Das Starship mit Methan, Propan, Kerosin und Wasserstoff
Ich habe ausnahmsweise – weil es kurz war, mal das Video angeschaut, das Dirk verlinkt hatte. Ich war schockiert. Wenn das die „normale“ Informationsquelle ist, die Blogleser haben, dann muss ich mich über Kommentare, die ein grundlegendes Verständnis der Grundlagen vermissen lassen, nicht mehr wundern.
Der Senkrechtstarter
Also ich fange mal an mit dem „Senkrechtstarter“. Für mich kommt er wenig kompetent rüber. Das geht los mit dem Verwenden von englischen Begriffe,n für die es auch deutsche Übersetzungen gibt. Ich verwende auch RP-1 als Begriff, spreche es aber deutsch aus und nicht als „Ar-Pi One“. Mal davon abgesehen wissen die meisten mit Kerosin mehr anzufangen und der Unterschied zwischen RP-1 und Kerosin ist in etwa der gleiche wie zwischen Super und Super plus Benzin. Dazu kommt eine sehr unprofessionelle Sprache wie „fettes Gemisch“.
Das leitet mich zum zweiten Kritikpunkt über. Ich erwarte Kompetenz. Ich habe mal im Studium folgende Faustregel gelernt: wenn Du über Thema etwas sagst, dann solltest Du das zehnfache darüber wissen, um Fragen beantworten, und Zugriff auf die hundertfache Informationsmenge (Lehrbücher etc.) haben. Wenn Moritz Vieth etwas über Technik sagt, dann ist es meist ein Satz. Da kann man nicht viel falsch machen, trotzdem fielen mir etliche Fehler auf, so verwechselt er grundsätzlich den Siedepunkt von kryogenen Flüssigkeiten mit dem Schmelzpunkt. Meine persönliche Meinung. Er weiß selbst nicht viel mehr, versteht zumindest die Technik nicht wirklich. Ich habe versucht rauszufinden, was er von Beruf ist, aber mehr als das er CEO der Senkrechtmedia GmbH ist, habe ich nicht rausfinden können. Der Youtube-Kanal wird nämlich von der gleichnamigen Firma betrieben und das ist seine Einkommensquelle.
Zusammenzucken musste ich bei dem Stichwort „Excel“ damit hat er alle Angaben in seinem Video berechnet. Aha. Excel ist toll geeignet für Wirtschaftsberechnungen, dafür wurden Spreadsheets entworfen, man kann damit aber weder den spezifischen Impuls eines Raketentriebwerks noch die Aufstiegsverluste genau berechnen und die sind wesentlich für dass, um das es in dem Video geht – nämlich der Frage, was würde passieren, wenn man das Starship mit anderen Treibstoffen betanken würde.
Bei mir steht „Excel“ als Synonym für Leute, die sich nicht tief in die Technik einarbeiten wollen, dazu gehört natürlich auch die Benutzung von Programmen für die Raumfahrt, die frei verfügbar sind. Mit Spreadsheets kann man eben die Raketengrundgleichung lösen, Dichten und Mengen berechnen, aber genaue Ergebnisse erhält man so nicht. Er scheint auch Excel nicht zu beherrschen, wenn man die beiden Bilder aus seinem Video vergleicht:
Also einmal sind es 3.600 t und einmal 3.821 t Treibstoff und Verbrennungsträger. SpaceX nennt übrigens 3.400 t für V1 als Norm, bisher wurden maximal 3.300 t zugeladen, aber solche Details, dass die realen Werte von denen, die er für die Rechnung nimmt, abweichen, stört Senkrechtstarter nicht.
Die fehlende Kompetenz zeigt sich auch darin, dass im ganzen Video nicht einmal der Fachbegriff erscheint, um den es sich dreht, nämlich der volumenspezifische Impuls. Das ist der spezifische Impuls nicht bezogen auf die Masse, sondern das Volumen des Treibstoffs. Ich nehme an die meisten Blogleser werden den Begriff nicht kennen. Er spielt bei Trägerraketen auch keine Rolle. Entwirft man aber Raketen, die in möglichst kleine Silos oder U-Boot-Rohre passen müssen, dann ist er sehr wichtig.
Beim Starship könnte er wieder wichtig sein, denn ich vermute die Begrenzung des Durchmessers des Starships auf 9 m hat einen fertigungstechnischen Grund. Dann wird eine Rakete mit einer Treibstoffkombination geringer Dichte sehr lang. Momentan ist es ja schon 121 m hoch, das wird noch mehr werden. 153 m soll das Starship V3 lang werden, das ist nötig, weil nach dem vierten Testflug der Resttreibstoff – der bei einer Orbitmission, die Nutzlast wäre – um weitere 10 t auf 30 t gesunken ist.
