Home Raumfahrt Grundlagen der Raumfahrt Site Map counter

Die Raumfahrt FAQ

Einleitung

Immer wieder gibt es an mich bestimmte Fragen, die ich hier einmal gebündelt beantworte. Weitere Fragen werden gerne angenommen und hier eingepflegt.

Welche Temperatur herrscht im Weltraum ?

Eine beliebte Frage, aber eine schwer zu beantwortende. In unserem Alltag messen wir meist die Temperatur eines Mediums, seltener die Oberflächentemperatur. Im Weltraum gibt es aber kein Medium. Die Oberflächentemperatur ist aber sehr stark von dem Material abhängig. Wir kennen das auch auf der Erde : Eine Asphaltstraße heizt sich im Sommer stärker auf als helle Platten aus Sandstein. Jede Temperaturangabe kann sich also nur auf ein Material beziehen. Weiterhin muss auch genügend Zeit sein, damit das Material die Gleichgewichtstemperatur erreicht, d.h. soviel Energie abgestrahlt wie aufgenommen wird.

Bei dem Mond ist dies zum Beispiel gegeben. Ein Mondtag dauert etwa 14 irdische Tage und die dunkle Lava absorbiert viel Sonnenstrahlung und heizt sich auf etwa 120 Grad Celsius auf. Doch schon in einem halben Meter Tiefe herrscht eine gleichmäßige Temperatur von etwa -10 Grad Celsius. Bei Satelliten ist die Oberflächentemperatur ebenfalls vom Material abhängig. man wählt dieses meist so, dass im inneren Zimmertemperaturen herrschen oder isoliert den Satelliten mit Folie die nur wenig Strahlung aufnimmt und überschüssige Infrarotstahlung abstrahlt.

Die von der Sonne abgewandte Seite wird gerne zum Abführen überschüssiger Energie benutzt. Hier ist ein Satellit dem Weltraum ausgesetzt der eine Temperatur von 3 K hat. Erdnahe Satelliten überqueren bei jedem Umlauf auch die Nachtseite und kühlen dabei aus. Hier ist die Temperatur aber höher, weil die Erde Infrarotstrahlung ausstrahlt. Selbst der Mond kühlt während der 14 tage dauernden Mondnacht nur auf maximal -130 Grad Celsius ab.

Die mittlere Temperatur eines Körpers von der Albedo der Erde (d.h. den gleichen Reflexions- und Emissionseigenschaften wie die Erde) betrüge in Erdnähe -17 Grad Celsius. Das es bei uns deutlich wärmer ist, verdanken wir dem Treibhauseffekt unserer Atmosphäre.

Funktionieren Festplatten im Weltraum

Antwort von Radio Eriwan : Im Prinzip ja, aber....

Festplatten arbeiten, indem ein Schreiblesekopf auf einem Luftpolster schwebt und von diesem auf Abstand von der Oberfläche gehalten wird. Winzige Unebenheiten (Staub) und der Verlust dieses Luftpolsters führen zum Headcrash: Der Kopf schlägt auf der Platte auf und beschädigt die Oberfläche. Der Bernoulli Effekt. auf dem dies beruht, ist nicht abhängig von der Schwerkraft, sonst könnte man ja auch Festplatten auf der Erde nicht senkrecht einbauen. Früher waren Festplatten hermetisch verschlossen und hätten auf Satelliten eingesetzt werden können. Mittlerweile hat man eine kleine Öffnung im Gehäuse über die erst zuletzt bei der Produktion eine Atmosphäre zugegeben wird, und das Loch wird nur durch Klebestreifen oder ähnliches verschlossen. Derartige Konstruktionen sind luftdicht bis zu einem bestimmten Außendruck, aber in der Regel nicht luftdicht wenn außen ein Vakuum herrscht. Typisch ist eine Luftdichtheit bis zu einer Höhe von 2.500 m, das lässt auch den Betrieb an Bord einer Passagiermaschine zu, die in der Regel einen Innendruck dieser Höhe aufrechterhalten.

