Durchgerechnet: Das Starship-Superheavy

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Als letzten Teil meiner kleinen Reihe des Versuches, die Daten des Starships so zu rekonstruieren, dass sie auch Sinn machen, geht es heute um das Gesamtsystem. Da sich diese bei SpaceX durch die iterative Entwicklung ändern besteht, aber der erste Teil die Daten die ich für die Simulation genommen habe vorzustellen.

Massen und Abmessungen
Vollmasse SuperHeavy: 3.600.000 kg
Leermasse SuperHeavy: 200.000 kg
Tankmasse Superheavy: 80.000 kg
Resttreibstoffe Superheavvy 20.000 kg
Abmessungen SuperHeavy: 70 m Höhe, 9 m Durchmesser
Vollmasse Starship: 1.320.000 kg
Leermasse Starship: 120.000 kg (7.000 kg Resttreibstoffe angenommen)
Abmessungen Starship: 50 m Höhe, 9 m Durchmesser

Die Daten sind relativ unstrittig. Schwerer wird es bei den Raptor Triebwerken. Ich habe hier sowohl Angaben von Musk genommen, als auch berechnete des DLR, da Musk sich nur auf eine der beiden Triebwerke konzentriert und die Werte für das Triebwerk mit kürzerer Düse und am Boden weglässt.

Raptor 2 (300 bar Brennkammerdruck)
Schub Raptor 2 kurze Düse SL: 2.170 kN
Schub Raptor 2 kurze Düse Vakuum: 2.256 kN
Schub Raptor 2 lange Düse SL: 1.792 kN
Schub Raptor 2 lange Düse Vakuum: 2.350 kN
Spez. Impuls Raptor 2 kurze Düse SL: 3.207 m/s
Spez. Impuls Raptor 2 kurze Düse Vakuum: 3.420 m/s
Spez. Impuls Raptor 2 lange Düse SL: 3.198 m/s
Spez. Impuls Raptor 2 lange Düse Vakuum: 3.698 m/s

Der Schub und der spez. Impuls des Starships ermittele ich dann durch Mitteilung da drei Triebwerke mit kurzer und langer Düse eingesetzt werden. Es ist klar, dass wenn sich was an diesen Daten ändert, dann auch die Ergebnisse andere sind.

Berechenbar für mich ist nur der Nicht-Wiederverwendbare Fall. Es ist offen, was an Treibstoff benötigt wird um das Starship zu deorbitieren und zu landen und genauso die Flugrichtung der SuperHeavy umzukehren und zu landen.

Berechnet habe ich die Nutzlast für einen 200 km Orbit von Boca Chica aus (26 Grad Nord) mit einem Azimut von 90 Grad, also entsprechend der Maximalnutzlast.

Wenn SpaceX wieder etwas am System ändert, so sind diese Angaben natürlich nicht mehr übertragbar.

Rakete: Super Heavy / Starship real

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
5.113.000 193.000 7.831 1.446 3,77 160,00 200,00 200,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
69.444 26 90 0 210 90 15 10 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 1 3.600.000 220.000 3.420 69444,0 74446,0 156,09 0,00
2 1 1.320.000 127.000 3.559 11886,0 13818,0 306,24 156,10

Simulationsvorgaben

Azimuth Geografische Breite Höhe Startgeschwindigkeit Startwinkel Winkel konstant
90,0 Grad 26,0 Grad 10 m 0 m/s 90 Grad 15,0 s
Abbruch wenn ZielPeri und ZielApo überschritten
Perigäum Apogäum Sattelhöhe
Vorgabe 200 km 200 km 160 km
Real 202 km 203 km 160 km
Inklination: Maximalhöhe Letzte Höhe Nutzlast Maximalnutzlast Dauer
25,2 Grad 206 km 203 km 193.000 kg 194.323 kg 462,0 s
Umlenkpunkte Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3
Zeitpunkt 100,0 s 250,0 s 399,4 s
Winkel 45,6 Grad 16,2 Grad -9,6 Grad

