Drei Träger im Vergleich

Loading

Da jetzt das Starship genauso viele Flüge hinter sich hat, wie die N-1, nämlich vier, denke ich wird es an der Zeit drei Schwerlastraketen zu vergleichen, nämlich die Saturn V, die N-1 und das Starship. Die SLS habe ich außen vor gelassen, weil sie erst einen Testflug absolviert hat und bei der geplanten Startfrequenz wohl auch von 2028 nicht den vierten Flug absolviert hat.

Ich habe den Vergleich tabellarisch aufgebaut, so kann man sich einfach an den Fakten orientieren. Die Tabellen enthalten was mir spontan einfiel und was man echt vergleichen kann, ich werde sie gegebenenfalls noch um weitere Einträge ergänzen.

Saturn V N-1 Starship
Startmasse: 2.870 t 2.735 t / 2.950 t 5.100 t
Nutzlast LEO: 130 t 70 / 97 t 40 – 50 t
Nutzlastanteil LEO: 4,5 Prozent 2,6 / 3,3 Prozent 0,9 Prozent
Nutzlast TLI: 49,5 t / 34,2 t 0
Nutzlastanteil TLI: 1,9 Prozent 1,2 Prozent 0
Triebwerke: 11 44 39
Startschub: 34.000 kN 45.300 / 38.300 kN 63.500 kN
Maximalschub eines Triebwerks: 7.740 kN 1.540 / 1.680 kN 2.256 kN
Ausgefallene Triebwerke bei den ersten 4 Flügen 2 90 33
Missionsziel erreicht bei dene rsten 4 Flügen 4 0 1
Testnutzlasten bei den ersten 4 Flügen 0 3 0
Nutzlasten bei den ersten 4 Flügen 4 1 0
Zuverlässigkeit: 100 Prozent 0 Prozent 25 Prozent
Anzahl der Flüge für eine Mondlandung 1 1 >12

Bei der N-1 erfolgten die ersten Flüge mit der N-1, die operationellen Flüge sollten mit der leistungsfähigeren N-1F erfolgen. Für diese habe ich die Angaben hinter dem „/“ eingefügt. Beim Starship sind es die Angaben mit voller Betankung für das Starship „v1“.

Die nächste Tabelle informiert über Organisatorisches:

Saturn V N-1 Starship
Zeitdifferenz Beschluss-Jungfernflug 71 Monate 54 Monate 79 Monate
Zeitdifferenz erster – vierter Flug 19 Monate 57 Monate 14 Monate
Zeitdifferenz erster → erster bemannter Flug 13 Monate 58 Monate
Testflüge 2 4 4
Bemannte Missionen 2 0 0
Nutzlaststeigerung während der Entwicklung: +9 Prozent -9 Prozent -55 Prozent

Beim Starship habe ich den derzeit aktuellen Termin für die Artemis 3 Mission (Februar 2027) als Anhaltspunkt genommen. Dieser Termin ist nach einem NASA Review aber nur zu 70 Prozent sicher. Der Vergleich ist zudem unfair, da die anderen Raketen Astronauten vom Startzentrum zum Mond transportieren, während das HLS erst im Orbit um den Mond bemannt wird. Da nach Gwen Shotwell aber „Hunderte“ von unbemannten Flügen einem ersten bemannten Einsatz vorangehen werden ist dies das einzige brauchbare Datum.

Hier noch eine kurze Zusammenfassung der Entwicklungsgeschichte aller drei Träger:

Saturn – Schedule Driven

Bei der Saturn waren die Entwickler mit dem Problem konfrontiert, in sechs Jahren eine Rakete zu entwickeln, die 20-mal schwerer als die bisher größte im Einsatz befindliche Rakete, die Atlas war.

Dies ging nur, wenn man mehrere Triebwerke bündelt. Bisher setzten Raketen nur ein oder zwei Triebwerke ein. Dieses Konzept wurde – wie die Drittstufe auf der kleineren Saturn I und IB erprobt, die ursprünglich die ersten bemannten Missionen durchführen sollte. Aber durch Veränderungen des Zeitplans gab es keine bemannten Saturn I und nur eine bemannte Saturn IB Mission davor der Mondlandung.