Aber ich greife mal die Fragestellung auf und berechne das auch richtig. Zwei Kombinationen hat Vieth gleich ausgeschlossen. Hypergole Treibstoffe und Kerosin/LOX. Den einen Ausschluss finde ich nachvollziehbar. Hypergole Treibstoffe stammen aus dem militärischen Bereich und wurden wegen ihrer Lagerfähigkeit gewählt. Sie sind toxisch und teuer – aber – wenn es um den volumenspezifischen Impuls geht, so sind sie besser als alles, was Vieth untersucht hat. Unfair finde ich dass, als er das sagt, das Bild einer Looping drehenden Proton einblendet wird. Das ist die Arbeit mit Suggestion – hätte er startende Titan II mit Geminimissionen gezeigt, so wäre vielleicht der eine oder andere Zuseher ins Grübeln gekommen.
Den zweiten Ausschluss tut er ebenfalls mit einem Satz weg Kerosin „weil er die Einspritzung auf Treibstoffseite durch herunterbrennen Kohlenwasserstoffe verstopfen würde“. Eingespritzt wird im Injektor. Dort kommt von der Treibstoff-Turbopumpe her heißes Gas an, nach dem Schaubild auf der Wikipediaseite 808 K heiß, das ist mehr als heiß genug damit das alle Kohlenwasserstoffe gasförmig sind. Daneben weiß er wohl, dass für jeden Treibstoff Anpassungen nötig sind. Zu unterschiedlich sind Ströme, Wärmeleitfähigkeit (die Brennkammer muss gekühlt werden) und fluiddynamisches Verhalten. Er erwähnt das beim Wasserstoff, der dann eine viel größere Turbopumpe braucht. Während dort aber Anpassungen möglich sind, schließt er sie mit dem Satz bei Kerosin aus.
Typisches Eigentor, denn bevor ich in eine Rechnung einsteige kann ich schon vermuten das Kerosin aufgrund der rund 20 Prozent höheren Masse nicht so schlecht abschneiden wird.
Meine Rechnung
Damit ihr vergleichen könnt, habe ich die Vieth-Angaben übernommen und durch SpaceX ergänzt:
Parameter |
Wert |
Quelle |
---|---|---|
Nutzlast |
150 t |
Vieth |
Starship |
100 t |
Vieth |
Starship Treibstoffe und Oxidator |
1.200 t |
Vieth |
Superheavy |
180 t |
Vieth |
Superheavy Treibstoffe und Oxidator |
3.600 t |
Vieth |
Raptor spez, Impuls SL/Vakuum kurze Düsen |
327 / 347 s |
SpaceX |
Raptor spez, Impuls SL/Vakuum lange Düsen |
– / 377 s |
SpaceX |
Raptor Schub SL/Vakuum kurze Düsen |
216 / 230 t |
SpaceX |
Raptor Schub SL/Vakuum lange Düsen |
– 258 t |
SpaceX |
Länge Starship |
50,3 m |
SpaceX |
Länge Superheavy |
71 m |
SpaceX |
Durchmesser: |
9 m |
SpaceX |
Dichte Methan |
0,422 g/cm³ |
Wikipedia |
Dichte LOX |
1,141 g/cm³ |
Wikipedia |
Mischungsverhältnis Methan/LOX |
3,6 |
SpaceX |
Da sich bei den anderen Treibstoffkombinationen auch die Endgeschwindigkeit ändert, wenn die Superheavy Brennschluss hat, das aber die Menge an Treibstoff beeinflusst, die danach für das Wendemanöver und die Landung benötigt werden, habe ich eine Nicht-Wiederverwendbare Version modelliert. Deren Nutzlast ist natürlich höher als die 150 t die Senkrechtstarter angibt oder die 40 bis 50 t die Musk zuletzt angab. Ich errechne für diesen Fall 242 t, wohlgemerkt unter den obigen Bedingungen, die bisher nicht erreicht wird (SpaceX gibt höhere Leermassen und weniger Treibstoffzuladung an).
