Ich habe mich schon einmal mit den Starships V2 und V3 beschäftigt. Das war 2024, als SpaceX eine Folie mit den beiden Versionen veröffentlichte. Inzwischen gibt es auch ein Starship V4, und ich nehme das zum Anlass, die Veränderungen noch einmal zu diskutieren. Schaut man sich den artikel von 2024 an und vergleicht ihn mit heute so fällt auf, dass die beiden Versionen doch deutlich gegenüber meinen Prognosen abfallen. Es gelang SpaceX nicht dieNutzlast so steigern wie geplant. Stand dieses Artikels ist nach dem Testflug IFT-13. Erst mal zur kurzen Geschichte der Starship-Versionen:
Die drei Versionen des Starships, die eigentlich nur eineinhalb sind
2020 war von einem Starship die Rede. Kurz vor dem Jungfernflug tauchte dann erstmals bei Musk eine Formulierung wie „die ersten Starships“ auf. Damit verbunden war der Dämpfer, dass das Starship 200 t schwer wäre. Das letzte Starship würde dann nur noch 120 t wiegen und 200 t Nutzlast haben. 2024 sollte es noch drei Versionen des Starships geben, 2025 wurde dann eine mehr daraus. Ich denke, nach Abschluss der Testflüge von V3 wird dann auf den Folien ein Starship V5 auftauchen. Die Benennung als Vx täuscht aber darüber hinweg, dass es aus Performancesicht – also hinsichtlich der Nutzlast, die im Orbit ankommt – eigentlich nur zweieinhalb Versionen bis einschließlich V4 gibt.
Elon Musk kann man dabei nicht als Quelle nehmen, wie die folgende Zusammenstellung der Aussagen per KI zeigt:
| Datum | Aussage |
|---|---|
| 7. Nov. 2019 | Rechnet mit 100 t pro Flug und 10 Mio. t/Jahr bei 100 Fahrzeugen. Post |
| 17. Jan. 2020 | Designziel: über 100 t pro Flug, rund 1.000 Flüge/Jahr. Post |
| 11. Aug. 2021 | „Starship payload to orbit is ~150 tons“. Post |
| 9. März 2022 | Optimiert und voll wiederverwendbar: ~150 t; expendable: 250–300 t. Post |
| 1. Juni 2022 | Voll wiederverwendbar: ~150 t; expendable: ~250 t. Post |
| 24. Mai 2023 | Expendable: 250–300 t; mit besserem Raptor-Schub/Isp. Post |
| 10. Juli 2023 | Mit voller, schneller Wiederverwendbarkeit: über 200 t in eine „useful orbit“; daraus >1 Mt/Jahr bei hoher Flugrate. Post |
| 14. März 2024 | V1 expendable: ~200 t; V3: ~200 t wiederverwendbar, ~400 t expendable. Post |
| 9. Juli 2024 | Starship V3 als Tanker: nahe 200 t Nutzlast. Post |
Nur einmal zur Einordnung: Man kann die frühen Posts noch als Wunschdenken einstufen, aber alles, was nach dem Jungfernflug im April 2023 kommt, sollte dann doch auf Tatsachen beruhen. Ich nehme nur einmal die beiden letzten. Am 14.03.2024 hatte das Starship schon drei Testflüge hinter sich und einmal die suborbitale Bahn erreicht. Was Musk nicht wiedergibt, sind Tatsachen, sondern Wunschdenken, denn in einem Video auf der Starbase am 4. April 2024, also nach IFT-3, sagt Musk bei etwa 31:24 wörtlich:
“Currently, Flight 3 would be around 40 or 50 tons to orbit.”
Direkt danach grenzt Musk die nächsten Ausbaustufen ab: Starship 2 „over 100 tons“ und Starship 3 „over 200 tons“.
Da SpaceX kaum etwas veröffentlicht, was gegen Musks Aussagen steht, findet man die entsprechenden Angaben für die zukünftigen Versionen auch so in den Folien. Dies als Vorbemerkung zur späteren Performancerechnung.