Auf der ISS sind schon Notebooks mit Festplatten im Einsatz. Dort herrscht aber auch eine normale Atmosphäre. Bei Satelliten ohne dicke Druckhülle ist es zu riskant. Ein kleiner Mikrometeorit, der andere Systeme kaum beschädigen könnte kann das Gehäuse perforieren und die Atmosphäre tritt aus. Die Folge wäre ein Ausfall der Festplatte. Weil inzwischen Systeme mit Flash Speichern sogar leichter als Festplatten sind, findet man heute Geräte mit Flash Speicher als Festplattenersatz ähnlich wie ihr USB Speicherstick. Hier mehr zu dieser Problematik. Da heute Flashspeicher mit der Kapazität von Festplatten (Anfang 2014 bis 1 Terabyte) verfügbar ist, der noch dazu schneller ist und leichter wird man keine Festplatten einsetzen. Seit den Neunzigern haben Speicherbausteine (zuerst "Sold State Recorder" aus DRAM-Bausteinen, heute vorwiegen Flash) die vorher verwendeten Bandgeräte ersetzt. Festplatten sind nie in unbemannten Raumfahrzeugen eingesetzt worden.

Was bedeutet "man rated"

Im Zuge der Pläne der USA wieder zum Mond zurückzukehren taucht nun auch wieder der Begriff "man rated" aus, wenn es darum geht ob bestehende Triebwerke für einen zukünftigen Träger verwendet werden können, der Astronauten befördert. "man rated" ist schwer ins Deutsche zu übersetzen und wohl am besten zu übersetzen mit "Hinreichend Sicher für den Transport von Menschen". Nimmt man es wörtlich so bedeutet das Verb "to rate" (im technischen Sinne) ganz allgemein "auslegen, dimensionieren, bemessen" (man = Mensch [bis 1980 gleichbedeutend mit Mann]). Den Begriff "man rated" (Partizip!) kann man also im gegebenen Kontext frei mit "ausgelegt für den Transport von Menschen" übersetzen.

 Schon früh im Raumfahrtprogramm, schon bei der Redstone gab es eine Auseinandersetzung was man unter diesem Begriff verstehen sollte. Die Space Task Group als Leiter des Programms wollte von der Redstone alles entfernt haben, was nicht für die Mission erforderlich ist (negative Redundanz). Die Raketenbauer um von Braun dagegen eine schon erprobte Rakete zuverlässiger machen, indem sie kritische Komponenten durch redundante Teile absicherten (positive Redundanz).

Was "man rated" genau technisch bedeutet ist schwer abzugrenzen. Der Begriff steht auch nicht für eine bestimmte Technologie. So wäre die Atlas D, welche die ersten Mercury Astronauten befördert heute sicher nicht mehr "man rated". Im Prinzip muss ein Trägersystem folgende Voraussetzungen erfüllen:

Bei alten Trägern wie der Sojus ist ein solcher Fluchtturm praktisch das einzige Unterscheidungsmerkmal zwischen einem "man rated" und einem nicht "man rated" Träger. Betrachtet man dies genauer, so war das Space Shuttle nie man rated. Denn es gab keine Möglichkeit das Shuttle bei einem Ausfall der Feststofftriebwerke abzutrennen oder auch nur einen Ausfall dieser rechtzeitig zu erkennen. Auch auf herab fallende Schaumstoffstücke welche den Verlust der Columbia verursachten kann man nicht reagieren. Denn das diese auf dem Shuttle aufschlugen wurde erst klar als man nach dem Start die Videoaufzeichnungen ansah.

Anders sieht es bei den Raumfahrzeugen selbst aus. Zum einen werden diese ja nur zum Zweck gebaut Menschen zu transportieren, zum anderen ist es viel einfacher hier Systeme redundant auszulegen, weil das Mehrgewicht eher verschmerzbar ist als bei einer Rakete die zu 90+% aus Treibstoff besteht. Bei allen bemannten Raumfahrzeugen sind z.b. die Lageregelungstriebwerke redundant vorhanden. Apollo hatte vier Blöcke, hätte aber noch mit einem betrieben können. Treibstoffvorräte sind ebenso großzügig dimensioniert und Computer und Elektronik zumindest heute redundant vorhanden. Die Situation ist auch so, das im Orbit und beim Wiedereintritt zumindest bei Kapseln kaum ein Szenario auftreten kann, bei dem eine Reaktion so zeitkritisch wie beim Start ist. Hier ist dann auch der Mensch ein System zur Absicherung. So hatte Apollo die Bordcomputer nur in einfacher Ausfertigung: Die Astronauten waren das Backupsystem und übernahmen in kritischen Situationen auch die Steuerung, z.b. bei der Landung.

