Über Raumfahrt, Computer, Ernährung und den Rest
… haben NASA / Aerojet aufgestellt. Sie haben einen neuen Vertrag abgeschlossen, in dem Aerojet 18 neue Triebwerke für 1,79 Milliarden Dollar kauft. Aerojet ist nach einer Übernahme Besitzer von Rocketdyne, der Hersteller der RS-25 Triebwerke. Continue reading „Einen neuer Rekord …“
Hallo, ich bin gerade mal wieder in meinem Ferienhaus in Nesselwang, Zeit also für einen mehr kurzweiligen, unterhaltsamen Blog als ein langes Essay.
Hier in Nesselwang bin ich wieder mal mit zwei Dingen konfrontiert, die nerven. Das erste, für mich ein echter Dauerbrenner, ist das System der Bahn für Sparangebote. Prinzipiell läuft das so: Wer mindestens drei Tage vor der Reise diese fest bucht, mit Zugbindung kann Geld sparen. Bis zu 50 Prozent. Zugbindung heißt man muss mindestens einen Zug der auf dem Ticket angegeben ist nehmen. Ein Reisen zu anderen Uhrzeiten ist dann nicht möglich und umtauschbar oder stornbierbar ist das Ticket auch nicht. Wenn mal bei der Webseite der deutschen Bahn, Bahn.de sich aber mal Verbindungen raus sucht, selbst wenn diese deutlich später in der Zukunft liegen, wird feststellen, das sich diese im Preis deutlich unterschieden. Mal gibt es einen Zug im Sparangebot und der nächste eine Stunde später dann nur zum herkömmlichen Preis. Nun ist durch die Corona-Pandemie die Reise derzeit wirklich bequem – man hat viel Platz, selbst mit dem seit mehreren Jahren in Bayern obligaten Schienenersatzverkehr (SEV) kam ich pünktlich an – ein absolutes Novum in den letzten Jahren. Komischerweise wird in den 20 Jahren, in denen ich zweimal im Jahr immer dieselbe Strecke fahre, immer nur in Bayern so viel gebaut, das man einen SEV braucht. In Baden Württemberg entsteht zwar Stuttgart21, mit kompletten Tunneln unter der schwäbischen Alb, aber das behindert den Verkehr nicht und seit einigen Jahren sind auch die Züge in Ulm pünktlich.. Continue reading „Was nervt – Bahn und HTML Export“
Ich möchte heute mal zeigen, wie man mit meinem Programm „Rakete“ die verschiedenen Arten von Parallelstufen modellieren kann. Ihr findet es hier. Die Version auf dem Server ist nicht ganz aktuell, aber da ich gerade in Nesselwang bin, nachdem man endlich wieder in Bayern einreisen kann, muss ich auch auf diese Version zurückgreifen.
Das zentrale Instrument für eine echte Simulation findet ihr im Hauptmenü unter Nutzlastberechnung → Aufstiegsbahnen. Es öffnet sich nun ein Fenster mit etlichen Eingabefeldern. Die Grundlagen habe ich schon mal im Blog erklärt. Nun geht es um Parallelstufen, also Stufen die zum selben Zeitpunkt arbeiten, aber unterschiedlich lang brennen. Bei Serienstufen ist es relativ einfach – man trägt als Zündungszeitpunkt „T-0“ einfach eine Zeit ein, die länger als die Brenndauer der vorherigen Stufen ist. Es gibt auch die Hilfe, das dass Programm diesen Zeitpunkt berechnet im Menü unter „Bearbeiten“ → „Zündungszeitpunkt berechnen“. Mit der Anzahl der parallel gestarteten Stufen kann man erreichen das Booster auch bei T-0 zünden genauso wie die Zentralstufe und will man nicht die Startdaten aller Stufen ändern, so kann man dies auch nur ab einer bestimmten Stufe tun. Der Zündversatz ist die Zeit die zwischen dem Brennschluss einer Stufe und der Zündung der nächsten Stufe vergeht. Hat also z.B. die erste stufe nach 163,14 s Brennschluss und ist der Zündversatz 3,5 Sekunden so wird die zweite nach 166,54 s anfangen zu zünden. Continue reading „Modellierung von Parallelstufen mit „Rakete““
Am 7.5. jährte sich für mich ein zweites Kerndatum, auf das ich schon gespannt war, dann hat der neue Zähler 1 Jahr auf dem Buckel. Er kam mit der neuen PV-Anlage und damit kann ich erstmals meinen Eigenverbrauchsanteil spezifizieren.
