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So, nun geht es weiter mit dem letzten oder vorletzten Teil (siehe Seitenende) der Diskussion über die Wiederverwendung nämlich den Beschränkungen auf höhere Orbits und eine wirtschaftliche Betrachtung. Eine grundlegende Einführung und eine von mir konstruiertes Beispiel kamen schon. Auf dieses Beispiel bezieht sich dieser Artikel.

Höhere Orbits

Eine Crux von wiederverwendbaren Gefährten ist, das sie wegen der hohen Leermasse keine höheren Orbits erreichen. Zudem sind sie auch nur zweistufig. Für GTO-Bahnen sind zweieinhalb oder drei Stufen besser, bei nur zwei Stufen nimmt die Nutzlast deutlich ab, vor allem wenn man nur mittelenergetische Treibstoffe nutzt. Das gilt auch hier, aber es sind zumindest höhere Orbits erreichbar. Aus praktischen Gründen wird man sich auf elliptische Orbits beschränken. Sonst braucht man erheblich mehr Treibstoff um den Orbit wieder zu verlassen. Elliptische Orbits senken sogar die Geschwindigkeit, die man für das Absenken des Perigäum beim Wiedereintritt braucht, etwas ab. Der Satellit muss diese elliptische Bahn dann im Apogäum zirkularisieren. Doch da nach den neuen Strategien sowieso jeder Satellit am Ende der Betriebsdauer aktiv deorbitiert werden soll und dafür Treibstoff braucht, ist dies zumutbar, denn dafür ist ja auch der Start günstiger. Hier eine Tabelle mit der Abstufung in 5000 kg Nutzlast:

Auch ein Manko: die nicht wiederverwendbare Version ist im Orbit um 6 t leichter, dazu kommt noch die Nutzlasteinbuße durch die Bergung der Booster, da diese Treibstoff nicht nutzen können (oder ihr Voll-/Leermasse drastisch von 18:1 auf 9:1 absinkt). Für viele Bahnen wo die wiederverwendbare Version noch eine attraktive Nutzlast hat, ist dies bei der nicht wiederverwendbaren Version nicht gegeben.

Sinnvoll ist es für diese Fälle eine Oberstufe mitzuführen. Ich würde die Antriebe Zefiro 40 oder 9 nehmen. Es gibt einige gute Gründe für sie:

• Der Preis: Sie sind relativ günstig. Genaues weiß man nicht, aber aus den publizierten Startpreisen der Vega müssen, sie zusammen etwa 20 Millionen Euro kosten, wenn dies gleichmäßig auf die Masse verteilt ist, so sind dies 15 bzw. 5 Millionen Euro für den Zefiro 40 und 9.
• Sie sind leichtgewichtig und haben für Feststofftriebwerke einen hohen spezifischen Impuls. Das erhöht die Nutzlast.
• Durch den hohen Schub können sie auch schwere Nutzlasten transportieren
• Sie sind relativ kompakt (8,1 und 3,9 m Länge) und lassen so viel Platz für die Nutzlast.
• Als Nebeneffekt, das gilt aber für alle Oberstufen, wird in vielen Fällen von der zweiten Stufe kein Orbit erreicht, was etwa 1 t Treibstoff einspart, das wurde bei meinen Berechnungen aber nicht berücksichtigt.

Ich will nicht alle möglichen Fälle durchspielen, hier nur zwei: ein Transport zur GTO Bahn und zum Mars (c₃=12 km²/s²)

Es würde also die kleinere Stufe ausreichen. Das sind nur Mehrkosten von etwa 5 Millionen Euro. Auf der anderen Seite sieht man das die nicht wiederverwendbare Version vergleichbare Nutzlasten ohne Zefiro-Antrieb schafft (und also auch Kosten spart) bzw. bei ihr der Einsatz die Nutzlast deutlich erhöht. Das bestätigt die Grundproblematik das bei wiederverwendbaren Raketen die Nutzlast in höhere Orbits drastisch abnimmt.