Raumgleiter oder Kapsel - was ist das bessere System?

Mit dem Ausmustern des Space Shuttles scheint diese Frage beantwortet zu sein. Doch so einfach ist es nicht. Zum gleichen Zeitpunkt entwickelte die USAF das X-37B und startet es seitdem. Privat wird noch der Dream Chaser entwickelt. Die Frage hat zwei getrennte Teilfragen, nämlich: was ist das finanziell bessere System und was ist das sicherere System.

Die letzte Frage ist relativ einfach zu beantworten. Kapseln, egal ob in Kegelform oder abgeflachter Kugelform wie bei der Sojus sind sicherer. Mann kann sie von der Form und Gewichtsverteilung so auslegen, dass sie sich beim Wiedereintritt durch die Gegenkräfte so drehen, dass der Hitzeschutzschild gegen die Bewegungsrichtung zeigt und in der Atmosphäre, dass die Fallschirme am oberen Ende sind. Es gibt sehr hohe Bremsverzögerungen beim Wiedereintritt dadurch sind die Kapseln sehr massiv gebaut, was in anderen Situationen die Sicherheit weiter erhöht, so das ein Stück Weltraummüll sie beschädigen können oder sie tolerieren höhere Beschleunigungen, wenn ein Fluchtturm oder Triebwerke unter der Kapsel, wie sie heute favorisiert werden sie von einer explodierenden Rakete wegbringen.

Demgegenüber sind Gleiter weder stabil beim Wiedereintritt noch so stabil. Aufgrund ihrer Größe (nur ein Teil des Volumens ist für die Besatzung nutzbar, dazu kommen die großen Flügel) sind Strukturen nicht so belastbar.

Daher verwundert es nicht, dass die neu konzipierten bemannten Systeme wie die Dragon, das CST-100 und das MPCV wieder Kapseln sind.

Schwerer ist der finanzielle Aspekt zu beurteilen. Das Space Shuttle sollte sehr preiswert sein, war es aber nicht, weil man den Wartungsaufwand und die Komplexität des Systems unterschätzte. Doch ist dies kein Automatismus. Hitzeschutzschilde können auch so ausgelegt sein, dass man eine große Fläche hat die man leichter auswechseln kann als einzelne Kacheln. Wenn die Haupttriebwerke nicht wie beim Shuttle im Orbiter eingebaut sind fällt auch deren intensive Wartung nach jedem Flug weg. Auf der anderen Seite muss das Konzept der Kapsel nicht bedeuten, dass sie nicht wiederverwendbar ist. Es wird sicher immer einen nicht wiederverwendbaren Teil geben, der hintere Teil der das Servicemodul enthält. Ansonsten kann man aber Triebwerke in die Hülle einlassen, sodass nur die Düsenenden herausschauen. Was auszuwechseln ist ist dann der Hitzeschutzschild unten und an der Seite (meist aus unterschiedlichen Materialen). Die Spitzenbelastung ist höher als bei der großen Oberfläche eines Flügels. Das geht heute noch am besten mit Ablativschilden die man aber dann komplett auswechseln muss und das abgetragene Material schlägt sich zum Teil an der Seite wieder ab. Der Rest der Kapsel erfordert dann sicher nicht mehr Wartung als ein Gleiter.

Das wichtigste ist aber das die Landung nicht auf dem Wasser sondern an Land erfolgt. Die Wasserung auf dem Meer ist risikoarm. Es genügen Fallschirme um die Kapsel genügend stark abzubremsen und wasser als nachgebendes Medium fängt dann die Restenergie auf. Bei einer Landung auf dem Land muss man kurz vor dem Boden kurz bremsen, das muss zeitlich genau abgestimmt sein. Vorher muss man Landebeine ausfahren um eine Beschädigung der Unterseite zu vermeiden. Das Zusatzgewicht ist verschmerzbar, denn eine Kapsel kommt nur mit einer Geschwindigkeit von rund 30-40 km/h an, da genügend schon ein kurzer Triebwerksimpuls um die Geschwindigkeit auf 0 zu reduzieren. Die Sojus setzen dazu einen kleinen Feststoffantrieb ein. Die Wasserung hat den Nachteil, das Wasser ins Öffnungen gelangen kann und die gibt es zwangsläufig durch Verbindungen mit dem vorher abgetrennten Serviceteil und die Düsen der Triebwerke. Salzwasser ist sehr korrosiv und selbst Süßwasser dürfte zu einer aufwendigen und teuren Trocknungen der betroffenen Komponenten führen, da man dafür praktisch die Kapsel auseinandernehmen muss.

