Der Hinweis auf die Chang Zheng 5 und weil die Falcon 9 nun ja wieder im \tGespräch ist bringt mich auf mein heutiges Thema: Das Bündeln von \tRaketentriebwerken und Stufen, Clusterung genannt. Zuerst mal die Grundidee \tdie dahinter steht: Nehmen wir an, wir entwickele zwei Triebwerke von 80 kN \tund 1280 kN Schub (also dem 16 fachen des ersten). Und wir bauen diese in 4 \tStufen ein:<\/p>\n
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Dann kann man mit diesen Stufen 4 Basisträgerraketen konstruieren:<\/p>\n
Bei LOX\/LH2 als Treibstoff entsprechen diese Raketen 1 t, 4 t und 16 t \tNutzlast.. Mit der Nutzung dieser Stufen als Oberstufen und Zusatzbooster \tkann man diese Palette noch um weitere Modelle erweitern. In der Summe \tkönnte man also mit zwei Triebwerkstypen alle bisherigen Trägerraketen von \tder Rockot Klasse bis zur Ariane 5 oder Delta IV Heavy ersetzen. <\/p>\n
Die Vorteile scheinen zuerst auf der Hand zu liegen: Die \tEntwicklungskosten sind geringer, weil man nur zwei Triebwerke für alles \that, jedes Triebwerk wird in einer größeren Stückzahl gefertigt und dadurch \tgünstiger zu produzieren. Warum tut man es dann nicht einfach?<\/p>\n
Nun es gibt eine Reihe von Einwänden. Das erste ist, das es billiger ist, als erste Stufe Feststoffbooster einzusetzen als ein Triebwerk \tmit LOX\/LH2. Die Typen mit 4 Triebwerken in der ersten Stufe könnte man also \tersetzen durch zusätzlich angebrachte Feststoffbooster – Dann bräuchte man \talso noch zwei Typen von Feststoffboostern. <\/p>\n
Der Haupteinwand der eingebracht wird ist die Zuverlässigkeit. Es steigt die \tAusfallwahrscheinlichkeit rapide an wenn man mehr Triebwerke einsetzt. \tDieser Tatbestand ist unstrittig. Worüber es Diskussionen gibt, sind die \tFolgen. Bei der N-1 installierte man ein System, welches beim Ausfall eines \tTriebwerks das gegenüberliegende abschaltete. Genützt hat es nichts. Denn es \tgab bei den Ausfällen Beschädigungen der umliegenden Triebwerke oder es \tlagen systematische Designfehler vor, die zum Versagen der Rakete bei \tjedem der vier Flüge führten.<\/p>\n
Selbst wenn es gelingt, so fehlt Schub. In einem frühen Stadium des Flugs \tkann dies so viel sein, dass er nicht ausreicht die Bahn zu erreichen. \tSpäter kann dann eine zu niedrige, unbrauchbare Bahn resultieren. Ich kann \tnatürlich zumindest für den letzten Fall Treibstoffreserven allokieren um \tdies aufzufangen, doch dann wird die Nutzlast recht klein und das ist ja \tauch nicht erwünscht.<\/p>\n
Soll eine Rakete eine definierte Zuverlässigkeit haben und setzt man \tviele Triebwerke ein, so bedeutet dies, dass jedes einzelne eine viel höhere \tZuverlässigkeit aufweisen muss als ein einzelnes Triebwerk. Das ist nicht \tunmöglich: Die Ariane 4 setzte bis zu 8 Triebwerke in der ersten Stufe ein, \tund entwickelte sich zum zuverlässigsten kommerziell verfügbaren Träger. \tAuch die Saturn V mit 11 Triebwerken in 3 Stufen kann als positives Beispiel \tangesehen werden. Im Normalfall ist aber ein solches Triebwerk erheblich \tteurer als ein vergleichbares mit weniger harten Anforderungen (F-1, J-2 \tTriebwerk) oder ich muss auf Leistung verzichten (Viking Triebwerke der \tAriane 1-4). Beides ist suboptimal: Entweder es wird teurer oder die \tNutzlast ist nicht so hoch wie sie sein könnte (Ariane 1 und die Atlas \tCentaur hatten beide 1.86 t Nutzlast. Die Ariane 1 wog 202 t, die Atlas \tCentaur nur 149.5 t.)<\/p>\n
