Durchgerechnet: Das Starship-Superheavy

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