Eine Landung an Land ist derzeit nur für die Dragon vorgesehen, aber auch dort nur in einer ferneren Zukunft.

Warum ist Raumfahrt so teuer ?

Im wesentlichen ist Raumfahrt deswegen so teuer weil heute die meisten Satelliten Designerstücke sind. Es gibt Vorgaben was sie können müssen und welchen Bedingungen sie trotzen müssen. Natürlich machen die extremen Anforderungen (Belastungen beim Start, Arbeit im Vakuum bei großen Temperaturunterschieden und kosmischer Strahlung einen Satelliten teuer, aber im wesentlichen entstehen die Kosten weil jeder Satellit ein Einzelexemplar ist.

Es gibt Ausnahmen. Kommunikations- und Wettersatelliten werden in Kleinserien gefertigt und sind im Vergleich zu wissenschaftlichen Satelliten recht preiswert. Bei wissenschaftlichen Satelliten hat sich die Serienbauweise noch nicht durchgesetzt. Sie würde nur einen Sinn machen, wenn die Anforderungen ähnlich sind. Als der Space Shuttle noch preiswert flog erprobte man mit dem LDEF Satelliten einen aussetzbaren Instrumententräger der wiederverwendbar ist. Die steigenden Startkosten setzten dem ein Ende.

Die Startkosten sind heute auch der Grund warum man nicht mehr Sonden startet. Früher baute man Sonden doppelt oder in kleinen Serien, weil Starts preiswert waren. Mit abnehmender Startrate galt dies immer weniger. Dabei ist ein Nachbau relativ preiswert. So kostete die Entwicklung der Cluster Satelliten 460 MAU. Als man sie nachbaute und unter Cluster II startete kostete dies nur 214 MAU, obwohl man diesmal 67 MAU für den Starten musste. (MAU : Million Accounting Units, Recheneinheit der ESA vor Einführung des Euro, in etwa mit der Kaufkraft von 1 Million Euro). Das heißt der Nachbau kostete nur ein Drittel des Originalen. Diese Zahl ist typisch und man findet sie auch bei anderen Projekten. Da allerdings auch Start und Missionsdurchführung etwas kosten, ist die Ersparnis bei vielen Missionen nicht so groß. Lediglich bei sehr aufwendigen Missionen ist ein Nachbau sehr preiswert. Bei Viking wäre eine dritte Sonde für 15 % des Preises einer Sonde zu haben. Doch bei Viking fielen eben auch hohe Kosten für die Missionsüberwachung und Datenauswertung an. So startete man nur 2 Sonden. Heute sind Starts recht teuer. Bei einfachen Forschungssatelliten macht der Start ein Drittel der Gesamtkosten aus.

Mythos Space Pen

Eine der Legenden im Internet ist, dass die NASA für Millionen von Dollar einen Kugelschreiber entwickelte, der im Vakuum funktionierte, während die Russen das Problem mit einem Bleistift lösten.

