{"id":7239,"date":"2012-10-26T00:23:51","date_gmt":"2012-10-25T22:23:51","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=7239"},"modified":"2012-10-25T23:24:54","modified_gmt":"2012-10-25T21:24:54","slug":"stratolaunch-eine-genauere-betrachtung-des-konzepts","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2012\/10\/26\/stratolaunch-eine-genauere-betrachtung-des-konzepts\/","title":{"rendered":"Stratolaunch: Eine genauere Betrachtung des Konzepts"},"content":{"rendered":"<p>Um das Konzept von Stratolaunch beurteilen zu k&ouml;nnen, muss man wissen wie sich die Gesamtenergie bei einem Raketenstart verteilt. Der gr&ouml;&szlig;te Teil entf&auml;llt nat&uuml;rlich auf die Energie, die man braucht um einen Orbit zu erreichen. der zweite Punkt der ebenfalls exakt berechenbar ist, ist die Hubarbeit: Genauso wie jemand Arbeit verrichtet, der etwas in das oberste Stockwerk hebt, so bedeutet auch, das Satelliten in meistens &uuml;ber 180 km H&ouml;he ihre Kreise ziehen, dass man Energie aufwenden muss um sie erst dorthin zu heben.<\/p>\n<p>W&auml;hrend man diese ersten beiden Posten exakt berechnen kann und sie auch unabh&auml;ngig vom Raketentyp sind, gilt das nicht f&uuml;r die n&auml;chsten drei Punkte:<!--more--><\/p>\n<ul>\n<li>Luftwiederstand: Solange die Rakete die untere dichte Atmosph&auml;re durchquert, gibt es Reibungskr&auml;fte, wie bei jedem anderen Gegenstand. Die H&ouml;he h&auml;ngt von dem genauen Aussehen der Rakete ab (aerodynamische Form), der Beschleunigung (sie ist paradoxerweise um so geringer je schneller die Rakete beschleunigt, da sie dann schnell aus der dichten Atmosph&auml;re heraus kommt) und der aufstiegsbahn,<\/li>\n<li>Den Steuerungsverlusten: Um die Rakete zu neigen oder zu drehen m&uuml;ssen die Triebwerke aus der Vertikalen geneigt werden. der Schubvektor hat nun einen kleinen Winkel zur Bewegungsrichtung und der Schub wirkt nur mit Cos(Winkel) in die Bewegungsrichtung. Das erzeugt Lenkungsverluste.<\/li>\n<li>Gravitationsverluste: Sie entstehen dadurch, dass man nicht nur die Nutzlast anhebt, sondern auch den Treibstoff. Damit verbraucht man Treibstoff um Treibstoff auf ein h&ouml;heres Energielevel zu heben, von dem man aber keinen Gewinn zieht. Weiterhin wirkt nur als Beschleunigung in die Vertikalen der Teil des Schubs, der 1 g &uuml;bersteigt. Der Rest geht verloren. W&uuml;rde eine Rakete einen Schub von weniger als 1 g aufweisen, so w&uuml;rde sie solange nicht abheben bis ihre Masse soweit gesunken ist, dass er &uuml;ber 1 g liegt. Damit kann man eine Menge Treibstoff verbrauchen, ohne das die Rakete auch nur einen Meter abhebt.<\/li>\n<li>Verluste durch den Betrieb in der Atmosph&auml;re: Da die Rakete einen Teil der Zeit bei einem Au&szlig;endruck von &gt;0 Bar arbeitet, behindert die Atmosph&auml;re die Expansion der Abgase. Auch hier gilt: Je schneller die Atmosph&auml;re\u00a0 durchquert wird, desto kleiner sind diese.