Ich habe nun mit CEA2 ein Triebwerk modelliert, dass in etwa dem Raptor 2 entspricht. Beim Raptor 2 wird die Datenlage etwas schlechter, daher gebe ich die Kerndaten hier mal an:
Parameter |
Wert |
Quelle |
---|---|---|
Brennkammerdruck: |
300 bar |
SpaceX |
Flächenverhältnis kurze Düse |
30,6 |
Extrapoliert von Raptor 1 und Vakuumdüse |
Flächenverhältnis lange Düse |
80 |
SpaceX |
Verrechnung Gleichgewicht / eingefrorenes Gleichgewicht für Methan |
0,66 / 0,34 |
Berechnet aus Daten von 2019 für den Entwurf (382 s, Flächenverhältnis 150, 300 Bar) |
Verrechnung Gleichgewicht / eingefrorenes Gleichgewicht für Propan / Kerosin |
73:27 |
|
Verrechnung Gleichgewicht / eingefrorenes Gleichgewicht für Wasserstoff |
68:32 |
Siehe Blog |
Mischungsverhältnis LOX/Propan |
3,25 |
Analoges Verhältnis wie bei LOX/Methan = 3,6 |
Mischungsverhältnis LOX/Kerosin |
2,8 |
Übernommen von sowjetischen Hochdrucktriebwerken |
LOX/Wasserstoff |
6,0 |
Übernommen vom SSME |
Daraus kann man folgende spezifische Impulse für Sea-Level und Vakuum berechnen:
Parameter |
Spez. Impuls SL/ Vakuum, kurze Düse |
Spez. Impuls SL/ Vakuum, lange Düse |
---|---|---|
Propan |
3.273 m/s / 3.470 m/s |
3.485 m/s / 3.636 m/s |
Kerosin |
3.245 m/s / 3.429 m/s |
3.443 m/s / 3.583 m/s |
Wasserstoff |
4.143 m/s / 4.351 m/s |
4.371 m/s / 4.523 m/s |
Methan (nach SpaceX) |
3.207 m/s / 3.404 m/s |
– / 3.698 m/s |
Massen und Volumen
Wir brauchen natürlich noch die Volumina und Dichten, um die Massen zu berechnen. Ich verwende die Standarddichten. Das ist bei kryptogenen Flüssigkeiten kurz vor dem Siedepunkt bei Kerosin bei 20 Grad Celsius. Man kann die Dichte durch weiteres Abkühlen steigern, aber die Daten dazu sind zum einen nicht von allen Komponenten verfügbar und zum anderen verändert dies dann wieder das Mischungsverhältnis, da die Dichterzunahme je nach Stoff unterschiedlich ist.
Treibstoff / Oxidator |
Dichte |
---|---|
Propan |
0,5812 g/cm³ |
Kerosin |
0,835 g/cm³ |
Wasserstoff |
0,0684 g/cm³ |
Methan (nach SpaceX) |
0,422 g/cm³ |
Sauerstoff: |
1,141 g/cm³ |
Kerosin ist ein Gemisch, dessen Dichte je nach Zusammensetzung zwischen 0,82 und 0,85 g/cm³ angegeben wird. Ich habe den Mittelwert genommen. Aus dem bekannten Verhältnis 3,6 zu 1 Methan/Sauerstoff und der Treibstoffmasse von 3.600 bzw. 1.200 t kann man das Tankvolumen von Superheavy und Starship zu 4323,7 m³ und 1441,3 m³ berechnen.
So fassen die Tanks folgende Mengen an Treibstoff und Oxidator:
Treibstoff |
Masse |
---|---|
Propan |
4021,8 / 1.340,6 t |
Kerosin |
4499,4 / 1499,8 t |
Wasserstoff |
1522,5/ 507,5 t |
Methan (nach SpaceX) |
3.600 / 1.200 t |
Sauerstoff: |
1,141 g/cm³ |
Die Tanks werden bei SpaceX unter 4 Bar Druck gesetzt, dieser Druck dürfte ihre Masse bestimmen, so sind keines schweren Tranks bei Kerosin und Propan nötig. Bei Wasserstoff könnte man die Wandstärke verringern. Es käme aber noch eine Isolation hinzu, sodass ich es als Nullsummenspiel ansehe.
Triebwerke
Maximal wiegt (bei Kerosin) ohne Nutzlast die Kombination 6.279,2 t. Den Startschub gibt SpaceX mit 7.590 t an, das ist eine Beschleunigung um 1,2 g. Ich habe noch zwei Raptoren mit Zusatzsystemen – so viel ist bei der Aufrüstung zu V3 sowieso geplant – zu je 2 t Gewicht addiert. Bei Propan bleibt es bei den 33 / 6 Raptoren. Bei Wasserstoff sinkt dagegen das Startgewicht ohne Nutzlast auf 2.310 t also weniger als die Hälfte. Mit 200 t Nutzlast würden 13 Raptoren in der Superheavy und die drei Vakuumraptoren im Starship ausreichen. Das senkt die Startmasse der Superheavy um 40 t und des Starships um 6 t.