Diese erfundene Geschichte begann mit der 5 Stunden Mission von Gemini 3. Die Astronauten hatten einen Exklusivvertrag mit dem "Live" Magazin und die Reporter dieses Magazins drängten die Astronauten dazu Gegenstände an Bord zu schmuggeln. um darüber exklusiv berichten zu können. So schmuggelte Grisson eine Reihe von Dingen an Bord, ein Sandwich, einen Diamantring und eine amerikanische Flagge, aber auch zwei japanische Bleistifte die jeweils 0.49 Dollar kosteten. Offizielles Schreibgerät war ebenfalls ein Bleistift, jedoch mit einem modifiziertem Gehäuse, damit die Astronauten mit ihren dicken Handschuhen ihn besser halten konnten. 34 dieser Stifte kosteten  $4,382.50 Dollar, jeder einzelne also 128.88 $. Das gab natürlich Ärger und das Kongressmitglied John Wydler, vom Fourth District in New York fragte bei der NASA an, warum man soviel für die modifizierten Bleistifte zahlte, wenn doch auch billige Schreiber aus Japan mitgeführt wurden. Die NASA antwortete, dass die Kosten so hoch waren weil es eine kleine Auflage für das extra große Gehäuse gab. Der Schreibmechanismus wäre ein normaler für 1.75 $ gewesen. Die Bleistifte der Besatzung wären geschmuggelt gewesen und man hätte nicht mit ihnen geschrieben.

Mitte der sechziger Jahre entwickelte Paul Fisher von der Fisher Pen Company einen "Space Pen" auf eigene Kosten. Fisher wollte von der NASA Publicity, doch die verneinte dies und erklärte der Presse gegenüber, dass es mit Fisher Pen keinen Kontrakt über die Benützung von Schreibgeräten gäbe, auch wenn man erwäge den Fisher AG-7 Stift für Apollo einzusetzen. Der AG-7 war mit 4 $ sogar noch teurer als der "Space Pen" mit 1.98 $. Er wurde bei Apollo und Skylab als "Data Recording Pen" eingesetzt und so kam Paul Fisher zu seiner Publicity. Gezahlt hat die NASA aber für ihn nicht Millionen, sondern 4 $ pro Stift. Hier finden sie die komplette Geschichte.

Kugelschreiber kamen im Apolloprogramm nicht nur Einsatz, sie waren auch wichtig. Die Besatzung hatte zahlreiche Daten einzugeben, die zuerst von der Bodenkontrolle mündlich übermittelt wurde, die Besatzung schrieb sie auf und lass vor damit klar war, dass sie alles korrekt verstanden hatte. Das alles geschah mit Kugelschreibern. Als man bei Apollo 13 durch den Missionsabbruch zahlreiche zusätzliche Manöver durchzuführen hatte, wurde das Papier an Bord recht knapp. 10.500 Tastendrücke erforderte im Mittel eine Mission sie alle wurden in Form von Abkürzungen und Zahlen erst aufgeschrieben. Das diese umständliche Prozedur nötig war, daran waren die Astronauten schuld. Sie fürchteten das ihr Raumfahrzeug von der Missionskontrolle "geflogen" werden konnte, wollten aber wie Piloten ihr Schiff alleine steuern. So gab es keine Möglichkeit den Bordcomputer durch Kommandos neu zu programmieren, sondern nur die Diagnosewerte auszulesen. Weiterhin wehrten sich die Astronauten gegen einen Fernscheiber, den es damals schon gab. Sie fürchteten durch den Fernschreiber zu "Befehlsempfängern" degradiert zu werden. Der Fernschreiber wurde dann bei Skylab eingeführt, wo das Arbeitsprogramm noch umfangreicher war, damit endete auch die Ära in der Astronauten sehr viel mit dem Kugelschreiber schreiben mussten.

Was diese Episode aus dem Gemini Programm aber auch zeigt, ist wie billig Kugelschreiber geworden sind. Selbst die japanischen Stifte kosteten rund 50 US-Cent, dies 1966 bei einem Umrechnungskurs von 4,5 DM pro Dollar. Übertragen auf heute unter Berücksichtigung der Inflation sind das 6,38 Euro pro Kuli. In der Praxis bekommt man heute ein Dutzend für 2 Euro. Inzwischen haben sich auch Kugelschreiber als Werbemittel - wie bei diesem Großhandel erhältlich etabliert. Diese werden als Gag oder Marketing-/Werbemaßnahme von Unternehmen verschenkt. Manche kaufen sich einen, weil er irgendwie witzig gestaltet ist, eine besondere Funktion hat oder der Name bzw. das Logo einem gefällt.

Warum haben die Abgase von Raketen beim Start verschiedene Farben?

