{"id":185,"date":"2008-06-24T12:55:28","date_gmt":"2008-06-24T10:55:28","guid":{"rendered":"http:\/\/bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=185"},"modified":"2008-06-26T12:46:57","modified_gmt":"2008-06-26T10:46:57","slug":"die-mondlandung-aus-der-portokasse","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2008\/06\/24\/die-mondlandung-aus-der-portokasse\/","title":{"rendered":"Die Mondlandung aus der Portokasse"},"content":{"rendered":"\n<p>Das ist was die NASA machen m&ouml;chte. Zur Erinnerung: Vor mehr als 4 Jahren erl&auml;uterte George W. Bush seine &quot;Vision for space Exploration&quot;, Wie immer bei solchen Reden ist das Ziel recht unscharf. Es geht eigentlich nur zur&uuml;ck zum Mond zu kommen, eventuell dann noch weiter zum Mars, doch das ist schon unklar. Die NASA selbst hat nun die Aufgabe dieses Ziel in ein Programm zu gie&szlig;en. Was herausgekommen ist, ist die Orion Kapsel und die Ares Rakete.<\/p>\n<p><!--more--> <\/p>\n<p>&Uuml;ber Orion gibt es noch wenig handfeste Fakten, obwohl die Kapsel als erstes fertiggestellt werden m&uuml;sste, denn sie soll ab 2014 den Transport von Astronauten zur ISS erledigen. Bei der Tr&auml;gerrakete Ares gab es eine Reihe von Wandlungen im Konzept.<\/p>\n<p> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" alt=\"NASA Budget\" src=\"\/img\/budget2005.gif\" style=\"float: left\" width=\"800\" height=\"600\"\/>Denn die NASA hat ein Problem: Anders als bei Apollo gibt es zwar eine umrissene Aufgabe, aber nicht die daf&uuml;r notwendige finanzielle Unterst&uuml;tzung der Politik. Bei Apollo stieg der NASA Etat innerhalb von wenigen Jahren sprunghaft an und die NASA bekam enorme Mittel zus&auml;tzlich f&uuml;r Apollo. F&uuml;r Orion und Ares gibt es nur moderat mehr an Geldern. Der wesentliche Teil soll durch Einsparungen kommen. Das Programm wird daher erst ab 2010\/11 richtig anziehen, wenn die Shuttles ausgemustert werden. Das sind 6-7 Jahren nach dem Start, einem Zeitpunkt bei dem man schon bei Apollo die ersten bemannten Starts plante. Die Grafik links zeigt die NASA Langezeitplanung. Ber&uuml;cksichtigt man die Inflationsrate (rote, gestrichelte Linie) so ist klar, das die Finanzierung vor allem durch Einsparungen in anderen Programmen erfolgt.<\/p>\n<p>Das Raumschiff Orion wird neu konstruiert werden m&uuml;ssen, kann sich aber auf die Erfahrungen die man bei Apollo gemacht hat st&uuml;tzen. Im wesentlichen wird es daher eine gr&ouml;&szlig;ere Apollo Kapsel sein. Ich meine das nicht abwertend &#8211; Die Sojus Kapseln sind auch seit Jahrzehnten im Einsatz und zuverl&auml;ssig, wenn auch nicht das eleganteste System.<\/p>\n<p>Bei der Ares hat die NASA ein Problem. Sie muss folgende widersprechende Anforderungen unter einen Hut bringen:<\/p>\n<ul>\n<li>Eine Rakete mit hoher Zuverl&auml;ssigkeit, die &quot;man rated&quot; ist, d.h.  maximale Sicherheit f&uuml;r die Besatzung bietet.<\/li>\n<li>Eine hohe Nutzlast von mindestens 120 t, eher mehr f&uuml;r eine  Mondexpedition<\/li>\n<li>und das Ganze preiswert umsetzen.