{"id":8276,"date":"2013-07-26T00:31:34","date_gmt":"2013-07-25T22:31:34","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=8276"},"modified":"2013-07-25T08:22:14","modified_gmt":"2013-07-25T06:22:14","slug":"alternativen-zur-schwerlastrakete","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/07\/26\/alternativen-zur-schwerlastrakete\/","title":{"rendered":"Alternativen zur Schwerlastrakete"},"content":{"rendered":"<p>Ich las k&uuml;rzlich <a href=\"http:\/\/www.thespacereview.com\/article\/2330\/1\">diesen Artikel<\/a> &uuml;ber die Kosten der SLS. Man kann &uuml;ber die Zahlen streiten, und auch die Berechnungsmethode, aber eines ist sicher klar. Eine Schwerlastrakete wird teuer. Dazu muss man muss nur mal sehen was die Entwicklung der Saturn kostete und diese Kosten auf die Fl&uuml;ge umlegen. Das ist auch das was ich am Artikel zu kritisieren habe: es ist nicht &uuml;blich Entwicklungskosten und die Kosten f&uuml;r die Bodenanlagen auf die Starts umzulegen. Kein Weltraumbahnhof der Welt, auch keine privat genutzte Startanlage tr&auml;gt sich selbst, vielleicht mit Ausnahme von Sea-Launch. Selbst SpaceX musste nur das investierenm was sie brauchten um die bestehenden Pads umzur&uuml;sten, aber sie mussten nicht die Baukosten bezahlen und auch nicht die Infrastruktur die sie nutzen bezahlen. Selbst bei den Services zahlen sie nur f&uuml;r den Extraufwand, aber z.B. bei der &Uuml;berwachung eines Starts durch Radar und Empfang der Telemetrie nicht f&uuml;r das Personal dass immer da ist und nicht einfach zwischen zwei Starts entlassen werden kann. Macht man die Rechnungen so, so wird alles sehr teuer. Nehmen wir ein Beispiel wo die Rechnung noch &#8222;gut&#8220; aussieht:<!--more--><\/p>\n<p>Ariane 1-4: 144 Starts von 1979 &#8211; 2002<\/p>\n<ul>\n<li>Entwicklungskosten 2179 Millionen Euro im Wert von 1995<\/li>\n<li>Startkosten: Ariane 1: 58 Millionen Dollar (1982)&nbsp; (Ariane 44L): 82 Millionen Dollar (1988), 115 Millionen Dollar (2002)<\/li>\n<li>Unterhaltskosten CSG (1995): 47 Millionen Euro seitens der ESA, 23 Millionen seitens der CNES.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Auf den Wert von 2002 hoch gerechnet mit 2,5% Inflationsrate sind dies:<\/p>\n<ul>\n<li>2590 Millionen Euro Entwicklungskosten<\/li>\n<li>1905 Millionen Euro CSG Unterhalt<\/li>\n<li>12702 Millionen Euro f&uuml;r 144 Starts mit 238 Nutzlasten<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das sind dann 17197 Millionen Euro Gesamt oder 120 Millionen Euro pro Start einer 44LP (ohne Zuschl&auml;ge: 105). Hier wurde der Start nur um 15% verteuert, doch je gr&ouml;&szlig;er eine Tr&auml;gerrakete ist und je weniger oft sie fliegt um so gr&ouml;&szlig;er wird der Batzen. Wenn Ariane 5 bis 2020 noch 6-mal pro Jahr startet, so werden CSG Kosten und Entwicklungskosten auf die Starts umgelegt schon 135 Millionen Euro ausmachen, bei derzeitigen Startkosten von 160 Millionen Euro, also fast eine Verdoppelung. Bei einer Schwerlastrakete die nur einmal pro Jahr startet oder sogar noch weniger oft, wird das Verh&auml;ltnis nat&uuml;rlich extrem. Dann stehen vielleicht 10-20 Starts enorme Entwicklungskosten gegen&uuml;ber und die gro&szlig;e Rakete hat auch hohe Unterhaltskosten.