{"id":14221,"date":"2019-08-13T21:12:24","date_gmt":"2019-08-13T19:12:24","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=14221"},"modified":"2019-08-14T13:54:54","modified_gmt":"2019-08-14T11:54:54","slug":"das-space-shuttle-und-das-starship","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/08\/13\/das-space-shuttle-und-das-starship\/","title":{"rendered":"Das Space Shuttle und das Starship"},"content":{"rendered":"

Als SpaceX seine Pläne für den Ausbau von Pad 39A vorlegte, wurde ich an das Space Shuttle erinnert, das ja auch von dort aus flog. Und da sehe ich einige Parallelen. Ich will sie mal kurz zusammenfassen. Es ist naturgemäß mehr über das Space Shuttle, schließlich ist es schon Geschichte und ein NASA-Projekt, das öffentlich ist. Die Informationslage ist damit um Größenordnungen besser als bei SpaceX Entwicklungen, die ziemlich geheim ablaufen, auch wenn der Chef andauernd neue Dinge verspricht. Seit Musk ist mir die Doppelbedeutung des Worts \u201eVersprechen\u201c (einmal im Sinne von \u201eZusage\u201c und einmal im Sinne von \u201eaus Versehen gesagt, ist nicht ernst gemeint, habe mich nur versprochen\u201c erst so richtig klar geworden.\"\"<\/p>\n

Die Entwicklung<\/h3>\n

Beide Projekte haben eine durchaus wechselvolle Entwicklungsgeschichte hinter sich. Beim Starship kann man nur von der Designphase sprachen. Ich vermute wie beim Space-Shuttle warten bei der Entwicklung auch noch ein paar Überraschungen auf SpaceX. Die Explosion letzten Monat war da wohl ein Vorgeschmack.<\/p>\n

Die NASA fasste den Beschluss<\/a> für das Space Shuttle<\/a> 1969 und brauchte drei Jahre um ein Konzept zu wählen. Dabei änderte sich die Konzeption total. Die ersten Entwürfe des US-Aerospacefirmen waren in beiden Stufen wiederverwendbare Gefährte \u2013 sie sahen unterschiedlich aus, hatten in beiden Stufen aber geflügelte Startstufe und waren beide bemannt. Die erste Stufe sollte in der Luft die Zweite ausklingen und dann zur Startbasis zurückfliegen. Teilweise wurde die Verwendung der F-1 und J-2 Triebwerke<\/a> erwogen. Die NASA bekam jedoch keine Finanzierung für dieses Vehikel und so wandelte man das Konzept: Die erste Stufe wurde durch zwei Feststoffbooster ersetzt. Die zweite Änderung war, dass man um Hilfe im Kongress zu bekommen damit das Shuttle genehmigt wurde die Air Force ins Boot holte. Die letzten Entwürfe sahen einen kleinen Shuttle mit nur 12 t Nutzlast vor, mit Stummelflügeln, gerade groß genug um noch genügend Auftrieb zu geben. Ähnlich wie dem damals erprobten X-24 oder später der X-37 bzw. heute der Dreamchaser. Mit dem Eingehen auf die Luftwaffe wurde der Nutzlastraum riesig, die Nutzlast stieg auf fast 30 t und die Air Force wollte unbedingt ein Vehikel haben, das in einem Orbit starten, Nutzlast aussetzen und landen konnte, was eine hohe Querreichweite nötig machte, da die Erde in den 90 Minuten natürlich weiter rotiert. So kam das Space Shuttle zu den großen Flügeln.<\/p>\n

Bei dem Starship\/BFR ist das nicht so genau zu dokumentieren, doch 2016 als sie angekündigt <\/a>wurde<\/a>, damals noch als \u201eITS\u201c hatte sie 12 m Durchmesser, war 122 m hoch und brauchte 42 Raptor Triebwerke. Ein Jahr später<\/a> schrumpfte der Durchmesser auf 9 m, die Höhe auf 118 m. Nun brauchte man nur noch 31 Raptor Triebwerke und die Nutzlast betrug 150 t. Als ich davon hörte, prognostizierte ich, dass sie bei der nächsten Revision wohl die Leistungsdaten der Falcon Heavy hätte und man dann einfach diese umbenennt. Inzwischen hieß sie auch nicht mehr ITS, sondern BFR.<\/p>\n

