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Nach den Vorüberlegungen im vorletzten Aufsatz, geht es nun weiter mit einem konkreten Konzept.

Kommen wir nun zur Umsetzung. Basis ist das BE-4, daher hier erst mal einige Werte zum BE-4 nach der englischsprachigen Wikipedia:

• 2460 kN Schub auf Meereshöhe. Der Vakuumschub ist unbekannt, dürfte aber nach Erfahrungswerten 10 – 15 % höher liegen.
• Der spezifische Impuls liegt bei 340 s, 3335 m/s, das müsste der Vakuumimpuls sein, der Impuls auf Meereshöhe liegt dann bei etwa 3150 m/s.
• Die Gewichtsangabe von 5.400 kg interpretiere ich für einen Triebwerksblock der Vulcan, also zwei Triebwerke, für ein Triebwerk wäre es enorm schwer. Triebwerke dieser Bauart wiegen normalerweise 1/80 bis 1/120 des Schubs also 2050 bis 3050 kg. 2700 kg liegen in der spanne.
• Als LOX/LNG Mischungsverhältnis habe ich 3,5 zu 1 angenommen.

Man braucht mindestens drei Triebwerke für eine Rakete – zwei in zwei Seitenboostern, eines im zentralen Teil. Bei drei Triebwerken kommt man bei für mit flüssigen Treibstoffen angetriebenen Raketen typischen Startbeschleunigung mit 1,25 g auf eine Startmasse von etwa 600 t. Damit hätte die Rakete so in etwa eine Nutzlast von 20 t und läge gut im kommerziellen Mittelfeld. Ich befürchte aber das es dabei zu einer Beschleunigungsspitze kommt, die recht hoch ist und mache erst mal einen Ansatz mit sieben Triebwerken: je drei in zwei Außenboostern und eines in der Mitte. Drei in den Außenboostern müssen es sein, da am Schluss der Landung nur das innere Triebwerk arbeitet und das muss dann den Schub durch den Schwerpunkt leiten.

Wie beim Space Shuttle werden alle Triebwerke gemeinsam gezündet und die Außenbooster brennen schneller aus. Der Treibstoffvorrat der Zentralstufe sollte so bemessen sein, dass nach Abtrennung der Außenbooster die Beschleunigung nicht arg unter 1 g sinkt. Nimmt man die Brenndauer der Superheavy von 160 s als typische Größe, dann hätte ein Außenbooster in etwa 390 t Treibstoff. Das ist in etwa ein Drittel der Gesamtstartmasse von maximal 1383 t bei 1,25 g Startbeschleunigung. So kam ich drauf, die drei Tanks der Stufen genau gleich groß auszulegen, was auch die Fertigung vereinfacht.

Bei der Größe ist es so, das ein Zylinder das beste Volumen/Oberflächenverhältnis hat, wenn die Länge doppelt so lang ist wie der Durchmesser. Mit Halbkugelkalotten mit ¼ des Durchmessers als Höhe als Abschluss und 99 % Füllung komme ich beim Methantank auf 4,43 m Druchmesser und beim Sauerstofftank auf 4,82 m Durchmesser. Ich habe mich dann für einen durchgängigen Durchmesser von 5 m entschlossen.

Die Gesamtlänge des Tanks beträgt dann – nur Tanks ohne Zwischenraum zwischen den Abschlussdomen – 24,6 m bei 5 m Durchmesser (10,9 m Methan, 13,7 m Sauerstofftank). Dazu kommt dann noch die Triebwerksektion, die etwa 2 m hoch ist und bei den Seitenboostern ein spitzkgeliger Abschluss von 5 m Höhe, sodass deren Länge ungefähr 32 m beträgt.

Große Raketenstufen kann man mit einem Verhältnis 18:1 bei Voll-/Leermasse fertigen. Wegen der den benötigten Landeeinrichtungen rechne ich nur mit 16:1. Etwa genauso viel wie der Booster selbst trocken wiegt, braucht er Treibstoff zum Landen, so kommt man auf folgende Massen der Booster:

• Startmasse: 384.000 kg
• Leermasse: 24.000 kg
• Resttreibstoff: 24.000 kg
• Startschub: 7410 kN
• Vakuumschub: 8150 kN
• Brenndauer: 147 s.