<\/p>\n<p>Doch wenn man zum Mond oder Mars (oder Asteroiden &#8230;.) will, gibt es eine Alternative zu einer Schwerlastrakete? Ja die gibt es. Sie gibt es aus einem Grund: wir brauchen eine Schwerlastrakete, weil wir erstmal das Schwerefeld der Erde verlassen m&uuml;ssen. Das sind bei Mondmissionen 11 km\/s, bei Marsmissionen 11,5-11,7 km\/s. Das sind 3,2 bis 3,9 km\/s mehr als bei einer LEO-Bahn, was die Nutzlast drastisch reduziert. Bei der Saturn V von 130 auf 49 t. Bei der Ares V waren es 187,7 zu 62,7 t. Also in beiden F&auml;llen in etwa ein Drittel der LEO Nutzlast.<\/p>\n<p>Der Grundgedanke ist nun, dass wir eine Rakete entwickeln, die nur die ben&ouml;tigte Nutzlast aufweist (also 50-60 t bei Mondmissionen) und einen Start einer Schwerlastrakete durch mehrere dieser kleinen Rakete ersetzen. Die Gesamtnutzlast wird dabei h&ouml;her sein, weil wir nicht den g&uuml;nstigen Fall einer leichtgewichtigen Stufe haben, sondern je nach L&ouml;sung noch etwas mehr transportieren m&uuml;ssen, aber das ist kein gro&szlig;es Problem. Tr&auml;gerraketen mit 50 bis 60 t Nutzlast k&ouml;nnen aber ohne gr&ouml;&szlig;ere Entwicklungskosten aus den bestehenden Tr&auml;gern entwickelt werden. Boeing hatte bei der Bewerbung f&uuml;r das Conestellation Programm z.B. Delta 4 mit vier bzw. sechs Zentralstufen als Boostern (anstatt 2 bei der Delta 4H) und einer Oberstufe mit 266 kN (anstatt 110 kN) Schub und mehr Treibstoff vorgeschlagen. Diese liegen in der Nutzlast bei 53 bis 67 t in den LEO. eine Atlas V mit vier CCB als Boostern k&auml;me auf 50 t LEO Nutzlast, mit einer dieser Rakete ad&auml;quaten Oberstufe wahrscheinlich auf 57 t Nutzlast.<\/p>\n<p>Bei beiden Tr&auml;gern braucht man nur eine neue Oberstufe und muss die Struktur der Zentralstufe den h&ouml;heren Lasten anpassen. Es ist keine Neuentwicklung n&ouml;tig.<\/p>\n<p>Welche M&ouml;glichkeiten gibt es nun, eine Schwerlastrakete durch mehrere dieser kleinen Fl&uuml;ge zu ersetzen. Es gibt vom Grundprinzip her zwei M&ouml;glichkeiten, die im Detail varriert werden kj&ouml;nnen. Ich will nur, weil ich schon mal eine Detail f&uuml;r einen Marsflug ver&ouml;ffentlicht habe das Grundprinzip erl&auml;utern.<\/p>\n<h3>M&ouml;glichkeit 1: Treibstoffdepots in der Umlaufbahn<\/h3>\n<p>Anstatt einem Start einer Schwerlastrakete startet man drei bis viermal. Bis auf den letzten Start, der die eigentliche Nutzlast umfasst wird nur Treibstoff in einem Tank gestartet. Der vorletzte Start kann auch eine teilbef&uuml;llte Stufe umfassen oder diese wird mit der Nutzlast gestartet, was allerdings diese dann um ein Drittel bis Viertel reduzieren wird. Im Orbit angekommen koppelt die Besatzung nacheinander an die Treibstofftanks an und f&uuml;llt so zuerst die Stufe auf. Danach wird diese gez&uuml;ndet und bringt die Kombination auf Zielgeschwindigkeit.