Wieder ein Jahr später verkündete Musk eine neue Änderung. Grafiken zeigen auch leichte Designänderungen an der Rakete, vor allem dem oberen Teil, das nun Starship heißt. Die erste Stufe dann \u201eSuper Heavy\u201c. Weil Kohlenfaserverbundwerkstoffe so teuer sind, wird man auf Edelstahl in vielen Teilen übergehen. Das sei auch thermisch belastbarer. Kann ich jetzt nicht so nachvollziehen, schließlich ist das ganze Gefährt ja voll wiederverwendbar, da lohnt sich die Mehrausgabe denn bei gleichen Materialeigenschaften sind CFK-Werkstiffe rund dreimal leichter als stahl. Bei einer \u201eWegwerfrakete\u201c würde ich Musk zustimmen. In der Luftfahrtbranche macht man ja gerade das Gegenteil und ersetzt Aluminium durch CFK, auch wenn es teurer ist, um Gewicht zu sparen. Die Nutzlast liegt nun nur noch bei 100 t in den LEO und 20 t in den GTO. Zum Mond kommt man ohne Auftanken dann sowieso nicht mehr.<\/p>\n

Die Nutzlastabnahme<\/h3>\n

Beide Vehikel haben mit einer deutlichen Nutzlastabnahme zu kämpfen. Bei beiden begannen die Probleme schon in der Entwicklung. Beim Space Shuttle war das eigentlich wie bei jedem bemannten Raumfahrzeug der USA. Es wurde schwerer als geplant. Das war schon bei den vorherigen drei Projekten so. Der wichtige Unterschied. Als Raumtransporter mit einer maximalen Nutzlast von etwa einem Drittel der Startmasse (der Faktor scheint übrigens so eine Art Konstante zu sein. Auch bei den Versorgern der ISS<\/a> kommt man auf diesen Faktor und bei Frachtflugzeugen liegt auch die Nutzlast bei etwa einem Drittel des Stadtgerichts). bedeutet jede Gewichtszunahme des Orbiters eine Abnahme der Nutzlast. Man konnte das schließlich um 10 t gestiegene Orbitergewicht dann noch abfedern. Die Triebwerke des Shuttles wurden auf 109 % Startschub gesteigert, der Tank nahm 30 t mehr Treibstoff auf. So blieb das Defizit auf 5 t beschränkt.<\/p>\n

Bei dem Starship sehen wir etwas Ähnliches. Nun ist nicht mehr von 150 t Nutzlast (für die aktuelle Version, es waren mal 250 t bei der ersten Version) die Rede, sondern nur noch 100 t.<\/p>\n

Die Beschränkung<\/h3>\n

Das Space Shuttle konnte nur einen niedrigen Erdorbit erreichen, ohne Nutzlast maximal einen 1.100 km hohen Kreisorbit oder eine elliptische Bahn mit einem Apogäum in 3.000 km Höhe. Relativ spät kümmerte man sich beim Space Shuttle um Oberstufen die Nutzlasten in den GTO, GEO oder zu den Planeten transportierte. Die schließlich gebaute Centaur erhielt dann nach Challenger Startverbot, was aber angesichts des Ausstiegs aus dem reinen Satellitentransport, auch für NASA und DoD dann nicht mehr so bedeutend war. Damit war aus dem universellen bemannten Transportvehikel ein bemanntes Transportvehikel mit der Fähigkeit zur Nutzlastmitnahme geworden.<\/p>\n

Bei der BFR ist das ebenso. Mich wundert sogar das SpaceX eine GTO-Nutzlast angibt: 20 t. Ich habe versucht, die Rakete zu modellieren. Das Grundproblem: da die Geschwindigkeit für einen GTO rund 2500 m\/s höher ist nimmt die Nutzlast ab. Bei Trägerraketen im Mittel um den Faktor 2,5 bis 3. Hier ist es war mehr, aber bei einer Stufe die 100 t in den Orbit befördert kann man davon ausgehen, dass sie selbst mehr wiegt als die 68 t die die Wikipedia angibt. Ich habe etwas gespielt und wenn man auf 20 t in den GTO ausgeht muss die oberste Stufe rund 140 t leer wiegen, wenn man der Erststufe wie bei der Falcon 9 große Treibstoffreserven für die Landung zugesteht. Dann kommt man aber in den Erdorbit auf nicht 100 t, sondern über 170 t. Da das so fast das doppelte von 100 t ist vermute ich ist die Angabe für den GTO mit Auftanken, also zwei Flügen. Beide Transporter wären so nicht in der Lage einen Erdorbit zu verlassen (hier ist die Bezeichnung \u201eSpace Shuttle\u201c durchaus ehrlicher als \u201eStarship\u201c).<\/p>\n

Die Versprechen<\/h3>\n

Als das Space Shuttle angekündigt wurde, versprach die NASA folgendes:<\/p>\n