Starship V2 und V3 – eine Abspeckkur ist nötig

Während noch die Tests des Starship laufen, das ja bisher noch nicht zur Starbase zurückgekehrt ist, also der wesentliche Aspekt für die Pläne von vielen Starts in kurzen Abständen und auch die Wirtschaftlichkeit, testet SpaceX Optionen die Nutzlast zu steigern.

Beim letzten Start flog die Superheavy eine neue Bahn, die mehr Nutzlast bringt. Die Aufgabe ist, die das die Superheavy möglichst wenig Treibstoff brauchen sol,l um zur Startbasis zurückzukehren. Dies ist möglich, wenn die Bahn steiler ist, sie also beim Brennschluss näher an der Starbase ist. Da sobald die Triebwerke aus sind, die Gravitation an ihr zehrt, hat sie nur begrenzte Zeit die Distanz, die sie beim Aufstieg zurückgelegt hat zu egalisieren. Bei Flug 9 führte die neue Aufstiegsbahn mit stärkeren Belastungen zu Beschädigungen, die in der Explosion der SuperHeavy endeten.

Aber es brachte etwas. SpaceX hat ja die Anzeige unten im Video neu gemacht, wenig informativer, so sieht man Geschwindigkeiten erst am Schluss der Brennzeit des Starships, vor allem nicht so leicht auswertbar, da es nun eine Tachoanzeige anstatt Balken ist. Aber ich habe ein Programm geschrieben, mit dem man die Winkel ausmessen kann. Ist nicht ganz genau, auch weil die Start- und Endpunkte in einer Kurve liegen, aber ich kam auf 4 Prozent Resttreibstoff und damit etwas besser als bei IFT-3, seitdem sank diese Angabe immer weiter ab. 4 Prozent Resttreibstoff würden bei 1.200 t Nennzugladung 48 t Nutzlast entsprechen, dazu kommen 8 Starlinksimulatoren die rund 12 bis 16 t wiegen, zusammen also 60+ t Nutzlast. Die Angabe ist aber hochspekulativ, weil man die Treibstoffladung nicht kennt. Sie ist zwar relativ einfach aus Brennzeit, spezifischem Impuls und Schub errechenbar, aber die Brennzeit liefert einen Hinweis darauf, das die Raptors nicht mit vollem Schub arbeiten, weil sie sonst schon früher den Treibstoff verbraucht haben müssten. Zudem brennen sie nun etwas länger als bei den ersten 6 Flügen, sodass es wohl mehr Treibstoff sind, aber nicht so viel wie mit Raptors 3 – das Starship V2 nimmt ja bis zu 1.500 t Treibstoff auf.

Beim aktuellen Flug scheinen die Hitzeschutzkacheln im Fokus zu stehen, man erprobt mehrere Dinge, die mehr oder weniger alle dazu dienen den beim V1 rund 10,8 t schweren Schutz leichter zu machen.

Für die folgenden Starships verspricht SpaceX einiges. Die folgenden Angaben stammen aus einer SpaceX Präsentation nach IFT-3 sind also etwas älter:

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
Gesamthöhe:	121,3 m	124,4 m	150,0 m
Schub pro Raptor (SH)	2.181 kN	2.448 kN	2.972 kN

In diesem Artikel will ich untersuchen, wie viel SpaceX noch tun muss um die in der Tabelle postulieren Nutzlasten von 100 t für das V2 und 200 t für das V3 zu erreichen.

Einige Grundlagen

Aufgrund der Raketengrundgleichung wird bei einer Rakete, wo sich der spezifische Impuls nicht ändert und die Leermasse proportional ansteigt, die Nutzlast nur linear ansteigen. Aber schauen wir uns mal die Formel an:

Geschwindigkeit = Ausströmgeschwindigkeit (spez. Impuls) * (Startmasse / Brennschlussasse)

Für mehrere Stufen addiert man die Geschwindigkeiten. Schauen wir uns die Faktoren an: die Ausströmgeschwindigkeit, im SI-System ist das der spezifische Impuls. ändert sich bei dem Übergang der Raptoren von 2 zu 3 kaum. Zwar steigt der Brennkammerdruck, was eine leichte Steigerung der Ausströmgeschwindigkeit bringt, aber es wird auch mehr Treibstoff benötigt, um die Turbopumpen anzutreiben, die diesen Druck erst aufbauen. Dieser Treibstoff hat einen Teil seiner chemischen Energie schon im Vorbrenner verloren. Daneben steigt auch der Düsenmündungsdruck und damit die Restenergie im Gas, die nicht nutzbar ist. Eine genaue Analyse zeigt, das der spezifische Impuls sogar leicht absinkt. Das tat er schon beim Übergang von Raptor 1 auf 2.