Die Rechnung
Nun haben wir endlich alles zusammen, um eine richtige Simulation des Starts bis zum Orbit (ich benutze kein Excel) einzusetzen. Mir müsst ihr nicht nur die Enddaten glauben, daher füge im Anhang noch die Daten meiner Raketen und die Winkel-vorgaben für die Aufstiegssimulation an.
Was kommt raus
Nun ich habe die ganzen Daten aufgeführt, weil ich meine das dies zu einer seriösen Information dazugehört. Wäre ich der „Senkrechtstarter“ (wer senkrecht startet, erreicht nie einen Orbit, eigentlich sind die einzigen Raketen, die nur senkrecht starten Feuerwerksraketen …) dann würde ich euch nur noch die Endtabelle präsentieren:
Treibstoff |
Startmasse |
Nutzlast |
Nutzlastanteil |
---|---|---|---|
Methan |
5.322 t |
242 t |
4,5 % |
Propan |
5.904 t |
267 t |
4,5 % |
Kerosin |
6.566,2 t |
282 t |
4,3 % |
Wasserstoff |
2.412 t |
150 t |
6,2 % |
Der Nutzlastanteil ist bei allen drei Kohlenwasserstoffen in einem ähnlichen Bereich, das ist nicht verwunderlich und wer bei Vieth Video die Energiegehalte mit Oxidator angesehen hat, weiß auch warum: die Verbrennung liefert nahezu gleich viel Energie und auch die Reaktionsprodukte sind die gleichen.
Wasserstoff steht durch die niedrige Dichte schlechter da. Aaaaber, bezogen auf die Startmasse ist es deutlich mehr Nutzlast (bei allen drei Vehikeln könnte man durch Verschieben der Startmasse zwischen Starship und Superheavy noch etwas rausholen, doch das würde, da dann der hohe spezifische Impuls besser zum Tragen kommt, den Wasserstoff noch mehr begünstigen).
Wasserstoff wurde in der klassischen Raketentechnik als das Optimum angesehen, weil die Triebwerke der Hauptkostenfaktor sind und da haben wir bei Wasserstoff eben insgesamt 16 Triebwerke oder eines pro 9,4 t Nutzlast, bei Methan und Propan sind es 39 oder eines pro 6,8 bzw. 7.2 t Nutzlast und bei Kerosin sind es 41 Triebwerke oder eines pro 6,9 t Nutzlast. Bei der Wiederverwendung spielen dann natürlich die Triebwerkskosten nicht mehr diese Rolle.
Warum beim Senkrechtstarter Propan so gut abschneidet? Ich vermute das hat mit dem im Video angesprochenen Besuch bei Isar Aerospace zu tun, die Propan einsetzen. Die haben ihm wohl die Vorteile angepriesen und er hat das eben nicht so sorgfältig nachgeprüft wie man dies tun sollte.
Fazit
Ich komme auf ein ganz anderes Ergebnis als Moritz Vieth. Kerosin mag teurer sein als LNG, aber es ist nicht extrem teurer und wir reden von verflüssigtem Methan, das ist deutlich teurer als Methan aus der Gasleitung, weil viel Energie für das Verflüssigen aufgewandt wurde.
Was bei einem Starship Start immer gleich bleiben wird unabhängig von dem Treibstoff, sind die mit Start und Bergung assoziierten Kosten. Daneben wird man die Hardware auch nicht ewig einsetzen können. Besonders das Starship ist ja viel höheren Belastungen ausgesetzt als die Superheavy. Das SpaceX so auf eine hohe Zahl an Raptoren und deren möglichst kostengünstige Produktion setzt – würden sie wie angekündigt 1.000-mal eingesetzt werden, so bräuchte man ja nicht viele und die Kosten würden sich über 1.000 Flüge verteilen, sowie die Erfahrungen aus den bisherigen Flügen) sprechen eher dafür das die Hardware nicht sehr oft eingesetzt werden kann und dann spielen die Treibstoffkosten gar keine Rolle, 40 t mehr Nutzlast aber schon. (Bitte nicht vergessen: für den Nicht-Wiederverwendbaren Fall und die optimistischen Angaben von Moritz Vieth, die derzeit 110 t höher liegen als die Nutzlastangabe von Elon Musk)
Dass ich eine Publikation eines anderen nachgerechnet habe, war eine Ausnahme, denn wie ihr schon an den vielen Zahlen steht (und hinter den meisten Angaben stehen Berechnungen mit externen Programmen) ist das extrem arbeitsaufwendig. Wenn ihr den Ausführungen von Senkrechtstarter glaubt, dann ist das okay, verlinkt hier aber keine Videos oder erwartet weitere Stellungnahmen zu diesen.
