So klappt es (eventuell) mit dem Lunar SpaceShip

In meiner losen Reihe „Wir wissen es besser als …“ habe ich mir, nachdem ich gestern durchgerechnet habe, wie viele Tankflüge wir brauchen um ein Starship als Lunar Starship einzusetzen mir die Aufgabe gemacht doch zu errechnen, wie es besser geht.

Der Grundansatz ist relativ einfach: Die Masse muss runter. 120 t auf dem Mond landen, das ist die neunfache Menge, die Apollo ohne Treibstoff wog ist einfach blödsinnig. Das ist um so unverständlicher, wo doch SpaceX mit der Crewed Dragon eine Raumkapsel hat, die weniger wiegt.

Also dachte ich mir, rechne ich mal aus, ob es nicht mit der klappt. Klar ist eines. Mit einem Flug geht es nicht, denn 100 t Nutzlast des Starships sind ja schon weniger als eine Saturn V in den Orbit transportiert. Also versuche ich es erst mal mit zwei Starts.

Ich habe dazu eine Stufe angedacht, die 100 t wiegt und in der Nutzlastverkleidung des Starships transportiert wird. Mit 9 m Durchmesser bietet das genügend Volumen. Bei 8 m Durchmesser für die Stufe wären die Tanks die 100 t Treibstoff aufnehmen (wegen des Auftankens) nur 2,5 m hoch. Das vereinfacht dann auch das Aussteigen der Besatzung. Ein Aufzug wäre dann überflüssig. Die Stufe habe ich zu 100 t Startmasse und 6 t Trockenmasse angesetzt. 5 t sind davon Stufe, 1 t Adapter für eine Dragon / Pumpen. Die 5 t entsprechen einem Voll/Leermasseverhältnis von 20, das ist anspruchsvoll, vor allem wenn man bedenkt, dass ein Raptor alleine über 2 t wiegt. Aber es ist möglich mit Integraltanks und leichten Al-Li-Legierungen wie der 2195.

Ich sehe kein Tanken im Erdorbit vor, denn das ist energetisch ungünstig. Dazu später mehr.

Eine Crewed Dragon wog beim ersten operativen Einsatz 12 t, wovon aber 1,5 t Treibstoff sind. Die können wir weglassen, sodass 10,5 t als Nutzlast bleiben. Befördert werden so in den Erdorbit:

1 Tankerstufe: 100 t voll, 6 t leer.

1 normale Stufe: 89,5 t voll, 6 t leer (mit Crew Dragon 10,5 t)

Beide fliegen den Haloorbit an. Bei den dV Rechnungen beziehe ich mich auf meinen ersten Blog und führe diese nicht weiter aus. Für das Ankoppeln an das Lunar Gateway dort benötigt man ein Gesamt-ΔV von 3.670 m/s (3.150 m/s für die Mondtransferbahn, 420 m/s für den Haloorbit 100 m/s Reserve, Kurskorrekturen Ankoppelmanöver). Von je 100 t Startmasse bleiben bei einem spezifischen Impuls von 380 s dann noch 37,3 t übrig.

Dort am Lunar Gateway pumpen wir dann den Treibstoff der Tankerstufe um, sodass die Stufe mit der Crewed Dragon dann 68,6 t wiegt (37,3 t + 31,3 t umgepumpten Treibstoff, 6 t wiegt die Stufe leer). Die Tankerstufe ist nun überflüssig und kann abgetrennt werden. Diese Vorgehensweise hat gegenüber der Erdorbitauftankung den Vorteil das 6 t weniger auf dem Mond gelandet werden müssen, dem Teil der Mission mit der größten Geschwindigkeitsanforderung.

Für die Mondlandung und Rückkehr braucht man ein Δv von 5.878 m/s (2 x 2.352 m/s für Landung und Rückstart, 2 x 36 m/s für Apolunäumsanhebung von 0 auf 3000 km, 700 m/s Zusatzaufwand bei der Landung und 400 m/s beim Rückstart). Beim obigen spezifischen Impuls von 380 s bleiben dann noch 14,1 t von 68,6 t übrig. Die Trockenmasse beträgt aber etwas mehr, 16,5 t.

Die Differenz ist aber so klein, dass man sie eventuell durch Einsparungen verkleinern kann. Zum einen scheidet das Schweben aus. Ein Raptier kann man auf 40 % des Schubs reduzieren, das sind dann 1.000 kN. Damit ist die Beschleunigung aber bei der Landung zu hoch um das Vehikel in Schwebe zu halten. Das Vehikel müsste dann unter 40 t wiegen und zum Schweben braucht man nur 64 kN. Der Landeplatz muss also vorher gut ausgesucht und automatisch angeflogen werden. Das spart 300 m/s im Δv-Budget ein und erhöht die Masse auf 15,3 t. Die restlichen 1,2 t kann man erhalten, indem man die Teile der Dragon entfernt, die bei der Mission nicht benötigt werden wie Hitzeschutzschild, Tanks und Super-Dracos oder den Trunk.

