{"id":96,"date":"2008-01-18T12:27:11","date_gmt":"2008-01-18T11:27:11","guid":{"rendered":"http:\/\/bernd-leitenberger.de\/blog\/2008\/01\/18\/braucht-man-eine-riesen-tragerrakete\/"},"modified":"2008-01-23T11:16:30","modified_gmt":"2008-01-23T10:16:30","slug":"braucht-man-eine-riesen-tragerrakete","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2008\/01\/18\/braucht-man-eine-riesen-tragerrakete\/","title":{"rendered":"Braucht man eine Riesen-Tr&auml;gerrakete?"},"content":{"rendered":"\n<p>Die bemannte Erforschung des Sonnensystems ist teuer. Sie ist deswegen teuer, weil man unter   anderem auch enorme Massen transportieren muss. W&auml;hrend f&uuml;r die Erdorbitmissionen von Apollo eine   Saturn 1B mit etwa 17 t Nutzlastkapazit&auml;t ausreichte, musste es f&uuml;r Mondmissionen die Saturn V   sein mit 130 t Nutzlastkapazit&auml;t. Zubrin &quot;Mars Direct&quot; Plan war unter anderem deswegen so viel   kosteng&uuml;nstiger als die NASA Pl&auml;ne dieser Zeit, weil er radikal die Massen reduzierte, die man zum   Mars starten soll.<\/p>\n<p>Trotzdem: F&uuml;r die n&auml;chsten Mondexpeditionen entwickelt man die Ares V &#8211; noch etwas   leistungsf&auml;higer als die Saturn V und f&uuml;r eine Marsmission braucht man mehrere Fl&uuml;ge dieser. Ich   habe keinen Plan f&uuml;r eine Marsexpedition gesehen, der unter 600 t Startmasse kommt. 100 t sind ein   realistischer Ansatz.<\/p>\n<p><!--more--><\/p>\n<p>Doch braucht man das wirklich? Ich habe mir dar&uuml;ber schon mal in einem   <a href=\"\/schwerlastraketen.shtml\">Artikel<\/a> ausf&uuml;hrlich   Gedanken gemacht. Die grundlegende Erkenntnis ist, dass eine gro&szlig;e Tr&auml;gerrakete auch teuer ist &#8211;   nicht so sehr pro St&uuml;ck, sondern viel mehr bei der Entwicklung. Mit der Nutzung schon vorhandener   Technologie f&uuml;r die Ares V macht hier die NASA sicher keinen Fehler um die Kosten geringer zu   halten.<\/p>\n<p>Aber &#8230; braucht man wirklich eine so gro&szlig;e Rakete? Wer sich die Pl&auml;ne f&uuml;r Mond- und   Marsmissionen ansieht, stellt fest, dass am meisten der Treibstoff ausmacht &#8211; &uuml;blicherweise muss   man erst von einem Erdorbit starten, am Zielk&ouml;rper abbremsen, dann landen (beim Mars durch   aerodynamische Abbremsung, beim Mond durch Abbremsung mittels Triebwerken), von der Oberfl&auml;che   geht es mit Triebwerken zur&uuml;ck in einen Orbit und von da mit einer weiteren Z&uuml;ndung zur&uuml;ck zur   Erde. Beim Apollo Raumschiff machte der Treibstoff den gr&ouml;&szlig;ten Teil der Masse aus. Der Mondlander   war sogar nicht viel mehr als zwei Raketenstufen mit einer extrem leichtgewichtig gebauten   Mini-Kabine obendrauf.<\/p>\n<p>Treibstoff kann man aber umpumpen und Antriebsstufen kann man b&uuml;ndeln. Wer sich die Pl&auml;ne   genauer ansieht, stellt fest, dass man (sofern man nicht nukleare Triebwerke nimmt) den meisten   Treibstoff braucht um &uuml;berhaupt die Erde zu verlassen. Das &quot;Delta V&quot; daf&uuml;r betr&auml;gt bei einer   niedrigen Erdumlaufbahn etwa 3200 m\/s zum Mond und 3800 m\/s zum Mars. Bei der Benutzung von   Wasserstoff als Treibstoff ist die eigentliche Nutzlast nach Verlassen des Erdorbits nur noch ein   Drittel der Startmasse im Erdorbit.