Nun zum Casus Knacksus:: Lohnt es sich ja oder nein? Und wie immer gibt \tes keine allgemeingültige Antwort. Wenn ich eine bestimmte Rakete \tentwickele, dann sind die Produktionskosten am geringsten, wenn ich ein \tgroßes anstatt mehrerer kleiner Triebwerke einsetze. Eine Saturn V S IC \tStufe mit fünf F-1 (6670 kN Schub) kostete in der Produktion z.B.21.3 \tMillionen Dollar, die kleinere Saturn 1C mit acht H-2 von jeweils 890 kN \tSchub dagegen 9.4 Millionen Dollar. Pro kN Schub war die S-1C also 2.5 mal \tpreiswerter als die S-1B trotz weniger Triebwerke.<\/p>\n
Sofern ich also nur eine Rakete entwickele, wird es immer am günstigsten \tsein in jeder Stufe nur ein Triebwerk einzusetzen. Das ganze ändert sich \twenn ich nicht eine Rakete entwickele sondern eine Familie die einen breiten \tNutzlastbereich abdecken soll. Dann sinken die Produktionskosten pro \tTriebwerk, weil ich weniger verschiedene Typen produziere. Weiterhin \treduziere ich die Entwicklungskosten gravierend da ich nicht verschiedene \tRaketen neu entwickeln muss, sondern den Aufwand nur einmal tätige.<\/p>\n
Diese Vorteile muss ich gegen die Nachteile des Ausfallsrisikos abwägen. \tWenn ich die bisherigen Designs durchgehe scheint so ein Optimum bei um die \t10-12 Triebwerken in der Rakete zu sein. Ariane 4 hatte bis zu 10, die Saturn V \t11, die Proton bis zu 12. (Wobei die Zuverlässigkeit der Proton auch nicht \tbesonders hoch ist). Auch die Langer Marsch 5 Familie liegt mit \tmaximal 12 Triebwerken in diesem Bereich.<\/p>\n
Ob dies auch noch bei der Falcon 9 Heavy so ist? Diese wird 28 Triebwerke \teinsetzen. Ich glaube nicht. Dazu müsste SpaceX dreimal zuverlässigere \tTriebwerke entwickeln als die Chinesen, die immerhin damit Erfahrung haben \t(und trotzdem 14 Jahre für die Entwicklung der Chang Zheng 5 angesetzt \thaben). Bislang hat kein einziger Start einer Falcon 1 mit nur zwei \tTriebwerken geklappt. Die Ursachen lagen bis auf den ersten Fehlstart nicht \tbei einem Triebwerk, doch es zeigt eben wie hoch die Kompetenz von SpaceX \tist, wenn Designfehler z.B. bei der Stufentrennung erst bei einem Testflug \tbemerkt werden. Wie zuverlässig kann man dann ein das Merlin !C einstufen?<\/p>\n
Die 27 Triebwerke bei der Falcon 9 Heavy sind eine Notlösung, das ist \trecht deutlich sichtbar. Zum einen ist das Voll\/Leermasse Verhältnis von den \t3 Boostern zu der zweiten Stufe sehr schlecht. Zum anderen stammt das Merlin \t1C von der Falcon 1 ab, einer Rakete für 420 kg schwere Nutzlasten. Damit \tbraucht man überhaupt so viele Triebwerke. Würde SpaceX ein \tleistungsfähigeres \tTriebwerk zur Verfügung stehen, so würden sie sicher dieses einsetzen. Aber \tdie Entwicklung eines solchen Triebwerks kostet mehr Geld und das hat man bei \tSpaceX nicht. Daher muss man auf das zurückgreifen was man hat.<\/p>\n
Die Performance ist daher auch nicht besonders hoch. Nehme ich die Daten \tvon SpaceX, so kann ich ihre Nutzlasten nicht nachvollziehen. Nehme ich die \tDaten der Falcon 1 als Basis, so komme ich auch Differenzen zu SpaceX \tWerten:<\/p>\n
| <\/th>\n | SpaceX<\/th>\n | Bernd Leitenberger<\/th>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Falcon 9 LEO<\/td>\n | 12.5 t<\/td>\n | 7.0 t<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Falcon 9 GTO<\/td>\n | 4.64 t<\/td>\n | 1.2 t<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Falcon 9 Heavy LEO<\/td>\n | 29.61 t<\/td>\n | 17.0 t<\/td>\n<\/tr>\n | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Falcon 9 Heavy GTO<\/td>\n | 15.01 t<\/td>\n | 5.0 t<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n Ich schreibe das, weil ich damit rechne, das SpaceX uns bald wieder mit \t"neuen, korrigierten" Werten überraschen wird. Für die die es nachvollziehen \twollen: Die Raketengrundgleichung mit folgenden Daten lösen: \t<\/p>\n Rakete: Falcon 1<\/h4>\n
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