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Bei Apollo machte die Saturn V den gr&ouml;&szlig;ten Teil des Budgets aus. 40 % der gesamten Mittel entfielen auf sie. Die Entwicklung der Raumschiffe war vergleichsweise preiswert. Bei einem Apollo Start machte die Saturn V alleine 55 % der Missionskosten aus. Das zeigt warum die NASA nun ein Problem hat: Sie muss eine neue Rakete bauen, etwa 7 mal leistungsf&auml;higer als das beste Modell, dass sie zur Verf&uuml;gung hat. Das ganze darf aber nicht sehr viel kosten. <\/p>\n<p>Die Saturn V war so teuer, weil man viel Geld in die Entwicklung steckte. Nicht nur in die konkrete Hardware, sondern auch in Grundlagenforschung. Forschung auf die folgende Entwicklungen aufbauen konnte. Das ist in etwa vergleichbar mit der Entwicklung der <a href=\"\/a4.shtml\">V-2<\/a>. Die Sowjetunion versuchte diese Ausgaben bei ihrer <a href=\"\/ercules.shtml\">N-1 <\/a>einzusparen und scheiterte mit diesem Projekt. Bei <a href=\"\/energija.shtml\">Energija<\/a> und <a href=\"\/buran.shtml\">Buran<\/a> flossen dann die Mittel &#8211; Die Entwicklung war genauso teurer wie das US Space Shuttle &#8211; und es klappte.<\/p>\n<p>So gesehen, w&auml;re eine neu entwickelte Mondrakete heute erheblich preiswerter zu entwickeln, als die Saturn V. Doch wenn man die Entwicklung aus der Portokasse finanzieren muss, reicht das nicht. Die NASA hatte 2004 praktisch nur die M&ouml;glichkeit, aus vorhandenen Triebwerken auszuw&auml;hlen, denn die Stufen selbst muss man in jedem Falle neu entwickeln, daf&uuml;r sind sie einfach viel gr&ouml;&szlig;er, als bestehende Designs. Das erste was die NASA tat war daher zu evaluieren was man hatte, und wie man es einsetzen konnte. Dabei untersuchte man neben der heutigen L&ouml;sung auch Schwerlastversionen der <a href=\"\/atlas-centaur.shtml\">Atlas V<\/a> und <a href=\"\/delta-3und4.shtml\"> Delta IV<\/a>. Sie erweisen sich nicht als g&uuml;nstiger als eine Neuentwicklung, jedoch nicht so sicher. Nun gibt es wenige Alternativen. Hier einmal ein paar unangenehme Tatsachen f&uuml;r die NASA:<\/p>\n<ul>\n<li>Das letzte selbst entwickelte Triebwerk mit der Kombination  Sauerstoff\/Kerosin in der ben&ouml;tigten Gr&ouml;&szlig;enklasse ist das F-1 Triebwerk.  Genauer gesagt, es ist das einzige in dieser Gr&ouml;&szlig;enklasse<\/li>\n<li>Bei den Triebwerken mit der Kombination Wasserstoff\/Sauerstoff gibt  es 3 St&uuml;ck: Das modernste ist das SSME mit 2100 kN Vakuumschub, das  neueste ist das RS-68. Es wurde aus dem SSME entwickelt mit der  Designvorgabe preiswerter zu sein und hat 3300 kN Vakuumschub. Zuletzt  gab es noch das J-2S. Eine verbesserte J-2 Version: Nur 1200 kN Schub,  aber als einziges wiederz&uuml;ndbar und getestet f&uuml;r den Betrieb unter  Schwerelosigkeit.<\/li>\n<li>Bei den m&ouml;glichen Feststoffboostern gibt es noch weniger Auswahl:  <\/li>\n<li>Die Titan IV Booster sind nicht man rated und erheblich teurer als  die Titan 3 Booster. Trotzdem sind sie mit 7100 kN Schub wesentlich  kleiner als die Space Shuttle Booster mit 12900 kN Schub.