Wernher von Braun setzte auf Kerosin/LOX als erprobte Treibstoffkombination in der ersten Stufe und Wasserstoff in den oberen Stufen. Sicherheit wurde großgeschrieben. Es gab, wo immer es ging, Redundanzen: so drei Sensoren um ein Triebwerk bei Störungen abschalten, zwei unterschiedliche Systeme um das Triebwerk der dritten Stufe erneut zu starten. Die Triebwerke der ersten Stufe wurde vor dem Start dreimal gezündet und arbeiteten dabei länger als später im Betrieb.

Kennzeichnend für das ganze Programm war das es „schedule driven“ war. Sprich, nicht die Minimierung der Kosten zählte, sondern die Einhaltung des Terminplans. Die NASA zahlte alle Kosten der Unterauftragnehmer und legte noch eine Prämie obendrauf, wenn sie den Zeitplan einhielten. Um möglichst Flüge einzusparen, entstanden so Teststände in denen man eine ganze Saturn V Erststufe mit einem Schub von 34.000 kN am Boden über die volle Brennzeit testen konnte. So war die Entwicklung für heutige Verhältnisse sehr teuer, die Saturn machte 40 % der Aufwendungen für das Apolloprogramm aus.

Der Lohn war, dass alle 33 Starts einer Saturn I / IB und V gelangen. Nur bei einem Saturn Start gab es gravierende Probleme: Beim zweiten Teststart fielen Triebwerke in der S-I und S-II aus. Die Mission (Erprobung des Apolloraumschiffs) konnte mit dem Treibstoff des CSM aber durchgeführt wurden.

N-1

Die N-1 als Gegenstück hat eine andere Geschichte als die Saturn. Zuerst einmal wurde sie lange Zeit nicht genehmigt. Chruschtschow investierte das Geld lieber in die Versorgung der Bevölkerung als in eine Rakete. Erst mit seiner Entmachtung bewilligte Breschenjew die Mittel. Die N-1 lag so Jahre hinter der Saturn V zurück.

Koroljow war weitaus weniger wagemutig als Wernher von Braun, musste es vielleicht auch wegen der viel geringeren Mittel und des engeren Zeitplans sein. Er setzte LOX/Kerosin bei allen Stufen ein. Anstatt den Schub wie bei den F-1 der Saturn gegenüber bisherigen Triebwerken zu verzehnfachen, blieb er beim doppelten Schub und benötigte so 30 Triebwerke für die erste Stufe. Teststände, bei denen man eine ganze Stufe testen konnte, gab es aus Kostengründen nicht, nicht mal jedes Triebwerk wurde einzeln geprüft.

Dazu kam ein Zerwürfnis mit Gluschko, der dem führenden Kombinat für russische Triebwerke vorstand. Koroljow musste sich einen anderen Partner suchen und fand ihn im Hersteller von Strahlturbinen Kusnezow. Seine Ingenieure hatten aber bisher keine Raketentriebwerke entwickelt. So verwundert es nicht, das alle vier Starts der N-1 an Triebwerksproblemen scheiterten.

Die erste Version der N-1 hätte auch eine zu geringe Nutzlast für eine Mondmission gehabt, obwohl diese mit nur zwei Kosmonauten durchgeführt wurde. Erst die verbesserte N-1 F wäre dazu fähig gewesen. Sie wurde aber eingestellt, als Gluschko das OKB 1, das Koroljow dann Mischin leiteten, übernahm.

Die Kosten des Mondprogramms (mit 16 Flugmustern der N-1) wurden auf 4,97 Milliarden Rubel angegeben. Davon hatte man bis zur Einstellung schon 3,6 ausgegeben, davon wiederum 2,4 Milliarden für die N-1. Die Umrechnung des Rubels ist eine westliche Währung ist schwer. Aber Schätzungen basierend auf den Preisen für andere Raketen und Vergleiche mit westlichen Gegenstücken lassen die 2,4 Milliarden Rubel in einem Bereich von 3 bis 4,8 Milliarden US-Dollar einordnen. Die USA gaben für die Entwicklung der Saturn V insgesamt 7,5 Milliarden Dollar aus.

