{"id":17498,"date":"2024-06-12T07:45:04","date_gmt":"2024-06-12T05:45:04","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=17498"},"modified":"2024-06-15T07:43:27","modified_gmt":"2024-06-15T05:43:27","slug":"die-raptoren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2024\/06\/12\/die-raptoren\/","title":{"rendered":"Die Raptoren"},"content":{"rendered":"
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Edit: ich habe noch etwas zu den Expansionsdüsen und dem wahrscheinlich zu geringen Schub ergänzt.\"\" Autor des Videos evenfalls angepasst.<\/p>\n

Ich wollte schon mal was zu den Raptor schreiben, da nun ja für die V2 und V3 Versionen noch schlagkräftigere Versionen angekündigt sind. Da stieß ich auf diesen Beitrag<\/a> von Alpah Tecg. Es gibt ähnliche Beiträge von dem \u201eEveryday Astronaut\u201c. Er ist ja einer der wenigen, dem Elon Musk ein Interview gibt und wenn man den Beitrag durchsieht, dann weiß man auch warum:<\/p>\n

Er ist völlig unkritisch. Er diskutiert überhaupt nicht die Technik, sondern geilt sich an ihr auf und kann minutenlang über \u201eThrust to Weight Ratios\u201c reden basierend auf einer Massenangabe, die er erfunden hat. Netterweise nutzte er dann zum Vergleich auch nur Triebwerke, die schlechter sind und die eine völlig andere Technologie einsetzen wie Nebenstromtriebwerke oder Wasserstoff als Treibstoff. Ähnliches gilt für den Beitrag von Alpha Tech und anderen SpaceX-Fans, die noch mehr gemeinsam haben: SpaceX ist hier Hauptthema, andere Raumfahrtereignisse scheinen nebensächlich zu sein und viele verdinen noch an den Beiträgen, betrieben wie der Everyday Astronaut eigene Shops.<\/p>\n

Zeit mal das Thema genauer zu beleuchten. Ich mache aber zuerst mal eine Bemerkung, die ich extra an den Anfang stelle, da die Aufmerksamkeit von SpaceX Fans von mir nicht sehr hoch eingeschätzt wird. Daneben versuchen sie mir Aussagen zu unterschieben, die ich nie getätigt habe. Also ich werde in diesem Beitrag nicht behaupten, dsas irgendetwas nicht möglich sei, ich werde nur an der Sinnhaftigkeit Zweifel stellen und die Folgen von technischen Entscheidungen beleuchten.<\/p>\n

Der Artikel entstand nach dem Testflug ITF-4 und gibt daher den Wissensstand zu diesem Zeitpunkt wieder.<\/p>\n

Warum braucht SpaceX neue Raptors?<\/h4>\n

Nun ganz einfach \u2013 sie bauen neue Versionen des Starships, das V2 und V3. Das derzeitige (Juni 2024) V1 erreicht mit 40 bis 50 t Nutzlast \u2013 von Elon Musk offiziell bekannt gegeben bei weitem nicht die Zielnutzlast von 100 t. (nach den Daten von ITF-4<\/a> ist die sogar noch um 10 t gesunken) Dies soll das V2 erreichen und V3 übertreffen. Dazu werden Superheavy und Starship verlängert und schwerer und brauchen mehr Schub zum Start.<\/p>\n