Kostenabschätzungen

Nun komme ich zum Minenfeld der Simulation, nämlich etwas wo es keine Daten gibt. SpaceX hat nie veröffentlicht was wie viel bei der Falcon 9 „Full Reuse“ kostet.

Zuerst muss man mal bestimmen, was eine nicht wiederverwendbare Version kostet. Ich gehe von 8 bis 10 gebauten Raketen pro Jahr aus, bei den Stufen orientiere ich mich an bekannten Daten. Demnach würde ich einen Seitenbooster auf 60 Millionen Euro schätzen, davon entfallen 45 Millionen auf die Triebwerke. Die Zentralstufe wird billiger, weil sie nur ein Triebwerk hat. Hier komme ich auf 30 Millionen Euro. Die Avionik schlägt mit 5 Millionen zu Buche, 7 Millionen für die Nutzlasthülle und Satellitenadapter. Das macht Gesamtkosten von 162 Millionen Euro für die nicht wiederverwendbare Version. Dazu kommen die Startkosten die ich auf 28 Millionen Euro schätze, zusammen also 190 Millionen Euro. Das erscheint zwar für die Masse recht günstig, aber wir haben ja auch pro Rakete sieben Triebwerke und drei baugleiche Booster, das sorgt für eine hohe Stückzahl von 56 Triebwerken und 24 Stufen pro Jahr.

Ich gehe davon aus das die Bergung 20 % des Herstellungspreises der Booster kostet und ich nehme nur vier Wiederverwendungen an. Das schaffen auch Triebwerke, ohne besonders auf lange Betriebszeit optimiert zu sein. Die Bergung kostet so 12 Millionen Dollar pro Booster, 24 für beide.

Teuer wird die Bergung der Zweitstufe. Bei den Boostern muss man nur einige Beine anbauen und einige aerodynamische Stabilisatoren (Drohnenschiff, Inspektion etc .brauchen beide). Bei der Zentralstufe muss man Equipment bauen, um die Triebwerke abzutrennen, den ganzen aerodynamischen Wiedereintrittskörper von dem der untere Hitzeschutzschild bei der Landung verloren geht, die Verniertriebwerke, Fallschirme etc. Ich setze das zu 15 Millionen Euro an. Da haben wir auch schon die erste Problematik: 15 Millionen Euro kostet auch ein neues Triebwerk. Es ist also genauso teuer, wie wenn es verloren geht und damit eigentlich sinnlos. Es würde sich nur lohnen, wenn die Kosten minimal sind, man also praktisch keinen Zusatzaufwand hat gegenüber der nicht wiederverwendbaren Version. Das war wohl der Gedanke beim Starship. Nur addiert das dann so viel Gewicht, das die Nutzlast minimal wird. Lohnen würde sich das Bergen der zweiten Stufe nur, wenn dies extrem billig wäre oder man sehr viele und sehr teure Triebwerke hätte. So dachte ich zuerst daran, die Zentralstufe mit RS-25 auszustatten, bei deren hohen Preis hätte sich das gelohnt. Aber bei dem hier skizzierten Gefährt lohnt sich die Wiederverwendung finanziell eigentlich nicht, zumal sie auch 6 t Nutzlast kostet. Ein Nutzen wäre, dass die Avionik mit geborgen wird, doch das bringt nur 5 Millionen Euro ein, die Nutzlasthülle geht in jedem Falle verloren.

Eine wiederverwendbare Version würde so 154 Millionen Euro kosten, verzichtet man auf die Bergung des Zentralstufentriebwerks, so wird es mit 159 Millionen Euro nur wenig teurer.

