{"id":11992,"date":"2016-09-24T00:48:38","date_gmt":"2016-09-23T22:48:38","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=11992"},"modified":"2016-09-24T00:23:23","modified_gmt":"2016-09-23T22:23:23","slug":"das-shuttle-2-0-teil-2-shuttle-wiederverwendung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2016\/09\/24\/das-shuttle-2-0-teil-2-shuttle-wiederverwendung\/","title":{"rendered":"Das Shuttle 2.0 \u2013 Teil 2"},"content":{"rendered":"<p>Zuerst noch eine Nachlese zum <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2016\/09\/19\/shuttle-2-0-teil-1\/\">Teil 1 <\/a>der Shuttle Wiederverwendung. Es geht wie schon in den Kommentaren zum Teil erkannt, darum, wie heute ein Shuttle aussehen w&uuml;rde, wenn man es f&uuml;r den Nutzlasttransport entwickelt h&auml;tte. Es geht nicht darum, ob es die beste L&ouml;sung ist. Ich habe schon eine Idee, die ich daf&uuml;r vorstellen will, die kommt aber ganz ohne Shuttle aus.<\/p>\n<p>Daneben gab es auch in den Berechnungen einen Fehler, den ich erst beim Nachdenken entdeckte: Ich habe bei der Berechnung de Orbitermasse zwar gesagt, dass die Nutzlast nicht mitz&auml;hlt, da sie ja von der H&uuml;lle umgeben wird, aber bei der Berechnung doch mitgenommen, so wurde der Orbiter unn&ouml;tig schwer. Ich habe gestern das korrigiert und nun kommt man mit einem Vulcain 3R und zwei RD-180 f&uuml;r 17 t Nutzlast aus, mit drei und vier Boostern sind es 24 und 29 t.- Das korrespondiert in etwa mit 40% dessen im GTO. Das ist also mehr als ausreichend.<!--more--><\/p>\n<h3>Der Kostenaspekt<\/h3>\n<p>Im heutigen Beitrag geht es eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Schlie&szlig;lich muss das System sich auch lohnen. Wie bei der technischen Auslegung kann dies nur unter Absch&auml;tzung von bekannten Faktoren sein.<\/p>\n<p>Fangen wir mit dem Orbiter an. Das einzige aktuelle Vorbild ist der Dreamchaser. Wie viel dieser kostet, wei&szlig; man nicht doch die Entwicklungskosten f&uuml;r CCDev bezifferte Sierra Nevada mit 1,55 Milliarden Dollar. Da das f&uuml;r ein bemanntes System gilt und Entwicklungskosten nicht Orbiterkosten sind, nehme ich mal ein Drittel, 500 Millionen Dollar f&uuml;r einen Orbiter ohne Triebwerke. Angesichts des heruntergestrippten Orbiters, der nur die Triebwerke transportieren soll, ist das eher zu viel.<\/p>\n<p>F&uuml;r das Vulcain 2 gibt es eine offizielle Preisangabe: Es kostet 16,3 Millionen Euro mit Schubrahmen. Beim RD-181 ist es schwieriger. Zwar bestellte Lockheed Martin einmal 101 RD-181 f&uuml;r 1 Milliarde Dollar, doch das war 1997. Wenn man moderate 3% Inflation annimmt, sind das heute 16 Millionen Dollar pro Triebwerk. Wahrscheinlich ist es aber teuer, den ULA gab an, dass die Triebwerke bei der Atlas f&uuml;r 2\/3 der Kosten stehen und das sind beim kleinsten Modell ja nur zwei.<\/p>\n<p>Immerhin: Ein schubgleiches RS-68 kostet 25 Millionen Dollar. So kann man 25 Millionen als Kosten angeben. Wenn das Triebwerk 25 Millionen kostet und Strukturen 1\/3 der Gesamtkosten ist man dann bei 13 Millionen f&uuml;r die Strukturen. Da hier noch Fl&uuml;gel und ein D&uuml;sentriebwerk hinzukommen, setze ich 20 Millionen an.<\/p>\n<p>Der Shuttle Tank kostete am Schluss 31 Millionen Dollar. Dieser Tank ist dreimal kleiner, also 10 Millionen Dollar f&uuml;r den Tank.<\/p>\n<p>Dann kann man folgende Rechnung aufmachen:<\/p>\n<ul>\n<li>Orbiter: 519 Millionen Dollar<\/li>\n<li>Booster: 45 Millionen Dollar<\/li>\n<li>Tank 10 Millionen Dollar<\/li>\n<\/ul>\n<p>Die Einmalkosten f&uuml;r eine Zweiboosterkonfiguration w&auml;ren dann schon 619 Millionen Dollar.