Das Starship – Trial and Error

Das Starship ist einerseits Bestandteil von Elon Musk Mars-Vision, auf der anderen Seite ist es Kernbestandteil des Starlink-Netzwerks. Dessen Satelliten in der zweiten Ausbaustufe wiegen mit 1,5 t sechsmal mehr als die der ersten Generation und können so mit Falcon 9 nicht mehr in ausrechnender Zahl befördert werden.

Pläne für ein vollständig wiederverwendbares Gefährt veröffentlichte SpaceX seit langem. Doch konkret nach Abschluss der Designphase wurde es erst 2016 vorgestellt. 2019 erhielt das Programm nach weiteren Änderungen den Namen Starship und Elon Musk kündigte den ersten Start schon in einem Jahr an.

Daraus wurde nichts. Prototypen explodieren schon bei Druckbeaufschlagungstests oder knickten von alleine um. SpaceX brauchte fünf Prototypen und über ein Jahr bis nur die Landung des Starships aus 10 km nach einem freien Fall klappte.

Dann tat sich zwei Jahre lang gar nichts, bis im April 2023 der erste Start anstand. Viele Triebwerke der Superheavy fielen aus, es gab Brände im Heck und die Stufentrennung scheiterte. Selbst das Flight Termination System reagierte nicht und die Rakete drehte antriebslos über eine Minute Loopings bis sie gesprengt wurde. Die beim Start angerichteten Zerstörungen auf der Startrampe aber auch der Umgebung führten zu scharfer Kritik an der FAA welche diesen Start erlaubte und riefen andere US-Behörden auf den Plan.

Beim zweiten Start fielen keine Triebwerke der SuperHeavy aus, die Stufentrennung gelang, nur die Superheavy konnte nicht geborgen werden, da sie kurz darauf explodierte. Eine Turbopumpe war explodiert und hatte die anderen Triebwerke beschädigt. Auch das Starship erreichte keinen Orbit. Die Ursache war bizarr: Man lies während die Triebwerke arbeiteten flüssigen Sauerstoff ab, das führte zu einem Brand und zur Explosion, 30 Sekunden vor Erreichen des Orbits.

Beim dritten Teststart vier Monate später gelang die Rückführung der Superheavy zum Startplatz, doch ihr Landemanöver fiel aus und sie wurde durch die aerodynamischen Kräfte zerrissen. Das Starship auf einer suborbitalen Bahn absolvierte einen Teil der Tests. Auch hier konnte ein Raptor nicht erneut gezündet werden. Die Ursache waren wohl die unregelmäßige Rotation des Starships, die auch vor dem Wiedereintritt nicht unter Kontrolle gebracht werden konnte. So fehl orientiert verglühte das Starship in 65 km Höhe.

Es wird weitere Tests geben. Schon alleine, weil ohne das Starship das Starlink als Cash-Cow von SpaceX auf wackeligen Füßen steht. Die Nutzlast ist bei derzeitigen Starship auf die Hälfte des Sollwertes gesunken: von 100 azuf 40 bis 50 t. So plant SpaceX Upgrades Der Triebwerke und Verlängerungen der Stufen um die Zielnutzlast zu erreichen und zu übertreffen. Natürlich kann hier das gleiche wie beim Starship V1 passieren, das auch diese Starships V2 und V3 die Nutzlast nicht erreichen. Von neuen Problemen mit neuen Triebwerken und verlängerten Stufen ganz zu schweigen.