Für eine Stufe definit man den Strukturfaktor, das ist das Verhältnis der Stufenvoll- zu Brennschlussmasse alleine (ohne obere Stufen und Nutzlast). Dieses Verhältnis ist aus technischen Gründen ab etwa 100 t Masse nahezu konstant. Das Gewicht der Tanks wird durch die Kesselformel definiert – ab einer bestimmten Größe werden sie linear zum Inhalt schwerer und bei Triebwerken kann man oberhalb etwa 1.000 kN das Gewicht pro erzeugtem Schub nur noch wenig senken. Die Titan III Erststufe, Atlas V Erststufe, Saturn IC und Superheavy liegen alle bei einem Strukturfaktor von 17 bis 18, obwohl die Superheavy 30-mal schwerer als eine Titan Erststufe ist. Da SpaceX an dem Material nichts ändern kann, wird das auch gleich bleiben.

Folgerungen

Eher kann man annehmen, dass die Tankmasse im Verhältnis zum Inhalt ansteigt, wie schon bei der Falcon 9, weil die Rakete immer länger wird, aber nicht im Durchmesser anwächst. Ein zylindrischer Tank (ohne die Abschlussdome, die aber bei jeder Tanklänge identisch sind) hat das niedrigste Gewicht im Verhältnis zum Inhalt, wenn er doppelt so lang ist wie sein Durchmesser beträgt, also 18 m bei dem Starship. Das entspricht 1307 t LOX oder 481 t LNG. Das Stsrship V2 dürfte nahe an dem Optimum liegen, die SuperHeavy liegt in allen Versionen weit daneben und bei ihr wird es immer ungünstiger. Das trifft auch für das Starship V3 zu. Da man hier nichts drehen kann, dürfte mit ein Grund sein, warum SpaceX versucht am Hitzeschutzschild Gewicht einzusparen, denn auch der wird schwerer, wenn die Tanklänge ansteigt. Die immer schlankere Form hat auch den Nachteil, dass die aerodynamischen Kräfte die bei Aufstieg und Landung angreifen immer größer werden. Schon bei Flug 9 war die Superheavy der Belastung ja nicht gewachsen.

Raptoren

Die Raptoren in der dritten Version haben einen Brennkammerdruck von 350 anstatt 300 Bar. Wobei wie oben geschrieben, die Raptoren bisher mit Sicherheit nicht denn Nennschub und damit auch den Nennbrennkammerdruck erreichen. Im besten Fall hat man die Triebwerke so konstruiert, dass sie diesen Druck aushalten, der bei späteren Exemplaren, wenn man die Schubangaben von V3 in der Tabelle in Druck umrechnet auf 400 Bar ansteigen soll. Ansonsten wird das Triebwerk schwerer – die Brennkammer muss dickwandiger sein, da der Druck höher ist, die Turbopumpe muss mehr Treibstoff mit mehr Druck fördern. Trotzdem verbreitet SpaceX (wie übrigens schon ein Jahrzehnt früher beim Merlin) Zahlen, die so zu interpretieren sind, das die Raptoren 3ff leichter werden. Halte ich für unrealistisch. Ein Großteil des eingesparten Gewichts ist, dass man einen Schild um den oberen Teil des Triebwerks wegnehmen will. Er soll bei einer Turbopumpenexplosion verhindern, dass Nachbartriebwerke beschädigt werden. Da bin ich voll dafür. Denn bisher hat das bei den Vorkommnissen wo ein Triebwerk explodierte, überhaupt nichts genutzt. Doch selbst wenn – die Triebwerke machen nur einen kleinen Teil des Gewichts aus. Bei der SuperHeavy V1 sind es 80 t von 200 t Restmasse, wenn das wie man aus Folien ableiten will um ein Drittel weniger wird sind das 26 von 200 t Leermasse, bei dem Starship das nur 6 (9) anstatt 33 Triebwerke hat ist die Einsparung sogar noch geringer.