Der Schlüssel ist diese Abbildung von SpaceX. Die Starships V1 bis V3 sind praktisch gleich lang. Die Unterschiede in der Länge kommen durch den Stufenadapter und das Triebwerksgerüst zustande. Nach der Tabelle werden bei der Super Heavy von Starship V1 bis Starship V3 aber 400 t mehr Treibstoff zugeladen und beim Starship ebenfalls 400 t mehr Treibstoff. Für diese Menge hätte man die Rakete um 16 m verlängern müssen. Dies erfolgte nicht. Real waren bei Starship V1 und Starship V2 die Tanks nicht voll gefüllt, das war auch teilweise bei den Anzeigen vor dem Start sichtbar.. Die Treibstoffmenge und der Schub der Super Heavy begrenzten die Treibstoffmenge bei Starship V1 und Starship V2 auf 3.250 t. Bei den Raptor 3, die Starship V3 einsetzt, können dann die Tanks voll gefüllt werden.
Analog führte die Schubsteigerung beim Starship V2 von 1.200 auf 1.500 t dazu, dass 300 t mehr Treibstoff zugeladen werden konnten. Beide Starship-Versionen fliegen mit Raptor 2. Nach der ersten Folie von 2024, die mit Starship V2 endet, sollte Starship V2 schon Raptor 3 einsetzen. Tatsächlich hat man beim Startship V2 nur im Schub zur Sea-Level-Variante aufgeschlossen, wie die folgende Tabelle zeigt:
| Version | Schub SL/Vakuum | Spez. Impuls (SL/Vakuum) | Brennkammerdruck |
| Raptor 1 | 1.814 kN | 250 Bar | |
| Raptor 2 SL Variante | 2.256 kN / 2.530 kN | 3.210 m/s / 3.433 m/s | 300 Bar |
| Raptor 3 SL Variante | 2.452 kN / 2.697 kN | 3.210 m/s / 3.433 m/s | 330 Bar |
Die Daten für die Vakuumvariante sind noch offen. Durch die längere Düse dürfte der Schub leicht ansteigen und der spezifische Impuls ebenfalls. Elon Musk reklamiert für zukünftige Versionen der Vakuumvariante einen spezifischen Impuls von 3.727 m/s. In einem Interview nennt Elon Musk dieses Ziel aber „inspirational“, und es sollen 3.698 m/s erreicht worden sein.
Mit den reklamierten Werten für das Raptor 2 hätte die Super Heavy 74.450 kN Schub und das Starship 15.210 kN Schub haben müssen. Der Schub lag nach der Folie aber bei 7.100 t (69.651 kN) bei der Super Heavy von Starship V1/Starship V2 bzw. bei 1.200/1.400 t (11.772/13.730 kN) beim Starship. Man kann daher davon ausgehen, dass die angegebenen Werte für das Raptor 2 nicht erreicht wurden. DLR-Berechnungen kommen übrigens auch zu einem niedrigeren Schub und zu niedrigeren spezifischen Impulsen. Ein Grund ist, dass SpaceX beim Übergang vom Raptor 1 auf das Raptor 2 den Düsenhals aufweitete. Das ergibt zwar mehr Schub, aber so sinken das Expansionsverhältnis und der spezifische Impuls.
Beim Starship V3 sind nun, da die Raptor 3 zum Einsatz kommen, die Tanks voll gefüllt. Allein darauf beruht die Nutzlaststeigerung. Erkennbar ist dies bei den Testflügen an den verringerten Brennzeiten trotz mehr Treibstoff und bei der Super Heavy an einer höheren Abtrennungsgeschwindigkeit. Sie stieg beim Übergang von V1 auf V2 um 300 km/ und beim Übergang von V2 zu V3 um 1.200 m/s und dies trotz mehr Treibstoff zur Wende.