Titan IIVerbrennt eine Rakete Wasserstoff und Sauerstoff so ist das Abgas Wasserdampf - Man sieht keine Abgaswolke, auch die Flamme ist idealweise farblos, auch wenn sie meistens in einem Triebwerk durch Metallabtragung etwas gefärbt ist. Daneben verglühen in dem Abgasstrom natürlich auch aufgewirbelte Partikel am Boden, die meist dann eine rötliche Flamme ergeben. (Pflanzliches Material wie Blätter, Pollen etc. enthält Kalium das Flammen rot färbt).

Ein Feststofftriebwerk produziert als "Abgas" Aluminiumoxid. Ein Mineral, das bald als feiner Staub ausfällt. Feststofftriebwerke ziehen daher eine Spur hinter sich her, wenn sie aufsteigen. Beim Space Shuttle sieht man dies sehr gut. Man kann durch die Spuren sogar die Neigemanöver des Space Shuttles verfolgen.

Triebwerke die Kerosin mit Sauerstoff verbrennen, tun dies immer mit einem Kerosinüberschuss. Kerosin ist Flugzeugbenzin, eine Mischung von Alkanen und Aromaten, am ehesten noch mit Dieselkraftstoff oder Heizöl zu vergleichen. Es passiert das gleiche wie bei einer schlecht eingestellten Hausfeuerung: Durch den Überschuss an Kerosin rußt es, und die Raketen ziehen eine schwarze Rußspur hinter sich her. dies sieht man deutlich beim Start einer Saturn V Trägerrakete. Zumeist ist die Flamme aber gelb gefärbt durch Beimengungen an anderen Elementen oder unvollständigen Verbrennungen.

Triebwerke die Stickstofftetroxyd mit Hydrazinderivaten verbrennen produzieren wie bei Wasserstoff/Sauerstoff nur gasförmige Abgase. (Stickstoff, Wasser, Stickoxide) Doch sie müssen gezündet werden. Diese Treibstoffkombination ist selbstentzündlich Damit dies reibungslos geht, und es nicht zu einem explosiven Gemisch führt, öffnet man zuerst das Ventil eines Treibstoffes und dann das des anderen. Von beiden Treibstoffen ist Stickstofftetroxyd etwa 10 mal preiswerter als Hydrazin, also legt man dieses vor. Stickstofftetroxyd ist jedoch bei schon 28 Grad Celsius keine Flüssigkeit mehr, sondern ein Gas. Durch die Hitze beim Start und in der Umgebung verdampft es daher. Reines Stickstofftetroxyd hat eine rotbraune Farbe und eine rotbraune Wolke sieht man dann beim Start der Rakete.

Bei dem Bild links eines Titan IIG Starts sieht man die Wolke aus Stickstofftetroxyd beim Raketenstart.

Stimmt es dass man die Saturn V nicht mehr nachbauen kann?

Um die Saturn V ranken sich einige Mythen, immer wieder hört man, man könnte die Rakete heute nicht mehr nachbauen, weil man nicht mehr über die Baupläne und Blaupausen verfügt. Dem ist nicht so. Man erwog zeitweise eine Schwerlastrakete zu bauen um für SDI Nutzlasten zu starten und einer der Vorschläge für diese war auch die Saturn Hardware einzusetzen. Damals (1991) sagte Rocketdyne, das man ohne Probleme die F-1 Triebwerke erneut nachbauen könnte und für die neuen Trägerraketen Ares I+V will man das J-2X ein aus dem J-2 entwickeltes Triebwerk dessen Erprobung schon vor 40 Jahren abgeschlossen wurde einsetzen.

Bei der Saturn V ist die Aussage das man noch alle Unterlagen hat relativ gesichert, weil sie vollständig am Marshall Space Flight Center (MFSC) entwickelt und gebaut wurde. Die Unterlagen existieren noch. Es existieren sogar noch F-1 Triebwerke in der Langzeitlagerung in Michoud. Später ging die NASA dazu über die Entwicklung der Industrie zu übertragen (Die wollte das auch bei der Saturn V, doch Wernher von Braun, der das know How im eigenen Haus halten wollte wehrte sich vehement dagegen, so wurden die Saturn Trägerraketen im MFSC entwickelt und die ersten Exemplare auch dort gebaut.) Ein Auftragnehmer hat jedoch nicht die generelle Pflicht alle unterlagen an die NASA zu übergeben oder diese selbst unendlich lange zu archivieren. So dürfte es eher unwahrscheinlich sein, dass man in 20 Jahren das Space Shuttle wird nachbauen können.

