Eigentlich wollte ich heute ja meinen Senf zur CDU geben, aber inspiriert durch den gestrigen Blog über Auftanken im Orbit und der Tatsache, das SpaceX ihren Prototyp in die Luft gejagt hat (ich nahm nicht mal an, dass das ein Prototyp war, sondern nur ein Mockup, also eine Fotokulisse, weil man auf den Fotos einwandfrei Beulen und die Nieten sieht, mit denen die Bleche verbunden wurden \u2013 so was würde man niemals in der Raumfahrt einsetzen und Nieten gibt es schon in der Luftfahrt lange nicht mehr, weil von ihnen Risse ausgingen).<\/p>\n
Das Starship kann maximal 100 t in einen LEO bringen und wiegt in der Endform 120 t, anfangs sollen es eher 180 bis 200 t sein (ich behalte mal meine Meinung für mich, was das für eine Konstruktion ist die man so einfach auf die Hälfte des Gewichts verschlanken kann oder welche Vorstellungen der hat, der diese Maxime ausgegeben hat). Mit der Raketengundgleichung und dem bekannten Maximalimpuls des Raptors von 3727 m\/s (offen ist ob der auch in der Praxis erreicht wird) kann man leicht errechnen, dass wenn das Starship anstatt Nutzlast noch 100 t Treibstoff in den Tanks belässt, es maximal seine Geschwindigkeit um 2259 m\/s ändern kann, das reicht nicht mal für einen GTO-Orbit.<\/p>\n
Anstatt nun ein 120 t Gefährt mit vielleicht 10 t GTO Nutzlast nun aufzutanken, wäre es meiner Ansicht nach viel sinnvoller, eine neue Stufe einzuführen. Diese hat ein viel kleineres Leergewicht und damit die Philosophie erhalten bleibt, soll auch sie wiederverwendbar sein.<\/p>\n
Ich weiß fü r Musk ist, das ein Fremdwort, aber ich beginne mit einer Marktanalyse. SpaceX bedient vor allem zwei Märkte: den der US-Regierung (etwa 70 bis 80 % der Einnahmen) und den kommerziellen Markt für Satelliten in den GTO. Andere Starts machen nur wenig am Launchmanifest aus. Also ist es sinnvoll, die Anforderungen für diese Märkte zu studieren.<\/p>\n
Kommerzielle Satelliten in den GTO haben unterschiedliches Gewicht. Das Groß liegt heute um die 5 t, es kann herab bis 3,5 t und hinaus bis 7 t gehen. Satelliten über 6 t Gewicht sind jedoch selten, weil dann die Träger, die sie transportieren können, auf zwei abnimmt. Also Anforderung hier: maximal 7 t in einen GTO mit einem dV von 1500 m\/s.<\/p>\n
Bei Regierungsnutzlasten ist das Spektrum größer. Die NASA hat wesentlich niedrigere Anforderungen, als die USAF, benötigt dafür aber Raketen die Fluchtbahnen erreichen. Die höchsten Anforderungen sind die des NSSL Programms., In der Kategorie C muss eine Rakete 17 t in einen polaren Orbit transportieren oder 6,6 t in den GEO. Einen polaren Orbit in 830 km Höhe erreicht das Starship noch selbst, den GEO nicht mehr. Anforderung hier also 6,6 t in den GEO.<\/p>\n
Das Starship erreicht keine niedrige Bahnneigung wie dies bei einem Start in Äquatornähe der Fall ist. Auf der anderen Seite muss die Oberstufe später wieder eingefangen werden, darf also die Ursprungsbahnneigung nicht verändern. Ich habe als GTO-Orbit daher einen supersynchronen 200 x 80.000 km x 27,9 Grad angenommen. Das dV beträgt 2827 m\/s.<\/p>\n
Für den GEO sind es bei gleichen Ausgangsdaten mehr: nämlich 4410 m\/s, da er eine Null grad Bahnneigung hat.<\/p>\n
Für planetare Bahnen liegt die Geschwindigkeitsanforderung noch unter dem GTO. Beim Mars bei maximal 3,9 km\/s.<\/p>\n
Es bietet sich an, zwei Stufen zu konstruieren. Nicht nur ist die Geschwindigkeitsanforderung für den GEO viel größer, sondern der ganze Treibstoff für die Rückkehr muss auch dorthin befördert werden. Mit einer Stufe, das ist leicht errechenbar, schafft man nur bei extrem hohem Strukturfaktor den Weg hin und zurück \u2013 die 8820 m\/s sind mehr als die 8550 m\/s für die direkte Mondlandung und Rückstart aus dem letzten Blog<\/a>.<\/p>\n Da SpaceX kein Triebwerk in der benötigten Klasse hat \u2013 Merlin und Raptor sind viel zu schubstark und auch zu schwer – kann man frei planen. Ich bin für lagerfähige Treibstoffe. Zum einen erleichtert das vieles. Der Treibstoff kann nicht verdampfen \u2013 es vergehen bei einer GEO-Mission mindestens 11 Stunden zwischen erstem und letztem Manöver. Es können bei komplexeren Profilen auch mehr sein. Nach der Mission ist es sinnvoll, die Stufe in einer etwas höheren Mission zu parken. Zum Beispiel in 350 km Höhe, dann sinkt sie in überschaubarer Zeit sowieso auf die niedrigere Orbithöhe zuletzt muss man aber das letzte Stück doch angetrieben zurücklegen und das kann nach Wochen oder Monaten sein \u2013 kein Problem bei lagerfähigem Treibstoff. Zudem benötigt jede Stufe noch ein Lageregelungssystem, um die korrekte Lage während Freiflugphasen einzuhalten und sich vor der Zündung neu auszurichten. Die kleinen Lagereglungstriebwerke nutzen alle lagerfähigen Treibstoff (auch die Dracos bei SpaceX) und diese können sich so am Hauptvorrat bedienen. SpaceX hat für die Falcon 1 das Kestrel produziert, das mit 30,7 kN Schub zwar etwas schubschwach ist, aber man kann auch zwei oder mehr davon einsetzen. Alternativ entwickelt man ein neues Triebwerk. Es muss ja keine druckgeförderte Stufe sein. Für das Aestus Treibwerk war auch ein Upgrade mit einer Turbopumpe geplant, die den Schub verdoppelt hätte und den spezifischen Impuls auch erhöht. Ich gehe bei den Massekalkulationen aber von Druckförderung und entsprechend schweren Tanks aus. Der spezifische Impuls ist der des Kestrels.<\/p>\n