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Am Beispiel einer Rakete bei der diese Werte bekannt sind, sollen diese drei Verluste mal mit Zahlen belegt werden:<\/p>\n<p>Die Ariane 1 ist in Form und Schub\/Gewichtsverh&auml;ltnis mit einer Falcon 9 vergleichbar. Bei ihr gibt es folgende Werte:<\/p>\n<ul>\n<li>Gravitationsverluste und Hubarbeit: 1374,4 m\/s<\/li>\n<li>Luftwiderstand 127,7 m\/s<\/li>\n<li>Unterexpansion: 101,2 m\/s<\/li>\n<li>Lenkverluste: 20 m\/s<\/li>\n<li>Die Orbitalgeschwindigkeit in der GTO-Aufstiegsbahn betr&auml;gt 10227.7 m\/s, ber&uuml;cksichtigt man die Hubarbeit sind es 10403 m\/s.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Mann sieht schon: die gesamten Verluste von 1623,3 m\/s sind klein im Vergleich zur Geschwindigkeit die erreicht werden muss. Kann man nun durch Stratolaunch viel davon einsparen?<\/p>\n<p>Nun zum einen findet der Start nicht bei Tempo 0 statt, sondern der Geschwindigkeit mit der das Flugzeug fliegt. Es wird sicher im Unterschallbereich sein. Nimmt man das Tempo eines typischen Passagierjets an, so sind dies rund 900 km\/h, rund 250 m\/s.<\/p>\n<p>Die Abtrennung erfolgt in 9000 m H&ouml;he, etwas unterhalb der Zone in der bei den meisten Raketen der Punkt mit maximaler aerodynamischer Belastung liegt und dieser Punkt wird mit niedriger Geschwindigkeit passiert. Man kann also eine Reduktion der aerodynamischen Belastung annehmen. Eine Halbierung halte ich f&uuml;r m&ouml;glich. Das sind dann etwa 60-70 m\/s Gewinn<\/p>\n<p>Ein niedriger Orbit liegt in rund 180 km H&ouml;he. nun sind es nur noch 171 km um ihn zu erreichen. Das wird die Gravitationsverluste etwas absenken. Das macht jedoch wenig aus, nur etwa 10 m\/s.<\/p>\n<p>Was allerdings verringert wird sind die Verluste durch Unterexpansion, da in 9000 m H&ouml;he weniger als die H&auml;lfte des Luftdrucks wie am Boden herrschen. Ein Drittel weniger sollte hier m&ouml;glich sein. Das sind weitere 30 m\/s.<\/p>\n<p>Zusammen sind das dann Einsparungen von rund 360 m\/s. Das ist nicht viel. W&uuml;rde man 360 m\/s mehr Geschwindigkeit erreichen m&uuml;ssen, indem man vom Erdboden aus startet, so w&uuml;rde dies bei einer angenommen Trockenmasse der zweiten Stufe von 2 t die Nutzlast von 6,1 auf 5,25 t absenken, F&uuml;r einen Gewinn von weniger als 14 % Nutzlast ein eigenes Tr&auml;gerflugzeug zu entwickeln ist also nicht wirtschaftlich sinnvoll.<\/p>\n<p>Nat&uuml;rlich spart man eine Startanlage am Boden ein. Doch gerade die Falcon 9 Anlage zeigt ja gerade, dass diese recht minimal und daher kosteng&uuml;nstig gebaut werden kann. Die Kosten f&uuml;r eine zweite Startrampe in Vandenberg wurden von SpaceX mit rund 80 bis 125 Millionen Dollar beziffert. Man kann davon ausgehen, dass die Entwicklungskosten f&uuml;r das Tr&auml;gerflugzeug von Stratolaunch bei seiner Gr&ouml;&szlig;e die einen A380 in Schatten stellt sicher teurer kommt.<\/p>\n<p>Bleibt nur ein Vorteil, der gerne erw&auml;hnt wird: Der Start kann von &uuml;berall aus auf der Welt erfolgen. Nur was ist der praktische Nutzen?