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das ist nicht viel Auswahl. Es g&auml;be noch die M&ouml;glichkeit die RS-170 Triebwerke in Lizenz zu bauen, wie dies Lockheed mit den RS-180 tut. Verglichen mit dem F-1 hat es einen nochmals etwas gr&ouml;&szlig;eren Schub und nutzt den Treibstoff besser aus. Warum das RD-170\/171 nie in die Diskussion kam, wei&szlig; ich nicht. Die nationale Karte d&uuml;rfte heute keine Rolle mehr spielen, selbst die USAF startet ja Satelliten mit der Atlas und ihrem russischen Triebwerksblock.<\/p>\n<p>Das sind nun wenige M&ouml;glichkeiten. Gehen wir sie einmal durch:<\/p>\n<ul>\n<li>Das RS-68 ist zwar das gr&ouml;&szlig;te Triebwerk mit der Kombination  Wasserstoff\/Sauerstoff aber es hat einige Nachteile: Es ist weder  wiederz&uuml;ndbar, noch nutzt sie den Treibstoff effizient aus. Vor allem  aber ist es f&uuml;r die Delta entwickelt worden und nicht &quot;man rated&quot;. Das  RS-68 kann man aber in jedem Fall f&uuml;r die erste Stufe einer unbemannten  Rakete einsetzen.<\/li>\n<li>DAS J-2S ist als einziges wiederz&uuml;ndbar und f&uuml;r den Vakuumbetrieb  ausgelegt. Es hat aber den geringsten Schub und die Entwicklung an ihm  wurde vor 40 Jahren eingestellt. Es ist ideal geeignet f&uuml;r Oberstufen.  Es ist aber eine Menge Entwicklungsarbeit zu leisten und man muss die  Produktion praktisch neu aufnehmen.<\/li>\n<li>Das SSME ist das effizienteste Triebwerk von allen, es liegt im  Schub zwischen RS-68 und J-2S. Aber es ist nicht wiederz&uuml;ndbar und f&uuml;r  den Vakuumstart ausgelegt. Das erfordert einige &Auml;nderungen. Es w&auml;re ohne  Modifikationen f&uuml;r eine Erststufe geeignet, mit Modifikationen auch f&uuml;r  Oberstufen.<\/li>\n<li>Das F-1 w&auml;re ein gutes Triebwerk f&uuml;r eine erste Stufe. Es ist nicht  wiederz&uuml;ndbar, aber sehr schubstark. Wegen des Energiegehalts ist es nur  f&uuml;r die Erststufe geeignet. Aber es ist wie das J-2S seit 40 Jahren aus  der Produktion und technisch noch etwas hinter diesem, denn das J-2S  wurde Ende der 60 er Jahren aus dem J-2 entwickelt, w&auml;hrend das F-1  Stand vom Beginn der 60 er Jahre ist.<\/li>\n<li>Ein ideales Triebwerk f&uuml;r eine erste Stufe w&auml;re wohl das russische  RD-170: Es vereinigt hohen Schub mit hoher Effizienz und es wird heute  noch produzier (zumindest in Version f&uuml;r die Zenit).<\/li>\n<li>Die SRB des Shuttles haben hohen Schub, sind man rated und  verf&uuml;gbar. Das Grundproblem der fehlenden Kontrolle ist aber bei allen  Feststoffboostern gegeben.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Aus diesen M&ouml;glichkeiten muss man nun w&auml;hlen. Die NASA hat recht bald sich auf folgendes festgelegt:<\/p>\n<ul>\n<li>Es wird eine Rakete gebaut die f&uuml;r bemannte Missionen qualifiziert  ist: Erste Stufe ein auf 5 Segmente verl&auml;ngerter Shuttle-SRB mit einer  kryogenen Oberstufe. Nutzlast: etwa 25 t f&uuml;r einen niedrigen Erdorbit.<\/li>\n<li>eine zweite Rakete soll die Mondmission durchf&uuml;hren, jedoch das  Equipment unbemannt starten. Die erste und zweite Stufe z&uuml;nden  gemeinsam. Erste Stufe sind eine Reihe von SRB Boostern, die zweite  Stufe kryogen. Eine dritte Stufe wird f&uuml;r den Flug zum Mond ben&ouml;tigt  nachdem mit einer zweiten Rakete die Besatzung gestartet wurde und  abkoppelt.