Wichtige Aufstiegspunkte

Bezeichnung Zeitpunkt Höhe: Dist: v(x): v(y): v(z): v: Peri: Apo: a:
Start 0,0 s 0,01 km 0,0 km 0 m/s 0 m/s 0 m/s 0 m/s -6378 km -6378 km 3,8 m/s
Rollprogramm 15,0 s 0,31 km 0,0 km -4 m/s 78 m/s -64 m/s 101 m/s -6369 km 0 km 4,7 m/s
Winkelvorgabe 100,0 s 21,56 km 0,5 km 612 m/s 767 m/s -420 m/s 1067 m/s -6297 km 35 km 15,4 m/s
Brennschluss 1 156,1 s 63,95 km 1,9 km 1989 m/s 1459 m/s -651 m/s 2551 m/s -5981 km 133 km 33,4 m/s
Verkleidung 208,8 s 115,02 km 8,7 km 2426 m/s 1266 m/s -863 m/s 2869 m/s -6378 km -6378 km 0,0 m/s
Winkelvorgabe 399,4 s 205,44 km 163,9 km 5216 m/s -63 m/s -1565 m/s 5446 m/s -3789 km 207 km 15,3 m/s
Sim End 462,0 s 202,78 km 333,3 km 7106 m/s -890 m/s -1777 m/s 7379 m/s 202 km 203 km 0,0 m/s

Ausbau

Es gibt wenig Konkretes über die Ausbaupläne von SpaceX. Bekannt ist aber das die Tanks verlängert werden sollen. Nach einem Dokument für die FAA wird später das Starship 3.700 t Treibstoff fassen und das Starship 1.500 t. Auf der Basis der bekannten Masse der Erststufentanks habe ich die Leermasse angepasst.

Massen und Abmessungen
Vollmasse SuperHeavy: 3.930.000 kg
Leermasse SuperHeavy: 230.000 kg
Tankmasse Superheavy: 110.000 kg
Resttreibstoffe Superheavvy 20.000 kg
Abmessungen SuperHeavy: 74 m Höhe, 9 m Durchmesser
Vollmasse Starship: 1.644.000 kg
Leermasse Starship: 144.000 kg (7.000 kg Resttreibstoffe angenommen)
Abmessungen Starship: 54 m Höhe, 9 m Durchmesser

Ebenso sollen Raptor 3 mit 350 Bar Druck zum Einsatz kommen. Tests mit 330 und 350 Bar Druck gab es schon. Über dieses „Raptor 3“ ist noch weniger bekannt. Eigentlich nur der Schub im Vakuum: 269 t. Die Daten wurden daher von mir hochskaliert vom Raptor 2, die spezifischen Impuls nach CEA2-Simulation angepasst. Eine zweite Möglichkeit taucht in dem FAA-Dokument auf, die Zahl der Triebwerke in der SuperHeavy von 33 auf 37 erhöhen, das wäre äquivalent mit einem Druck von 337 Bar. Nur der höhere Schub bzw. die höhere Triebwerksanzahl macht überhaupt die Zuladung von mehr als 500 t weiteren Treibstoff möglich.

Raptor 2 (300 bar Brennkammerdruck)
Schub Raptor 2 kurze Düse SL: 2.539 kN
Schub Raptor 2 kurze Düse Vakuum: 2.630 kN
Schub Raptor 2 lange Düse SL: 2.095 kN
Schub Raptor 2 lange Düse Vakuum: 2.784 kN
Spez. Impuls Raptor 2 kurze Düse SL: 3.198 m/s
Spez. Impuls Raptor 2 kurze Düse Vakuum: 3.420 m/s
Spez. Impuls Raptor 2 lange Düse SL: 3.182 m/s
Spez. Impuls Raptor 2 lange Düse Vakuum: 3.698 m/s

Hier die Ergebnisse dieses Upgrades:

Rakete: Super Heavy / Starship Upgrade

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
5.780.000 206.000 7.831 1.418 3,56 160,00 200,00 200,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
81.156 26 90 0 210 90 15 10 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 1 3.930.000 250.000 3.420 81156,0 86790,0 145,01 0,00
2 1 1.644.000 151.000 3.547 13902,0 16242,0 326,05 154,10

 

Simulationsvorgaben

Azimuth Geografische Breite Höhe Startgeschwindigkeit Startwinkel Winkel konstant
90,0 Grad 26,0 Grad 10 m 0 m/s 90 Grad 15,0 s
Abbruch wenn ZielPeri und ZielApo überschritten
Perigäum Apogäum Sattelhöhe
Vorgabe 200 km 200 km 160 km
Real 197 km 215 km 160 km
Inklination: Maximalhöhe Letzte Höhe Nutzlast Maximalnutzlast Dauer
25,2 Grad 202 km 197 km 206.000 kg 205.917 kg 480,1 s
Umlenkpunkte Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3
Zeitpunkt 108,4 s 247,2 s 448,8 s
Winkel 45,9 Grad 15,5 Grad -7,7 Grad

Wichtige Aufstiegspunkte

Bezeichnung Zeitpunkt Höhe: Dist: v(x): v(y): v(z): v: Peri: Apo: a:
Start 0,0 s 0,01 km 0,0 km 0 m/s 0 m/s 0 m/s 0 m/s -6378 km -6378 km 4,2 m/s
Rollprogramm 15,0 s 0,36 km 0,0 km -4 m/s 86 m/s -64 m/s 107 m/s -6369 km 0 km 5,3 m/s
Winkelvorgabe 108,4 s 30,60 km 0,6 km 739 m/s 979 m/s -455 m/s 1309 m/s -6272 km 56 km 18,9 m/s
Brennschluss 1 145,0 s 63,07 km 1,5 km 1657 m/s 1507 m/s -607 m/s 2320 m/s -6068 km 136 km 31,7 m/s
Zündung 2 154,1 s 72,87 km 2,0 km 1657 m/s 1429 m/s -644 m/s 2281 m/s -6068 km 136 km -9,6 m/s
Verkleidung 198,4 s 115,03 km 6,4 km 1991 m/s 1277 m/s -822 m/s 2504 m/s -6378 km -6378 km 0,0 m/s
Winkelvorgabe 448,8 s 200,15 km 234,1 km 5965 m/s -454 m/s -1732 m/s 6229 m/s -2634 km 200 km 23,3 m/s
Sim End 480,1 s 197,11 km 332,0 km 7105 m/s -858 m/s -1836 m/s 7388 m/s 197 km 215 km 0,0 m/s

Die Nutzlast steigt von 193 t auf 206 t. Das ist nicht viel gemessen daran, dass die Treibstoffzuladung von 4.600 auf 5.200 t ansteigt. Das liegt an dem Design des Starships. Es ist eigentlich für eine zweite Stufe viel zu groß. So steigt eben nicht nur die Nutzlast um 24 t, sondern auch die Leermasse des Starships um 14 t.

Das Starship wird sogar im Verhältnis zur ersten Stufe noch schwerer, denn die Trenngeschwindigkeit sinkt von 2.557 auf 2.320 m/s, das heißt das Starship muss noch mehr Geschwindigkeit aufbringen als eh schon und das sind ja schon 5,5 km/s von 7,8 km/s. Als Folge des höheren Schubs sinken die Verluste von 1.446 m/s auf 1.418 m/s.

Außerhalb der Reihe habe ich noch eine dritte Möglichkeit untersucht: das der Schub der Raptor gesteigert wird, aber die Treibstoffzuladung gleich bleibt. Elon Musk verspricht hier ja einen enormen Zugewinn. Sofern auch das Gewicht der Triebwerke steigt, was ja nötig ist, weil die Brennkammer mehr Druck standhalten muss und das Fördersystem mehr Leistung bringen muss ist der Zuwachs aber überschaubar. Die erste Stufe würde dann 11 t mehr wiegen, die zweite 2 t mehr. Die Nutzlast würde von 193 auf 199 t steigen. Das ist nun kein so großer Sprung.