Systeme mal durchgeschaut

Ein System, dass man gerne übersieht ist der Stufenadapter. Derzeit wird er nach dem Boostback abgetrennt, soll bei zukünftigen Flügen aber nicht mehr abgetrennt werden. Er wiegt 20 t, also 10 Prozent der Leermasse der SuperHeavy. Entsprechend braucht die auch 10 % mehr Boostback-Treibstoff als wenn er gleich nach der Trennung abgetrennt wird. Dies ginge, wenn man die Trennebene verschiebt, also ihn bei der Stufentrennung ihn am Starship belässt – da die SuperHeavy die Triebwerke nie abschaltet, wurde er sonst mit ihr kollidieren. Wenige Sekunden nach Stufentrennung könnte man ihm vom Starship abtrennen. Das bringt durchaus etwas, weil die SuperHeavy mehr Treibstoff für das Boostback braucht, als sie selbst wiegt. Das würde aber gegen die vollständige Wiederverwendung verstoßen.

Positiv ist, dass bei der Verlängerung der Anteil an unnutzbarem Resttreibstoff (20 t bei der SuperHeavy, wahrscheinlich genauso viel beim Starship, da gleiche Tankform) bei der Verlängerung gleich bleibt und damit der nutzbare Anteil anwächst von 98,3 Prozent bei V1 auf 99,1 % beim Starship V3. Schon jetzt interpretiere ich das gestufte Abschalten von den Raptors als eine Maßnahme um den Treibstoff möglichst vollständig auszunutzen. Mit speziellen Sensoren kann man den Prozentsatz noch weiter drücken, die Atlas schaffte 0,2 bis 0,3 Prozent Resttreibstoff, hatte am Schluss aber auch ein schubschwaches Triebwerk was wesentlich ist, dieses niedrige Level zu erreichen. Eine Reduktion dieses Resttreibstoffs bringt zweierlei: er ist zum einen Totmasse, die mit in den Orbit gebracht wird und nicht genutzter Treibstoff hat Energie, die nicht genutzt wird. Das Atlas-Niveau wird man nicht erreichen können, weil das Triebwerk dort am tiefsten Punkt des Tankdoms saß beim Starship aber es sechs bzw. neun Triebwerke sind, aber etwas weniger geht. Üblich sind woanders 0,5 Prozent Resttreibstoff.

Am Hitzeschutzschild arbeitet SpaceX ja bereits, die Einsparmöglichkeiten sind aber begrenzt, denn mit 10,8 t Gewicht wiegt er schon weniger als die Tanks oder die Nutzlastspitze bei denen man – ein Starship kollabierte ja schon in der Halle – davon ausgehen kann das man angesichts der bekannten Werkstoffeigenschaften nahe an der Belastungsgrenze ist.

Eine Analyse

Wie es bei dem Starship V2 oder V3 aussieht, weiß man angesichts belastbarer Fakten nicht. Oben hat man ja nur die Treibstoffangaben, nicht die Trockenmassen, die gibt es nur vom Starship V1. Für die genauen Daten des Starships beim dritten Testflug IFT-3 habe ich die Bahn nachgestellt und mit meiner Simulationssoftware berechnet. Die liefert die Ergebnisse für die energetisch optimale Bahn. Das muss nicht die eingeschlagene Bahn sein. Bei normalen Raketen gibt es als Grenzbedingungen z.B. die Minimierung der aerodynamischen Belastung oder das die Flugbahn nicht bemanntes Gebiet überfliegen darf. Aber die Ergebnisse liefern auf 1-3 Prozent genau die Performance realer Raketen und das habe ich bei über 200 historischen und betriebenen Modellen so gemacht. Daher bin ich sicher, dass die Simulation korrekt ist. Bei dem Starship muss die Bahn aber nicht die optimale sein, denn die Superheavy soll ja möglichst wenig Treibstoff verbrauchen, um zum Startplatz zurückzukehren. Das kann ich nicht berücksichtigen. Ich kann nur die Brennschlussmasse so weit erhöhen, dass der Treibstoff für das Boostback mit berücksichtigt wird.