Alternativ lässt man die Triebwerke dran und benutzt sie als zusätzliche stufe. Mit 1,5 t Treibstoff kann die erste Stufe dann die Geschwindigkeit um 4987 m/s. Ändern. Die Superdracos können bei einem spezifischen Impuls von 2900 m/s weitere 387 m/s beringen – das reicht aber leider auch nicht. Zusammen gelangt man so auf 5.374 m/s . Benötigt werden 5.578 m/s. Auch hier ergibt sich ein äquivalentes Massendefizit von 800 kg – das ist aber immerhin weniger als vorher.

Sollte das Starship mal tatsächlich die 100+ Nutzlast schaffen, also etwas mehr als 100 t, dann ginge es auf. Ich errechne, wenn ich die Stufe um 500 kg schwerer mache, weil auch mehr Treibstoff mitgeführt wird, eine Äquivalentstartmasse von 221 t (also z.B. 2 x 111 t) um eine trocken 10,5 t schwere Crewed Dragon auf dem Mond zu landen und zurückzubringen. Das erscheint möglich, ja, wenn SpaceX es tatsächlich fertigbringt, das Starship von 200 auf 120 t Masse abzuspecken, denn nur so sind die 100 t Nutzlast überhaupt erreichbar.

Das ganze ist relativ wage, weil die Massen von Starship nach verschiedenen Quellen abweichen. Wikipedia führt obige 12 t mit 1,5 t Treibstoff auf, die NASA 12.520 kg beim Abdocken, 9.620 ohne Trunk und nach dem Deorbit. Zudem sind es hier 2.560 kg Treibstoff. Eine Dragon wie beim Deorbit-Burn mit 9.6 t Masse wäre im Massebudget.

Es zeigt sich aber auch – für eine Mondmission ist sie zu schwer. Sie ist ja schon doppelt so schwer wie eine Apollokapsel und die war erheblich schwerer als der Mondlander. Es zeigt auch, das SpaceX für diesen Missionstyp auch kein geeignetes Triebwerk hat, denn ein Raptor mit maximal 2.500 kN Vakuumschub ist dafür viel zu groß. Das Merlin wäre besser geeignet, aber immer noch zu groß. Das gilt übrigens auch für die Mondlandung des Starships, das kurz vor der Landung in der Schwebephase etwa 260 t wiegt, was bei 40 % Schub eines Raptors knapp 4 m/s Beschleunigung entspricht, also auch hier keine Fähigkeit zum Schweben.

Für mich macht das Konzept des Lunar Starships den Eindruck, wie wenn man zu einem Autohändler geht uns sagt man brauche einen Kombi. Stattdessen bietet der Autohändler einem aber einen 10 t Truck an. Klar, man kann damit auch die Einkäufe transportieren, aber sonst gibt es nur Nachteile. Entsprechend wenig kann ich die Entscheidung der NASA für die Vergabe des HLS Vertrags verstehen.

4 thoughts on “So klappt es (eventuell) mit dem Lunar SpaceShip

  1. Guten Morgen Herr Leitenberger,
    ich hätte da eine Frage. Da gerade die USA und China ihre Augen gerade auf dem Mond gerichtet ist, frage ich mich warum Russland gerade eine neue Raumstation (Ros) auf einer polaren Bahn um der Erde plant? Das ist doch ein Rückschritt. Ich meine nach 40 Jahren Raumfahrt, soll dass eine Innovation sein? Auf der neuen Raumstation kann man doch nichts mehr neues machen, ausser das es auf einer Polaren Bahn ist. Da kann man doch auf der ISS bleiben und diesselben Experimente- und Forschungsergebnisse erhalten. Warum baut Russland keine Raumstation um den Mond?
    Grüße,

    1. Russland plant viel wenn der Tag lang ist. Das ist nichts neues. Dazu gibt es morgen einen Blog. Sie können derzeit nicht mal ein kleines wissenschaftliches Programm finanzieren. Diese Ankündigungen sind wie in den vergangenen Jahrzehnten Propaganda. Russland plant derzeit den Start von Nauka, das nach den ursprünglichen Plänen seit 2007 im All sein sollte. 14 Jahre Verzögerung für ein Modul, da braucht man keine neue Station planen.

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