Optimierungen

Ich ging da bei der SuperHeavy 20 t Treibstoffe nach Brennschluss in den Tanks verbleiben davon aus das es beim Starship bezogen auf die Gesamtreibstoffmenge genauso viel sind 7 t. Das wäre minimierbar, wenn man alle Raptosr bis auf eines abschaltet und dieses dann den Resttreibstoff verbraucht.

Das Hauptpotenzial liegt aber im Starship selbst. Vergleichen wir mal die beiden Stufen: Bei der SuperHeavy wiegen die Tanks lediglich 80 von 200 t. 20 t wiegt der Stufenadapter, der bei der SuperHeavy verbleibt, 100 t die 33 Triebwerke. Auf der Basis müssten die Triebwerke des Starships 20 t wiegen, die Tanks 30 t und dann eben noch eine Nutzlastsektion. Die würde, wenn man sie aus CFK-Werkstoffen wie bei anderen Trägern herstell,t etwa 5 t wiegen, wenn sie aus Edelstahl wie der Rest des Starships besteht, einige Tonnen mehr. Eine analog zur SuperHeavy aufgebaute Starship Stufe würde daher bei etwa 55 bis 60 t wiegen. Real wiegt es doppelt so viel.

Das ergibt sich daraus, dass es wiederverwendbar sein muss. Es beginnt bei der Nutzlasthülle. Die muss bei einer Rakete nur geringen Belastungen während des Aufstiegs standhalten. Beim Wiedereintritt sind die Belastungen durch Temperatur und vor allem Druck viel höher. Also muss eine 20 m lange und 9 m durchmessende, schwere massive Hülle transportiert werden.

Dann ist da der Hitzeschutzschild. Das Starship hätte als Zylinder eine Oberfläche von 1.478 m². Es verläuft spitz zu, das senkt die Oberfläche ab, doch es kommen die Flügel hinzu, das gleicht die Oberfläche wieder aus. Das Space Shuttle hatte eine Oberfläche von 1.049 m² und ihr Hitzeschutzschild wog 8,6 t. Hochgerechnet auf die Fläche des Starships sind dies 12,1 t für den Hitzeschutzschild, die eingespart werden können. Die Flügel sind ebenso wenig nötig, wie eigene Tanks, die nur Treibstoff für die Landung aufnehmen.

Würde SpaceX die Masse des Starships von 120 t auf 63 t (derzeitige Version) oder 80 t (Ausbauversion) senken, dann würde sie die auf der Website reklamierten 250 t Nutzlast im Nicht-Wiederverwendbaren Fall erreichen.

Ein angenehmer Nebeneffekt wäre durch die gesunkene Masse, das dass Starship viel höhere Orbits erreichen könnte. Ohne Reduktion der Leermasse könnte ein Starship, dass 210 t in den LEO transportiert noch 14 t auf eine Fluchtbahn befördern. Reduziert sich die Masse auf 80 t so sind es bereits 54 t. Ein Starship mit 120 t könnte keinen GEO-Orbit erreichen oder zum Mars fliegen, ein 80 t schweres Starship würde dagegen 21 t in den GEO und 30 t zum Mars. Das heißt für das Nicht-Wiederverendbare, ausgeweidetes Starship wäre sehr nützlich für eine Reihe von Missionen.

Was ich nicht durch Simulationen verifizieren kann ist das man durch relativ kleine Änderungen wie die Änderung des Verfahrens der Stufentrennung gleich mehrere Prozent Nutzlast gewinnt, dazu ist einfach das Starship zu massiv, Hier nochmals kurz die Daten der Raketen in Kurzzusammenfassung:

Rakete: Super Heavy / Starship 350 bar Raptors

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
5.132.000 199.000 7.831 1.318 3,88 160,00 200,00 200,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
81.156 26 90 0 210 90 15 10 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 1 3.611.000 211.000 3.420 81156,0 86790,0 133,98 0,00
2 1 1.322.000 129.000 3.547 13902,0 16242,0 260,53 154,10