<\/p>\n<h3>Beurteilung<\/h3>\n<p>Bei den Kosten f&uuml;r den Orbiter ist schon eines klar: Es lohnt sich nicht. Wenn man 16,3 Millionen f&uuml;r das Triebwerk ausgibt und dies das Einzige ist, was man einspart, m&uuml;sste man den Orbiter mindestens 33-mal einsetzen, ber&uuml;cksichtigt man das das Vulcain 3R maximal 7-mal eingesetzt werden kann sogar 26-mal und das nur, wenn man keinerlei Instandhaltungskosten hat.<\/p>\n<p>Es zeigt sich, was &#8222;42&#8220; schon vermutet hat \u2013 es lohnt sich nicht. Aus zwei einfachen Gr&uuml;nden: Der Orbiter erh&ouml;ht die Nutzlastmasse drastisch, in diesem Fall um 17 t, was mehr als die Nutzlast ist \u2013 damit kosten auch die unteren Stufen mehr. Zum anderen ist es so viel teurer als die Strukturen, die man sonst braucht, dass selbst ein Verlust des Triebwerks sich lohnt. Die einzige Ausnahme w&auml;re ein relativ preiswerter Orbiter und ein sehr teures Triebwerk. Doch selbst wenn man die RS-25 als teuerste LOX\/LH2 Triebwerke nimmt, ist eines immer noch zehnmal billiger als dieser Orbiter.<\/p>\n<p>Also in einem zweiten Anlauf mit einer Verluststufe bestehend nur aus Tank, Vulcain 3R Triebwerk, Nutzlastverkleidung. Da der Orbiter rund 16 t mehr als das Triebwerk wiegt, kommt man so allerdings schon auf eine Nutzlast von 33 t und damit ein anderes System. Man m&uuml;sste nun eine erneute Rechnungsrunde drehen und eine 1-Booster-Version schaffen. Doch ich spare mir das und mache mal die Berechnung f&uuml;r dieses System. Das sieht dann so aus:<\/p>\n<ul>\n<li>2 x Booster: 90 Millionen Dollar<\/li>\n<li>Tank 10 Millionen Dollar<\/li>\n<li>Triebwerk mit Heckskirt (kostet bei der Ariane 10 Million Euro): 30 Millionen Dollar<\/li>\n<li>Nutzlastverkleidung, VEB (&uuml;bernommen von Ariane 5): 14 Millionen Dollar<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das w&auml;ren ohne Wiederverwendung Kosten von 144 Millionen Dollar bei etwa 31 t Nutzlast. Das w&auml;re heute relativ g&uuml;nstig. Dazu k&auml;men aber noch die Startkosten die bei etwa 20-25% des Tr&auml;gerpreises.<\/p>\n<p>Durch Wiederverwendung kann man maximal die 82 Millionen Dollar f&uuml;r die Booster einsparen, was bei \u201enull Kosten\u201c 60% w&auml;ren, korrespondierend mit der SpaceX Angabe f&uuml;r die kosten ihrer ersten Stufe (hier wegen Bergungssystem teurer). Die Booster der Energija die die RD-170 einsetzten sollten zehnmal wiederverwendet werden. Wenn man dies auf die RD-180 &uuml;bertr&auml;gt, w&uuml;rden deren Kosten um 90% sinken, was den Startpreis halbieren w&uuml;rde. Allerdings kostet die Bergung auch etwas und eine Inspektion wird auch n&ouml;tig sein.<\/p>\n<p>Realistisch w&uuml;rde ich 70% der Stufenkosten als Ersparnis ansetzen. Das sind dann 13,5 Millionen pro Stufe. Dies m&uuml;sste man gegenrechnen zu den geringeren Kosten f&uuml;r eine Stufe ohne Fl&uuml;gel, und ohne D&uuml;sentriebwerk, die dann auch nur 37,5 Millionen Dollar kostet und weil sie leichter ist, die Nutzlast pro Booster um 1,1 t erh&ouml;ht. 1,1 t Nutzlast entsprechen bei den Gesamtkosten der Rakete in etwa 8,5 Millionen Dollar, sofern man sie ausnutzen kann. Auch hier: Es l&auml;uft auf ein Nullsummenspiel heraus.