Wiederverwendbare Raumtransporter – Probleme am Beispiel Hopper
Es ist still geworden um wiederverwendbare Systeme um in den Orbit zu gelangen. Die Ares I+V Raketen werden Verlustraketen sein. Bei Kliper ist die Finanzierung offen und nur die Fähre selbst ist wiederverwendbar. Russlands Ideen für die Bergung von Stufen beschränkten sich auf die Energija Booster und von Hopper/Phoenix hört man auch nichts mehr.
Das ist nicht verwunderlich, denn so einfach ist die Sache nicht. Am logistischen wäre es die ersten Stufen zu bergen. Das hat man in der Vergangenheit auch untersucht und es wird auch bei den Shuttle Boostern gemacht. Doch in den meisten Fällen kam man zu dem Schluß, das es sich technisch oder finanziell nicht lohnt. Technisch, z.B. weil bei einer leeren Stufe mit flüssigen Treibstoffen der Schwerpunkt durch die Triebwerke weit unten liegt und die stufe neigt sich zu überschlagen, was eine Fallschirmlandung unmöglich macht. finanzielle, weil bei den teuren Stufen mit Triebwerken diese auch empfindlich sind. Ein Aufschlag mit 100 km/h auf das Meer wie er bei einer Fallschirmlandung üblich ist mit der Abkühlung der Triebwerke von einigen Hundert Grad Celsius auf Zimmertemperatur ist eine solche Beanspruchung dass man nach der Bergung so aufwendig das Triebwerk untersuchen müsste, dass die Kosten sich den Herstellungskosten nähern. (Die zum größten Teil aus Qualitätssicherungskosten bestehen). Feststofftriebwerke sind dagegen so preiswert, dass sich die Bergung finanziell kaum lohnt. Die einzigen Ausnahmen sind die Space Shuttle Booster, die extrem teuer sind wegen der hohen Sicherheitsanforderung für bemannte Einsätze.
Bleibt nur eine weiche Landung wie ein Flugzeug. Dann muss man aber an die Konzeption eines komplett neuen Raumfahrzeugs gehen. Neben einigen praktischen Hindernissen wie – Wo soll man landen ? (Hintergrund: Alle Startplätze mit Ausnahme der UdSSR liegen am Meer, so dass man nur auf einer Insel landen kann, was Einschränkungen für die erlaubten Flugbahnen bedeutet). gibt es ein grundsätzliches Problem: Das liegt in folgenden Tatsachen:
* Der Transport wird um so günstiger je mehr man wiederverwenden kann. Eine einstufige Lösung ist so preiswerter als eine zweistufige mit einer Verluststufe als Oberstufe.
* Gleichzeitig nimmt aber die Nutzlast der einstufigen Lösung rapide bei steigender Geschwindigkeit ab und heute kann man nicht einmal leer einen Orbit erreichen.
* Je höher die Wiedereintrittsgeschwindigkeit ist, desto teurer wird das Gefährt, denn es gilt mehr Energie beim Wiedereintritt abzubauen und die Belastung des Materiales ist höher.
* Je niedriger die Wiedereintrittsgeschwindigkeit ist, desto teurer wird eine nicht wiederverwendbare Oberstufe,
* Der umsatzstärkste Orbit ist heute der geostationäre Orbit – Die Nutzlast für diesen ist jedoch durch die höhere Geschwindigkeit geringer – was sehr große Erststufen und teure Oberstufen nötig macht.
Hopper, zeigt in etwa die Misere. Es gibt wenige Daten über das System, doch aus den Animationen und Daten kann man einiges ableiten. Hopper soll 7.5 t auf 5400 m/s beschleunigen. (Das ist noch keine Orbitalgeschwindigkeit. Bei einer Feststoffoberstufe entspricht dies etwa 2.7 t in einen 200 km hohen Orbit). Dies soll für 50 % der bisherigen Startkosten möglich sein. Mit diesen Eckdaten kann man in etwa errechnen, das Hopper beim Start 250 t wiegt (leer etwa 38 t, d.h. doppelt so viel wie eine konventionelle Stufe). Damit hat man ein Gefährt für 2.7 t Nutzlast – Doch gibt es kaum Nutzlasten dafür. Heute finden vor allem kleinere Starts von Forschungssatelliten mit kleinen Trägern Start oder es werden große Fernmeldesatelliten gestartet – dafür ist dann Hopper zu klein. Um den Fernmeldesatellitenmarkt zu bedienen müsste die Nutzlast mindestens 5 mal so groß sein und dann wird eben auch die Grundstufe entsprechend teurer.
Ich möchte nicht verhehlen, dass die Nutzlast natürlich mit einer größeren Raketenstufe stark ansteigt: Eine EPS Oberstufe der Ariane 5G steigert sie auf 4 t, eine H10 Oberstufe der Ariane 4 auf 8 t und eine Centaur der Delta IV sogar auf 13 t oder etwa 4.8 t in den GTO Orbit. Doch hier liegt auch die Problematik. Zum einen verteuert das den Transport entscheidend, denn diese Oberstufe ist nicht wiederverwendbar. Zum zweiten ist die Flugbahn bei Hopper recht genau festgelegt: Die Abtrennung der Nutzlast muss bei 5400 m/s in 130 km Höhe erfolgen – Sonst erreicht die Raumfähre ihren Landeplatz auf Ascension Island nicht. Die Aerodynamischen Fähigkeiten sind recht begrenzt und damit auch der Spielraum in der Variation der Bahn. Eine schwere Oberstufe bewirkt eine völlig andere Flugbahn. Eine Centaur der Atlas mit ihren 30.5 t Gewicht und 4.8 t Nutzlast würde z.B. bei 3800 m/s abgetrennt werden – eine rapide Verkürzung der ballistischen Phase und im Atlantik gibt es nicht viele Inseln auf denen man landen kann…
Der zweite Punkt ist, dass anders als bei herkömmlichen Raketen die Oberstufe dann sehr schubstark sein muss. Die 130 km Höhe in der abgetrennt wird ist wahrscheinlich die Gipfelhöhe der Fähre. von nun an fällt die Fähre und der Satellit wieder zur Erde. Unterhalb von 100 km Höhe wird er durch die dichte Atmosphäre beschädigt werden. Das bedeutet dass er sehr wenig Zeit hat die 2.4 km/s Geschwindigkeit aufzubauen. Eine Ariane 5 setzt ihre Oberstufe bei nahezu Orbitalgeschwindigkeit in 200 km Höhe aus. Nun das ist auch für energiereiche Oberstufen kein unlösbares Problem, doch muss man dann schub starke Triebwerke einbauen, welche die Oberstufe verteuern. Eine Centaur kommt heute mit einem einzigen RL-10B Triebwerk von 100 kN Schub aus. Bei 35 t Gewicht inklusive Satellit brauchte man für eine Hopper Oberstufe aber 4 dieser Triebwerke.
Das alles wäre kein Problem wenn man über Land fliegen kann und man mehr Landeplätze hat. Doch dann kommen wieder Sicherheitsbedenken. Am ehesten dürfte dies noch in Russland möglich sein, doch das liegt zu weit nördlich für geostationäre Satelliten. Kurzum – es gibt noch zu viele Dinge die Probleme machen, jenseits der Technik. Daher denke ich werden wiederverwendbare Träger noch einige Entwicklungsarbeit erfordern.
Vielleicht ist auch dies der Grund warum man nichts mehr von Hopper gehört hat.