<\/p>\n<p>Wenn die Depots nicht in ganz niedrigen Erdumlaufbahnen sondern z.B. in 400 km H&ouml;he angelegt werden, sind ihre Umlaufbahnen hinreichend lange stabil. Was verhindert werden muss, ist das Verdampfen von Treibstoffen. Wenn wir von Starts im Abstand von einem oder mehreren Monaten reden, dann reicht eine Isolation des Tanks alleine nicht aus. Dann muss man bei der kryogenen Kombination LOX\/LH2 ein Sonnensegel entfaltet werden. Das wurde f&uuml;r Centaur Eins&auml;tze f&uuml;r Langzeitmissionen schon mal durchgerechnet und es scheint praktikabel. Was allerdings noch nie probiert wurde ist das Umf&uuml;llen von kryogenen Treibstoffen. Lagerf&auml;hige Treibstoffe werden schon routinem&auml;&szlig;ig umgef&uuml;llt, das machen Progress und ARTV seit Jahren. Bei kryogenen Treibstoffen kann beim Kontakt des Treibstoffs mit der warmen Leitung Treibstoff verdampfen und Dampf bilden, der nicht ganz unproblematisch ist. Eine Alternative ist einfach mehr Fl&uuml;ge vorzusehen und gleich lagerf&auml;hige Treibstoffe zu benutzen. Dann braucht man auch keine Isolation und die Tanks sind auch leichter, was zum Teil den schlechteren Energiegehalt kompensiert. Vor allem kann man schon vorhandene Technologie f&uuml;r den Treibstofftransfer verwenden.<\/p>\n<h3>M&ouml;glichkeit 2: Zur Zielbahn in mehreren Man&ouml;vern<\/h3>\n<p>Diese M&ouml;glichkeit ersetzt praktisch einen Start durch mehrere Einzelstarts. Das k&ouml;nnte so aussehen: Die Nutzlast ohne Kommandokapsel, aber mit Servicemodul, wird in einen niedrigen Erdorbit gestartet. Dann folgt mindestens einer, wahrscheinlich zwei bis drei Starts von Raketenstufen mit intelligenten Ankopplungsmodulen an der Spitze. Diese k&ouml;nnten z.B. vom Servicemodul des ATV abgeleitet sein. Sie koppeln an die Nutzlast an und die Stufe z&uuml;ndet jeweils im Perig&auml;um. Man erh&auml;lt so eine immer elliptischere Umlaufbahn, deren Apog&auml;um immer weiter ins All hinausreicht. Der letzte Start bringt dann die relativ kleine Kommandokapsel mit einer Raketenstufe zu der Nutzlast. Sie koppelt dort an und die Stufe z&uuml;ndet erneut. Das reicht aus um die Nutzlast von der Erde wegzubringen.<\/p>\n<p>Da hier der Treibstoff nicht &uuml;ber Monate lang k&uuml;hl gehalten werden muss, ist diese L&ouml;sung weniger zeitkritisch als die obige. Wenn man z.B vier Starts &uuml;ber ein Jahr durchf&uuml;hrt so bringt nur der letzte Start die Besatzung zur Restnutzlast. Das Ankoppeln einer jeder Stufe kann nach den Erfahrungen von Progress und ATV innerhalb von wenigen Stunden bis maximal zwei Tagen erfolgen, eine Zeit in der eine ausreichend dicke Isolierschicht auch kryogene Treibstoffe k&uuml;hlt. Hinsichtlich der Neuentwicklungen ist es mit einer Ausnahme einfacher als bei den Treibstoff Depots &#8211; man braucht nur normale Stufen und die Technologie zur automatischen Ankopplung beherrscht man schon. Die Ausnahme ist das bisher Servicemodul und Kapsel eine Einheit sind. Bedies zusammen ist aber zu schwer um es beim letzten Schritt in eine hocheleptische Umlaufbahn zu bringen. Man muss es also trennen und z.B. bei einer Mondmission einen Kopplungsadapter haben der Servicemodul, Kapsel und Mondlander verbindet, inklusive der Leitungen von dem Servicemodul zur Kapsel f&uuml;r Gase, Wasser, Strom etc. Eine weitere Nebenbedingung ist, dass die Nutzlast hoch genug ist um die Kommandokapsel in den letzten Erdorbit zu bringen und noch gen&uuml;gend Treibstoff verbleibt um dei ganze Kombination auf die Zielgeschwindigkeit zu bef&ouml;rdern. Das wird um so problematischer je h&ouml;her diese ist.