Statt der Nachlese will ich mich einem hypothetischen Thema widmen. Meiner Ansicht nach plant SpaceX die Raketen ja an der Nachfrage vorbei und setzt stattdessen auf Vehikel, die kaum nachgefragt werden wie die Falcon heavy. Ich möchte heute mal skizzieren, wie SpaceX die Falcon heavy relativ einfach durch Oberstufen ersetzen kann. Ich bin mir sicher das habe ich schon mal getan. Aber bestimmt nicht mit einer genauen Simulation.<\/p>\n
Die Falcon 9 und ihr Problem<\/h3>\n
Die Falcon 9 reicht eigentlich für den kommerziellen Markt vollkommen aus. Selbst wenn man die korrekten Nutzlastangaben nimmt, kann sie 6,5 t schwere Satelliten in den GTO transportieren, das ist die höchste Anforderung im kommerziellen Markt. Es gibt vereinzelt einige schwerere Kommunikationssatelliten auf die müsste man verzichten oder wie schon erfolgt gelangen sie nun in einen Sub-GTO.<\/p>\n
Für die Firma viel attraktiver ist aber der US-Regierungsmarkt. Auf ihm gibt es nur eine Konkurrenz und das ist ULA. ULA ist aber so teuer, dass sie auf dem kommerziellen Markt keine Rolle spielen. Das heißt man kann Preise verlangen, die viel höher sind als im freien Markt. So gab es diesen Monat einen Auftrag von der NASA. Eine Falcon 9 die für 50 Millionen auf dem freien Markt angeboten wird, kostet die NASA dann 109 Millionen Dollar. Das ist schon mal das doppelte. Zwar verteuert die Bürokratie die Starts, doch bei ULA sind das 20 bis 30 % mehr und nicht über 100 %. Das springt also noch eine kräftige Zusatzrendite aus. Daneben ist der Markt berechenbarer. Die Nutzlasten sind staatsfinanziert und die Zahl der Starts schwankt weitaus weniger stark als die kommerzieller Starts. Wie schon geschrieben, dieses Jahr waren es gerade mal zwei kommerzielle Starts.<\/p>\n
Allerdings gibt es zwei technische Anforderungen, die für die Falcon 9 zum Problem werden. Während bei kommerziellen Starts der GTO mit rund 10,2 km\/s die maximale Geschwindigkeitsanforderung ist, ist es für die NASA mindestens eine Fluchtbahn zu Mars, etwa 11,7 km\/s. Für das Militär sind es direkte GEO-Missionen mit rund 12,1 km\/s. Die meisten militärischen Satelliten haben keinen integrierten Apogäumsantrieb.<\/p>\n
Als zweistufige Rakete mit mittelenergetischen Treibstoffen nimmt die Nutzlast jedoch stark ab. Schon vom LEO in den GEO beträgt die Nutzlastabnahme etwa den Faktor 2,7. Andere Träger liegen beim Faktor 2 bis 2,3. Das liegt daran, dass die Oberstufe relativ groß ist, eine Folge der Landung der ersten Stufe, wofür die Abtrenngeschwindigkeit möglichst klein sein sollte. Sie hat daher auch ein hohes Trockengewicht. Es ist zwar nicht genau bekannt, kann aufgrund verschiedener Äußerungen aber auf mindestens 5 bis 6 t geschätzt werden. Bei 6,5 t in den GTO ist das schon genauso viel wie die Nutzlast und bei höheren Geschwindigkeiten nimmt die Nutzlast weiter ab, die Trockenmasse der Oberstufe aber bleibt. Beim Starship wird nach offiziellen Angaben es mit dem Faktor 5 sogar noch extremer werden.<\/p>\n
Ich will beleuchten, ob die Falcon 9 mit Oberstufen die nötige Performance erreicht.<\/p>\n
Zwei Oberstufen?<\/h3>\n
Es gibt aus meiner Sicht nach zwei Optionen für Oberstufen. Die eine ist es, die technisch optimale Lösung zu nehmen. Das wäre es ein LOX\/LH2 Triebwerk. Die Zweite wäre es die schon für die Dragon entwickelten Super-Dracos zu nehmen. Das spart Geld, der spezifische Impuls ist jedoch niedriger als beim Merlin.<\/p>\n
Die LOX\/LH2 Stufe habe ich im ersten Versuch so ausgelegt, dass der LH2 Tank die optimale Form hat. Bedingt durch den Durchmesser der Stufe ergibt sich bei einem LOC\/LH2 Verhältnis von 6 dann eine Treibstoffzuladung von 32,6 t. Würde man auf den LOX-Tank optimieren (Kugelform, 3,6 m Durchmesser) so käme man auf 28,3 t Treibstoff, also in eine ähnliche Region. Ich habe die etwas geringere Treibstoffzuladung genommen und bin mit dem Voll-\/Leermasseverhältnis der DCSS an die Stufe gegangen, dann hätte sie eine Trockenmasse von 3,6 t. Ein spezifischer Impuls von 4400 m\/s bei 100 kN Schub habe ich für das Triebwerk angenommen. Das sind alles keine ambitionierten Werte, SpaceX, die sonst Rekorde reklamieren, müssten sie also erreichen können.<\/p>\n
Bei der Stufe mit Super-Dracos legen diese Triebwerke den Schub fest. Es sind 67 kN bei 2900 m\/s Impuls. Wahrscheinlich sind das Werte von Bodentests und im Vakuum sind sie noch höher. Doch ich arbeite mit ihnen. Zwei Triebwerke geben mehr Schub und erlauben ohne weiteres System die Kontrolle in allen drei Raumachsen. Die Stufe selbst habe ich etwa kleiner gemacht. Man kann hier auf Erfahrungen bei anderen Trägern zurückgreifen. Ich habe 20 t Treibstoff und ein Voll-\/Leermasseverhältnis von 12 angenommen, das führt zu 21,7 t Startmasse und 1,7 t Trockenmasse.<\/p>\n
Für die Simulation habe ich mein Modell der Falcon 9 so getrimmt, dass es genau die von Koenigsmann angegebenen 5,5 t in den GTO bei Seelandung erreicht.<\/p>\n