{"id":17348,"date":"2024-03-18T13:41:26","date_gmt":"2024-03-18T12:41:26","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=17348"},"modified":"2024-03-18T13:41:26","modified_gmt":"2024-03-18T12:41:26","slug":"die-geclusterte-mondrakete","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2024\/03\/18\/die-geclusterte-mondrakete\/","title":{"rendered":"Die geclusterte Mondrakete"},"content":{"rendered":"<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p id=\"pvc_stats_17348\" class=\"pvc_stats all  \" data-element-id=\"17348\" style=\"\"><i class=\"pvc-stats-icon medium\" aria-hidden=\"true\"><svg aria-hidden=\"true\" focusable=\"false\" data-prefix=\"far\" data-icon=\"chart-bar\" role=\"img\" xmlns=\"http:\/\/www.w3.org\/2000\/svg\" viewBox=\"0 0 512 512\" class=\"svg-inline--fa fa-chart-bar fa-w-16 fa-2x\"><path fill=\"currentColor\" d=\"M396.8 352h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V108.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v230.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm-192 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V140.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v198.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm96 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V204.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v134.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zM496 400H48V80c0-8.84-7.16-16-16-16H16C7.16 64 0 71.16 0 80v336c0 17.67 14.33 32 32 32h464c8.84 0 16-7.16 16-16v-16c0-8.84-7.16-16-16-16zm-387.2-48h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8v-70.4c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v70.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8z\" class=\"\"><\/path><\/svg><\/i> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"16\" height=\"16\" alt=\"Loading\" src=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-content\/plugins\/page-views-count\/ajax-loader-2x.gif\" border=0 \/><\/p>\n<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p>Als letztes Beispiel f&uuml;r eine <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2024\/03\/08\/zwei-beispiele-fuer-eine-clusterung\/\">Clusterung<\/a> m&ouml;chte ich das Extrembeispiel eine Schwerlastrakete skizzieren. Eine Schwerlastrakete ist meiner Ansicht nach der sinnvollste Einsatz dieses Konzepts. Das ergibt sich aus den Anforderungen:<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg08.met.vgwort.de\/na\/bd9b87c9513b465db1f04ca97193aca7\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><\/p>\n<ul>\n<li>Eine Schwerlastrakete muss eine hohe Nutzlast aufweisen.<\/li>\n<li>Damit ist ihre Entwicklung teurer als die einer Rakete f&uuml;r mittelgro&szlig;e oder kleine Nutzlasten.<\/li>\n<li>Gleichzeitig gibt es nur wenige Missionen f&uuml;r eine solche Rakete, was auch ihre Herstellung verteuert.<\/li>\n<\/ul>\n<p><!--more-->Eine geclusterte Rakete hat zudem weitere Vorteile:<\/p>\n<ul>\n<li>Mit weniger Stufen und einer zus&auml;tzlichen Oberstufe kann die Rakete auch kleinere und mittelgro&szlig;e Nutzlasten transportieren, also auch f&uuml;r andere Zwecke eingesetzt werden.<\/li>\n<li>Die dadurch ben&ouml;tigten vielen Stufen f&uuml;hren zu einer hohen St&uuml;ckzahl und damit geringen Kosten.