Für alle die keine haben: Der Strom der PV-Anlage wird in das Hausnetz eingespeist und deckt dann zuerst mal den Eigenverbrauch ab. Ist ein Überschuss vorhanden, so wird er ins allgemeine Netz eingespeist und das wird gezählt. Benötigt man Strom, wird er ebenfalls gezählt. Da eine Kilowattstunde im Bezug wesentlich teurer ist als die EEG-Umlage (bei mir 31 zu 11 ct) ist es natürlich günstig, möglichst viel selbst zu verbrauchen. Ich habe mich in meinem Verhalten angepasst: Wasch- und Spülmaschine laufen meist Mittags, ebenso wenn ich was backen muss. Continue reading „Klimapolitik: lasst Taten sprechen, anstatt darüber zu reden und die DFL“
Mit nur einer Stufe kommt man zwar in den Orbit, die Nutzlast ist aber dann sehr klein. Also braucht man mehrere Stufen. Neben der Serienstufung – eine Stufe zündet nach der anderen – gibt es noch verschiedene Konzepte der Parallelstufung. Bei einer Parallelstufung zünden mehrere Stufen gleichzeitig, eine hat aber früher Brennschluss und wird abgeworfen. Da gibt es etliche Subkonzepte:
Man kann das noch feiner unterteilen, nur als Beispiel möchte ich die homogene Parallelstufung nennen. Da kann man Folgendes machen:
Der Nutzen ergibt sich einfach aus der Raketengrundgleichung: je früher man tote Masse abwirft, desto höher ist die Endgeschwindigkeit oder bei gleicher Endgeschwindigkeit die Nutzlast. Während das bei leeren Tanks offensichtlich nützt, ist es bei den Triebwerken nicht ganz so einfach. Der Abwurf von Triebwerken bedeutet auch weniger Schub, damit weniger Beschleunigung und braucht die Rakete länger um die Orbithöhe zu erreichen, was höhere Gravitationsverluste bedeutet. Ignoriert man die Gravitationsverluste, so ist eine Parallelstufenrakete immer schlechter als eine Serienstufenrakete, denn beim Abwerfen der Booster ist die Stufe ja zum Teil entleert, weist also ein höheres Voll- / Leermasseverhältnis auf. Durch die Gravitationsverluste wird es schwieriger, denn eine zweite Stufe hat meistens viel weniger Schub als die Zentralstufe und damit eine längere Brennzeit.
Daneben ist der Effekt je nach Treibstoffkombination unterschiedlich. Man muss zwischen Wasserstoff und anderen Treibstoffen unterscheiden. Wasserstoff hat eine Dichte von 0,0682 g/cm³, die meisten anderen Treibstoffe haben eine Dichte von 0,8 bis 1 g/cm³. Methan als Ausnahme liegt mit 0,45 g/cm³ dazwischen. Daneben benötigt Wasserstoff wegen des kleinen Intervalls, in dem er flüssig ist und der geringen Dichte eine Isolation, die bei allen anderen Treibstoffen und dem Oxidator LOX entfallen kann. Tanks für Wasserstoff/Sauerstoff wiegen so dreimal so viel wie die für andere Kombinationen. Bei einer LOX/LH2 Stufe wiegt so der Antriebsblock etwa ein Drittel der Gesamtmasse, die Tanks zwei Drittel oder sogar noch mehr (z.B. bei Oberstufen mit schubschwachen Triebwerken). Bei anderen Treibstoffen machen die Triebwerke den Großteil der Masse aus, meistens die Hälfte, es können aber auch mehr sein.