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Zuerst einmal verwendet keines der Konzepte eine erste Stufe mit Kerosin\/Sauerstoff. L&auml;sst man ausl&auml;ndische Technologie zu, so h&auml;tte man durchaus die Zenit Erststufe anstatt einem SRB nehmen k&ouml;nnen. Nach Ansicht der NASA sind die Shuttle SRB so zuverl&auml;ssig, dass man dadurch aber keine Sicherheit gewinnt. Der Fluchtturm bei der Ares I n&uuml;tzt bei dem Betrieb des SRB recht wenig, da ich kein Versagen eines Feststoffbooster kenne, bei dem man rechtzeitig dies vor einer Explosion bemerkte. Das war auch bei der Explosion der Challenger so, obwohl sich da die Flamme &uuml;ber mehrere Sekunden hinweg durch den Wasserstofftank geschnitten hat. Mit Sicherheit ist es eine preiswerte L&ouml;sung und einem mit besserem nationalen Prestige, als wenn man die Zenit Triebwerke einsetzt.<\/p>\n<ul>\n<li>Das SSME war urspr&uuml;nglich f&uuml;r die Zentralstufe der Ares V und der  zweiten Stufe der Ares I vorgesehen. Bei der Ares V liefert es jedoch  vergleichsweise wenig Schub &#8211; Das RS-68 liefert 50 % mehr Schub und ist  preiswerter als das SSME. Es ist logisch, dass man es f&uuml;r die unbemannte  Rakete als Triebwerk w&auml;hlte.<\/li>\n<li>Das J-2S war vorgesehen f&uuml;r die zweite Stufe der unbemannten Rakete.  Das macht nun zuerst keinen Sinn. F&uuml;r die Ares I muss das SSME ja so  umger&uuml;stet werden, das es als Zweitstufentriebwerk arbeiten kann. Warum  es also nicht also in der zweiten Stufe der Ares V nehmen? Das J-2S mag  billiger sein, doch erstmal muss man praktisch die Produktion und  Anpassung an moderne Fertigungen wiederaufnehmen, Die Kosten daf&uuml;r  d&uuml;rften um einiges h&ouml;her sein als die Kosten f&uuml;r 10 SSME die man  zus&auml;tzlich fertigen will.<\/li>\n<li>Die NASA entschloss sich jedoch sp&auml;ter das SSME ganz aus ihren  Planungen zu streichen und das J-2S in einer verbesserten Version als  J-2X in den zweiten Stufen beider Raketen einzusetzen. <\/li>\n<\/ul>\n<p>Da sind wir bei den Kosten, einem zentralen Punkt. Nat&uuml;rlich ist das SSME ein teures Triebwerk. eines kostet 50 Millionen Dollar bei Einzelbestellung. Ein RS-68 bei 50 % mehr Schub nur 20 Millionen. Der Ruck vom SSME zum RS-68 in der ersten Stufe der Ares V ist daher nachzuvollziehen. Anders sieht es bei der Oberstufe aus. Die Wiederaufnahme der Entwicklung des J-2S ist mit Sicherheit nach 40 Jahren Stillstand teurer als die Anpassung eines Triebwerks welches in der laufenden Produktion ist. Diese Entwicklungskosten muss man dann auch auf die Triebwerke umlegen und man braucht zwei J-2X um ein SSME zu ersetzen. Das lohnt sich dann nur bei vielen Fl&uuml;gen, doch so viele wird die Mondrakete wohl nicht sehen. Maximal 23 Ares I sind geplant und von der Ares V werden es wohl noch weniger werden, wahrscheinlich weniger als 10. <\/p>\n<p>Bei Kostenabsch&auml;tzungen sollte man zwei Dinge nicht vergessen: Das SSME ist auch so teuer, weil so wenige Triebwerke produziert werden. 