Nun ja ganz richtig ist dies nicht. Damit einer Rakete sicher abheben kann, ohne das ihr Winde oder andere Kräfte, interne wie externe etwas ausmachen, sie z.B. auf den Startturm treiben, hat sich historisch eine Mindestbeschleunigung von 1,25 g, etwa 12,3 m\/s eingebürgert. Manche Raketen wie die Saturn V<\/a> oder Delta IV Heavy<\/a> liegen noch darunter. Auch die Falcon 9 startet mit dieser Beschleunigung. Beim Starship sind es 1,5 g. Begründung nach Elon Musk, damit drei Triebwerke ausfallen können. Auch das ist nicht die ganze Wahrheit. Denn wenn das Starship wiederverwendet werden soll, werden die Triebwerke ja viel häufiger eingesetzt, bedingt durch die Enge kommt ein Ausbau zur Inspektion kaum in Frage, so müssen sie zwangsläufig sehr zuverlässig sein, sonst geht auch das Konzept der häufigen Starts nicht auf. Da wäre dann ein Ausfall von drei Triebwerken (schon beim Start, später ist es deutlich unkritischer) schon sehr unwahrscheinlich. Zudem sind das nur 9 % des Gesamtschubs, mithin würde die Rakete immer noch mit 1,38 g beschleunigen.<\/p>\n

Kleiner Rückblick auf den ersten Teststart. Die Raptoren liefen damals mit 90 % Schub und schon vor dem Passieren des Startturms fielen vier Triebwerke aus. Die Rakete hob trotzdem ab, wenngleich sehr langsam. Sie beschleunigte zu dem Zeitpunkt mit 1,2 g.<\/p>\n

Der wahre Grund ist: die Triebwerke sind so nahe zusammengepfercht, 33 Stück auf 9 m Durchmesser, bei der N-1 waren es 30 Triebwerke auf 15 m Durchmesser. Dies hat die Folge, dass nur die inneren 13 Triebwerke schwenkbar sind. In jedem falle, muss bei einem Triebwerksausfall die Rakete steuerbar sein und diesen asymmetrischen Schub kompensieren. Sind nur 13 der Triebwerke dazu fähig und ist ihr Schwenkbereich, weil sie eng beeidender stehen beschränkt, so ist es von Vorteil, wenn sie mehr Schub haben und dies dürfte der Grund für den hohen Schubüberschuss sein. Es dürfte auch der Grund sein warum nur drei Triebwerke ausfallen dürfen. Sind die nämlich ungünstig platziert so dürfte das die Grenze sein, die die 13 inneren Triebwerke durch das Schwenken noch kompensieren können. Bei ITF-1 kam den auch das Starship vom Kurs ab und hatte eine viel zu geringe Höhe.<\/p>\n

Die Raptoren<\/h4>\n

Bisher gibt es zwei Versionen des Triebwerks, eine dritte Version wird getestet und ob die noch schubstärkeren Raptoren dann noch zu dieser Generation oder der nächsten gehören ist derzeit noch offen. Nur der Everyday Astronaut erfindet gleich mal ein Raptor 4.<\/p>\n

Die Raptor 1 waren die ersten Triebwerke mit Hauptstromantrieb den SpaceX baute und zusammen mit dem BE-4 auch das erste operationelle Triebwerk, das Methan einsetzt. Wie bei Entwicklungsexemplaren üblich haben sie noch nicht die Leistung der späteren Serienexemplare. Das ist nicht ungewöhnlich. Auch bei Ariane 1<\/a> wurden die Vikings in der Entwicklung im Schub gesteigert, sodass Ariane 1 schon mit den Viking 2\/4 flog, also der zweiten Generation. Und auch das Vulcain der Ariane 5<\/a> hieß ursprünglich HM60 und sollte nur 60, nicht 100 t Bodenschub haben. Nach nur einem Dutzend Flügen wurde es dann durch das leistungsstärkere Vulcain 2 abgelöst.<\/p>\n

Die Raptor 1 wurden für verschiedene Flugtestes von Starship-Prototypen<\/a> eingesetzt, vor allem aber wurden sie extensiv verdrahtet und mit Sensoren versehen, was Elon Musk sehr missfiel, er wollte die endgültigen Raptor 2 \u201esauberer\u201c haben, mit weniger Leitungen und Rohren. Technisch gesehen hat ein Element der Raptor 1 unverändert überlebt, das ist die Düse. Weil die Triebwerke in der Superheavy dicht an dicht stehen und die Düse der breiteste Teil der Triebwerke ist, kann sie nicht weiter gemacht werden.<\/p>\n