Das gilt für den Treibstoff auch für die Zentralstufe, nur ist dort durch ein Triebwerk die Brenndauer dreimal so lange, wenn man den Schub nicht reduziert, also 443 s. Nach Ausbrennen der Außenbooster beträgt der Schub (nun Vakuumschub, da in großer Höhe) noch 2717 kN bei einer Masse (geschätzt: Leermasse + Nutzlast = 80 t) noch 342500 kg, entsprechend einer Beschleunigung von 0,8 g, das ist nahe an dem 1 g Kriterium. Bei Brennschluss wären es 2,6 g.

Doch wie ist diese zentrale Stufe aufgebaut? Wie ich im ersten Teil schrieb, will ich nur die Triebwerke, bzw. das einzelne Triebwerk bergen. Die Triebwerksgruppe braucht dann auch noch kleinere Triebwerke um den Orbit zu erreichen, wenn der Tank nur eine suborbitale Bahn erreicht und in jedem Falle um den Orbit zu verlassen. Vom Schub her würden die Rutherford Triebwerke der Elektron ausreichen. Das Zusatzgewicht durch die elektrische Stromversorgung der Turbopumpe ist kein Hindernis, weil wir hier von kleinen Geschwindigkeitsänderungen von etwa 200 m/s für das Erreichen und Verlassen des Orbits reden.

Am meisten habe ich über die Position des Triebwerks gegrübelt. Es ist ja nicht nur ein Triebwerk, es muss von einer aerodynamischen Verkleidung umgeben werden. Bei der typischen Form eines Triebwerks bietet sich eine Verkleidung in Form eines Tetraeders mit kleinen Steuerflügeln an zwei Spitzen an. Man kann es nun auf den Tank setzen wie beim Space Shuttle. Dann ist aber die Frage wie ich die große Nutzlastverkleidung platziere. Wenn ich diese mit dem Triebwerk verbinde, steigen die Lasten enorm an, denn die Nutzlast mit Nutzlastverkleidung wiegen mindestens das zehnfach des Triebwerks mit Verkleidung. Fixiere ich die Verkleidung am Tank, so macht es diesen deutlich schwerer, ich brauche dann eine Befestigung über die gesamte Längsseite, da bei (geschätzt) 50 t Nutzlast die Hülle recht lang wird.

So kam ich auf die Idee mit dem Shuttlekonzept zu brechen und das Triebwerk unten anzubringen wie bei den Boostern. Dort sitzt sowieso bei den Boostern der Triebwerksrahmen und so kann man an dieser Stelle die Booster mit der Zentralstufe verbinden (eine zweite Verbindung wäre oben im Zwischentankbereich). Die Nutzlastverkleidung wäre dann an der Spitze des Tanks, wo die Booster nur eine aerodynamische Verkleidung haben. Das hat einen Nachteil – so muss, wenn man keine zusätzliche Oberstufe einsetzt der Tank mit in den Orbit geschleppt werden. Die Vorteile überwiegen aber – Tanks und Triebwerksrahmen sind bei Booster und Zentralstufe identisch – Kosteneinsparung bei der Serienfertigung und einfachere Produktion. Die Nutzlasthülle gleicht der einer Rakete und an der Spitze kann man auch problemlos beliebig große Oberstufen mitführen, während dies etwas problematisch bei der Befestigung über die Länge am Tank wird. Wie das Starship und Space Shuttle wäre sonst das Gefährt auf niedrige Erdorbits beschränkt.

Ich habe für das Triebwerk, Schubrahmen mit Verkleidung Befestigung und Steuertriebwerken eine Masse von 10 t angesetzt. Zum Vergleich: ohne Bergung würden Schubrahmen und Triebwerk in etwa 4 t wiegen. Es wird auch Gewicht gespart, so braucht man nur einen Schubrahmen anstatt drei um die Kräfte zu übertragen, das spart etwa 2-3 t an Gewicht ein. Sinnvoll ist es das Triebwerk mit diesem Schubgerüst abzutrennen. Das gesamte Zusatzgewicht gegenüber einer nicht wiederverwendbaren Stufe für die Bergung (mit Flüssigkeiten, Verniertriebwerken, Umhüllung, Hitzeschutzschild, Fallschirm, Airbag …) habe ich zu 6 t angesetzt und damit etwa doppelt so hoch wie die Masse des Triebwerks das geborgen wird. Am Triebwerk befindet sich auch die Avionik. Da zwei Triebwerke mit je 4 t Masse (mit Schubgerüst) wegfallen und die Zusatzmasse für die Bergung 6 t wiegt, ist in meinem Konzept die Leermasse der Zentralstufe sogar um 2 t kleiner als bei den Boostern.