Erst Starship V4 wird eine wesentliche Neukonstruktion sein. Denn nun kommen drei weitere Triebwerke ins Starship, das zudem mit 2.300 t Treibstoff die Menge gegenüber Starship V1 praktisch verdoppelt. Die Super Heavy legt auch weitere 400 t Treibstoff zu, sodass die Treibstoffmenge gegenüber Starship V1 summiert um 43 Prozent steigt. Behält SpaceX die Startbeschleunigung der Super Heavy bei – die offensichtlich durch die Optimierung auf die Bergung so hoch sein muss –, dann müssen die Triebwerke weiter im Schub steigen. Mehr Triebwerke kann SpaceX nicht unterbringen, und nach der DLR-Analyse kann SpaceX auch nicht die Düsen erweitern.
Schon das Raptor 3 hat nach dem DLR nun einen zu hohen Düsenmündungsdruck, der zu einer Unterexpansion führt, welche die Leistung absenkt. Für Starship V4 wird der Schub noch gesteigert werden müssen. Nach der Folie beträgt der Schub eines Raptors im Starship V4 300 t und bei der Super Heavy sogar 333 t. Das Raptor 2 SL liegt bei 230 t. Das beim Starship V3 eingesetzte Raptor liegt bei 250 t. Die Raptoren müssen also nochmals im Brennkammerdruck gesteigert werden. Wenn alle Angaben für Sea Level sind, müssten die Raptoren bei Starship V4 434 Bar Brennkammerdruck haben. Handelt es sich um die Vakuumangabe, sind es 425 Bar. Schon allein diese Steigerung, die viel größer ist als beim Übergang vom Raptor 1 auf Raptor 2 und vom Raptor 2 auf Raptor 3, birgt ein Risiko.
Bisher fliegt eine nur wenig aufgerüstete Starship-Version seit 2023, also nun schon drei Jahre, und dieses Jahr gab es erst zwei Starts. Der nächste Start wird nicht vor Ende September erwartet. Es gibt keine Aussage von SpaceX, aber genügend Fans, die mit Ferngläsern alles beobachten und dann die Zeiten, in denen ein Schritt erfolgt ist, mit vorherigen Starts vergleichen. Dabei waren die Raptor 3 bis jetzt die erste größere Änderung. Trotzdem laufen die Testflüge nicht reibungsloser ab. Die Super Heavys hatten Triebwerksausfälle, bei IFT-12 auch das Starship.
Modellierung und ihre Schwierigkeiten
Von Elon Musk gibt es Angaben über die Trockenmasse, die benötigt werden, um einigermaßen realistische Nutzlasten zu berechnen; seitens SpaceX gibt es gar keine Angaben. Leider sind die Musk-Sngaben einige Jahre alt.
Für die Triebwerke lassen sich Tools bemühen. Die DLR nutzt RPA, ich das offizielle NASA-Tool CEA2. Ich gebe hier die CEA-Werte für die theoretisch mögliche Performance wieder. Zum Verständnis: Die reale Performance muss immer kleiner als die theoretische Performance sein, denn es ist eine reine thermodynamische Simulation. In der Realität:
- Müssen sich die Treibstoffe nicht immer perfekt durchmischen;
- Geht Energie auf die Brennkammer und die Düse über; die Brennkammer und die Düse werden rotglühend heiß;
- Wird bei Triebwerken auf Meereshöhe die Interaktion mit der Luft bei zu geringem Düsenmündungsdruck nicht berücksichtigt.