Allerdings hat dies auch einen Einfluss auf die Fertigungszahlen. Bei viermaliger Verwendung braucht man nur noch 14 anstatt 56 Triebwerke pro Jahr (20 bei Nichtbergung des Zentralstufentriebwerks) und 12 anstatt 24 Tanks pro Jahr. Nutzlasthüllen braucht man genauso viele und bei der Avionik, die man vor allem von andern Firmen bezieht, sehe ich keinen Effekt durch eine kleinere Stückzahl. Nach einer gängigen Abschätzung über die die Fertigungskosten durch höhere Stückzahlen würde dies einen Tank um 18 % verteuern und ein Triebwerk um 42 %. Die Produktionskosten würden so von 60 auf 82 Millionen Euro bei den Boostern steigen. Bei der Hauptstufe wären es 39 anstatt 30 Millionen Euro.

Die Fertigung ist zuerst teurer, aber über ein Jahr gerechnet brauchen wir in einem Falle 56 Triebwerke und 24 Tanks und im anderen Falle 14 Triebwerke und 12 Tanks. Dies entspricht einer Summe von 1.296 Millionen Euro bei der Nicht-Wiederverwendung und 704 Millionen Euro für die Wiederverwendung nur für die Herstellungskosten. Dann kommen bei der Bergung aber auch pro Start 39 Millionen Euro für die Bergung hinzu, womit wir bei 8 Starts pro Jahr bei einer Gesamtsumme von 1.080 Millionen Euro sind. Zu beiden kommt noch die Startdurchführung von 224 Millionen Euro hinzu.

Das ist eine Reduktion von 45 % bei den Herstellungskosten, aber nur 17 % der Gesamtkosten mit der Startdurchführung und Bergung. Das zeigt die generelle Krux auf: Raketen werden in so kleinen Stückzahlen gefertigt, das durch die absinkende Produktionsrate wieder viel vom Gewinn aufgefressen wird. Wiederverwendung ist nur lukrativ, wenn man zum einen viele Starts hat. Das ist auch möglich, wenn man nicht eine Satellitenkonstellation aufbaut, weil durch den geringeren Startpreis der Start wirtschaftlich attraktiver wird. Dann sorgen mehr Starts auch zu einer höheren Produktion. Der zweite Punkt ist das man im Idealfall die Rakete vom Schiff sofort wieder auf die Startrampe bringen müsste, also nicht mehr inspizieren, warten oder Teile austauschen. Auch dies war eine Überlegung (neben der Produktionszahl) die Anzahl der Einsätze auf 4 zu begrenzen. De Fakto spart man durch mehr Bergungen ja immer weniger an den Herstellungskosten ein, verringert aber die Stückzahl drastisch und verteuert so jeden Booster in der Fertigung.

Selbst SpaceX verdient sich trotz Wiederverwendung nicht „dumm und dämlich“ wie der IPO Prospekt ausweist. SpaceX hat bisher 662 Falcon 9 Starts mit 103 Erststufen ausgeführt, also mehr als 6 Starts pro Stufe. 2022 erreichten sie 60 Starts pro Jahr, was bei 6 Starts pro Stufe einer Produktion von 10 neuen Erststufen pro Jahr entspricht, letztes Jahr waren es 165. Damit liegen sie eigentlich in einem Bereich wo die geringeren Stückzahlen durch Wiederverwendung kaum noch durchschlagen, zumal bei der Falcon 9 die Oberstufe (anders als bei diesem Konzept) nicht wiederverwendet wird und so neu gefertigt werden muss – bei gleichen Tanks wie die Erststufe und gleichem Triebwerk.

Daraus kann man ableiten, das es bei Wiederverwendung sinnvoll ist, wenn eine Rakete möglichst viele Triebwerke hat und möglichst gleiche Tanks (zumindest vom Durchmesser her) in beiden Stufen. Ich denke, ich konnte aber auch zeigen das die Bergung der zweiten Stufe und sei es nur der Triebwerksblock ein Grenzfall ist, zumal er ja auch mit 6 t weniger Nutzlast, was in diesem Falle rund 20 % sind verbunden ist. Spätestens, wenn man den LEO verlässt ist die Bergung des Triebwerks der zweiten Stufe stark nutzlastsenkend.