Wer den Links im Blog folgt (die nicht zufällig gesetzt wurden) der könnte bald mehr über Raketen wissen als der Senkrechtstarter.
Anhang
Rakete: Starship Propan
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5.909.400 | 267.000 | 7.831 | 1.592 | 4,52 | 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] |
70.230 | 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 | 4.201.800 | 180.000 | 3.470 | 70230,0 | 74457,0 | 187,43 | 0,00 |
2 | 1 | 1.440.600 | 100.000 | 3.553 | 14016,0 | 14538,0 | 327,63 | 187,43 |
Simulationsvorgaben
Azimut | 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 Ziel-Perigäum und -apogäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 200 km | 213 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,1 Grad | 239 km | 213 km | 267.000 kg | 267.321 kg | 514,9 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 153,6 s | 288,0 s | 431,0 s | ||
Winkel | 43,4 Grad | -2,0 Grad | -4,7 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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 | 2,1 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,27 km | 0,0 km | 1 m/s | 36 m/s | 0 m/s | 36 m/s | -6369 km | 0 km | 2,8 m/s |
Winkelvorgabe | 153,6 s | 56,14 km | 0,5 km | 1129 m/s | 935 m/s | 0 m/s | 1466 m/s | -6244 km | 90 km | 18,9 m/s |
Brennschluss 1 | 187,4 s | 94,27 km | 2,3 km | 2024 m/s | 1292 m/s | 0 m/s | 2402 m/s | -6037 km | 170 km | 29,9 m/s |
Verkleidung | 203,5 s | 115,03 km | 4,2 km | 2145 m/s | 1208 m/s | 0 m/s | 2462 m/s | -6378 km | -6378 km | -0,6 m/s |
Winkelvorgabe | 431,0 s | 235,66 km | 184,0 km | 4944 m/s | -851 m/s | 0 m/s | 5017 m/s | -4250 km | 219 km | 11,3 m/s |
Sim End | 514,9 s | 212,81 km | 451,6 km | 7149 m/s | -1808 m/s | 0 m/s | 7374 m/s | 200 km | 213 km | 30,4 m/s |
Rakete: Starship Wasserstoff
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2.412.000 | 150.000 | 7.831 | 1.623 | 6,22 | 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] |
27.930 | 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 | 1.662.500 | 140.000 | 4.351 | 27930,0 | 29332,0 | 225,84 | 0,00 |
2 | 1 | 599.500 | 92.000 | 4.523 | 7025,0 | 7269,0 | 315,78 | 225,84 |
Simulationsvorgaben
Azimut | 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 Ziel-Perigäum und -apogäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 200 km | 225 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,2 Grad | 226 km | 203 km | 150.000 kg | 149.855 kg | 541,6 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 153,6 s | 288,0 s | 431,0 s | ||
Winkel | 47,0 Grad | 9,7 Grad | -7,9 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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 | 1,8 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,23 km | 0,0 km | 1 m/s | 30 m/s | 0 m/s | 30 m/s | -6369 km | 0 km | 2,3 m/s |
Winkelvorgabe | 153,6 s | 41,30 km | 0,3 km | 862 m/s | 647 m/s | 0 m/s | 1077 m/s | -6289 km | 56 km | 11,6 m/s |
Brennschluss 1 | 225,8 s | 104,91 km | 5,2 km | 2381 m/s | 1066 m/s | 0 m/s | 2609 m/s | -5933 km | 159 km | 23,5 m/s |
Verkleidung | 235,0 s | 115,00 km | 6,9 km | 2462 m/s | 1019 m/s | 0 m/s | 2665 m/s | -6378 km | -6378 km | 0,4 m/s |
Winkelvorgabe | 431,0 s | 225,67 km | 171,9 km | 4832 m/s | -627 m/s | 0 m/s | 4872 m/s | -4401 km | 211 km | 8,2 m/s |
Sim End | 541,6 s | 202,93 km | 536,3 km | 7118 m/s | -1976 m/s | 0 m/s | 7388 m/s | 200 km | 225 km | 20,8 m/s |
Rakete: Starship Kerosin
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
6.566.200 | 283.000 | 7.831 | 1.716 | 4,31 | 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] |
74.732 | 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 | 4.683.400 | 184.000 | 3.429 | 74732,0 | 78970,0 | 195,37 | 0,00 |
2 | 1 | 1.599.800 | 100.000 | 3.506 | 13866,0 | 14538,0 | 361,69 | 195,37 |
Simulationsvorgaben
