Ich bekam von Vineyard ein PDF, das weiter unten wiedergegeben ist, mit der Bitte um meine Meinung. Ich muss zugeben, von der Sea Dragon habe ich noch nie vorher gehört, aber ich habe mich inzwischen informiert und die Rakete sogar durchgerechnet. Darum wird es im zweiten Teil gehen. Im ersten Teil geht es um die Stellungnahme von Vineyard und meine Erwiderung.
Aber damit ihr wenigstens wisst, wovon die Rede ist: Die Sea Dragon war ein Aerojet-Entwurf einer Riesenrakete aus zwei Stufen und einer Kickstufe. Sie war nicht nur riesig (23 m Durchmesser, über 18.000 t schwer), sondern arbeitete trotz der Größe mit Druckförderung.
Stufe 1 (12.800 t) war eine LOX/Kerosinstufe, die nur 81 Sekunden lang brannte und schon vom Start weg mit 2 g beschleunigte. Stufe 2 (4.822 t) war eine LOX/LH2-Stufe, die 260 s brannte. Dann kam noch eine „Ullage“-Stufe mit 356 t Gewicht, die ziemlich lange (116 s lang) brannte. Sie sorgte für die Lageregelung und lieferte am Schluss noch Geschwindigkeit für den Orbit. Da diese Rakete so riesig ist, wären Startanlagen an Land sehr teuer geworden. So kam man auf die Idee, die Rakete aufs Meer zu schleppen, mit Ballast zu versehen, dass der untere Teil ins Wasser ragt, und so zu zünden. Die Nutzlast hätte 550 t in einen LEO betragen. In den Zeichnungen sieht man nur eine kleine Kommandokapsel auf der Rakete.
So nun erst mal Vineyards PDF, die Antworten findet ihr darunter:
Die Sea Dragon ist der absolute Traum jedes Raketen-Nerds. Das Konzept aus den 1960er Jahren
von Robert Truax war so simpel wie genial: Bau die Rakete nicht wie eine Schweizer Uhr (präzise
und teuer), sondern wie ein U-Boot (groß, fett, billig aus dickem Stahl) und wirf sie einfach ins
Meer, um sie von dort zu starten.
Während For All Mankind die Sea Dragon visuell absolut atemberaubend und konzeptionell korrekt
darstellt (das dramatische Auftauchen aus dem Ozean am Ende von Staffel 1 ist legendär),
unterschlägt die Serie die brutalen ingenieurstechnischen und logistischen Albträume, die ein
solches Monster in der Realität mit sich gebracht hätte.
Hier sind die größten Probleme, die die Sea Dragon im echten Leben wohl flugunfähig gemacht
oder zumindest die Crew getötet hätten:
1. Das hydrodynamische Inferno beim Triebwerksstart
Das Triebwerk der Sea Dragon sollte unter Wasser gezündet werden. Die Idee: Das expandierende
Gas drückt das Wasser weg und die Rakete steigt auf.
Das reale Problem: Wasser ist inkompressibel und extrem schwer. Wenn ein Triebwerk mit der
gigantischen Kraft von 360 Meganewton (das ist etwa das Vierfache der Saturn V oder des SpaceX
Starship) unter Wasser zündet, entsteht eine gigantische Schockwelle.
Die Folge: Diese Druckwelle würde im Wasser reflektiert werden und ungebremst auf die
Triebwerksdüse und die Unterseite der Rakete hämmern (Acoustic/Hydrodynamic Hammer). In der
Realität hätte diese enorme Gewalt die Triebwerksglocke vermutlich beim Start zerfetzt oder die
Rakete durch extreme Vibrationen (Pogo-Effekt des Grauens) noch vor dem Verlassen des Wassers
zerrissen.
2. Die thermische Schock-Katastrophe
Die Sea Dragon nutzt flüssigen Wasserstoff (LH2 bei −253 C) und flüssigen Sauerstoff (LOX bei∘
−183 C).∘
In der Serie: Die Rakete treibt majestätisch im verhältnismäßig warmen Meerwasser, bevor sie
zündet.
In der Realität: Wenn man ultratypisch kalte Treibstoffe in Tanks füllt, die nur durch dicken Stahl
vom warmen Meerwasser getrennt sind, passiert folgendes: Das Meerwasser um die Rakete herum
friert innerhalb von Sekunden zu einer gigantischen Eiskruste fest. Gleichzeitig sorgt der extreme
Temperaturunterschied für brutale thermische Spannungen im Metall. Ohne eine extrem komplexe
(und schwere) Isolierung wäre die Rakete im Wasser schlicht festgefroren oder aufgrund von
Materialermüdung implodiert.
3. „Druckgefördert“ bedeutet unendlich schwer
Um die Kosten niedrig zu halten, verzichtet die Sea Dragon auf extrem teure und fehleranfällige
Turbopumpen. Stattdessen nutzt sie ein druckgefördertes System (Pressure-fed system): Ein
gigantischer Tank mit komprimiertem Helium drückt den Treibstoff in die Brennkammer.
Das Problem: Damit das funktioniert, müssen die Treibstofftanks selbst unter enormem Druck
stehen. Um diesem Druck standzuhalten, müssen die Tankwände unfassbar dick sein (Truax plante
mit bis zu 5 cm dickem Schiffbaustahl).
Das Paradoxon: Je größer die Rakete wird, desto dicker und schwerer müssen die Wände werden.
Die Sea Dragon wäre so schwer gewesen, dass zweifelhaft ist, ob das Triebwerk die Rakete
überhaupt effizient hätte anheben können. Das Verhältnis von Nutzlast zu Gesamtgewicht wäre
katastrophal schlecht gewesen.
4. Salzgashölle und Korrosion
Raketenkomponenten hassen Salz. Sie hassen sogar Feuchtigkeit.
In der Realität: Die Sea Dragon sollte tagelang im offenen Ozean treiben, von Schleppern
gezogen werden und betankt werden. Salzwasser kriecht in jede Ritze. Die Ventile, die
Steuerungselemente und die empfindliche Avionik an der Spitze wären der aggressiven
Meeresumgebung schutzlos ausgeliefert gewesen. Ein einziges korrodiertes Ventil bei einer
druckgeförderten Rakete führt unweigerlich zu einer katastrophalen Explosion.
5. Die Logistik des Grauens (Bemannte Missionen)
In der Serie sehen wir, wie die Sea Dragon Nachschub und schwere Lasten transportiert. Truax
dachte das Konzept primär für Fracht. Hätte man Menschen draufgesetzt (wie es in der Serie
impliziert wird), hätte man ein massives Problem:
Wie kommt die Crew an Bord? Die Rakete treibt vertikal im schwankenden Ozean, die Kapsel
befindet sich in 150 Metern Höhe. Man bräuchte riesige, schwimmende Kran- und
Plattformsysteme, die bei jedem Wellengang gegen die Rakete zu krachen drohen, um Astronauten
einsteigen zu lassen.
Die Schallwelle: Ein so gigantisches Triebwerk erzeugt beim Start im niedrigen Frequenzbereich
(Infraschall) eine solche akustische Energie, dass die inneren Organe der Astronauten an Bord
wortwörtlich zerrissen oder schwer geschädigt worden wären. Die Saturn V war schon an der
Grenze des Erträglichen; die Sea Dragon hätte die Crew ohne gigantische Dämpfungssysteme
getötet.
Warum es in der Serie trotzdem funktioniert
For All Mankind nutzt die Sea Dragon perfekt für das, was sie ist: Ein Symbol für eine Ära, in der
die NASA unbegrenzt Geld hatte. In der Serie wurden die logistischen Probleme (wie die
schwimmende Wartungsbasis) im Hintergrund gelöst, und die physikalischen Probleme wie der
hydrodynamische Schock wurden für den „Rule of Cool“-Faktor schlicht ignoriert.
Wäre das Konzept in der Realität je gebaut worden, hätte es vermutlich den größten und teuersten
Feuerwerkskörper der Menschheitsgeschichte im Pazifik gegeben.
Nun meine Antworten
1: Als riesige druckgeförderte Rakete mit dicken Wänden unterscheidet sich die Sea Dragon wenig von Feststofftriebwerken, ja, diese sind ja auch druckgefördert durch den Brennkammerdruck. Das Triebwerk und die Düse (es ist ja nur eine Triebwerk) wären auch recht dickwandig. Der Entwurf stammt von 1963, zu dem Zeitpunkt wurden schon Polaris-Raketen, die von U-Booten aus abgeschossen wurden, getestet. Ich sehe hier keinen offensichtlichen Einwand, warum das nicht funktionieren könnte. Das Wasser wird ja durch die Gase verdrängt, wie wenn man durch einen Strohhalm blubbert, und gleichzeitig steigt die Rakete hoch, da sie mit 2 g beschleunigt und so schnell aus dem Wasser raus ist.
2: Klar, Wasser hat eine 20- bis 25-mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft. Aber erstens ist der untere Tank der Kerosintank, und das siedet bei höheren Temperaturen als Wasser, und zweitens taucht sie nicht komplett unter, sondern nur etwa 40 m bis zum Kerosintank. Damit hat sich Punkt 2 erledigt. Hinweis die Wikipedia-Skizze ist reine Erfindung in den Unterlagen findet man sie nicht.