Bei ITF-4 wurde erstmals auch das starship einigermaßen heil bis zur Wasseroberfläche gebracht, wenngleich es sehr viele Beschädigungen gab. ITF-5 ermöglichte erstmals die Landung der ersten Stufe Superheavy und das Starship wurde wesentlich heiler gelandet und bei ITF-6 scheitere die Bergung der Superheavy, dafür konnte man diesmal da die Landung am Tag stattfand diese beim Starship filmen. ITF-7 wird erstmals eine Nutzlast – 10 Massemodelle von Starlinksatelliten aussetzen, erreicht aber immer noch keinen Orbit. Bei dem Tempo wird es noch lange dauern bis sie einsatzzfähig ist.

10 thoughts on “Drei Träger im Vergleich

  1. 1) Ich würde vorschlagen, die Tabelle noch um „Entwicklungskosten“ zu erweitern.
    2) Den Kunden interessant die Zuverlässigkeit vor allem nach Freigabe der Rakete. Wieviele Triebwerke bis dahin „verheizt“ wurden und wieviel „Schrott“ produziert wurde, ist für ihn sekundär, solange die Performance und der Preis stimmt.
    3) In den Medien wurde das Missionsziel immer mit dem vollständigen Flugplan gleichgesetzt. Um Entwicklungkosten und Zeit zu sparen, verfolgt SpaceX einen iterativen Ansatz, aufgeteilt in Meilensteine:
    Abheben von der Startrampe, Stufentrennung, Orbitalgeschwindigkeit, Wiedereintritt, Fangen der beiden Raketeteile.
    Als „Missionsziel“ wurde immer der nächste Meilenstein ausgeben. Zusätzlich sollten Daten für die weiteren Meilensteine gesammelt werden. Alles darüber hinaus war „nice to have“. Dies wurde von Elon Musk auch klar so kommuniziert. Von daher ist meiner Meinung ein Vergleich der Missionsziele von Saturn V, N-1 und Starship nicht so ganz einfach. Letzendlich zählen Entwicklungskosten und Performance NACH Freigabe.
    In wie weit nun der iterative Ansatz besser und billiger ist, wird sich zeigen. Bei Falcon9 hat er schon mal funktioniert.
    Interessant wird die Tabelle mit Daten ab den ersten kommerziellen Einsätzen.

    1. @Werner: Der Vergleich der Entwicklungskosten der (z.B.) Saturn und des Starships würde gewaltig hinken. Zu Zeiten der Saturn gab es die ganze heute verfügbare Erfahrung, Kenntnisse, Standards, Infrastruktur und auch Technologie etc gar nicht, ganz zu schweigen von den fehlenden Möglichkeiten extensiver Computerberechnung und Simulation.

      1. Ja, stimmt schon. Die hatten natürlich auch ganz andere Anforderungen. Da hingen von Anfang an Menschenleben dran. Dann Frage ich mich aber auch, was die Aussage dieser Tabelle sein soll. Das die NASA mit deutlich mehr Aufwand weniger Ausfälle hatte ? Für einen Vergleich der Entwicklungsstrategien wären da die Entwicklungskosten von Ariane6, SLS, ULA Vulcan, mit Falcon9, SuperHeavy und Starship deutlich aussagekräftiger.

      2. Die Entwicklungskosten beim Starship können nicht beziffert werden, da sie sie zum einen nicht bekannt sind (nur was Elon Musk 2016 sagte was er schätzt) und die Entwicklung noch gar nicht abgeschlossen ist.

  2. Ich halte den Vergleich der Zahlen für Erfolgsraten auch für wenig Hilfreich. Die NASA (hat auch damals) schon nur gestartet wenn sie eine gute (bis sehr gute) Chance hatten das alles Funktioniert. SpaceX startet wenn man die Hoffnung hat das ein bisschen mehr funktioniert als beim vorherigen Start. Irgendwann kommen beide beim gleichen Ziel an. Welches verfahren besser ist hängt von der Situation ab. NASA (und auch ESA) dürfen sich praktisch keinerlei Fehlschläge erlauben denn dann steht immer gleich die komplette Finanzierung auf dem spiel. SpaceX hingegen braucht regelmäßig news. Das geht am besten mit Bilder/Videos. Bis zu einem gewissen Grad ist es dabei egal ob die Rakete Explodiert oder erfolgreich Fliegt, wichtig ist das Bild.