Der Nutzen ist nur praktisch berechenbar. Ich habe wegen des größeren Effekts des Einflusses der Tanks eine Wasserstoff-Sauerstoff Rakete genommen mit folgenden Eckdaten:
| Masse voll | Masse leer | Schub | Brennzeit | Spezu Impuls [Vakuum] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Zentralstufe | 120 t | 12 t | 1.000 kN | 461 s | 4.000 m/s |
| Booster | 4 x 60 t | 4 x 6,5 t | 4 x 1.000 kN | 211 s | 4.000 m/s |
| Oberstufe | 30 t | 3 t | 200 kN | 587 s | 4350 m/s |
| Stufe beim Abwurf von Tanks oder Triebwerken | 360 t, davon 240 t Abwurfanteil | 38 t (17,3 t Tanks, 8,7 t Antrieb, 12 t zentrale Stufe | 5.000 kN | variabel | 4.000 m/s |
Worauf ich achtete, war das in allen Varianten die Parameter Schub und Massen in der Summe identisch sind. Damit sind die Ergebnisse vergleichbar. Der Zielorbit ist ein 200-km-Kreisorbit mit einem Flugazimut von 90 Grad von Cape Kennedy aus (200 x 200 x ~ 27 Grad)
Hier nun die Ergebnisse:
| Typ | Nutzlast |
|---|---|
| Parallelstufe (4 x 65 t + 120 t) | 21,2 t |
| Serienstufung | 22,0 t |
| Eine Stufe mit 360 t Masse | 21,3 t |
| Abwurf Tanks | 25,9 t |
| Abwurf Triebwerke | 19,3 t |
| Crossfeeding | 16,6 t |
Das Ergebnis zeigt es deutlich: Die klassische Parallelstufung, die Serienstufung aber auch eine Stufe mit 360 t Masse (anstatt einer Zentralstufe mit 120 t und vier Boostern mit 60 t, die auch zusammen 360 t wiegen) liegen in der Nutzlast ziemlich gleichauf. Bei der Einstufenlösung heben sich die Effekte geringere Brennzeit und dadurch flachere Aufstiegskurve und dafür hohe Brennschlussmasse nahezu auf. In der Praxis hätte natürlich eine größere Stufe ein etwas günstigeres Masseverhältnis als die Kombination aus vier 60 t Boostern und 120 t Zentralstufe, das würde die Nutzlast wahrscheinlich noch um eine weitere Tonne anheben. Für einen erdnahen 200 km Orbit reichen auch zwei Stufen vollkommen aus. Größere Unterschiede würde es erst bei größeren Zielgeschwindigkeiten wie Fluchtbahnen geben.
Es ist ungünstiger gegenüber obigen drei Optionen, die Triebwerke abzuwerfen. Denn dadurch verliert man Schub. Man kann hier sicher noch etwas optimieren, der Abwurfzeitpunkt wurde ja, um vergleichbar zu sein nach demselben Treibstoffverbrauch wie bei der Parallelstufung festgelegt. Etwas später, wie es bei der Atlas der Fall war, wäre sicher besser.
Allerdings sind die Tanks immer tote Masse und sie wiegen doppelt so viel wie die Triebwerke und erzeugen keinen Schub. In diesem Beispiel bringt es deutlich mehr Nutzlast, wenn man die Tanks vorher abwirft. Konstruktionsmäßig könnte man dies so realisieren, dass alle Triebwerke sich in der Zentralstufe befinden – sie würde an der Basis dann deutlich breiter sein und die Tanks außen sitzen und bei Leerung dann abgetrennt werden. Sie würden zuerst verbraucht werden, dann erst die Tanks der Zentralstufe.
Das „Crossfeeding“, also der Verbrauch des Treibstoffs zuerst der Außenblocks auch durch die Zentralstufe dann erst Verabuch der Zentralstufe ist bei dieser Rakete ungünstiger. Das hat mich zuerst auch etwas verwirrt, behauptete SpaceX doch das Gegenteil (hat es aber auch nie umgesetzt). Es ist, wenn man sich die Daten ansieht aber schlüssig. Bei der Falcon 9 war es immer so, das eine Core alleine abheben kann, das kann diese Rakete nicht. Sie wiegt bei Stufentrennung 170 t und hat dann etwa 110 t Schub, das bedeutet, die Booster müssen die Aufstiegsbahn so steil anlegen, dass sie davon zehren kann. Damit bauen sie aber kaum horizontale Geschwindigkeit auf. Die Rakete erreicht auch die höchste Gipfelhöhe von 261 km von allen simulierten Fällen.
Noch ein kleines Nachwort: das war ein durchgerechnetes Beispiel und andere mögen in den Details anders liegen zudem gäbe es auch noch Optimierungen, die man dann für jeden Fall einzeln anstellen könnte wie die Stufenmassen und Schub zueinander anzupassen die Zweitstufe kann man auch noch modifizieren und mit LOX/Kerosin ergeben sich wieder andere Massenverhältnisse und Stufenverhältnisse. Besonders bei Crossfeeding müsste die zentrale Stufe genügend Schub haben, um nach Stufentrennung über 1 g zu beschleunigen. Aber ich denke der Trend ist relativ klar.