SpaceX optimiert auch gerade diesen Teil. Zum einen mit der steileren Bahn von IFT-9, zum andern, indem das Starship deutlich mehr an Gewicht zulegt als die SuperHeavy – die bekommt vom Sprung von V1 zu V3 etwa 20 % mehr Treibstoff, das Starship fast 100 %. So sinkt die Trenngeschwindigkeit und die SuperHeavy braucht weniger Treibstoff für die Rückkehr. Bei einer klassischen Rakete wäre das nicht optimal, denn da sollten beide Stufen zu gleichen Teilen zur Endgeschwindigkeit beitragen, da wäre die Oberstufe deutlich kleiner, würde unter 1.000 anstatt >1.320 t oder ~ 2.500 t beim Starship V1/V3 wiegen. Das bedeutet aber auch, dass das Starship dann noch leichter werden muss.

Bei den Daten habe ich die veröffentlichten Leermassen von V1 genommen, den Resttreibstoff der SuperHeavy anhand des Boostbackmanövers von Flug 6 (10,4 Prozent) berechnet und mit realen Durchströmgeschwindigkeiten gerechnet – Musks Angaben sind physikalisch nicht erreichbar, wie nicht nur ich, sondern auch das DLR feststellte. Auf eine Erniedrigung des spezifischen Impuls auf die von mir berechneten Werte beim Raptor 4+ habe ich dagegen verzichtet.

Ab jetzt wird es kompliziert, es gibt von SpaceX eine Angabe für die Leermasse des Starships (100 bzw. 120 t) und man kann aufgrund der Simulationen berechnen wie viel ein Starship V1 real wiegen müsste. Damit ihr wisst, wovon ich immer spreche, verwende ich zwei Abkürzungen: Die Berechnungen mache ich alle mit einem Starship das bei V1 120 t wiegt, das theoretische Starship (TS), aus der Differenz der Nutzlast zur realen kann man die Leermasse des Starships bei den ersten 6 Flügen berechnen, das ist das reale Starship (RS).

Das Ergebnis. Auf dieser Suborbitalen Bahn sollte das TS noch 150 t Resttreibstoff haben. Es hatte aber nur noch für 41 t Resttreibstoff. Einige Wochen später bestätigte Elon Musk das die Nutzlast bei diesem Flug nur bei 40 bis 50 t liegt, was meine Auswertung bestätigt.

Wir haben also ein Starship das 100 bis 110 t zu schwer ist. Ein Teil davon geht auf weiteren Treibstoff zurück. So war ein Experiment bei IFT-3 ein Treibstofftransfer von 12 t Sauerstoff vom Haupt- in den Landetank (der also leer sein musste). Inklusive des Treibstoffs für das Verlassen des Orbits braucht ein Starship noch 20+ t Treibstoff für die Landung, vielleicht ist das auch der Grund warum die angegebene Masse anfangs bei 120 t lag und später 100 t, man hat anfangs den Landetreibstoff hinzuaddiert, man kann ja nicht auf ihn verzichten, wenn man den Orbit verlassen will. Bei IFT-3 fehlte der zumindest zum Teil, denn beim nächsten Flug IFT-4 sank die Resttreibstoffmenge dann gleich auf 30 t ab. Hätte dieses TS die von Musk/SpaceX angegebenen Leermassen gehabt und wäre voll betankt gewesen, so hätte in etwa 130 t in einen Orbit befördert. Da es aber nur 40 bis 50 t sind, muss das RS um rund 80-90 t zu schwer sein oder diese 80 t gehen auf die ungünstige Aufstiegsbahn zurück oder – am wahrscheinlichsten – beides.