<\/li>\n<li>Gleichzeitig liegt so nach wenigen Starts sehr viele Einsatzprofile der verwendeten Stufen vor und man kann Kinderkrankheiten schnell finden und ausmerzen.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Also, eine Rakete die im Nutzlastbereich einer SLS oder eines Starships liegt auf Basis des Clusterungsprinzips. Sinnvoll ist es daher pro Stufe nur ein Triebwerk vorzusehen, sonst werden es zu viele Triebwerke. Das schubst&auml;rkste Einzeltriebwerk, das es momentan gibt, ist das BE-4 mit 2.400 kN Vakuumschub (beim Raptor wei&szlig; man den Schub nicht so genau, es gibt unterschiedliche Angaben und anders als Blue Origin wird SpaceX es wohl kaum anderen Herstellern lizenzieren). Der Bodenschub ist unbekannt, kann aber auf Basis anderer Triebwerke auf etwa 2.200 kN abgesch&auml;tzt werden.<\/p>\n<p>Das erste was zu machen ist, ist eine Absch&auml;tzung der Nutzlast. Ein Triebwerk mit 2.200 kN Startschub erlaubt bei 1,25 g Startbeschleunigung eine Gesamtmasse von 179,4 t Masse. Aus meinem Erfahrungswissen w&uuml;rde ich die Nutzlast bei dem Treibstoff LOX\/LNG auf etwa 5 t absch&auml;tzen. Wenn man f&uuml;r eine Mondrakete eine Nutzlast im Bereich 150 t f&uuml;r den LEO braucht, so kommt man so auf 30 Stufen.<\/p>\n<p>Die meisten diese Stufen m&uuml;ssen gleichzeitig gez&uuml;ndet werden, was bei einer kreisf&ouml;rmigen Anordnung bei so vielen Stufen zu drei Kreisen um eine Zentralstufe f&uuml;hrt (1 \u2013 6 \u2013 9 \u2013 12 Stufen). Noch mehr Raketen w&auml;ren es, wenn man die zweiten und die einzelne Dritte Stufe nicht auf den Stufen auf dem zentralen Ring platziert oder man nimmt die inneren Stufen als Oberstufen.<\/p>\n<p>Es gibt nun mehrere Konzepte, ich habe einmal drei untersucht, alle drei sind dreistufig. Alle drei setzen die oben besprochenen Ringe (1 Stufe in der Mitte, umgeben von 6 weiteren Stufen, zweiter Ring aus 9 Stufen und dritter Ring aus 12 Stufen) ein, aber unterschiedliche Strategien:<\/p>\n<ol>\n<li>Z&uuml;ndung nacheinander: die zentrale Stufe ist die dritte Stufe, vier der sechs sie umgebenden Raketen die zweite Stufe, die restlichen 23 Stufen bilden die erste Stufe.<\/li>\n<li>Z&uuml;ndung gleichzeitig, aber verl&auml;ngerte Stufen. Alle Stufen bis auf die zentrale Stufe z&uuml;nden beim Start, aber die inneren sieben Stufen sind verl&auml;ngert. Sie brennen doppelt so lange. Sobald der &auml;u&szlig;ere Ring ausgebrannt ist, z&uuml;ndet auch die zentrale Stufe.<\/li>\n<li>Klassische Mehrstufenrakete: auf den zentralen sieben Stufen sitzen die Oberstufen: sechs in einem Ring als zweite Stufe und die zentrale Stufe als dritte.<\/li>\n<\/ol>\n<p>Konzept 1 setzt 28 Stufen ein, bei Konzept 2 sind es 35 und Konzept 3 sind es 21 normal lange und sieben verl&auml;ngerte.<\/p>\n<p>So muss man die Startmassen an das Konzept anpassen. Bei Konzept 3 m&uuml;ssen die Stufen leichter sein, weil sie noch die Oberstufen bef&ouml;rdern m&uuml;ssen. Weiterhin hat das Konzept auch Einfl&uuml;sse auf die Leermasse, weil in Konzept 3 noch die Last der Oberstufen abgefedert werden muss, w&auml;hrend die verl&auml;ngerten Stufen ein viel besseres Voll-\/Leermasseverh&auml;ltnis durch verl&auml;ngerte Tanks haben. Ich will in diesem Blog nicht auf alle Details eingehen, ich habe die Massen auf Basis von Erfahrungswerten abgesch&auml;tzt, es w&auml;re nat&uuml;rlich noch andere Aufteilungen