<\/p>\n<p>Bei Bahnen mit niedriger Inklination w&uuml;rde man etwas gewinnen, da von Cape aus maximal 28 Grad Inklination m&ouml;glich sind. Nur werden in solche Bahnen nur geostation&auml;re Satelliten bef&ouml;rdert. Daf&uuml;r ist die Rakete aber zu klein, Mit 6,1 t LEO Nutzlast wird die GTO Nutzlast unter 2 t liegen, Die gewonnenen 55 m\/s durch die Erdrotation machen da auch den Kohl nicht fett.<\/p>\n<p>Die meisten Starts einer Rakete in diesem Nutzlastsegment gehen in sonnensynchrone Bahnen. Bei diesen Bahnen mit Inklinationen &uuml;ber 90 Grad ist die geographische Breite des Startortes absolut irrelevant. Selbst bei ISS-Missionen (wof&uuml;r auch die Rakete zu klein ist, sie k&ouml;nnte nicht einmal eine leere Dragon bef&ouml;rdern) gibt es keinen Nutzen, da auch hier die Inklination mit 51,7 Grad h&ouml;her als die der US-Startorte ist.<\/p>\n<p>Stattdessen gibt es neue Risiken. Bisher war es bei vier Starts nur einmal m&ouml;glich, p&uuml;nktlich zu starten. Einmal wurde der Start nach Z&uuml;ndung der Rakete abgebrochen (dritter Flug) und\u00a0 ein defektes Teil musste ausgewechselt werden (hier w&auml;re die Rakete bei einem Abwurf verloren gewesen), beim Jungfernflug wurde der Countdown mehrmals unterbrochen und einmal auch wenige Sekunden vor dem Start abgebrochen &#8211; wenn die Rakete dann schon ausgeklinkt worden w&auml;re, w&auml;re sie ebenfalls verloren gewesen und beim zweiten Start betrugen die Verz&ouml;gerungen mehrere Stunden, soviel Zeit h&auml;tte wohl bei begrenzten Treibstoffvorr&auml;ten nicht zur Verf&uuml;gung gestanden.<\/p>\n<p>Das grunds&auml;tzliche Problem einer Rakete mit fl&uuml;ssigen Treibstoffen ist, das sie komplexer als eine Feststoffrakete ist, deswegen werden im Milit&auml;r ja nur diese eingesetzt. Ein Countdown erstreckt sich &uuml;ber Stunden. Und die Gefahr von Verz&ouml;gerungen oder kleinen Problemen die zu einem &#8222;Scrub&#8220; f&uuml;hren sind h&ouml;her. Bei einer Falcon 9 dauert der gesamte Countdown &uuml;ber 7:30 h. Selbst wenn man den Teil nur nimmt, nachdem die Tanks voll sind (ab dann kann das Flugzeug abheben) ist man bei 3:15 h. De fakto gibt es viel was gegen das Vorhaben spricht. So verdampft laufend fl&uuml;ssiger Sauerstoff. Er kann nicht mehr nachgef&uuml;llt werden.<\/p>\n<p>Neben allgemeinen Bedenken, wenn eine so gro&szlig;e Nutzlast transportiert wird, gibt es auch spezifische bei einer Rakete mit 200 t Fl&uuml;ssigkeit. Wie ver&auml;ndert Schwappen des Treibstoffs oder ver&auml;ndern Fl&uuml;sse beim Aufstieg die Gewichtsbilanz, welche Kr&auml;fte wirken dann? Die H&uuml;lle der Rakete muss angepasst sein, da nun nicht nur wie bei normalen Starts die meisten Lasten in der L&auml;ngsachse wirken, sondern auch zus&auml;tzliche senkrecht dazu. Das Zusatzgewicht f&uuml;r eine stabilere H&uuml;lle kann dann leicht den Gewinn durch den Start aus der Luft mehr als kompensieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Um das Konzept von Stratolaunch beurteilen zu k&ouml;nnen, muss man wissen wie sich die Gesamtenergie bei einem Raketenstart verteilt. 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