die dümmsten ….

  2. negatieve Sichtweise:
    In der Relität ist es nicht so einfach Booster zu Bündeln.
    Bei der Atlas hat man es gleich ganz gelassen und bei der FH hat das Bündeln mehr Zeit und vermutlich Geld gekostet als die Entwicklung der F9 inkl. Merlin Triebwerk.

    positieve Sichtweise:
    Es gibt bereits US-Flüssigbooster: die der FH.
    Ob man dann 2, 4, 6 oder 8 davon um den SLS Core anordnet ist dann von der Nutzlast abhängig.
    Da die Booster wiederverwendbar sind, sollte der Preis/Booster bei 15 bis 20 Millionen liegen (Abgeleitet aus Preisunterschied F9 zu FH). Die 4 Booster Lösung sollte dann bereits ohne das SLS den Startschub einen Spaceshuttle bringen und zu eine wesentliche Nutzlasterhöhung führen die 6 und 8 Booster Lösung würde zu einer massieven Nutzlastterhöhung führen. Eventuell könnte mann dann 2 RS-25 weglassen. Mit den eingesparten 100 Millionen sind dan bereits 6 Boster bezahlt.

  3. Wen man das BE-4 Nutz könnten sich Dan nicht auch Synergie Effekte zur Vulkan ergeben? Man könnte ja die Booster mit dem gleichen Durchmesser wie die Vulkan Erststufe Fertigen und die Idee der SMART Wiederverwendung der Triebwerke könnte man bei der SLS Dan auch Nutzen (wen sie Dan endlich mal kommt).

    1. Zu beiden Kommentaren: Ihr setzt beide massive Änderungen des bisherigen Systems voraus, das sowohl an der Startanlage wie auch der Stufe und damit der Kräfteverteilung von zwei Boostern links und rechts ausgeht, nicht von vier oder acht wie man sie bei dem Ersatz von den fast 800 t schweren Feststoffboostern benötigt. Und das beist sich mit dem Ansatz der NASA die bei der Entwicklung der SLS möglichst wenig ausgeben will, auch wenn sie später im Einsatz dann teurer wird.

      Ich habe auch beim Schreiben über die Problematik nachgedacht aber da Energija die direkte Kopplung von zwei Zenitstufen demonstriert hat bin ich davon ausgegangen das es auch bei der SLS funktioniert.

  4. Wenn man auf jeder Seite eine FH-Erststufe anbauen würde, dann könnte die Startanlage mit nur geringen Änderungen aukommen. Auch die Zentralstufe wäre dann nur mit den Mittleren Boostern der FHs verbunden.
    Ob mann dann die jeweils 3 Stufen als Block landen lässt oder einzel müsste dann geklärt werden.

      1. Für jede Änderung an der Rakete sind auch Änderungen an den Bodenanlagen nötig. Das wird gerne übersehen. Im Extremfall könnten diese Änderungen teurer werden als eine komplett neue Bodenanlage. Dann wird die vermeintlich preiswerte Lösung plötzlich zur teuersten. Nach dem bewährten Motto „nichts ist teurer als Sparmaßnahmen“.

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