Azimut | 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 Ziel-Perigäum und -apogäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 198 km | 224 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,2 Grad | 243 km | 203 km | 283.000 kg | 282.600 kg | 557,0 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 154,2 s | 300,0 s | 433,0 s | ||
Winkel | 48,6 Grad | 0,1 Grad | -2,8 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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 | 1,6 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,21 km | 0,0 km | 1 m/s | 28 m/s | 0 m/s | 28 m/s | -6369 km | 0 km | 2,2 m/s |
Winkelvorgabe | 154,2 s | 49,25 km | 0,4 km | 952 m/s | 855 m/s | 0 m/s | 1280 m/s | -6273 km | 77 km | 16,5 m/s |
Brennschluss 1 | 195,4 s | 94,10 km | 2,2 km | 1923 m/s | 1310 m/s | 0 m/s | 2326 m/s | -6064 km | 171 km | 28,7 m/s |
Verkleidung | 211,4 s | 115,04 km | 3,9 km | 2029 m/s | 1225 m/s | 0 m/s | 2370 m/s | -6378 km | -6378 km | -1,4 m/s |
Winkelvorgabe | 433,0 s | 241,34 km | 147,9 km | 4338 m/s | -667 m/s | 0 m/s | 4389 m/s | -4820 km | 223 km | 7,1 m/s |
Sim End | 557,0 s | 202,70 km | 519,8 km | 7127 m/s | -1941 m/s | 0 m/s | 7387 m/s | 198 km | 224 km | 28,7 m/s |
Moritz ist Schiffsbauingenieur hat sich allerdings vor ca. 2 (?) Jahren mir Senkrechtstarter selbstständig gemacht. Er kann nämlich das besonders gut was du nicht so gut kannst, wissen leicht verständlich und begeisternd vermitteln. Deine Webseite (und vermutlich auch die Bücher) sind gut für Personen die tief in die Materie einsteigen wollen aber nichts für jemanden der nur mal kurz schaut und sich denkt Wau.
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Was hast du gegen Excel? Ich behaupte die Rechungen die du anstellst werden damit auch Problemlos gehen. Wenn man natürlich Programmieren kann ist eine Lösung in einem eigenem kleinen Programm natürlich meist einfacher. Und es gibt natürlich auch Fälle wo Excel für Aufgaben missbraucht wird wo es ungeeignet ist.
Und morgen heist es dann für mich Zahlen aus deinen Tabellen Studieren….
Jetzt kommt mein Weltbild ins Schwanken.
Mein Wissenstand:
1) Raptoren haben eine „fuel rich“ und eine „oxid rich“ Turbine. Beide arbeiten im „Hauptstrom-Modus“
2) Wird Kerosin „fuel rich“ verbrannt, entsteht Ruß der die Einspritzdüsen verstopft und die Wiederverwendung wegen Verkokung deutlich
aufwendiger macht. Damit können Kerosin „fuel rich“ Turbopumpen nur in Nebenstromtriebwerken verwendet werden.
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Mich macht obiger Satz stutzig:
„Dort kommt von der Treibstoff-Turbopumpe her heißes Gas an, nach dem Schaubild auf der Wikipediaseite 808 K heiß,
das ist mehr als heiß genug damit das alle Kohlenwasserstoffe gasförmig sind.“
Wenn dem so wäre, wieso gibt es keine Kerosin-Hauptstromtriebwerke mit einer „fuel rich“-Turbopumpe ?
Stattdessen arbeitet das RD-180 Hauptstromtriebwerk mit einer Kerosin „oxid rich“ Turbine.
Aufgrund der „Agressivität“ von heißem Sauerstoff hat eine „oxid rich“ Verbrennung sehr hohe Anforderungen an die Metalllegierungen.
Die Amis sind daran jahrelang gescheitert sind.
In den USA ist es erst SpaceX und Blue Origin gelungen, Hauptstromtriebwerke mit „oxid rich“ Turbinen zu bauen.
Das ist mein Wissenstand, damit kann man den Raptor nicht mit Kerosin betreiben.
Wo liegt der Fehler ?
P.S. Ich mag Excel auch nicht. Bei komplexen Aufgaben zu unübersichtlich und unstrukturiert.
In meiner Antwort steckt die Lösung. Es kommt darauf an wie heiß das Gas ist wenn es in die Brennkammer eintritt ist die Temperatur höher als der Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt dann kann auch nichts auskondensieren.
Ein paar Bemerkungen zum Rest: Die UdSSR hat schon Mitte der Sechziger Jahre begonnen staged Combustion Triebwerke zu fertigen, nicht fur für RP1/LOX. Die USA haben schlicht und einfach seit dieser Zeit kein neues RP1/LOX Triebwerk mehr entwickelt (bis zum Merlin), das ist der primäre Grund warum die Technologie nicht eingesetzt wurde.