Wernher von Braun vor der Saturn VDie Frage ist aber auch: Nützen die Baupläne so viel? Es gab nicht in den letzten 40 Jahren die große Revolution im Raketenbau, jedoch eine gewisse Evolution und vieles was in den sechziger Jahren ganz neu war ist heute völlig veraltet wie zum Beispiel. Schweißtechniken und Materialen. Composite Materialen wie Graphitepoxidkunststoffe waren bei der Entwicklung der Saturn V unbekannt, heute bestehen strukturell beanspruchte Teile aus diesem Material anstatt aus Edelstahl und es gibt nun sogar große Feststoffbooster aus C-C Werkstoffen wie die Booster der Atlas V und die erste Stufe der Vega. Die Tanks der Saturn V bestanden aus der Aluminiumlegierung 2219. Beim Super Lightweight Tank des Space Shuttles benutzte man die Legierung 2195, welche die Masse um 25 % reduzierte.

Es macht nur begrenzten Sinn die gesamte Rakete nachzubauen. Am sinnvollsten ist der Aufwand sicher bei einem Triebwerk. Einfach deswegen weil es nicht mit der Konstruktion getan ist. Man braucht danach viele Tests um die ganzen Kinderkrankheiten zu finden, es zu perfektionieren, zuverlässiger zu machen. Ein ausgetestetes Triebwerk mit einer langen Einsatzgeschichte ist Gold wert. Oder warum tut das RL-10 (Erstflug 1962) heute noch seinen Dienst? Warum setzt die Delta das RS-27 ein (basierend auf dem H-2, der Saturn V, Erstflug 1965) und die Ariane 5 das HM-7B (Erstflug 1979) der Ariane 1-4?

So verwendet man für die Ares I+V ja auch das J-2X welches ebenfalls auf dem J-2 der Saturn V basiert. Ja man hat sogar noch Triebwerke zur Verfügung. Von dem F-1 z.B. 33 Stück die eingelagert sind (plus 10 in zwei Saturn V die nie gestartet wurden).

Wie ist es nun zu diesem Mythos gekommen? Nun nach dem Apollo Programm gab es eine riesige Entlassungswelle bei der NASA. Nach den US Bestimmungen für Angestellte war die Gefahr um so größer je länger man im Projekt war. So mussten vor allem die erfahrensten Mitarbeiter ihre Koffer packen. Mehr noch: Es gab seitens der NASA Hauptverwaltung den Auftrag die NASA Center zu amerikanisieren, das heißt vor allem dafür zu sorgen, dass die Führung aus Männern bestand die in Amerika geboren waren. Das betraf vor allem die deutschen, welche im MSFC in Führungspositionen aufgerückt waren, aber auch im Kennedy Space Center Direktoren waren.

Als Folge verlor die NASA ihre besten und erfahrensten Mitarbeiter. Das nächste Großprojekt, der Space Shuttle wurde dadurch erheblich teurer und lag mehr als 2 Jahre hinter dem Zeitplan zurück. Das trug dann dazu bei, dass man irgendwann einmal glaubte, man könnte die Saturn V nicht mehr neu bauen, ganz einfach weil das Know-How in den Köpfen nicht mehr vorhanden ist. Es ist eine Sache einen Bauplan zu haben und eine andere praktische Erfahrungen mit dem Bau zu haben.

Wie stehen die Chancen die Nutzlast für einen Erdorbit entscheidend zu erhöhen?

Schlecht. Sehen wir uns zuerst einmal die Raketengrundgleichung an: Diese lautet:

v = vgase * ln (Startmasse/Leeermasse)

vgase ist die Ausströmungsgeschwindigkeit des verbrannten Gases an der Düsenmündung.

Startmasse ist die Startmasse der Rakete und Leermasse die ohne Treibstoff. Den Quotienten bezeichnet man auch als Strukturverhältnis, weil er so wichtig ist.

Für mehrere Stufen muss man die Geschwindigkeiten jeder Stufe addieren, wobei aber zu berücksichtigen ist, dass zu der Startmasse und Leermasse jeweils noch die Oberstufen und Nutzlast dazu kommen, das bedeutet das Strukturverhältnis ist schlecht.