<\/p>\n<p>Da kommt man doch auf die &Uuml;berlegung, ob man nicht standardisierte Module nimmt, die man mit   kleineren Tr&auml;gern starten kann und diese erst im Orbit zusammen baut. Bei einer Mondmission   z.b. kann man das Raumschiff in folgende Teile zerlegen:<\/p>\n<ul>\n<li>Mondlander Aufstiegsstufe mit Kabine (4547 kg)<\/li>\n<li>Mondlander abstiegsstufe (10149 kg)<\/li>\n<li>Kapsel mit Service Teil (10800 kg)<\/li>\n<li>Antrieb zum Einschwenken in den Mondorbit (20313 kg)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Die Massen in Klammern geben bei Apollo die Verteilung an, wobei dort allerdings Serviceteil   und Antrieb nicht getrennt waren, ich habe aufgrund des Treibstoff hier etwas extrapoliert.<\/p>\n<p>Im Prinzip diktiert das schwerste Teil die Nutzlastkapazit&auml;t der Tr&auml;gerrakete. Das ist hier der   Antrieb   mit 20313 kg. Beim Mars ist das schwerste Teil wahrscheinlich das Labor, welches auf der   Marsoberfl&auml;che niedergeht. In einem der j&uuml;ngeren NASA Pl&auml;ne wiegt dies etwa 50 t. Doch um diese 50   t zum Mars zu bef&ouml;rdern braucht man etwa 200 t in einer Erdumlaufbahn. Ich will einmal zeigen wie   man dies mit einer 50 t Rakete erreichen kann, ohne den Wasserstoff lange Zeit k&uuml;hl zu halten.   Dies geht mit stufenweiser Beschleunigung. <\/p>\n<p>Konventionelle Rakete: 200 t im Erdorbit. Antrieb mit 4400 m\/s spezifischer Impuls. 84.3 t   Masse nach Verlassen der Erde, davon 11 t Antrieb. Nettomasse zum Mars also 73.3 t. (Berechnet f&uuml;r   eine Geschwindigkeits&auml;nderung von 3800 m\/s &#8211; von 7800 m\/s auf 11600 m\/s)<\/p>\n<p>Stufenplan:<\/p>\n<ul>\n<li>Erster Start: 50 t in eine 200 km gro&szlig;e Kreisbahn &#8211; die Nutzlast<\/li>\n<li>Zweiter Start: Ankopplung einer 50 t Stufe: 33 t t weitere Nutzlast, 28 t Antrieb (3 t      Leermasse).&nbsp; Z&uuml;ndung dieser: Resultierender Orbit 200 x 6800 km bei 1207 m\/s      Geschwindigkeits&auml;nderung. Abkoppeln der ausgebrannten Stufe. <\/li>\n<li>Dritter Start: Ankopplung einer 50 t Stufe : Reiner Antrieb mit 5 t Leermasse. Zuerst      Angleichung des Orbits: (+1207 m\/s) Masse nun noch&nbsp; 38 t. Ankoppeln an die Nutzlast.      Erneute Z&uuml;ndung      dieser: Resultierender Orbit 200 x 66.500 km bei 1552 m\/s Geschwindigkeits&auml;nderung. (Gesamt      2759 m\/s). Abkoppeln      der ausgebrannten Stufe. <\/li>\n<li>Vierter Start: Ankopplung einer weiteren 50 t Stufe. Angleichung des Orbits. (&Auml;nderung um      2759 m\/s). Restmasse nun noch 26.7 t. Ankopplung an die Nutzlast und erneute Z&uuml;ndung &#8211; Marsorbit erreicht      mit weiteren 1080 m\/s Geschwindigkeits&auml;nderung.