 

Rakete: Super Heavy / Starship Upgrade

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
5.780.000 206.000 7.831 1.418 3,56 160,00 200,00 200,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
81.156 26 90 0 210 90 15 10 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 1 3.930.000 250.000 3.420 81156,0 86790,0 145,01 0,00
2 1 1.644.000 151.000 3.547 13902,0 16242,0 326,05 154,10

 

Rakete: Super Heavy / Starship real

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
Nutzlastanteil
[Prozent]
Sattelpunkt
[km]
Perigäum
[km]
Apogäum
[km]
5.113.000 193.000 7.831 1.446 3,77 160,00 200,00 200,00
Startschub
[kN]
Geographische Breite
[Grad]
Azimut
[Grad]
Verkleidung
[kg]
Abwurfzeitpunkt
[s]
Startwinkel
[Grad]
Konstant für
[s]
Starthöhe
[m]
Startgeschwindigkeit
[m/s]
69.444 26 90 0 210 90 15 10 0
Stufe Anzahl Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
Schub (Meereshöhe)
[kN]
Schub Vakuum
[kN]
Brenndauer
[s]
Zündung
[s]
1 1 3.600.000 220.000 3.420 69444,0 74446,0 156,09 0,00
2 1 1.320.000 127.000 3.559 11886,0 13818,0 306,24 156,10

 

3 thoughts on “Durchgerechnet: Das Starship-Superheavy

  1. Musk Resümee

    Musk resümierte (Video vor 2 Tagen) für SpaceX das Jahr 2023 und enthüllte beim zweiten Testflug am 18. November die Gründe für die Starship-Explosion. Der Grund wäre sehr banal, zu geringe Nutzlast !!!

    Konkret: Trotz der erfolgreichen Trennung vom Schiff gelang es der Trägerrakete nicht, zum Startpunkt zurückzukehren: Nachdem im Triebwerksbereich ein Feuer ausbrach und die Struktur einzustürzen begann, sprengte das automatische Zerstörungssystem den Träger. Das gleiche Schicksal ereilte Starship, das auf eine Höhe von 148 km stieg, aber in der neunten Flugminute automatisch in die Luft gesprengt wurde.

    Er sagte, die Zerstörung hätte vermieden werden können, wenn beim Start eine echte Nutzlast eingesetzt worden wäre. „Der Grund, warum es tatsächlich nicht in die Umlaufbahn gelangte, bestand darin, dass wir flüssigen Sauerstoff abgeworfen haben, was letztlich zu einem Brand und einer Explosion führte. „Wenn wir eine Nutzlast hätten, gäbe es keinen flüssigen Sauerstoff mehr“, erklärte Musk. Gleichzeitig lege eine Analyse des Starts im November nahe, dass das Starship/Super Heavy-System „wirklich gute Chancen“ habe, bei seinem dritten Testflug im Februar dieses Jahres eine erdnahe Umlaufbahn zu erreichen, fügte der Geschäftsmann hinzu.

    Die Zukunft: Die nächsten Versionen des schweren Raketensystems werden darauf ausgelegt sein, 200 Tonnen Nutzlast in einer wiederverwendbaren Version in die Umlaufbahn zu befördern (gegenüber 150 Tonnen der jetzigen Version). Darüber hinaus wird Starship V3 in der Höhe zunehmen und 140–150 Meter erreichen (die aktuelle Höhe von Starship beträgt 121 Meter). Der Schub der 33 Raptor-Triebwerke wird ebenfalls auf 9.072 Tonnen steigen.

    Persönlich bin ich der Meinung, dass der Schub von 9.000 Tonnen noch nicht die Obergrenze ist und 10.000 in 7-9 Jahren wäre denkbar.

  2. Na ja, die 120T Leermasse sind wohl eher das Ziel. Aktuell dürfte allein das Starship eher bei ca. 200t Leermasse liegen und die Nutzlast bei ca. 80T – 100T.

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