{"id":135,"date":"2008-03-26T10:25:25","date_gmt":"2008-03-26T08:25:25","guid":{"rendered":"http:\/\/bernd-leitenberger.de\/blog\/2008\/03\/26\/die-crux-mit-der-wiederverwendbarkeit\/"},"modified":"2010-05-23T18:23:57","modified_gmt":"2010-05-23T16:23:57","slug":"die-crux-mit-der-wiederverwendbarkeit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2008\/03\/26\/die-crux-mit-der-wiederverwendbarkeit\/","title":{"rendered":"Die Crux mit der Wiederverwendbarkeit"},"content":{"rendered":"

Das Space Shuttle wird ausgemustert und kein Ersatz ist geplant. Eigentlich sollte es nach der Shuttle Pleite doch einfacher sein, schließlich weiß man wie es nicht<\/strong> geht. Doch so einfach ist es nicht. Ich will mal das Problem grundsätzlich erläutern.<\/p>\n

Zuerst einmal die Lösung, die ohne eine zweite Stufe auskommt. Das ist äußert schwierig. Selbst wenn man den besten Treibstoff nimmt, denn man heute hat, Wasserstoff, mit einem spezifischen Impuls von 4400 (nicht der höchste heute erreichte, aber dies trägt der Tatsache Rechnung, das er beim Start bei einem Außendruck von 1 bar geringer ist, als später im Vakuum) so wird die Nutzlast klein. Eine Rakete mit 750 t Startmasse, etwa die Größe einer Ariane 5, bringt dann noch eine Gesamtmasse von 84 t in einen Orbit – das erscheint zuerst viel, doch das ist das Gesamtgewicht. Eine konventionelle Rakete dieser Größe wiegt leer etwa 66 t, woraus sich dann nur 18 t Nutzlast errechnen – weniger als eine Ariane 5, die 23 t transportiert.<\/p>\n

Doch das ist eine konventionelle Rakete. Diese muss aber nun wieder verwendet werden. Man braucht also einen Hitzeschutzschild, weiteren Treibstoff für den Wiedereintritt und die Struktur muss so steif sein, dass sie dies übersteht (Die Tanks bei einer Ariane 5 sind z.B. nur etwa 1-2 mm dick und durch Druck von Innen versteift, sie würden nie einen Wiedereintritt überstehen). Die NASA hat solche Berechnungen für ein einstufiges Gefährt gemacht und ist zu dem Schluss geklommen, dass es einstufig nicht geht – nicht einmal ohne Nutzlast würde das Gefährt einen Orbit erreichen.<\/p>\n

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Also bleibt noch die zweistufige Lösung. von dieser gibt es nun wieder viele Varianten. Ich will zuerst einmal die Problematik zeigen wenn man es wirtschaftlich machen will.<\/p>\n

Es gibt 3 Treibstoffarten mit Vor- und Nachteilen: Fester Treibstoff, flüssige Sauerstoffe die recht einfach handelbar sind wie UDMH, Stickstofftetroxid, Kerosin und flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff als Treibstoff.<\/p>\n

In dieser Reihenfolge nimmt die Energieausbeute zu, ich brauche also immer weniger Treibstoff. In gleichem Maße steigt die technologische Komplexizität. Feste Treibstoffe kann ich in Stahlrohre gießen, mit einer einfachen hydraulisch bewegten Düse versehen, und ich habe die fertige Rakete. Flüssige Treibstoffe benötigen eine Turbopumpe, einen Gasgenerator, eine Turbine und die Brennkammer muss aktiv gekühlt werden. Dieser Aufwand steigt, wenn das Kühlungsmittel selbst leicht verdampft, wie es bei dem Wasserstoff der Fall ist und dieser zudem wegen er geringen Dichte von 0.07 enorme Volumina braucht – wodurch sehr große Tanks resultieren, die heute in Leichtbauweise hergestellt werden, aber keinen Wiedereintritt überleben würden.<\/p>\n

Bei zwei Stufen stellt sich nun die Frage: Was berge ich – die erste, die zweite oder beide Stufen?<\/p>\n

Logischerweise würde man die erste Stufe bergen. Zumindest als ersten Schritt. Sie ist die größere von beiden. Wenn ich nun feste Treibstoffe nehme, so spare ich eigentlich kaum etwas am Gefährt ein. Diese Raketen sind so preiswert, dass man bei der Ariane 5 auf eine Wiederverwendung verzichtet, weil sie zu teuer ist. Weiterhin liefern mir Feststofftriebwerke so wenig an Geschwindigkeit, dass die zweite Stufe dann sehr groß sein muss, was wiederum diese verteuert.<\/p>\n

Wenn ich Wasserstoff als Treibstoff nehme kann ich entweder für die gleiche Geschwindigkeit mit wesentlich weniger Treibstoff auskommen oder bei gleicher Startmasse eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Im letzteren Fall könnte ich dann eine preiswertere Oberstufe (mit festen Treibstoffen) einsetzen. Das Problem sind die Volumina. Gegenüber Feststoff braucht Wasserstoff\/Sauerstoff in etwa das 6-7 fache Volumen, immer noch mehr als das vierfache gegenüber Sauerstoff\/Kerosin. Ich habe also eine enorm große erste Stufe. Bei einem ersten Shuttle Entwurf war die Unterstufe von der Größe einer Boeing 747 (von der Flügelspannweite), aber ungleich dicker. Das große Volumen bedeutet, dass man einen großen, schweren und teuren Hitzeschutzschild braucht und die leichtgewichtigen Tanks die man bisher einsetzte sind so auch nicht mehr möglich. Das alles macht das Leergewicht höher und ich habe ein enorm großes Gefährt.<\/p>\n

Ein Königsweg könnte es sein, normale Treibstoffe wie Kerosin\/Sauerstoff zu nehmen. Der spezifische Impuls ist war kleiner, doch die Tanks sind dicker und stabiler, trotzdem ist das Voll\/Leermasse Verhältnis günstiger weil die Tanks viermal kleiner sind.<\/p>\n

Die zweite Stufe ist nun noch problematischer. Auch hier habe ich die Wahl zwischen allen 3 Treibstoffarten. Feststoff scheint die beste Lösung zu sein, die Stufe wird am preiswertesten und muss nicht geborgen werden. Doch die Nutzlast ist auch am kleinsten. Nehmen wir an die Oberstufe muss noch 4000 m\/s (die Hälfte der Orbitalgeschwindigkeit) aufbringen und die Unterstufe kann 30 t transportieren, dann bleiben von den 30 t noch übrig als Nutzlast, bei<\/p>\n