<\/p>\n<p>Es sind auch mehr Starts n&ouml;tig als bei der ersten Alternative, da bei jedem Start eine leere Stufe in einen Orbit transportiert wird und ein Koppelmodul mit eigenen Triebwerken f&uuml;r das automatische ankoppeln.<\/p>\n<p>Beurteilung<\/p>\n<p>Beide M&ouml;glichkeiten m&uuml;sste man mit moderaten Kosten umsetzen k&ouml;nnen. Atlas und Delta br&auml;uchten jeweils eine neue Oberstufe von etwa 50 t Masse mit neuen Triebwerken mit h&ouml;herem Schub. Dazu k&auml;men Anpassungen an den Tr&auml;gerraketen und den Startrampen. Das ist nicht f&uuml;r umsonst zu haben, doch f&uuml;r den Bruchteil einer Neuentwicklung wie der SLS.<\/p>\n<p>Es m&uuml;sste je nach L&ouml;sung die Depottanks mit Umf&uuml;lleinrichtungen \/ Sonnenschutz oder Module f&uuml;r die automatische Ankopplung und einen Koppeladapter f&uuml;r LM \/ Servicemodul \/ Kapsel entwickelt werden. Das ist in jedem Falle preiswerter als eine Schwerlastrakete.<\/p>\n<p>Die SLS wird anfangs nur alle zwei Jahre starten. Auch f&uuml;r die Ares waren nicht viele Missionen vorgesehen. Sicher wird eine Startrate von einer Mission pro Jahr nicht &uuml;berschritten. Anstatt dieser kann man dann eben vier bis f&uuml;nf Starts einer 50 bis 60 t Rakete ansetzen. Das ist eine Startrate die nicht sehr anspruchsvoll ist. Ariane 5 k&ouml;nnte, wenn man alle Randbedingungen voll aussch&ouml;pft achtmal pro Jahr starten, auch sie w&auml;re leicht mit einigen Boostern und einer neuen Oberstufe auf 50 t Nutzlast ausbaubar. Die Chancen stehen gut, dass die Kosten f&uuml;r das Bodensegment sogar geringer sind, weil sie proportional zur Gr&ouml;&szlig;e der Rakete sind, aber man auch bei nur einem Start sehr viele Personen braucht. Dazu nur eine Zahl: Nach Apollo 11 entlie&szlig; die NASA 5.600 ihrer 23.600 Angestellten im KSC. Das sind 23,7%. Die Zahl der Starts pro Jahr reduzierte sich aber dadurch von 5 auf 2 pro Jahr also um 60%. Daraus ist leicht ableitbar, dass man wahrscheinlich weniger Personen braucht, um eine 50 t Rakete vier bis f&uuml;nf mal pro Jahr zu starten, als eine Schwerlastrakete einmal pro Jahr.<\/p>\n<p>Weitere Vorteile w&auml;ren Synergien mit der Produktion bestehender Raketen. So w&uuml;rden die Zentralstufen von Delta oder Atlas in weitaus h&ouml;herer Rate produziert werden, was ihre Kosten senkt. Wenn man beide Typen einsetzt, h&auml;tte man auch keine Probleme bei M&ouml;glichkeit 1 innerhalb eines Monates von je einer Atlas und Delta Startrampe vier Starts durchzuf&uuml;hren.<\/p>\n<p>Ein positiver Nebeneffekt ist, dass auch ein Tr&auml;ger f&uuml;r gro&szlig;e Module einer zuk&uuml;nftigen Raumstation oder schwere Planetenmissionen oder astronomische Teleskope zur Verf&uuml;gung steht. F&uuml;r diese ist dann eine Schwerlastrakete schon wieder &uuml;berdimesnioniert.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Ich las k&uuml;rzlich diesen Artikel &uuml;ber die Kosten der SLS. Man kann &uuml;ber die Zahlen streiten, und auch die Berechnungsmethode, aber eines ist sicher klar. Eine Schwerlastrakete wird teuer. Dazu muss man muss nur mal sehen was die Entwicklung der Saturn kostete und diese Kosten auf die Fl&uuml;ge umlegen. 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