Einstufig in den Orbit

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Inzwischen starten jährlich über 100 Raketen ins All, aber alle haben zwei bis drei Stufen. Ginge es nicht auch mit einer Stufe? Zusammen mit der Wiederverwendung wäre das doch der absolut günstigste Zugang ins All. Leider setzt einem die Physik diesen Träumen eine herbe Grenze. Das Ganze ist anders als viele andere Konzepte sogar mit einem Taschenrechner berechnen.

Die Basis ist nämlich ganz einfach die Raketengrundgleichung oder Ziolkowsk-Gleichung. Die erreichbare Endgeschwindigkeit einer Rakete beträgt:

v = vspez * ln (Vollmasse / Brennschlussmasse)

Man braucht also die Startmasse (in kg), die Masse beim Abschalten der Triebwerke (ebenfalls in kg) und den spezifischen Impuls in metrischen Einheiten (m/s), welcher der Ausströmgeschwindigkeit der Gase beim Verlassen der Düse entspricht.

Die Geschwindigkeit für einen niedrigen Erdorbit liegt bei etwa 7.600 m/s. Bis der Orbit aber erreicht ist, zerrt die Gravitation an der Rakete. Das führt zu einem zusätzlichen Geschwindigkeitsbedarf ebenso wie andere Faktoren wie Luftwiderstand. Umlenkung der Bahn etc. Diese „Verluste“ kann man auf Basis existierender Raketen in der Größenordnung von 1.400 bis 1.600 m/s einschätzen. Zusammen braucht man also eine Endgeschwindigkeit von 9.200 bis 9.300 m/s. Continue reading „Einstufig in den Orbit“

Die technisch optimale Rakete

Mich reizen ja immer die optimalen technischen Lösungen. Bevor ich ins Detail gehe, gleich eine Bemerkung um einigen Lesern ihre Kommentare zu ersparen. Die technisch optimale Lösung ist nicht die kommerziell optimale. Das gilt auch in anderen Bereichen. So ist ein Rennwagenmotor sicher einem Diesel in einem PKW in vielen Leistungsdaten überlegen, aber eben auch viel teurer. Darum geht es heute nicht. Ich weiß, dass die skizziere Lösung teurer wird als eine weniger effiziente. Es geht nur darum, die beste Lösung zu finden.

Das leitet zum nächsten Punkt über – was ist die technisch optimale Rakete? Nun man kann sicher viele Aspekte ansehen, ich reduziere es auf einen, den Nutzlastanteil, also den Prozentsatz den die Nutzlast bei der Startmasse ausmacht. Da dieser mit zunehmender Stufenzahl ansteigt, das ergibt sich einfach aus der Raketengrundgleichung habe ich mich um die Zahl der Varianten nicht zu stark ansteigen zu lassen, mich auf zwei Stufen beschränkt, die bei den verwendeten Triebwerken auch für hohe Geschwindigkeiten ausreichen sollten. Continue reading „Die technisch optimale Rakete“

Die theoretischen Maximalimpulse von Treibstoffen

Auf meinen heutigen Beitrag komme ich, weil mir vor einigen Wochen jemand geschrieben hat, der meint durch Veränderung des Verbrennungsprinzips einer Brennkammer den spezifischen Impuls verdoppeln kann. Im Prinzip meinte der Verfasser, durch eine Explosion, also Umstellung auf einen Pulsantrieb dies erreichen zu können. Nun war ich mir sicher, dass dies nicht klappt und der prognostizierte Impuls den Energiegehalt, der letztendlich in der Verbindung steckt, überschreitet. Continue reading „Die theoretischen Maximalimpulse von Treibstoffen“

Die SLS – verbessert

Ihr wisst ja, ich weiß gerne manches besser. Daher will ich heute mal eine Alternative zur SLS durchspielen. Klar man kann da viel machen und viel bewegen. Einfach die Boosterzahl verdoppeln und schon steigt die Nutzlast dramatisch. Ich will heute aber das Konzept so nehmen wie es ist und nur Verbesserungen erwägen, die grundsätzlich möglich sind. Dazu gehören drei Aspekte: Continue reading „Die SLS – verbessert“

Wenn man heute die Saturn V bauen würde

Eine der Seltsamkeiten unserer Zeit ist, das die Nachfolger der Saturn V – die Ares V und SLS wenn man die Nutzlast auf das Startgewicht umrechnet, schlechter abschneiden als die Saturn V. Es gibt dazu zwei Gründe. Das eine ist das Verwenden von Feststoffboostern. Sie haben ein viel schlechteres Voll-/Leermasseverhältnis als die S-IC Stufe und noch dazu einen geringeren spezifischen Impuls. Die erste Stufe hat zwar wenig Einfluss auf die Nutzlast – bei der S-IC musste die die Leermasse um 14 kg sinken, dass die Nutzlast um 1 kg ansteigt, doch bei den Feststoffboostern reden wir von 120 t mehr Masse. Sprich 8 t weniger Nutzlast. Noch bedeutender ist der um 11 % kleinere spezifische Impuls, der sich auch auswirkt.

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