Du baust auch einen künstlichen gegensatz auf zwischen zwei Vorbrennern und einem. Es reicht einer vollkommen aus, das RD-170/180/190 erreicht fast denselben Brennkammerdruck mit einem Vorbrenner. Warum SpaceX zwei hat haben sie nie begründet. Die Vereisungsprobleme deuten aber darauf hin das die Idee nichts so gut war.
„In meiner Antwort steckt die Lösung. Es kommt darauf an wie heiß das Gas ist wenn es in die Brennkammer eintritt ist die Temperatur höher als der Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt dann kann auch nichts auskondensieren.“
Das kann man so pauschal nicht sagen. Wenn das Gasgemsich nicht gezündet wird, also direkt verbrennt, kühlt sich das Gas beim Ausdehnen ab (Joule-Thomson, adiabatische Expansion). Solange die Eingangstemperatur hoch genug ist dürfte da nix passieren. Aber wie schaut es aus wenn es mal blöd läuft. Insbesondere wenn man neu startet? Selbst expandierender Wasserdampf mit 150°C führt zur Vereisung an und auch in den Düsen von Dampfstrahlvakuumanlagen. Hier einmal eine Thematisierung wie sich Eis in der einer Düse einer solchen Dampfstrahlvakuumanlage ablagern kann, obwohl das Gas weitaus heißer als der eigene Siedepunkt ist.
Ich kenne mich nicht mit Raketentriebwerken aus, daher weiß ich auch nicht ob theoretisch überhaupt Treibstoff ohne Verbrennung in die Hauptdüse kommen kann. Wenn aber ja, dann kann auch ein heißes Gasgemisch partiell kondensieren und Komponenten sogar kristallisieren.
https://croll.com/ice-buildup-in-ejector-throat-eliminated-by-steam-jacket/
Die Realität ist boshaft!
Das Gas dürfte vorher auch noch die Brennkammer kühlen, wobei es sich weiter erwärmt. Du musst auch den Druck berücksichtigen, er muss immer größer als der in der Brennkammer sein und das sind 300 Bar.
De Fakto sind unverbrannte Kohlenwasserstoffe auch nicht das Problem nur von Kerosin. Auch Methan wird wenn es im Überschuss im Vorbrenner verbrannt wird niedrige Kohlenwasserstoffe und in nennenswerten Mengen sogar Graphit erzeugen, das kann man eine Thermodynamiksimulation mit CEA2 leicht nachweisen. Und Graphit ist in jedem Falle fest. er sublimiert erst in der Brennkammer. Also dann dürfte auch dieser Methanvorbrenner nicht funktionieren.
In jedem Falle ist die sauerstoffreiche Mischung des anderen Vorbrenners frei von solchen Problemen, weshalb sowohl russische Triebwerke, wie auch das BE-4 nur diesen Vorbrenner einsetzen.
Schade ist das es meines wissens keine Detailbilder von Merlin Turbopumpen nach dem Flug gibt bzw. Angaben wie aufwendig das Reinigen nach dem Flug ist. Da sollte das Problem ja deutlich zu erkennen sein um daraus grobe Schlüsse auf die unproblematischeren Treibstoffe möglich zu machen.
Deine Kritik am Senkrechtstarter ist natürlich grundsätzlich berechtigt. Er ist ein Kind des „Newspace“ und seine Inspiration für sein Format ist der Everyday Astronaut. Dementsprechend ist die Berichterstattung über SpaceX (Das unangefochtene Hauptthema seiner Folgen) häufig zum fremdschämen einseitig und naiv. Er ist allerdings auch tatsächlich der einzige größere deutschsprachige Raumfahrtpodcast den ich kenne seit Weltraum-Wagner eingestellt wurde und daher höre ich ihn auch erst seit kurzem regelmäßiger. Dabei kommt es mir so vor, als würde er sich mittlerweile etwas breiter aufstellen und auch mal über andere interessante Raumfahrtthemen sprechen. Außerdem mag ich seinen Enthusiasmus und ich gehe davon aus, dass sein Fachwissen mit der Zeit auch ansteigt.
Abgesehen von der fachlichen Kritik finde ich dein Urteil über ihn jedoch zu harsch. Fehler und Unkorrektheiten kommen bei dir ja auch schon mal vor und Excel ist meiner Meinung nach ein hervorragendes Programm. Auch wenn man Programmieren nicht studiert hat, lassen sich mit seiner Visual-Basic-Integration komplexe Berechnungen erstellen.
