Das Starship V2 und V3 – Neue Daten

Das Starship V2 soll nun „im Laufe dieses Jahres“ (2024) die anvisierten 100 t Nutzlast bringen. Technisch ist der größte Unterschied, dass die Raptoren von 230 auf 250 t Vakuumschub gesteigert wurden. Sie sind also eine Zwischenversion der Raptor 2 und 3. Bisher wurden bei den Testflügen ja nicht mal die 230 t Schub ausgenutzt.Es gibt nun neue Daten.
Das Starship V2
Das soll sich nun ändern, besonders groß wird der Sprung beim Starship von 1.250 auf 1.500 t Schub. Daneben werden die Stufen leicht verlängert. Die SuperHeavy um 1,3 m. Das steigert die Treibstoffbeladung von 3.400 auf 3.650 t. Beim Starship steigt die Gesamtlänge um 1,8 m. Es gibt eine Steigerung des Treibstoffs von 1.200 auf 1.500 t.

Es muss noch andere konstruktive Änderungen geben, denn die Verlängerung entspricht nicht der nötigen um diese Treibstoffzuladung aufzunehmen. Die nötige Verlängerung des Tanks ergibt bei der spezifischen Dichte der Mischung (22 % Methan, Dichte: 0,42 g/cm³, 78 % LOX, Dichte 1,141 0,42 g/cm³) von 0,83 g/cm³. Ich errechne bei den Verlängerungen um 1,3 bzw. 1,8 m nur eine maximale Mehrzuladung von 58,3 t (Superheavy) bzw. 95,5 t Treibstoff (Starship). Wahrscheinlich hat man den Stufenadapter und die Hecksektionen verkürzt und die Tanks um mehr als die Differenz in der Höhe verlängert. Die Tanks müssten um 4,73 m (Superheavy) bzw. 5,68 m (Starship) verlängert werden, um diese Treibstoffmenge aufzunehmen.

Diese kleine Änderung – die Treibstoffzuladung steigt um 14 %, der Schub um 16 % – soll nun die Nutzlast auf 100+ t mehr als verdoppeln. Da dies physikalisch nicht möglich ist, wenn sich an den Trockenmasse nichts ändert, muss das Starship V2 bedeutend an Leergewicht verlieren, mindestens um 20 t. Die SuperHeavy wird sicher auch optimiert werden, doch da die Stufentrennung bei sehr niedriger Geschwindigkeit stattfindet, und somit das Starship den größten Anteil an der Nutzlast hat, wird sich SpaceX bei der Optimierung auf das Starship konzentrieren.

Eine kleine Hilfe bei der Gewichtsreduktion ist, dass das Starship für das Verlassen des Orbits und für das Abbremsen direkt vor der Landung noch Treibstoff braucht. Dieser ist aus den Landeversuchen, die vor einigen Jahren durchgeführt wurden und der Orbitalmechanik berechenbar und liegt bei etwa 20 Prozent der Trockenmasse. Das heißt, senkt SpaceX die Trockenmasse des Starships um 10 Tonnen, so steigt die Nutzlast um 12 Tonnen. Umgekehrt – und das dürfte die niedrige Performance bei dem letzten Testflug ITF3 ausmachen: Ist das Starship um 10 t zu schwer, so sinkt die Nutzlast gleich um 12 Tonnen.

Ich halte dieses Ziel trotzdem für ehrgeizig, zumal ja noch nicht mal feststehst ob das Starship strukturell verstärkt werden muss, damit es den Wiedereintritt überlebt oder es für die finale Landung noch weiteren Treibstoff braucht – die Flugversuche fanden auf Parabeln statt, bei denen das Starship im Gipfelpunkt in 10 km Höhe keine Geschwindigkeit hatte und diese sich erst beim Fallen aufbaute. Bei der SuperHeavy die immerhin eine 100 km hohe Parabel durchflog, war diese in derselben Höhe über 3.000 km/h schnell. SpaceX-Kenner werden sich an die ersten Bergungsversuche der Falcon 9 erinnern. Damals versuchte SpaceX auch ohne Abbremsung auszukommen und die Falcon 9 Erststufen wurden von den aerodynamischen Kräften zerrissen. So wurde der Landungsburn eingeführt, bei dem eine Falcon 9 Erststufe mehr Treibstoff verbrennt, als sie selbst wiegt. Sollte dies auch beim Starship nötig sein, so würde die sehr großen Auswirkungen auf die Nutzlast haben.