Die Raptor 1 arbeiten mit einem Brennkammerdruck von 250 Bar. Das Mischungsverhältnis Sauerstoff zu Methan beträgt bei ihnen 3,6 zu 1. Ihr Schub beträgt 185 t auf Meereshöhe, da es keinen Einsatz außerhalb der Troposphäre gab, fehlen die Daten für die Vakuumversion.<\/p>\n

Die aktuellen Raptor 2 arbeiten mit einem Brennkammerdruck von 300 Bar. Der Schub beträgt 230 t auf Meereshöhe. Die Vakuumversionen erreichen aufgrund der längeren Düse 250 t Schubkraft. Das Mischungsverhältnis ist immer noch 3,6 zu 1. Ob es bei den noch stärkeren Raptoren auf 3,8 zu 1, eine Zielvorgabe der Entwicklung ansteigt, ist offen, aber diese kleine Änderung verändert relativ wenig am Schub und der Performance.<\/p>\n

Die Raptor 3 arbeiten noch mit höherem Brennkammerdruck und Schub, wie viel und ab wann man von einem Raptor 4 sprechen kann ist offen. Erreicht<\/a> wurden nach Meldungen 269 t Schub. In einer Grafik von SpaceX hat das Starship V3<\/a> einen Schub von 300 t auf Meereshöhe und interessanterweise keinen höheren Schub im Vakuum. Elon Musk hat aber schon von 330 t Schub ge-X-t.<\/p>\n

Demgegenüber wurde bei allen vier Testflügen bisher nicht mit vollem Schub gestartet. Beim ersten Testflug waren es 90 Prozent, bei ITF-3 94 Prozent. Das heißt, heute scheint das volle Ausnutzen auch nur des Potenzials des Raptor 2 nicht möglich.<\/p>\n

Die Physik<\/h4>\n

Spätestens jetzt wird es an der Zeit, sich mit den Grundlagen jedes Raketentriebwerks vertraut zu machen. Mehr dazu findet man in der Grundlagensektion<\/a>. Der Schub kann auf zweierlei Weise berechnet werden: Er ist zum einen das Produkt aus spezifischem Impuls der Treibstoffkombination mit dem Massendurchsatz, aber auch das Produkt aus Brennkammerdruck mit Stirnfläche der Brennkammer. Da der spezifische Impuls nicht beliebig gesteigert werden kann, ist die wesentliche Stellschraube der Brennkammerdruck, will man die Brennkammer nicht vergrößern. Und dies geht aufgrund der Enge bei der Superheavy nicht, es sind ja jetzt schon 20 von 33 Triebwerken so verbaut, dass sie nicht schwenkbar sind, es fehlt also der dazu nötige Abstand.<\/p>\n

Wie kommt man nun auf einen ermöglicht hohen Brennkammerdruck? Bei der aktiven Treibstoffförderung saugt eine Pumpe den Treibstoff und Oxidator an \u2013 es ist meist je eine Pumpe pro Komponente und entlässt ihn unter hohem Druck, mit dem er in die Brennkammer strömt. Der Druck muss immer größer sein als der in der Brennkammer, sonst funktioniert dies nicht.<\/p>\n

Die Energie für die Pumpe liefert bei allen aktiv angetriebenen Raketentriebwerken<\/a> (es gibt auch noch bei kleinen Triebwerken die passive Förderung nur durch einen hohen Tankdruck) eine Turbine. Die einzige Ausnahme ist die Electron<\/a>, die dazu Elektromotoren einsetzt. Die Antriebswelle der Turbine liegt direkt auf der Pumpe, sodass diese meist zu einer Einheit, der Turbopumpe verschmelzen.<\/p>\n

Eine Turbine besteht aus Rotoren über einer Welle, die von einem heißen Gas in Rotation versetzt werden und dabei entziehen sie dem Gas Energie und es kühlt ab.<\/p>\n