Wenn du mit Podcasts Videos meinst vielleicht, im Audiobereich fallen mir spontan noch Auf Distanz und Raumzeit als deutschsprachige Raumfahrtpodcasts ein.
Hey danke für den Tipp!
Vom Raumzeit-Podcast habe ich sogar schon gehört, aber der ist bei mir vom Radar verschwunden, weil die nicht über Spotify zu hören sind.
Auf Distanz kannte ich aber nicht und werde mal reinhören. Die Folgenübersicht sieht vielversprechend aus.
Den Countdown Podcast von Frank Wunderlich Pfeiffer (der Schreibt für Golem) und Lutz (Nachname Vergessen) ist auch ganz unterhaltsam. Das Lustige ist das Frank ein absoluter SpaceX Fan aber Tesla Kritiker ist. Leider ist Frank auch Mister Chaotischer Podcast.
Wenn es mehr um Astronomie gehen soll gibt es auch Sterngeschichten von Florian Freistetter. Das Universum mit Florian Freistetter und Ruth Grützbauch. Die beiden nehmen auch regelmäßig Podcast mit Holger Klein unter Wrint Wissenschaft auf.
Ich habe keinen ingenieurwissenschaftlichen Hintergrund sondern bin einfach nur Raumfahrtfan und kann mich oberflächlich für Technik begeistern.
Deine Ausführungen Bernd finde ich immer wieder beeindruckend und ich denke man muss nicht selbst Ahnung vom Thema haben um sich deiner Ahnung sicher sein zu können.
Allerdings verstehe ich folgendes nicht: Du scheinst sehr häufig gerade SpaceX (und SpaceX nahe Creator) zu belächeln und stellst viele von deren Entscheidungen als falsch oder dämlich hin. Das ist erstmal in Ordnung, schließlich begründest du es auch immer.
Wie kann es aber dann sein, dass SpaceX trotz dieser ganzen Fehler die mit Abstand fortschrittlichste Firma ist? Warum hat z.B. die Wiederverwendung so einen Erfolg und warum gibt es dann (wenn Starship so schlecht sei) keine wesentlich bessere Rakete, die deine Kritik umsetzt?
Rein der Logik nach sollte es ja auch deinen Vorstellungen entsprechende kompetene Ingenieure geben – wenn es die von SpaceX nicht sind.
P.S. Ich weiß, der Kommentar ist nur am Rand auf das Thema des Blogs bezogen – ich habe nur nach dem Lesen dieses Artikels meine Gedanken zu diesem Kommentar sortiert…
Ich finde es immer erstaunlich mit wie viel unterschiedlichem Maß gemessen wird. Hat sich jemals Senkrechtstarter oder Everyday Astronaut dafür rechtfertigen müssen, das sie pro SpaceX sind?
Deine Fragen sind zudem Suggestivfragen in denen Du schon unterstellst das die Firma fortschrittlich ist und Erfolg hat.
Wie Du schreibst ich begründe alles, im gegensatz zu anderen Personen. Sollte eigentlich reichen um sich selbst ein Urteil zu bilden. So wirst Du auch im Blog ausführliche Antworten auf deine Fragen finden wenn Du nur mal danach suchst.
Fortschrittliche Firma: Also beim Starship sehe ich keinen Fortschritt. Nach vier Testflügen erstmals das Missionsziel erreicht, so schlecht waren bisher nur wenige Raketen. Auch beim letzten Flug wieder massive Probleme. Die SLS und Vulcan flogen in der selben Zeit auch erstmalig ohne Probleme. Fortschrittlich ist man auch wenn man diese im Vorfeld löst.
Erfolg: Erfolg kann man in der Wirtschaft messen. An Bilanzen, ob eine Firma Gewinne einfährt. SpaceX hat seit es sie gibt nicht die Weiterentwicklung nur mit den Firmengewinnen finanzieren können. Sie haben jedes Jahr ein- oder mehrmals Geld von Investoren eingetrieben. Elon Musk verschiebt das Gehen an die Börse seit Jahren, weil SpaceX dann Bilanzen veröffentlichen muss.
Wir haben die gleiche Situation bei Tesla. Deren Kurs stieg laufend obwohl sie nie Gewinne machten, weil alle Musk glaubten seine Firma wäre die einzige die Elektromobilität bietet. Sobald andere Hersteller nachgezogen sank der Kurs, weil diese Erwartungshaltung wegfiel.
Und das Starship gabs schon mal, hieß Space Shuttle. Heute braucht außer SpaceX niemand eine so riesige Rakete, die nur den LEO erreicht, daher baut sie auch keiner.