Das Starship V3

Zahlen gibt es nun auch für das Starship V3. Es verwendet die „endgültigen“ Versionen der Raptor 3. Während sich bei der Superheavy wenig ändert – es sind immer noch 33 Triebwerke, nun jedes mit 300 t Schub. Sie wird um 8 m gestreckt, wodurch 4.050 anstatt 3.400 Treibstoff (V1) aufgenommen werden, gibt es beim Starship größere Änderungen. Es nimmt nun fast doppelt so viel Treibstoff auf wie die erste Version, 2.300 anstatt 1.200 t. Dafür wird es um 18 m verlängert. Für diese Treibstoffzuladung sind nun 9 Raptors (3 mit kurzen, 6 mit langen Düsen) im Starship vorgesehen.

Auch hier: Berechnet mit der spezifischen Dichte des Treibstoffs von 0,83 und einem Innendurchmesser von 9 m komme ich bei der SuperHeavy auf 486,3 t mehr Treibstoff wenn die Verlängerung nur die Tanks betrifft gegenüber der V1 und 417,5 t mehr Treibstoff bei der V2. Die Menge von 650 t (gegenüber der V1) deutet auf eine Verkürzung der Stufe insgesamt hin. Die scheint aber bei der V2 beendet zu sein, denn hier sind es nur 400 t mehr Treibstoff bei einer möglichen Maximalzuladung von 417 t.

Die gleiche Rechnung beim Starship ergibt 1030,7 t mehr Treibstoff gegenüber der V1 (real 1.100 t) und 925 t mehr Treibstoff gegenüber V2 (real 800 t). Das spricht für eine leichte Verlängerung in anderen Sektionen. Anbieten würde sich die Nutzlasthülle, denn diese ist, wenn man das verfügbare Volumen (nutzbar sind nur 8 m Innendurchmesser nach SpaceX Users Guide) nimmt, schon bei 100 t Nutzlast deutlich schlechter als bestehende Verkleidungen für Ariane 5/6, Delta 4 oder Atlas.

Wie üblich verspricht SpaceX nun neue Rekordwerte für die Nutzlast des Starships V3 – 200 t Nutzlast. Also wenn man mit der V2 vergleicht bei 23 % mehr Treibstoff 100 % mehr Nutzlast. Oder vergleichen mit V1 bei 41 % mehr Treibstoff gleich 400 % Nutzlast. Das ist dann noch höhere Mathematik als der Dreisatz. Erreichbar ist das eigentlich, nur wenn das Starship nicht schwerer, sondern (bedeutend) leichter wird, vor allem weil es ja nicht nur mehr Nutzlast aufbringen muss, sondern da seine Masse überproportional steigt die Trenngeschwindigkeit von der Superheavy sinkt, es also noch mehr Geschwindigkeit aufbringen muss.

Parameter	ITF-3	Starship V2	Starship V3
Nutzlast (wiederverwendbar)	40 – 50 t	100+ t	200+ t
Treibstoff SuperHeavy	3.300 t (3.400 t Soll)	3.650 t	4.050 t
Treibstoff Starship	1.200 t	1.500 t	2.300 t
Schub SuperHeavy bei Zündung	7.230 t (69.900 kN)	8.240 t (80.800 kN)	10.000 t (98.100 kN)
Schub Starship bei Zündung	1.250 t (12.200 kN)	1.600 t (15.700 kN)	2.700 t (26.480 kN)
Triebwerke Starship	3 SL + 3 Vakuum Raptor	3 SL + 3 Vakuum Raptor	3 SL + 6 Vakuum Raptor
Höhe SuperHeavy	71 m	72,3 m	80,2 m
Höhe Starship	50,3 m	52,1 m	69,8 m
Gesamtlänge	121,2 m	124,4 m	150 m
Gesamtmasse Treibstoff	4.500 t	5.150 t	6.350 t

 

Die Starship V3-Wette

Diese Nutzlast ist so hoch, dass zumindest ich sie nicht für glaubhaft halte und ich wette gegen SpaceX.

Wetten, dass … das Starship mit den oben in der Tabelle angegebenen Werten keine 200+ Tonnen Nutzlast (LEO) im wiederverwendbaren Betrieb hat?