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Man erh&auml;lt die gleiche Nutzlast, wobei allerdings in der Praxis man noch einen Kopplungsadapter   pro Stufe hinzurechnen muss, so das in der Realit&auml;t die Nutzlast etwas geringer ist (etwa um 4-5 t   ).<\/p>\n<p>Die Grenzen liegen in dem letzten Beschleunigungsschub. Er muss die F&auml;hre aus einer   Erdumlaufbahn in eine Sonnenumlaufbahn bef&ouml;rdern. Die Fluchtgeschwindigkeit liegt bei einer 200 km   Bahn bei etwa 11000 m\/s. 600 m\/s braucht man zum Mars. Dies muss man auf einmal erreichen. Durch   den Mond sind es sogar mehr. Es ist nicht ratsam Umlaufbahnen einzuschlagen die nis an die   Mondbahn reichen, denn dieser st&ouml;rt dieser und die Umlaufszeiten werden immer l&auml;nger, was die   Startfenster einschr&auml;nkt. Das setzt die Grenze herab auf 10800 m\/s. Das limitiert in der Praxis   auf maximal 4 Starts. Kann man den Treibstoff sehr lange k&uuml;hl halten, so braucht man diese   umst&auml;ndliche Vorgehensweise nicht, dann kann man alles in einer niedrigen Erdumlaufbahn montieren.<\/p>\n<p>Der wesentliche Vorteil der Vorgehensweise ist, aber das ein 50 t Tr&auml;ger viel einfacher zu entwickeln und   zu produzieren ist. Die st&auml;rksten Tr&auml;gerraketen haben heute 20-25 t Nutzlast in eine erdnahe   Umlaufbahn. Ein einfaches Clustern der Erststufen bei Ariane 5, Delta 4 oder Zenit f&uuml;hrt zu einer   Rakete die 50-70 t in eine erdnahe Umlaufbahn bef&ouml;rdern kann. Dar&uuml;ber hinaus kommt man nur mit   einer Neuentwicklung. Dies hat jedoch auch den Vorteil, dass man die Stufen aus der normalen   Serienproduktion stammen, diese also preiswert produziert werden k&ouml;nnen. Es ist kein Spezialtr&auml;ger   f&uuml;r nur einen Einsatzzweck. Das zweite ist, das man dann nicht von einem Tr&auml;ger abh&auml;ngig ist &#8211;   mindestens 3 Systeme k&ouml;nnten auf diese Art und Weise genutzt werden, wodurch man auch gr&ouml;&szlig;ere   G&uuml;termengen transportieren kann, weil man 3 Startpl&auml;tze nutzen kann. <\/p>\n<p>Vielleicht erledigt sich diese Frage auch von selbst: Denn Satelliten wurden immer gr&ouml;&szlig;er. Vor   25 Jahren hatten die gr&ouml;&szlig;ten eine Masse von 2.3 t in den GTO Orbit. Heute gibt es 7 t schwere. 8-9   t schwere d&uuml;rften bald folgen. Um diese zu starten braucht man schon heute Tr&auml;ger mit 25 t   Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn. Bei diesem Trend wird man in 15 Jahren bei 50 t LEO Nutzlast   angelangt sein. Vielleicht ist man bis dahin auch breit zum Mars zu fliegen&#8230;..<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Die bemannte Erforschung des Sonnensystems ist teuer. Sie ist deswegen teuer, weil man unter anderem auch enorme Massen transportieren muss. W&auml;hrend f&uuml;r die Erdorbitmissionen von Apollo eine Saturn 1B mit etwa 17 t Nutzlastkapazit&auml;t ausreichte, musste es f&uuml;r Mondmissionen die Saturn V sein mit 130 t Nutzlastkapazit&auml;t. 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