Um die Nutzlast zu steigern gibt es also folgende drei Möglichkeiten:

  1. Mehr Stufen einsetzen - das stößt bald an praktische Probleme, da jede Stufe die Rakete verteuert und ab 3-4 Stufen der Nutzlastgewinn kleiner ist als die zusätzlichen Kosten für eine weitere Stufe
  2. Den Strukturfaktor erhöhen: In der Tat gab es hier in den letzten Jahrzehnten Fortschritte. Es gab leichtere Legierungen welche die Masse von Tanks reduzierten, CFK-Werkstoffe wurden bei strukturell besonders beanspruchten Teilen eingesetzt und Hochdrucktriebwerke senkten die Masse von Triebwerken. Heute soll die Falcon Heavy in den Boostern ein Voll/Leermasseverhältnis von 30 erreichen. Allerdings schlagen diese Bemühungen wegen des Logarithmus in der Formel nur wenig auf die Nutzlast durch, zumal ja auch noch Oberstufen und Nutzlast dazu kommen und so von dem hohen Strukturfaktor nicht mehr so viel übrig bleibt. Heutige Treibstofftanks wiegen nur noch 1,3% des Inhalts. Es wird sehr schwer sein, diesen wert noch viel weiter zu senken. Es ist vielmehr so, dass viele neuere Träger wieder etwas schlechtere Strukturfaktoren aufweisen, weil die Feststoffbooster hohe Kräfte auf die Zentralstufe übertragen und diese so viel höheren Belastungen ausgesetzt ist, also steifer und stabiler sein muss.
  3. Bleibt noch die Ausströmungsgeschwindigkeit der Gase. Es gibt zum einen für jede Treibstoffkombination einen theoretischen Höchstwert und einen deutlichen niedrigeren praktisch erreichbaren Höchstwert. Der praktisch erreichbare Höchstwert lag 1966 beim RL-10-3 bei 4.350 m/s. Heute sind es 4.560 m/s beim Vinci. Erreicht wurde dies durch die Steigerung des Brennkammerdrucks von 28 auf 60 Bar und des Expansionsverhältnisses (ein Maß für die Größe der Düse) von 57 auf 240. Obwohl also ein Parameter verdoppelt wurde und der andere vervierfacht, stieg die Ausströmungsgeschwindigkeit der Gase nur um 4%. Weitere Steigerung werden mit noch höherem Aufwand erkauft, der dann das Triebwerk so teuer und schwer (muss höherem Druck wiederstehen und hat eine noch größere Düse) macht, dass es nicht sinnvoll erscheint.

Praktisch erreichbar Düften bei Wasserstoff bei der derzeitigen Mischung von 6:1 rund 4.600 m/s sein, wenn man auf das optimale Mischungsverhältnis von 8:1 übergeht (dann aber ein Problem mit der Kühlung bekommt) sind noch 4.800 m/s erreichbar. Das nach den Gasgesetzen maximal erreichbare Maximum (mit einer unendlich großen Düse, die sich nicht erwärmt) liegt bei 5.464 m/s.

Bleibt noch die Hoffnung auf "Wundertreibstoffe". Chemisch sind diese leicht zu charakterisieren: Sie müssen bei der Verbrennung noch mehr Energie als Wasserstoff und Sauerstoff liefern, und die Moleküle müssen sehr leicht sein, damit sie schnell sind. Das kann erhalten werden wenn man Wasserstoff, Beryllium oder Lithium als Treibstoff mit Fluor oder Sauerstoff als Oxidator umsetzt. Beryllium und Lithium sind zu teuer für einen praktischen Einsatz und Lithium ist zudem selbstentzündlich. Es bleibt noch die Kombination Fluor/Wasserstoff übrig. Sie liegt etwas besser als Wasserstoff/Sauerstoff und es gab auch Untersuchungen für ihren Einsatz, doch wegen der Aggressivität von Fluor und der Umweltproblematik (selbst wenn das Triebwerk im Vakuum arbeitet muss es aber am Boden getestet werden) wird der Einsatz dieser Kombination wohl auf sich warten lassen.

 


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
Sitemap Kontakt Neues Hier werben Bücher vom Autor Top 99