Wann dieses Starship V3 kommt ist noch offen, aber inzwischen fasse ich ja alle Wetten auf einer Seite zusammen, so kann ich sie bei Bedarf wieder rauskramen. Bei meiner Simulation komme ich jedenfalls, selbst wenn ich keinen Treibstoff für die Landung ansetze nicht auf diese Nutzlast, und das selbst mit den niedrigen Designmassen, die ja wie die niedrige Nutzlast bei ITF-3 zeigt nicht erreicht werden. Allenfalls im Nicht-wiederverwendbaren Fall dürfte diese Nutzlast erreichbar sein.

Die Modellierung

Um klarzumachen, warum ich mir bei meiner Wette so sicher bin, habe ich diese Versionen modelliert. Die Ausgangsbasis ist das Starship von ITF-3. Ich erläutere die Vorgehensweise, denn die ist bei einer Wiederverwendung wichtig. Ich habe aus dem Video die Lage des Starships bestimmt. Ebenso sieht man dort die Höhe und Geschwindigkeit. Da die Superheavy zurück zum Startplatz fliegen muss, müssen auch zukünftige Versionen in etwa diese Bahn durchfliegen und nicht die energetisch günstigste Bahn. Erst danach kann eine Optimierung einsetzen.

Weiterhin sind zwar Treibstoffmenge und Schub bekannt. Nicht jedoch die Trockenmassen und die real erreichten spezifischen Impulse. Diese Werte scheinen etwas niedriger zu sein als von SpaceX reklamiert, und zwar auch noch niedriger als meine Simulationen mit RPA und CEA. Ich habe aber trotzdem mit meinen Werten für den spezifischen Impuls berechnet die leicht unter den SpaceX-Anagben liegen.

Die große Unbekannte ist die Trockenmasse sowie der Treibstoff für Landemanöver. Bei der SuperHeavy habe ich an der Trockenmasse von 200 t (SpaceX-Angabe) nichts geändert. Sie erscheint mir stimmig. Daneben hat wegen der niedrigen Trenngeschwindigkeit und des benötigen Treibstoffs für die Wende und die Landung die Trockenmasse der Superheavy wenig Einfluss auf die Nutzlast. 9 Prozent des Treibstoffs (wie bei ITF-3) dienen der Landung und werden zur Trockenmasse addiert.

Sehr offen ist dagegen die Trockenmasse des Starship und sein benötigter Treibstoff. Daher habe ich nicht die Nutzlast, sondern die Orbitalmasse verglichen. Diese lag bei ITF-3 bei etwa 200 bis 210 t. Mindestens 17 % dieser Orbitalmasse sind Treibstoff für die Landung.

 

Nun werden die Raketen größer und die Raptoren schubkräftiger. Ich habe die Tankmasse der Superheavy (bekannt: 80 t) und des Starships (geschätzt 30 t + 8 t für den Hitzeschutzschild) proportional zur Treibstoffmenge erhöht.

Bei den Raptoren habe ich die bekannte Masse von 1,6 t für Raptor 2 proportional zum Schub erhöht. Das ergibt sich daraus, dass Turbopumpen schwerer werden, die Triebwerksaufhängung auch. An den spezifischen Impulsen habe ich nichts geändert.

Hier das Ergebnis:

	Starship ITF-3	Starship V2	Starship V3
Nutzlast ohne Wiederverwendung Trockenmassen wie bei SpaceX angegeben	~ 125 t	~ 220 t	~ 290 t
Orbitmasse bei Wiederverwendung	~ 210 t	~ 300 t	~ 366 t
Nutzlast Wiederverwendung bei Trockenmasse Starship 120 t	~ 75 t	~ 150 t	~ 170 t
Nutzlast Wiederverwendung bei Trockenmasse des Starship ITF-3	50 t	~ 120 t	~ 135 t

Das das Starship V3 gar nicht mal so viel besser dasteht als das V2 liegt daran, dass es aufgrund der höheren Treibstoffzuladung eine viel höhere Geschwindigkeit aufbringen muss als V3 oder V1. Da die Nutzlast mit der Geschwindigkeit, die zu erreichen ist, exponentiell abnimmt, schlägt dies durch. Nicht berücksichtigt habe ich, dass natürlich die Superheavy so weniger Landetreibestoff benötigt, das kann die Nutzlast wieder erhöhen. Die von mir berechnete Nutzlast ist aber so weit von den 200+ t entfernt, dass ich mir sicher bin, dass sie die 200 t nicht erreichen, selbst wenn sie das Starship bedeutend leichter machen.