    Der Vegleich von Technischen Daten wie z.B. dem Nutzlastanteil hingegen macht schon Sinn und zeigt das das Starship eine Hochrisikoentwicklung ist. wenn das mit der einfachen Wiederverwendung nix wird dann hat man das Geld umsonst versenkt.

    1. Bei einem Nutzlastvergleich wird eine wiederverwendbare Rakete immer schlechter abschneiden. Aber es gibt wichtige Fakten und weniger wichtige Fakten. Die wichtigsten Fakten sind:
      Zuverlässigkeit
      Preis pro kg im Orbit
      Verfügbarkeit
      Entwicklungskosten
      und diese Werte nach Abschluß, im laufenden Betrieb.
      Andere Fakten sind auch interessant. Aber für den Kunden zählen hauptsächlich obige Werte. Ausser die Politik grätscht dazwischen.

      1. Jain.

        Zuverlässigkeit, Preis pro kg im Orbit und Verfügbarkeit sind „nur“ für das Marketing wichtig damit man überhaupt die Startaufträge bekommt. Dabei hängen die drei Faktoren hauptsächlich von der Anzahl der Starts ab. Nur bei Preis pro kg im Orbit spielt es eine Rolle ob die Rakete Wiederverwendbar ist oder nicht.

        Entwicklungskosten spielen nur so weit eine Rolle das man das Geld erst mal aufbringen muß und dieses auch wieder reinbringen muß. Dafür sollten die obrigen Faktoren stimmen dann kann man viel Starten und die Entwicklungskosten verteilen sich auf viele kg.

        „Bei einem Nutzlastvergleich wird eine wiederverwendbare Rakete immer schlechter abschneiden.“
        Ja, bei Nutzlastanteil und Wartungskosten ist eine Wiederverwendbare Rakete immer im Nachteil. Gerade deswegen ist das interessant denn das ist der Gap den man überspringen muß um wiederverwendbar billiger zu sein.

        Ich bin ja ein großer Fan von wiederverwendbar, glaube aber das SpaceX da mit dem Starship ein ungünstiges Konzept gewählt hat.

        1. Ja, die Entwicklungskosten interessieren den Kunden nicht. Hab ich nur aufgeführt, weil es eine wichtige Kennzahl ist, welches Konzept das günstigere ist, iterativ (SpaceX) oder klassisch (NASA, ESA). Da gibt es unterschiedliche Ansichten dazu. Einige sind eben schon gescheitert, weil ihnen die Entwicklungskosten davongelaufen sind.

          Ja, den Kunden interessiert auch nicht ob wiederverwendar oder nicht. Dem gehts hauptsächlich nur darum was ihn der Start kostet.

          Ja, Das Starship ist schon ein riskantes, aber dafür spannendes Projekt. Elon Musk ist irgendwo auch ein „gambler“. Bin neugierig was da rauskommt.

  3. SpaceX macht keine Anstalten Starship Block 1 als Orbitalrakete in Betrieb zu nehmen. Falcon 9 ist wahrscheinlich kostengünstiger und die Starlink 2 Mini Satelliten scheinen ausreichend zu sein. Ich würde die Nutzlast von Starship in den LEO wie SpaceX mit nicht vorhanden angeben. Wenn man allerdings eine Nutzlast in den LEO annimmt ist die Nutzlast in TLI gleich wegen auftanken.
    Die Einsatzfähigkeit von Starship hängt davon ab wie schnell SpaceX die Raptoren in die Nähe der unter Raptor V3 aufgelisteten Ziele entwickeln kann. Starship ist weiter verspätet und die IFT Flüge sind nur eine Notlösung.
    Der Vergleich hinkt also weil N1 nie fertig entwickelt wurde und keiner weiß wann Starship einsatzbereit sein und welche Nutzlasten es haben wird.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

Diese Seite verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden..