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Ich bin mir relativ sicher, dass ich das folgende Thema schon mindestens zweimal angesprochen habe, aber ich finde die Artikel im Blog nicht mehr, so denke ich, kann ich es neu auflegen.

Ich habe ja zuletzt die vierteilige Serie über das Starship, die Falcon 9 und SpaceX und die Entwicklung nach Dogma, nicht Rationalismus, geschrieben. Relativ deutlich ist auch beim V3, dass das Starship ein Gewichtsproblem hat. Mit etwas Glück kann das V4 tatsächlich auf die 100 t Nutzlast kommen, die schon für V1 angekündigt wurden, nur mit knapp 50 % höherer Startmasse. Womit das Starship übrigens einen einsamen Platz in der Reihe der nutzlastschwächsten Raketen aller Zeiten einnimmt. Nur mal zum Vergleich: Die Saturn V hatte 130 t Nutzlast bei weniger als der Hälfte der Startmasse.

Eigentlich müsste man bei SpaceX nochmal komplett neu anfangen. Beide Stufen sollten wie die Falcons überall landen können, das würde viel Treibstoff bei der Superheavy für die Rückkehr zum Startplatz sparen, und das Starship könnte auch überall landen, hat es mit den Wasserlandungen ja schon demonstriert. Ideal wäre auch ein gleichmäßiges Stufenverhältnis. Bei gleichen Treibstoffen liegt das (siehe im Artikel über die Grundlagen) so, dass Vollmasse Superheavy / Vollmasse Starship ~ Vollmasse Starship / Nutzlast liegt.

Aber das Kind ist in den Brunnen gefallen. Schauen wir mal, wie wir es retten können. Wenn man zumindest das Starship überall landen kann – die Starships bei den Hop‑Tests hatten ausfahrbare Beine – dann wäre die beste Methode, eine Oberstufe mitzuführen.

Die Architektur des Starships macht das aber nicht einfach. Man kann nicht einfach eine neue Oberstufe zwischen Starship und Nutzlast einschieben. Stattdessen muss die Oberstufe in die Nutzlastverkleidung passen. Die Nutzlastverkleidung hat zwar einen nutzbaren Innendurchmesser von 8 m, aber nur 17 m Höhe. Sie ist gemessen an der Nutzlast zu klein. Vergleicht man das Volumen mit den Nutzlasten anderer Träger, so transportiert das Starship nominell zehnmal mehr Nutzlast als eine Ariane 6 (deren Verkleidung auf den GTO ausgerichtet ist), hat aber nur das dreifache Volumen. Schon bei der Falcon 9 war dies der begrenzende Faktor. Es ist der Grund warum die Falcon Heavy mit derselben Verkleidung so selten fliegt. Selbst für die eigenen Starlink-Satelliten ist sie zu klein, und die sind so ausgelegt das die das Volumen maximal ausnutzen-

Eine Centaur der Vulcan ist z. B. schon 11,7 m hoch. Die Centaur erstreckt sich so schon über den zylindrischen Teil der Nutzlastabteilung, und für den Satelliten bleibt nur wenig Platz. Das ginge noch für kleine Satelliten wie Raumsonden, dazu komme ich noch. Aber besser wäre es, eine neue Stufe zu konstruieren, die die verfügbare Höhe möglichst komplett ausnutzen kann. Eventuell kann eine Stufe anders als ein Satellit auch noch etwas größer sein. Bei 8 m Außendurchmesser würde schon die Vergrößerung auf 8,30 m es erlauben, 7,6 % mehr Treibstoff mitzuführen.

Die optimale Form, wenn man eine Kreisscheibe ausnutzen will ist ein Torus. Innen ist das Triebwerk, der Durchmesser orientiert sich nach dem Innendurchmesser, Außendurchmesser und der Höhe die man opfern will. Ich habe für die Höhe 4 m angesetzt und komme dann auf folgende Werte:

Bei gängigen Materialien würde der Tank 1.350 kg wiegen bei 116.000 kg Treibstoff. Dazu käme die Masse eines Merlin 1D und seines Schubgerüstes. Das habe ich zu 1,5 t eingestuft. Weiterhin braucht man einen Satellitenadapter, Avionik, Druckgas und Lageregelungstriebwerke mit Treibstoffen. Dies habe ich zu weiteren 1.700 kg zusammengefasst. Die Stufe wiegt so 4,6 t leer und 120t mit Treibstoffen.

Als Treibstoffe habe ich LOX/RP‑1 gewählt mit einer hohen Dichte von 1,04. Dann passen rund 116t in diesen Tank. Als Triebwerk das Merlin 1D Sea Level, es passt problemlos in den Zwischenraum.

Die Sea‑Level‑Merlins hätten den Vorteil, dass SpaceX nach dem Aus der Falcon 9 noch viele Erststufen hat. Derzeit befinden sich nach Schätzungen 18 bis 24 im Einsatz (jede fliegt also wie eine nicht wiederverwendbare Rakete im Schnitt 7–8 mal pro Jahr). Das sind dann bei neun Triebwerken pro Stufe 162 bis 216 Triebwerke, die für lange Zeit reichen würden, selbst wenn die Produktion eingestellt wird. Wenn man alle Falcon 9 nimmt haben wir sogar über 80 Stufen mit 720 Triebwerken.

Bei dieser Mission würde (ich habe es mit dem Starship V2 gerechnet, da für dieses belastbare Nutzlastdaten vorliegen) das Starship eine parabelförmige Kurve durchfliegen, die das Starship bis in 295km Höhe bringt und 1.351 km vom Startort entfernt landen. Die Maximalgeschwindigkeit würde bei 4.762 m/s anstatt 7.800 m/s liegen, was die thermische Belastung des Hitzeschutzschildes um den Faktor 2,6 absenkt. Dann dürfte der Hitzeschutzschild auch nicht so ramponiert aussehen.

Das Merlin 1D setzt den Flug fort und erreicht nach 381Sekunden den Orbit. Nur diese Stufe geht verloren.

Vorteil: 87 t anstatt 35 t Nutzlast. Höhere Bahnen ohne Auftanken möglich (Nutzlast in den GTO: 34 t, 25 t zum Mond) Geringere thermische Beanspruchung des Starships.

Nachteile: Die Stufe geht jedes Mal verloren. Das Starship muss so umgebaut werden, dass das Starship überall landen kann Dronenschiff im Atlantik nötig.

Die kleine Lösung

Die kleine Lösung würde nichts am Starship verändern, das heißt: Die Stufe muss leichter sein als die Maximalnutzlast des Starships, bei V2 als Rechengrundlage also 35 t. Das verbessert sich: V3 liegt bei mindestens 55 t, und V4 könnte, wenn V4 nicht massiv an Gewicht zulegt, über 100 t kommen.

Für eine kleine Stufe hat SpaceX die SuperDracos im Angebot. Es sind druckgeförderte Triebwerke mit 73,4 kN Schub, aber nur einem spezifischen Impuls von 235 s (2.305 m/s). Das liegt an der Auslegung als Rettungsraketen, wodurch die Düsen kurz sind. Da ich von 2 m hohen Tanks ausgehe und die Brennkammer kaum länger als 0,5 m sein dürfte, stehen 1,5 m für eine Düse zur Verfügung. Bei 69 Bar Brennkammerdruck kann eine 1,5 m lange Düse zu einem Expansionsverhältnis von 26,5 führen.

Der hohe Brennkammerdruck führt aber zu sehr schweren Tanks die 165 Bar aushalten müssen. Da die Triebwerke auf 20 % Schub reduzierbar sind (durch Absenken des Brennkammerdrucks), habe ich mit diesem Schub und entsprechend geringerem Druck im Tank gerechnet. Bei 95 % Effizienz beträgt der spezifische Impuls 3.095 m/s bei 14,7 kN Schub.

Die Tanks sind Kugeltanks von 2 m Durchmesser. Bei 33 Bar Tankdruck fasst ein Kugeltank 5 t Treibstoff bei 121 kg Gewicht. Füllt man die Kugeltanks zu 2/3 und erhöht den Tankdruck auf 100 Bar, so braucht man kein weiteres Druckgas. Das erhöht das Tankgewicht auf 363 kg.

Diese Stufe wiegt wenig, lässt noch viel Platz für die Nutzlast. Die Stufe könnte 6,5 t zum Mond und 11 t in den GTO befördern – und das beim Starship V2 mit nur 35 t Nutzlast. Die Alternative wäre es, das Starship mehrmals aufzufüllen. Da die Nutzlast derzeit weit unter 100 t liegt, müsste das drei bis viermal erfolgen für die beiden Bahnen. Ich glaube kaum, dass dies günstiger geht, als diese kleine Low‑Tech‑Stufe zu bauen.

Dabei könnte man die Stufe leicht vergrößern, da die Stufe nur einen Teil des Durchmessers nutzt. Platziert man die Tanks auf einem Ring von 7 m Durchmesser, so sind 10 Tanks möglich. Je zwei Tanks braucht man pro Triebwerk, so könnte man auch fünf Triebwerke betreiben und hätte eine etwa 39 t schwere Stufe. Am Voll‑/Leermasseverhältnis ändert das aber nichts. Aber so könnte man auch die höheren Nutzlasten von V3 und V4 ausnutzen.

Begrenzungen

Die beiden Begrenzungen habe ich schon erwähnt: Das eine ist das kleine Volumen der Nutzlastverkleidung oder ‑sektion, je nachdem, wie man es bezeichnen will. Ich halte daher LOX/LH₂ als Treibstoff nicht für sinnvoll. Die Kombination hat eine Dichte von 0,35 kg/l, ist also dreimal schlechter als LOX/RP‑1 und viermal schlechter als NTO/MMH. Daneben kann man bei SpaceX ja nur das einsetzen, was SpaceX selbst entwickelt hat, und einen LH₂‑Antrieb hat SpaceX nicht entwickelt.

Das Merlin Vacuum habe ich ausgeschlossen, weil das Merlin Vacuum durch die lange Düse viel Platz braucht und so die Stufe eine große Höhe hat. Das wiegt die höhere Ausströmgeschwindigkeit nicht auf.

Das Raptor ist in einigen Aspekten besser: Durch den Hauptstromantrieb ist das Raptor kompakter als das Merlin (der Brennkammerdruck steigt stärker als der Schub), und man könnte auch die Vacuum‑Variante einsetzen. Aber das Raptor ist einfach zu schubstark. Realistisch reden wir, wenn die Stufe in der Verkleidung mitgeführt wird, von maximal 100 t Masse für eine Oberstufe und Nutzlast. Dafür ein Triebwerk mit 280 t Schub einzusetzen, ist einfach viel zu viel Schub.

Jede Oberstufe leidet auch unter dem Versagen des Starships: zu wenig Volumen für die Nutzlast, zu wenig Nutzlast. Versprochen wurden 100 t Nutzlast für die V1, erreicht dies wahrscheinlich mal die letzte Version V4. Aber sehen wir es positiv: Für die bei V2 publizierten 35 t Nutzlast ist die Verkleidung wieder genauso voluminös pro Masse wie die anderen Verkleidungen bei den anderen Trägerraketen.

Und wer weiß, vielleicht zeigt sich ja, dass das Starship zu bergen sich doch nicht finanziell lohnt. Das würde den Weg für eine größere Stufe frei machen. Denn dann kann man die Nutzlastverkleidung vom Starship trennen und eine Stufe wie eine normale Stufe auf das Starship montieren. Dann fallen die Beschränkungen beim Volumen und der Masse weg. Daneben würde die Nutzlast des Starships drastisch steigen. Der Hitzeschutzschild würde entfallen, der Landetreibstoff ebenso und die Nutzlastverkleidung sowieso. Aber dann müsste man sich ja von einem Dogma lösen. Das erscheint bei Elon Musk doch sehr unwahrscheinlich.