<\/p>\n<h3>Bilanz<\/h3>\n<p>Was herauskommt ist nicht verwunderlich. Wiederverwendung lohnt sich nicht wirklich, zumindest wenn man es nur mit der Rakete zu tun hat. Eine Shuttle Wiederverwendung scheitert schon wegen der Nutzlasteinbu&szlig;e. Es lohnt sich, wenn es um die Nutzlast geht. Der Dreamchaser ersetzt eine Kapsel, die sowohl bei Orbital wie auch SpaceX teurer als die Rakete ist. Aber au&szlig;er der Versorgung der ISS braucht man kein Vehikel f&uuml;r die Nutzlast. Wahrscheinlich w&auml;re selbst bei kommerziellen Satelliten wie Erdbeobachtungssatelliten die Bergung teurer als ein Nachbau zumal die Technologie sich ja weiter entwickelt. Man muss sich nur mal ansehen, wie die Aufl&ouml;sung von Erdbeobachtungssatelliten ist.<\/p>\n<p>Die Vega hat vor wenigen Tagen einige neue Erdbeobachtungssatelliten <a href=\"http:\/\/spacenews.com\/europes-vega-launches-1-peruvian-and-4-terra-bella-earth-observation-satellites\/\">transportiert<\/a>, darunter <a href=\"https:\/\/www.nasaspaceflight.com\/2016\/09\/vega-launch-peru-sat-1-skysat-4-5-6-7-payload\/\">Perusat-1<\/a> mit einer Masse von nur 430 kg und einer Aufl&ouml;sung von 0,7 m. Vor einem Jahrzehnt w&auml;re ein solcher Satellit noch deutlich schwerer und vor allem teurer gewesen, der ganze Kontrakt hatte einen Umfang mit Start von 194 Millionen Euro. Da lohnt sich die Bergung nicht wirklich.<\/p>\n<p>Will man die Bergung wirtschaftlich durchf&uuml;hren dann muss es so sein, das die erste Stufe den gr&ouml;&szlig;ten Teil der Kosten ausmacht aber auch den gr&ouml;&szlig;ten Teil der Geschwindigkeit aufbringt. Die Oberstufe die verloren geht (ein Orbiter lohnt sich wegen seines Zusatzgewichts wie gesehen nicht wirklich) muss dann sehr preiswert sein. F&uuml;hrer gab es noch so was wie preiswerte Feststoff-Kickstufen, den letzten Preis, den ich f&uuml;r eine PAM-D sah, (und das ist auch schon 10 Jahre her) lag bei 20 Millionen Dollar f&uuml;r eine nur 2,2 t schwere Oberstufe. Wahrscheinlich gilt das auch f&uuml;r druckgef&ouml;rderte Oberstufen wie die EPS. Schlussendlich ist eine Ariane 5 ECA nicht teurer als die ES Version.<\/p>\n<p>W&uuml;rde man das wieder hinbekommen, dann w&auml;re eventuell eine Wiederverwendung der ersten Stufe m&ouml;glich. Dann ergibt sich aber ein anderes Problem: Die \u201ebillige\u201c Oberstufe wird eine geringe Leistung haben und auch Transporte &uuml;ber LEO durchf&uuml;hren m&uuml;ssen, wo der Geschwindigkeitsbedarf ansteigt. Das f&uuml;hrt dazu, dass die erste Stufe, viel der Orbitalgeschwindigkeit, mindestens die H&auml;lfte aufbringen muss. Sie wird daher bei hoher Geschwindigkeit abgetrennt hat bei dem Wiedereintritt hohe Belastungen zu ertragen und das macht sie teurer und schwerer. Sie landet dann auch weit vom Startort entfernt und braucht viel Treibstoff, um zur&uuml;ckzukehren. Dass alles erh&ouml;ht ihre Strukturmasse und f&uuml;hrt zu einem Teufelskreislauf, weil es wieder die Nutzlastmasse absenkt oder eine noch gr&ouml;&szlig;ere Stufe n&ouml;tig macht.<\/p>\n<h3>Ausblick<\/h3>\n<p>Die L&ouml;sung ist f&uuml;r mich nicht die Shuttle Wiederverwendung, zumindest nicht ganzer Stufen, sondern einem anderen System, bei dem die Raketenstufe nur der letzte Teil des Transportsystems ist. Dazu sp&auml;ter mehr.<br \/>\n<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg02.met.vgwort.de\/na\/62b90f4e6a4742f78bd4b7bc3868673c\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Zuerst noch eine Nachlese zum Teil 1 der Shuttle Wiederverwendung. Es geht wie schon in den Kommentaren zum Teil erkannt, darum, wie heute ein Shuttle aussehen w&uuml;rde, wenn man es f&uuml;r den Nutzlasttransport entwickelt h&auml;tte. Es geht nicht darum, ob es die beste L&ouml;sung ist. 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