Mit der Basis kann man dann das V2 und V3 berechnen, wobei ich nur die Tankmasse und TPS proportional zum Treibstoff erhöht habe, bei V3 auch noch 6 t für drei weitere Raptoren addiert habe. Der Resttreibstoff für das Boostback habe ich proportional zu Flug 6 gesetzt. Das Starship V2 kommt auf 175 t Nutzlast bei 127 t Orbitmasse (7 t mehr weil 300 t mehr Treibstoff an Bord sind). Beim Starship V3 das nach der SpaceX-Tabelle eine deutliche Steigerung hat, sind es dagegen nur 215 t bei 159 t Starshipmasse. Der Grund liegt darin, dass das V3 durch die drei weiteren Raptoren und die 800 t weiteren Treibstoff rund 32 t schwerer als ein V2 ist, während es gleichzeitig mehr Geschwindigkeit aufwenden muss.

Das klingt nun zuerst nach der gewünschten Steigerung um 40 t (V2) bzw. 80 t (V3). Bei V2 ist der Haupteffekt das die Raptoren nun mehr Schub haben, die Masse aber kaum ansteigt. Allerdings habe ich nicht berücksichtigt das bei den V3 Raptoren auch die Ausströmgeschwindigkeit leicht abnehmen sollte. Das V3 kommt bei mir aber nicht auf 100 t mehr Nutzlast als das V2, sondern 40 t.

Gehe ich vom RS aus so sieht es deutlich schlechter aus:

Starship	Gesamtmasse Orbit	Nutzlast bei 120 t V1 Starship	Nutzlast bei IFT-3 Starship	Trennegschwindigkeit
V1	245 t	135 t	40-50 t	~ 1.800 m/s
V2	347 t	175 t	80-90 t	~ 1.800 m/s
V3	424 t	215 t	120 – 130 t	~ 1.300 m/s

Fazit

Während SpaceX durch neue Raptoren, vollere Tanks bei V2 durchaus ihre Tabellenangabe erreichen können, selbst mit dem Starship das derzeit erheblich schwerer als geplant ist, müssten sie bei V3 um auf die 200 t Nutzlast kommen, das Starship um 80 t leichter machen. Ich halte das für unmöglich, denn die Erklärungen der Vorkommnisse aller bisher erfolgten Flüge lassen nur einen Schluss zu: schon jetzt hat das Starship keine Reserven für höhere Belastungen. Treibstoffleitungen brechen, Triebwerke explodieren weil sich der Injektor von der Brennkammer löst, Druckgasflaschen explodieren, weil der Innendruck zu hoch ist und und und …

Die drei letzten gescheiterten Missionen, die ja noch nicht mal das endgültige V2 Starship absolviert haben gezeigt: Für die Nutzlaststeigerung von zuletzt 20 t (IFT-6) auf nun 60 t Nutzlast hat SpaceX einiges getan, aber das nützt nichts, wenn das Vehikel versagt. Man muss nachbessern und alle Maßnahmen dürften weiteres Gewicht addieren.

Die Nutzlast von V3 – 200 t – kann man eigentlich nur erreichen, wenn man etwa 60+ t Gewicht einspart. Ich halte das für unmöglich. Viele Träger beförderten durch Verbesserungen im Laufe ihres Einsatzes immer mehr Nutzlast, doch das waren immer einstellige Prozentwerte (für den LEO), hier müsste man über ein Drittel der Masse einsparen. Das erscheint unmöglich, weil man die Tanks wahrscheinlich nicht leichter fertigen kann und die machen beim Starship V3 den Großteil der Masse aus.

Nach den bisherigen Erfahrungen dürften noch viele Probleme kommen, bedenkt man das nun drei Flüge eines Starships das nur teilweise V2 ist und einer V1 Superheavy scheiterten ,dann muss man kein Hellseher sein, um das zu prognostizieren. Mein Augenmerk liegt auf den Raptoren- Die laufen derzeit noch nicht mal mit vollem Schub. Beim letzten Start kann,man den Maximalschub aufgrund der Brennzeit auf 206 t (Vakuum) berechnen, es sollten bei Raptor 2 216 t sein. Man erreicht also nicht mal das 100 Prozentniveau nach zwei Jahren und die folgenden Triebwerke sollen dann nochmals 50 % Leistung mehr haben und dabei noch leichter sein. Meiner Erfahrung nach werden Triebwerke nicht verlässlicher, wenn man die Anforderungen hochschraubt.