Dieses Arbeitsgas muss erzeugt werden. Bei den Raptoren sind dies zwei Vorbrenner, je einer für Methan und Sauerstoff. Sie verbrennen jeweils einen kleinen Teil der einen Komponente mit dem gesamten Anteil der anderen. Da dieser Anteil im Überschuss vorliegt, belieben die Verbrennungstemperaturen auf einem Niveau, das metallische Werkstoffe ohne Kühlung aushalten können. Dabei werden beide kryogene Treibstoffe in Gas umgewandelt, gewinnen also viel an Volumen und das erzeugt schon einen Teils des Drucks. Technisch nennt man dies \u201estaged combustion\u201c, die deutsche Übersetzung \u201egestaffelte Verbrennung\u201c ist ungebräuchlich und es ist ein Hauptstromverfahren bei dem der gesamte Treibstoff in die Brennkammer kommt. Beim Merlin<\/a> als dem Vorgänger wird ein Nebenstromverfahren genutzt, bei dem nicht der ganze Treibstoff das Arbeitsgas erzeugt, sondern nur ein Teil des Treibstoffs und dieser Strom gelangt dann auch nicht mehr in die Brennkammer.<\/p>\n

Wie genau das Raptor aufgebaut ist, ist unbekannt. Es kursieren zwar im Netz Diagramme, aber die sind nicht offiziell, es sind angepasste Standardschablonen für die verschiedenen Antriebskonzepte.<\/p>\n

Das wesentliche ist: Verändert SpaceX nur den Druck bei diesem Konzept, so sollte der Schub linear zum Druck ansteigen. Das tut er aber nicht:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n
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Triebwerk<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/th>\n

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Raptor 1<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/th>\n

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Raptor 2<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/th>\n

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Raptor 3<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/th>\n

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Raptor ?<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/th>\n

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Raptor ?<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/th>\n<\/tr>\n

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Druck:<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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250<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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300<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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350<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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400<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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450<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

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Schub:<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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185<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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230<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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269<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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300<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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330<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

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Schub \/ Druck bezogen auf Raptor 1<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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1,00<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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1,036<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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1,038<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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1,014<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n

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0,99<\/span><\/span><\/span><\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Bisher gibt es nur Daten bis zum Raptor 3. Es sind aber von Musks Posts Schübe von 300 und 330 t für weitere Exemplare bekannt und ich habe angenommen, dass wie bisher der Druck in 50 Bar Schritten ansteigt.<\/p>\n

Verändert man nichts am Triebwerk, so sollte der Quotient Schub\/Druck absinken, wen die Düse nicht verändert wird. Der Grund ist relativ einfach. In der Düse entspannt das Gas und verliert an Druck und Temperatur und überträgt weitere Kräfte auf die Rakete. An der Düsenmündung wird es mit einer Resttemperatur und einem Restdruck entlassen. Steigt der Brennkammerdruck, so sind sowohl Restdruck wie auch die Temperatur beim Verlassen der Düse höher. Damit steigt der nicht nutzbare Anteil der Energie an und das senkt den Quotienten ab.<\/p>\n

Die Lösung ist es nicht nur den Druck, sondern auch den Durchsatz zu steigern. Das geschah beim Übergang Raptor 1 auf 2 durch ein leichtes Aufweiten des Düsenhalses, so kann mehr Gas pro Zeiteinheit die Brennkammer verlassen. Wie dies bei den folgenden Generationen ist, weiß man noch nicht.<\/p>\n

Der spezifische Impuls<\/h4>\n

Spätestens jetzt muss man auf die wesentliche physikalische Größe einer Treibstoffkombination kommen, den spezifischen Impuls. Er wird über eine Thermodynamikrechnung ermittelt. Das Standardprogramm dafür ist CEA2<\/a>. Ein Programm der NASA. Für die Werte von CEA2 muss man aber wissen, dass es thermodynamische Werte sind. In dem Programm wird einiges nicht berücksichtigt:<\/p>\n