{"id":17417,"date":"2024-05-01T08:39:49","date_gmt":"2024-05-01T06:39:49","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=17417"},"modified":"2024-05-01T08:39:49","modified_gmt":"2024-05-01T06:39:49","slug":"das-weltraumfaehren-dilemma","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2024\/05\/01\/das-weltraumfaehren-dilemma\/","title":{"rendered":"Das Weltraumfähren-Dilemma"},"content":{"rendered":"
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So wies es aussieht, ist SpaceX mit etwas konfrontiert, was nicht neu ist, aber vorhersehbar. Ich nenne es das \u201eWeltraumfähren-Dilemma\u201c um den Begriff \u201eShuttle\u201c zu vermeiden, auch wenn man es nach dem Erstling benennen kann.
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\nDas ganze kam zuerst während der Entwicklung des Space Shuttles<\/a> auf. Nach den Planungen von 1972 sollten die Fähren trocken (ohne Treibstoff) 68 t wiegen und 29,5 t Nutzlast transportieren. Diese 29,5 t sind das Gesamtgewicht der Zuladung. Wenn z.B. eine Besatzung an Bord ist, geht deren Gewicht sowie der Dinge, die sie braucht, von der Nutzlast ab.<\/p>\n

In der Praxis wogen die Fähren<\/a> zwischen 78 und 82 t. Die schwerste war die erste Fähre, die Columbia, die deswegen auch nicht für den Transport von schweren Modulen oder Gerät vorgesehen war, sondern für Langzeitaufenthalte umgebaut wurde. Die leichtesten Shuttles waren die letzten drei gebauten Discovery, Atlantis und Endeavour, die zwischen 78 und 79 t wogen. Doch das war immer noch 10 t schwerer als bei Planungsbeginn.<\/p>\n

Wenn man nichts tut, so ist für jeden, der noch etwas von der Mathematik der Schule behalten hat, klar, das diese 10 bis 11 t Mehrgewicht von der Nutzlast abgehen, sie also auf rund 19 t sinkt, was eine Reduktion um ein Drittel bedeutet.<\/p>\n

Mehr noch, das war die Nutzlast für den energetisch günstigsten Orbit, bei einem Start von der Ostküste aus, in eine Inklination von 28 Grad und nur 185 km Bahnhöhe. Schon bei einem Start in eine polare Bahn von der Westküste (Vandenberg) sank sie von 29,5 auf 14,5 t ab. Ebenso wenn man höhere Bahnen erreichen wollte \u2013 die höchste erreichte Bahn waren 611 km beim Aussetzen von Hubble, das dann auch nur noch 11 t wiegen dürfte. Das heißt, mit der Verkleinerung der Nutzlast ist auch ein Verlust an Flexibilität verbunden, da bestimmte Orbits nicht mehr oder nur mit indiskutabel geringer Nutzlast erreichbar sind.<\/p>\n

Bei dem Space Shuttle begann man schon während der Entwicklung gegenzusteuern. So wurde der Schub der Triebwerke erhöht, um die Gravitationsverluste beim Aufstieg zu senken. Das senkte dann aber deren Lebensdauer von 100 auf 55 Missionen ab. Ebenso lies man nach den Testflügen die Lackierung des Tanks weg, was etliche hundert Kilo an Farbe einsparte. Der externe Tank<\/a> erwies sich als das Schlüsselelement um Gewicht einzusparen. Er erreicht fast einen Orbit und jedes Kilogramm, das er weniger wiegt, schlägt sich in fast einem Kilo mehr Nutzlast durch. Es folgte der Lightweight Tank und ab dem Aufbau der Raumstation der Superlightweight Tank \u2013 letzterer wog 9 t weniger als das erste Exemplar. Zum Einsatzende betrug denn auch die maximale Nutzlast über 28 t \u2013 fast die Zielvorgabe. Betrachtet man das Space Shuttle als Gesamtsystem, so ist aber die Verbesserung klein. So blieb die Gesamtmasse vor Abtrennung des Tanks über die Einsatzdauer fast gleich. Und auch die Fähren wurden nicht leichter. Die 9 t sind bei über 110 t Gesamtmasse, die in den Orbit gelangen (mit Treibstoff der benötigt wird, um den Orbit wieder zu verlassen) nicht viel \u2013 weniger als 9 %, aber die Nutzlast stieg um nahezu 40 % an.<\/p>\n

Das Starship<\/a> hat nun das gleiche Problem. Wie ich schon bei der Nachlese zum dritten Teststart ausgerechnet habe, hat es nur eine Nutzlast von etwa 40+ Tonnen. Am 4. April hat das Elon Musk bei einer Ansprache vor Mitarbeitern auch eingeräumt. \u201ecurrently flight 3 would be around 40 or 50 tons to orbit\u201c.<\/p>\n

Ich kam zum selben Schluss<\/a>, indem ich die eingeblendeten Videoinformationen beim dritten Teststart ausgewertet habe. Ich habe dann auch mal nach diesem Testflug eine Simulation gemacht<\/a>, in der ich nicht die Angaben von SpaceX für die Masse genommen habe, sondern sukzessive das Starship schwerer gemacht habe, bis es nur noch 40 bis 50 t Nutzlast hat und ein solches Starship wiegt 240 bis 250 t im Orbit. Das ist schon ein ziemlicher Unterschied, zu den 120 t den SpaceX für das Starship angibt. Doch das muss ich wohl erklären.<\/p>\n

Als Erstes muss man aber zwischen Trockenmasse \u2013 darauf dürfte sich die 120 t Angabe beziehen \u2013 und Orbitmasse unterscheiden, denn das Starship braucht wie das Space Shuttle noch Treibstoff. Beim Sprache Shuttle waren ungefähr 10 % der Orbitmasse Treibstoff, beim Starship sind es zwangsläufig mehr. Denn das Starship braucht Treibstoff für mindestens zwei Manöver:<\/p>\n