Ich halte meine Rakete für das Optimum, was die Herstellungskosten angeht, das gilt auch für die Wiederverwendung. Sie setzt drei identische Stufen ein, was die Tanks betrifft. Die Abschlüsse sind überall gleich, der zylindrische Teil des Sauerstofftanks genau um ein Drittel länger als beim Methantank, sodass man die auch aus 4 bzw. 3 Segmenten von 2,8 m Höhe konstruieren kann. Die sieben Triebwerke sind identisch. Unterschiede gibt es nur im Triebwerksrahmen, der Avionik, dem Satellitenadapter und den Abschlüssen (aerodynamischer Kegel bzw. Nutzlasthülle).

Während Strukturen wie Tanks in jedem Falle von einer größeren Stückzahl profitieren ist es bei den Triebwerken komplexer. Ein schubstarkes Triebwerk ist pro Kilonewton Schub günstiger als mehrere kleine mit demselben Schub. Auf der anderen Seite senken mehr Triebwerke die Produktionskosten pro Triebwerk. Als dritter Faktor kommt noch hinzu das jedes Triebwerk ausfallen kann. Die Wahrscheinlichkeit steigt mit der Triebwerksanzahl an, ab einer bestimmten Anzahl muss ich mehr Triebwerke einsetzen, als eigentlich nötig, um einen Ausfall der immer wahrscheinlicher wird auszugleichen und die Konstruktion muss dann so gestaltet sein, damit jedes Triebwerk ausfallen kann und nicht nur das zentrale, das den Schubvektor am wenigsten beeinflusst. Ich halte 8-9 Triebwerke als das Maximum ohne diesen Fall abzudecken und selbst wenn so kann ja ein Triebwerk nicht nur kontrolliert abschalten, sondern explodieren und so die Nachbarn schädigen, was wir bei den Raptoren ja in den letzten Jahren demonstriert bekommen haben. Das wird man nie ganz verhindern können, in jedem Falle kosten Abschirmungen er Triebwerke Nutzlast und verteuern die Rakete.

Meine skizziere Rakete kann man übrigens noch optimieren. Ich habe ja mit Schätzwerten begonnen. Die hohe Startbeschleunigung von 14,8 m/s zeigt, dass man sie noch schwerer machen kann. Bei 450 t anstatt 382 t pro Booster kommt man auf 1,25 g die Standard-Startbeschleunigung für den Einsatz flüssiger Treibstoff. Das bringt weitere 6 t Nutzlast (dann 61 t ohne Wiederverwendung). Dabei läge sie schon in einem Bereich wo sie kommerziell zu leistungsstark ist. Belässt man die Booster wie sie sind, nimmt aber vier oder sechs anstatt zwei, (die hohe Startbeschleunigung mit „überzähligen Triebwerken“ ist dann eine Absicherung gegen Ausfälle) so wird eine Mondrakete draus: vier Booster transportieren (ohne Oberstufe) 17 t zum Mond, sechs Booster 25 t. Mit einer Zefiro 40 kann man dies um jeweils 2 t steigern. Das würde ausreichen, um Mondlander und Orion mit jeweils getrennten Starts zu starten. Sie würden dann erst im Mondorbit koppeln. Der Nachteil ist, dass man dann auch vier bzw. sechs Drohnenschiffe für die Landung braucht.

Eine Verbesserung, die mir erst beim Durchrechnen kam, wäre das man die zentrale Stufe mit zwei Triebwerken ausstattet. Platz dafür bietet der Gleiter. In diesem Falle würde man aber die zweite Stufe verlängern müssen,was sich aber nur auf die Tanklänge auswirkt. Mit 1 G Beschleunigung nach der Stufentrennung wäre die zweite Stufe dann 610 t schwer, die Seitenbooster 450 t. Mehr Nutzlast bringt diese Lösung aber wegen des ungünstigen Stufenverhältnisses nicht.

Soviel zur Theorie. Als Nächstes möchte ich mal zeigen wie ein Nachfolger der Ariane 6 aussehen könnte, wenn er die oben skizzierten Erfahrungswerte berücksichtigt.