m&ouml;glich, die technischen Daten der Raketen finden sich am Ende. Hier eine kleine Nutzlasttabelle f&uuml;r eine TLI-Bahn (200 x 450.000 km)<\/p>\n<table width=\"100%\" cellspacing=\"0\" cellpadding=\"0\">\n<thead>\n<tr valign=\"top\">\n<td width=\"20%\">Typ<\/td>\n<td width=\"20%\">Stufen<\/td>\n<td width=\"20%\">Startmasse<\/td>\n<td width=\"20%\">Startschub<\/td>\n<td width=\"20%\">Nutzlast<\/td>\n<\/tr>\n<\/thead>\n<tbody>\n<tr valign=\"top\">\n<td width=\"20%\">Konzept 1<\/td>\n<td width=\"20%\">28<\/td>\n<td width=\"20%\">3.767.200 kg<\/td>\n<td width=\"20%\">46.200 kN<\/td>\n<td width=\"20%\">78.000 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"top\">\n<td width=\"20%\">Konzept 2<\/td>\n<td width=\"20%\">21 normal lange, 7 verl&auml;ngerte<\/td>\n<td width=\"20%\">5.022.000 kg<\/td>\n<td width=\"20%\">61.600 kN<\/td>\n<td width=\"20%\">97.000 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr valign=\"top\">\n<td width=\"20%\">Konzept 3<\/td>\n<td width=\"20%\">35<\/td>\n<td width=\"20%\">4.753.200 kg<\/td>\n<td width=\"20%\">59.400 kN<\/td>\n<td width=\"20%\">94.000 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Gemessen an der Startmasse ist Konzept 2 das attraktivste. Konzept 1 hat als Vorteil das alle Stufen identisch sind \u2013 die rund 80 t Nutzlast und ihre Kr&auml;fte verteilen sich auf sieben Stufen und bewirken keine wesentliche zus&auml;tzliche Last. Bei Konzept 3 muss die Masse von sieben Stufen und Nutzlast \u2013 &uuml;ber 1.000 t &#8211; auf die 16 Stufen der ersten Ringe verteilt werden, das ist eine gro&szlig;e Last, diese Stufen m&uuml;ssen daher verst&auml;rkt werden, was ihre Leermasse ver&auml;ndert und die Stufen sind so nicht mehr identisch. Das trifft auch auf Konzept 2 zu, bei denen die zentralen Stufen doppelt so lang sind. Die \u201enormalen\u201c Stufen k&ouml;nnten einen Durchmesser von 3 m und eine L&auml;nge von etwa 24 bis 25 m haben. Die Rakete w&auml;re trotz der schlanken Form sehr breit: 12 m Durchmesser.<\/p>\n<p>Man kann an den Konzepten noch etwas optimieren, z.b. bei Konzept 3 bei den sp&auml;ter gez&uuml;ndeten Stufen Vakuumd&uuml;sen einbauen, die den Treibstoff besser nutzen, das &auml;ndert aber nicht mehr viel.<\/p>\n<p>Real ist die Nutzlast schon zu hoch, wenn man, wie dies derzeit geplant ist Mondlander und Orion getrennt startet w&auml;re ohne den &auml;u&szlig;erten Ring mit 12 Raketen k&auml;me man bei Konzept 1 auf 45 t Nutzlast, das w&auml;re immerhin noch mehr, als die SLS mit der neuen Oberstufe hat. Konzept 1 w&auml;re von den dreien auch mein Favorit, wenn es um Wirtschaftlichkeit geht, denn bei ihm kann man wirklich alle Stufen identisch fertigen.<\/p>\n<h4 class=\"western\">Die Probleme<\/h4>\n<p>W&auml;hrend es eine Reihe von Vorteilen gibt, wie das der Transport &uuml;ber bestehende Schienen und Stra&szlig;en erfolgen kann, weil die einzelnen Stufen &uuml;berschaubare Abmessungen haben, gibt es auch Nachteile: Es m&uuml;ssen bis zu 28 Stufen verbunden werden und diese Verbindungen m&uuml;ssen auch wieder getrennt werden und zwar so, das alle Stufen simultan abtrennt werden, ohne das sie mit der Hauptstufe kollidieren. Das ist eine technische Herausforderung, so was hat man bisher nicht gel&ouml;st.