3: Ja, Druckförderung bedeutet extrem hohe Leermasse, vor allem bei den Tanks. 33 Bar wären es bei der ersten Stufe gewesen. Bei normalem 301-Edelstahl (Atlas, Starship) betrüge die Wandstärke 50,6 mm, was gut zu den 5 cm passt. Entsprechend hätte die Nutzlast auch nur das 4,2-Fache einer Saturn V aber die Masse das 6,3-Fache betragen. Aber man hat deswegen die Startbeschleunigung so groß gewählt, um die Gravitationsverluste zu minimieren. Beide Stufen kamen auf ein Voll-/Leermasseverhältnis von 9:1, waren also doppelt so schwer wie pumpengeförderte Stufen. Das Wesentliche war aber, dass dieses Konzept nicht auf optimale Performance getrimmt war. Gerade weil sie so riesig war, konnte man sie wie ein Schiff auf der Werft bauen. Die Düse des Triebwerks hatte 23 m Durchmesser, das ist kein fragiles Teil, das ist massiv und das senkt die Kosten massiv. Da kann man mit der Nutzlasteinbuße leben.
4: Druckförderung hat eigentlich nur Ventile, wobei wir hier wahrscheinlich von meterdicken Treibstoffleitungen reden, da ist selbst ein Wasserhahn zierlich dagegen. Genauso wenig, wie ein Schiff untergeht, wenn es einige Monate im Salzwasser schwimmt, würde das der Rakete was ausmachen. So was passiert eher bei hauchdünnen, auf Gewicht optimierten Teilen wie den Leitungen des Apollo LM, das beim Warten am Cape Lecks durch Korrosion bekam. Avionik gab es 1963 noch nicht, da war noch alles elektrisch, vielleicht Computer mit Relais und Trommelspeicher. Und die steckte wohl auf der Spitze, gute 100 m vom Meer entfernt.
5: Auch hier: Die Masse macht’s. Genauso wenig, wie ein Schiff mit 18.000 t Masse (viele Kreuzfahrtschiffe liegen darunter) wild schwingt, tut dies die Rakete, zumal sie ja viel weniger Angriffsfläche als ein Schiff bietet; die Treibstoffe sind in der Mischung leichter als Wasser, deswegen ist ja sogar Ballast nötig. Starten dürfte man wohl eher bei ruhiger See. Aber ich denke, das ist der einzige Punkt, wo ich Vineyard recht geben muss. Durchdacht für eine bemannte Mission hat man das nicht. So komme ich auch auf eine Spitzenbeschleunigung von 82 m/s² zum Brennende der zweiten Stufe. Aber meine Simulation berücksichtigt nicht den abnehmenden Brennkammerdruck, so wäre die Endbeschleunigung kleiner, und wir reden hier von 1963. Wenige Jahre vorher wurden aus über 100 Testpiloten, die sowieso fitter als normale Piloten sind, sieben (!) Mercury-Astronauten herausgesucht. Es gab einige Astronauten der zweiten und dritten Gruppe, die damals schon dabei bei der Auslese waren und durchfielen, wie Lovell und Collins. Und die starteten auf einer Atlas mit 68 m/s² Spitzenbeschleunigung. Die Sea Dragon war nicht gedacht als Wellness-Flug, wie ihn heute Blue Origin anbietet (2,5 g Start- und 5,5 g Landebeschleunigung).
Die Schallwelle wäre in der Tat ein Problem. Es wären 180 Dezibel gewesen, allerdings als Wasser-Schallwelle. Im Prinzip wirkt das Wasser als Flammenabweiser mit unerschöpflichem Wasservorrat. Die Besatzung bekommt davon wenig mit, zumal sie weiter von der Quelle entfernt ist als in einer Saturn, und bei der waren es 202 bis 204 dB, also nochmal 100-mal mehr. Das Problem wäre die erzeugte Welle für die Umgebung gewesen, weshalb man dies durch eine Scheibe unter der Rakete dämpfen wollte.
Noch ein Tipp an Vineyard: Vorher in die Wikipedia (englische) schauen. Da findest Du nicht nur, dass man das auf kleinem Maßstab getestet hat, sondern dass der Vorschlag von Aerojet stammt und von den Space Laboratories geprüft wurde. Aerojet hatte zur gleichen Zeit den weltgrößten Feststoffbooster gebaut und auch getestet (AJ260) – in der Masse ist er nicht mehr der größte, aber im Durchmesser von 6,7 m hat ihn bis heute keiner übertroffen, und die Firma fertigte die Triebwerke der Titan I+II. Das ist kein Raumfahrt-Klischee. Und die Space Laboratories waren damals der Thinktank der USA; die meisten Ingenieure im Mercury-Programm kamen aus dieser Ideenschmiede. Die haben sich das Konzept angesehen und meinten, es geht. Ich vermute, dort verstand man schon damals mehr von Raumfahrt, als mancher selbst ernannte Experte heute.