Hauptgegenargument: Die Energie für den Brennkammerdruck wird im Vorbrenner aus dem Treibstoff selbst erzeugt. Elon Musk gab für das Raptor 1 mit 1.814 kN Schub eine Turbopumpenleistung von 74,6 MW an. Daten über die Effizienz von Turbopumpen gibt es aber nur wenige. Bei der RS-25-Turbopumpe, als nächster Analogie, lag die Effizienz bei 57,5 Prozent. Berücksichtigt man dies, so braucht die Turbopumpe eine Energie von 129,7 MW. Um diese Energie zu liefern, müssen bei dem Mischungsverhältnis von 3,6 zu 1 beim Raptor 10,7 kg Treibstoff pro Sekunde verbrannt werden. Wenn man den Wirkungsgrad ignoriert – das Gas wird ja nachverbrannt –, sind es noch 6,2 kg. Das Raptor 1 hatte einen Treibstoffverbrauch von 565 kg. Das heißt, 1,1 bis 1,9 Prozent des Treibstoffs werden für die Erzeugung des Brennkammerdrucks verbrannt. Dieser Anteil muss in jedem Fall vom spezifischen Impuls abgezogen werden. Und bei gleichem Wirkungsgrad der Turbopumpe steigt der Anteil linear mit dem Druck an – das Raptor 1 hatte ja nur einen Brennkammerdruck von 250 Bar. Beim Raptor 3 des Starships V4 mit 425 Bar wären es dann schon 1,9 bis 3,2 Prozent. Beim CEA2 Vakuumwert von 3.765 m/s für dieses Triebwerk würde alleine dadurch der real erreichbare spezifische Impuls auf 3.693 (1,9 Prozent Verlust) bis 3.640 m/s (3,2 Prozent Verlust sinken). Da erscheinen 3.698 m/s oder gar 3.727 m/s die versprochen werden doch physikalisch kaum möglich.
Zum Vergleich habe ich die DLR-Werte von Berechnungen für den „realen“ spezifischen Impuls angegeben, die aber auch auf unvollständigen Angaben basieren.
| Raptor 1 | Raptor 2 SL | Raptor 2 Vac | Raptor 3 SL | Raptor 3 Vac | Raptor 3+ SL | Raptor 3+ Vac | |
| Brennkammerdruck | 250 bar | 300 bar | 300 bar | 330 bar | 330 bar | 425 bar | 425 bar |
| CEA2 SL/Vac | 3348 / 3562 m/s | 3353 / 3565 m/s | 3599 / 3760 m/s | 3355 / 3567 m/s | 3601 / 3762 m/s | 3361 / 3572 m/s | 3606 / 3765 m/s |
| DLR SL/Vac | 3202 / 3472 m/s | 3154 /
3402 m/s |
/ 3569 m/s | 3201 / 3407 m/s | / 3589 m/s | ||
| SpaceX SL/Vac | / 3433 m/s | 3207 m/s / 3404 m/s | / 3698 m/s | 3207 m/s / 3433 m/s | / 3727 m/s |
Man sieht: Die DLR-Werte zeigen eben nicht 100 Prozent Effizienz. Der Wirkungsgrad lag beim Raptor 1 bei 97,4 Prozent und bei den folgenden Versionen bei 95,2 Prozent. Das Interessante dabei ist – zu erkennen daran, dass die DLR-Werte für den spezifischen Impuls stärker als die CEA2-Angaben für das theoretische Maximum steigen –, dass der Wirkungsgrad ansteigt. Die DLR-Werte liegen aber immer unter den von SpaceX bzw. Musk reklamierten Werten. Die Abweichung liegt bei den SL-Raptoren bei 8 bis 31 m/s, beim Vakuum-Raptor aber bei 110 bzw. 139 m/s (Ispez-USA: 377/380 s / 3698 m/s / 3727 m/s im SI-System).
CEA2 zeigt nur einen geringen Anstieg. Bei den SL-Versionen beträgt dieser 13 m/s, von 3.348 auf 3.361 m/s, bei einer Steigerung des Brennkammerdrucks von 250 auf 425 Bar. Beim Vakuumimpuls sind es 10 m/s. Demgegenüber reklamiert SpaceX eine Steigerung um 30 m/s. Obwohl also immer mehr Treibstoff verbrannt wird, um den Druck herzustellen, soll der spezifische Impuls ansteigen. Das setzt voraus, dass SpaceX dies irgendwo im System durch Effizienzgewinne ausgleichen muss, sonst ist es physikalisch nicht möglich.
So an der Stelle einen Break, im zweiten teil geht es dann um die Leermasse, Prognosen für Starship V4 und die Nutzlast ohne Wiederverwendung