<\/p>\n<p>Die gr&ouml;&szlig;te Risiko sehe ich in einem Triebwerksausfall. Der kommt bei bis zu 35 Triebwerken nat&uuml;rlich h&auml;ufiger vor, als bei weniger Triebwerken und er ist gravierender: bei einer normalen Rakete kann dieser je nach Missionsphase unter Umst&auml;nden abgefangen werden, indem die anderen Triebwerke weiter brennen. Das geht hier nicht. Der unverbrauchte Treibstoff erh&ouml;ht die Leermasse und das senkt die Nutzlast ab. Den Treibstoff abzulassen, ist keine gute Idee, wie SpaceX im November bewies. Es w&uuml;rde aber auch nicht bei den Mengen helfen: der Treibstoff wird ja nur in wenigen Minuten verbraucht weil eine Turbopumpe ihn ansaugt und unter Druck weiterleitet, ohne Triebwerke keine Pumpe und alleine durch den Druck und die Erdbeschleunigung bekommt man viel weniger Treibstoff durch die Leitungen, zumal er am Triebwerk selbst bei Abschalten sich durch die Resthitze noch entz&uuml;nden kann.<\/p>\n<p>Man kann nun auf mehrere Arten damit umgehen:<\/p>\n<p>Das Risiko kann ignoriert werden, wenn man ein erh&ouml;htes Restrisiko akzeptiert. Wir haben einige eingef&uuml;hrte Raketen, die 100 ja sogar &uuml;ber 200-mal ohne Triebwerksausfall geflogen sind. Dabei haben die mehrere Triebwerke. Ariane 5 startete &uuml;ber 100-mal ohne Fehlstarts mit 4 Triebwerken pro Rakete, davon zwei Fl&uuml;ssigantriebe. Nehme ich nur diese und ignoriere die Feststoffgetrieben (eigentlich falsch, denn auch sie k&ouml;nnen ausfallen, das ist nur nach den bisherigen Erfahrungswerten weitaus unwahrscheinlicher als bei Fl&uuml;ssigraketen) so betr&auml;gt das Risiko eines Triebwerksausfalls 1:200, bei 21, 28 und 35 Stufen (in den obigen Konzepten) sollte also jeder zehnte, siebte und f&uuml;nfte Start schiefgehen. Das ist wohl f&uuml;r bemannte Eins&auml;tze zu viel.<\/p>\n<p>Man kann einen Ausfall einkalkulieren, also die Nutzlast nur so hoch ansetzen, dass eine Stufe ausfallen kann. Durch die Kombination mit h&ouml;herer Leermasse und geringerer Beschleunigung ist dies relativ viel. Ich habe f&uuml;r Konzept 1 einen Ausfall nach 30 Sekunden simuliert und das reduziert die Nutzlast von 78 auf 72 t. Ein Ausfall von zwei Stufen ist deutlich unwahrscheinlicher \u2013 je nach Stufenzahl zwischen 1:25 und 1:100.<\/p>\n<h4 class=\"western\">Weniger Booster, aber gr&ouml;&szlig;er<\/h4>\n<p>Das konventionelle Konzept, das immer noch Clusterung vorsieht, aber nicht so massiv ist, es einfach pro Stufe mehrere Triebwerke einzusetzen. Beschr&auml;nkt man sich auf einen Ring, so sind neben der Zentralstufe sechs Booster m&ouml;glich. Die Zentralstufe ist dann wie bei dem zweiten Konzept verl&auml;ngert, auf eine Oberstufe habe ich komplett verzichtet. Mit etwas Probieren \u2013 die Brennschlussbeschleunigung sollte nicht zu hoch sein und unter 5 g liegen \u2013 kam ich bei vier Triebwerken (28 insgesamt) auf 72 t in einen LTO und 55 t bei drei Triebwerken pro Booster (21 insgesamt).<\/p>\n<p>Als Tr&auml;gerrakete kann man diese Booster auch verwenden \u2013 die Au&szlig;enbooster wiegen 420 bzw. 550 t und sind damit schwerer als die erste Stufe einer Zenit oder Falcon 9 \u2013 aber man h&auml;tte inmmerhin den Vorteil einer kleinen Serie. Vor allem ist nun das Risiko von Triebwerksausf&auml;llen kleiner. Selbst wenn dies in einem Au&szlig;enbooster auftritt k&ouml;nnen die anderen Triebwerke den Treibstoff zumindest zu einem gro&szlig;en Teil aufbrauchen, unter Umst&auml;nden, das h&auml;ngt von der genauen Auslegung der Rakete ab, kann man diesen Booster dann auch etwas sp&auml;ter nach Verbrauch des ganzen Treibstoffs abtrennen, sofern man ein Triebwerk hat, das auch &uuml;ber dem 100 % Schublevel betrieben werden kann, k&ouml;nnte durch Hochfahren der Triebwerke auch der Treibstoff so vollst&auml;ndig verbraucht werden. Die Nutzlasteinbu&szlig;e ist so kleiner.