Das ist konservativ geschätzt, wahrscheinlich geht es leichter. Aufgrund der Form wird man es nicht aktiv landen können. Aber man kann es mit Fallschirmen abbremsen und vor der Landung einen Airbag aufblasen. So hat man schon Marssonden gelandet. Zudem kann man beim Fall mit den Verniertriebwerken nachregeln, sodass es auch hier kein Problem sein sollte das Triebwerk auf einer Plattform eines Drohnennschiffs zu landen. Der Tank würde durch sein großes Volumen stark abgebremst werden und wenn der Landepunkt des Triebwerks vor der US-Westküste liegt, schlägt er im Pazifik auf. ULA hat vorgeschlagen bei der Vulcan später den Triebwerksblock in der Luft mit einem Helikopter oder Flugzeug einzufangen so wie man dies jahrzehntelang mit Filmkapseln von Spionagesatelliten gemacht hat. Bei der höheren Wiedereintrittsgeschwindigkeit und dadurch der Notwendigkeit einer aerodynamischen Verkleidung denke ich aber ist die Masse zu hoch für diese Vorgehensweise. Beim Einsatz eines Airbags müsste man zumindest den unteren Teil des Hitzeschutzes vorher abwerfen, aber dieser dürfte auch ohne Airbag durch die dann harte Landung nicht wiederverwendbar sein. Das ist aber nicht so schlimm, denn dessen Kosten sind gering. Bei bemannten Gefährten wiegt der Hitzeschutzschild (ablativ) etwa 10 % der Gesamtmasse und ein ablativer Schild ist auch einfach in der Fertigung: auf einen Träger wird ein Harz gegossen und nach dem Aushärten dann in Form geschliffen.

Nun haben wir nahezu alles beisammen. Es fehlt noch die Nutzlasthülle. Sie wird im Bereich 5-6 m Durchmesser und 25 m Länge liegen, da die Nutzlast in etwa der einer New Glenn entspricht. Ich habe eine Masse von 5 t angenommen, etwa doppelt so hoch wie bei Standard 5 m Nutzlasthüllen.

Zusammen erhält man folgende Rakete:

Rakete: Wiederverwendbar BE-4

Simulationsvorgaben

Wichtige Aufstiegspunkte

Man sieht: die Nutzlast ist deutlich kleiner als die zuerst von mir angenommen 50 t. Eine nicht wiederverwendbare Version (Daten unten) kommt in der Tat auf über 55 t. Wir haben also eine Nutzlasteinbuße von 19 t, das sind 35 % und das ist der Preis der Wiederverwendung. Bei den Boostern schlägt durch, dass sie genauso viel Treibstoff zum Landen brauchen wie sie selbst leer wiegen. Das sind hier je Booster 24 t, zusammen 48 t. Typisch reduziert ein um 3-5 kg schweres Brennschlussgewicht der ersten Stufe die Nutzlast um 1 kg, also sind diese alleine für 9 bis 16 t weniger Nutzlast verantwortlich. In meinem Konzept wo der Tank verloren geht, ist die Einbuße durch die Zweitstufe nicht zu hoch, diese ist nur 6 t schwerer, was aber immer noch 38 % des Trockengewichts sind. Bei 19 t weniger Nutzlast entfallen also 13 t auf die Landung der Booster und 6 t auf die Zweitstufe. Würde man den Tank bergen, so sähe das viel schlechter aus.

Ich habe von Chat-gpt aus einer Bleistift-skizze mal das Bild eines Booster und des geborgenen Triebwerksteils anfertigen alles. Es gibt bei der Rakete einen Fehler, trotz Zureden wollte Chatgept im Zwischentankbereich nicht zwei Kalottenabschlüsse zeichnen. Bei dem Triebwerk das geborgen wird, denke ich wie in etwa ersichtlich an einen Delta Flügel mit seitlichen Leitflächen. Die Kugeln sind hier Treibstoff für Rutherfordtriebwerke und der Fallschirm.

Ich denke, dass ist für heute genug. Morgen komme ich noch zu möglichen Oberstufen und was euch sicher interessiert, einer einfachen Kostenabschätzung.

Hier noch die Daten der nicht wiederverwendbaren Version:

Rakete: Nicht Wiederverwendbar BE-4

Simulationsvorgaben

Wichtige Aufstiegspunkte