60 Treibwerke in 30 Jahren sind etwa zwei pro Jahr. Zwei Fl&uuml;ge zum Mond und vier in den Erdorbit pro Jahr w&uuml;rden eine Produktion von 14 St&uuml;ck pro Jahr erfordern. Dann wird einfach aufgrund der Serienfertigung billiger. Zum zweiten gibt es noch etwa 50 SSME der verschiedenen Generationen, die wie viele andere Triebwerke gut gesch&uuml;tzt eingelagert sind. Das gilt &uuml;brigens auch f&uuml;r das F-1. Es gibt noch f&uuml;nf Triebwerke in Langezeitlagerung.<\/p>\n<p>Wie h&auml;tte ich wohl die Raketen entworfen? Es gibt da einige Reihe von Faktoren zu ber&uuml;cksichtigen: Kosten, &quot;man rated&quot; und auch Reduktion der Triebwerkszahlen.<\/p>\n<p>Die gro&szlig;e ARES V geht so in Ordnung, nur h&auml;tte ich ein SSME anstatt zwei J-2X in der zweiten Stufe eingesetzt.<\/p>\n<p>Die kleines Ares I h&auml;tte ich ohne Feststoffbooster entworfen. Stattdessen hier ebenfalls in der ersten Stufe zwei RS-68 und in der Oberstufe ein einzelnes SSME. Das RS-68 ist nicht man rated, doch bei einem Triebwerk mit fl&uuml;ssigen Treibstoffen hat man gen&uuml;gend Zeit eine gravierende Fehlfunktion zu erkennen und dann automatisch die Kapsel abzutrennen. Zwei Triebwerke reichen f&uuml;r eine 500 t schwere Rakete, was bei einer ersten Stufe mit 400 t und einer zweiten mit 100 t Gewicht eine Nutzlast von etwa 28-30 t ergibt. (Mehr als bei der Ares I, da Wasserstoff in jeder Stufe (f&uuml;r Mario dieser Hinweis) deren Gewicht rapide senkt. Das SSME ist f&uuml;r die zweite Stufe etwas &uuml;berdimensioniert. Das ist ein Manko. Bei Drosselung auf 60 % Schubniveau gibt es immer noch eine Peakbeschleunigung von 3.2 G. Doch daf&uuml;r ein drittes Triebwerk (J-2S) einf&uuml;hren?<\/p>\n<p>Fl&uuml;ssig angetriebene Booster machen nur bei der gro&szlig;en Rakete einen Sinn, doch hier ist ihr wesentlichster Aspekt die h&ouml;here Sicherheit. Man k&ouml;nnte die SRB durch die Booster der Energija oder Zenit Erststufen ersetzen, sofern nationales Ego dem nicht entgegensteht. 4 Zenit Erststufen mit einer 700 t schweren Zentralstufe und einer 200 t schweren Oberstufe ergeben eine Nutzlast von 140 t in die Erdumlaufbahn. Zwei RS-68 w&uuml;rden in der Zentralstufe dann ausreichen. Die Startmasse w&uuml;rde bei 2400 t liegen. Die Ares V liegt bei 3000 t mit 130 t Nutzlast. F&uuml;r Mario: Eine Rakete mit Wasserstoff in allen 3 stufen (RS-68 in der ersten, SSME in den zwei Oberstufen) kommt auf 1660 t Startmasse bei 130 t Nutzlast. Die Masse der Stufe nimmt exponentiell mit dem Unterschied der durchschnittlichen spezifischen Impulse ab &#8211; und das gilt f&uuml;r alle Stufen).<\/p>\n<p>Noch kann nicht jeder zum Mond fliegen, doch wer seinen Namen dorthin<br \/>\n\tschicken will kann dies auf der LRO Website<br \/>\n\t<a href=\"http:\/\/lro.jhuapl.edu\/NameToMoon\/index.php\">noch 3 Tage lang<\/a><br \/>\n\ttun.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Das ist was die NASA machen m&ouml;chte. Zur Erinnerung: Vor mehr als 4 Jahren erl&auml;uterte George W. Bush seine &quot;Vision for space Exploration&quot;, Wie immer bei solchen Reden ist das Ziel recht unscharf. Es geht eigentlich nur zur&uuml;ck zum Mond zu kommen, eventuell dann noch weiter zum Mars, doch das ist schon unklar. 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