<\/p>\n<p>Der wesentliche Unterschied ist, dass nun alle Booster an der Zentralstufe h&auml;ngen. Die Abtrennung ist so nicht anders als heute und es w&auml;re auch denkbar einen Booster, bei dem ein Triebwerk ausgefallen ist, einfach mit einer gewissen Menge Resttreibstoff abzutrennen.<\/p>\n<p>Dieses Konzept w&auml;re realistischer, die Rakete auch nicht so breit. Man w&uuml;rde trotzdem pro Start sechs Booster herstellen \u2013 mit einigen Eins&auml;tzen einzelner Booster als Tr&auml;gerrakete kommt man dann leicht auf eine zweistellige Produktionszahl pro Jahr, was viele andere Tr&auml;ger schon nicht erreichen. Eine Stufe w&auml;re verl&auml;ngert, k&ouml;nnte aber rationell gefertigt werden, wenn man die Tanks der anderen Stufen von vornherein so wie deren Tanks gefertigt werden (Die Fl&uuml;ssigkeit in den Tanks wird mit einem vielfachen der Erdbeschleunigung beim Start beschleunigt und die Kr&auml;fte sind bei einem l&auml;ngeren Tanks so h&ouml;her. Normal ist bei Tanks auch, dass ihre Dicke wegen dieser Tatsache nicht konstant ist, sondern sie oben d&uuml;nner als unten sind.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p id=\"pvc_stats_17348\" class=\"pvc_stats all  \" data-element-id=\"17348\" style=\"\"><i class=\"pvc-stats-icon medium\" aria-hidden=\"true\"><svg aria-hidden=\"true\" focusable=\"false\" data-prefix=\"far\" data-icon=\"chart-bar\" role=\"img\" xmlns=\"http:\/\/www.w3.org\/2000\/svg\" viewBox=\"0 0 512 512\" class=\"svg-inline--fa fa-chart-bar fa-w-16 fa-2x\"><path fill=\"currentColor\" d=\"M396.8 352h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V108.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v230.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm-192 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V140.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v198.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm96 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V204.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v134.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zM496 400H48V80c0-8.84-7.16-16-16-16H16C7.16 64 0 71.16 0 80v336c0 17.67 14.33 32 32 32h464c8.84 0 16-7.16 16-16v-16c0-8.84-7.16-16-16-16zm-387.2-48h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8v-70.4c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v70.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8z\" class=\"\"><\/path><\/svg><\/i> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"16\" height=\"16\" alt=\"Loading\" src=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-content\/plugins\/page-views-count\/ajax-loader-2x.gif\" border=0 \/><\/p>\n<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p>Als letztes Beispiel f&uuml;r eine Clusterung m&ouml;chte ich das Extrembeispiel eine Schwerlastrakete skizzieren. 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