Die SLS – Super Heavy

Eine Spezialität der SpaceX-Jünger ist ja, dass sie nicht ohne Vergleiche leben können. SpaceX wird also permanent verglichen, mit ULA, mit Arianespace, mit der SLS. Ob das Sinn macht, ist ein anderes Kapitel. Vielleicht sollte ich auch mal einen dieser Äpfel-Birnen-Vergleiche machen, z.B. eine Falcon 9 mit einem Airbus 320 oder eine Falcon Heavy mit einer Tafel Schokolade vergleichen? Sinnvoll muss es meinen Beobachtungen der Posts von SpaceX-Jüngern ja nicht sein.

Nun sucht jemand, der an der Raumfahrt an sich interessiert ist, nach Möglichkeiten diese zu verbessern. Also entweder mehr mit dem Budget zu ermöglichen oder dieses vernünftig zu verteilen, z.B. Raumsonden, Teleskope im Orbit zu ermöglichen, anstatt damit einige Astronauten auf der ISS zu finanzieren.

Die SLS wird in der ersten Version nur eine zweistufige Version sein, ergänzt um eine Notlösung, der Delta IV Zweitstufe als ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage). Später ist eine größere, neue Oberstufe geplant. Früher war auch geplant die Booster durch neue zu ersetzen. Eine Ausschreibung für neue Booster erfolgte schon vor Jahren, doch seitdem ist es recht still um das Thema geworden.

Anstatt nun permanent auf der SLS (und ihren Mängeln, technisch, in der Konzeption und Finanzierung) herumzuhacken und Vergleiche mit dem Starship zu ziehen, suche ich nach einer Möglichkeit die beiden Konzepte zu verheiraten und damit mehr Raumfahrt mit demselben Budget zu ermöglichen, vielleicht sogar Artemis überhaupt erst zu ermöglichen, denn um den Mondlander – HLS Kontrakt steht es ja derzeit eher schlecht.

Die offensichtlichste Idee ist es einfach, die beiden derzeitigen Booster die noch aus dem Space Shuttle Programm stammen, durch die erste Stufe des SSV (SuperHeavy-Starship-Vehikel um das in Deutschland vorbelastete Akronym zu vermeiden) zu ersetzen. Ohne eine genaue Rechnung durchzuführen, sehe ich folgende Vorteile:

• Es wird wahrscheinlich erheblich billiger, wenn SpaceX die Versprechungen zu den Startpreisen auch nur annähernd halten kann.
• Weitere Einsparpotenziale gibt es durch die Bergung der Superheavy. Die SRB können zwar geborgen werden, werden aber nicht wiederverwendet.
• Die SH ist wesentlich größer als die Booster (etwa Faktor 5) und steigert die Nutzlast entsprechend.
• Gewinn an Sicherheit durch Engine-Out Capability und Möglichkeit des kompletten Abschaltens der Rakete in der Brennzeit der Booster die es derzeit nicht gibt.

Nun sind die Daten der SuperHeavy nicht genau bekannt. Lediglich die Treibstoffmenge ist bekannt: 3400 t. Ich halte einen Strukturfaktor (Voll-/Leermasse) von 20 für möglich, das wäre dann eine Trockenmasse von 170 t. Der Schub ist auch unbekannt. Ich habe 29 Triebwerke mit 2290 kN Bodenschub angenommen. Der spezifische Impuls wird mit 330 s (3230 m/s) angegeben. Ich nehme diesen Impuls für den Bodenimpuls an und habe für den Vakuumschub und Vakuumimpuls jeweils 5 % mehr angenommen. Auch hier eine eher konservative Annahme, zumindest beim Schub ist die Steigerung höher. Zudem sind in späteren Versionen 33 Triebwerke vorgesehen.

Die konservativen Annahmen führen dazu, dass die reale Nutzlast eher höher ist als die hier exemplarisch berechnete.

Der Erste Ansatz ist es die SLS zu nehmen, lediglich die Booster durch die SH zu ersetzen und für die Bergung wie bei der Falcon Heavy die zweifache Trockenmasse als Treibstoff für das Abbremsen zu nehmen. Auf eine Oberstufe habe ich im ersten Ansatz verzichtet. Die Nutzlast in eine Mondtransferbahn beträgt 81 t. Zum Vergleich: mit der IPCS kommt man auf 27 bis 28 t, mit einer zukünftigen Oberstufe Exploration Upper Stage EDS auf 38 bis 39 t. Das wäre also doppelt so hoch wie geplant mit Block IB. So könnte man auf zwei getrennte Flüge für Mondlander und Orion verzichten und beides zusammen starten und hätte immer noch Reserven.

Die IPCS kann man aber hinzunehmen und das ist die zweite Version die ich untersuche. Aufgrund der viel größeren Nutzlast geht es aber nicht ohne Anpassung. Die Stufe ist durch ihre Herkunft von der Delta IV, wo die Nutzlast nie über 28 t liegt, natürlich nicht auf 80 t Nutzlast ausgelegt. Die für mich einfachste Möglichkeit ist es, die Lasten nicht auf die Stufe, sondern die darunter liegende Zentralstufe zu übertragen. Das kann man realisieren, indem man einen Adapter einführt, der von dem Durchmesser der Zentralstufe von 8,38 m und dem der IPCS von 5,4 m vermittelt. In deisem Adapter wird die IPCS eingehängt und der Adapter überträgt die Lasten von Nutzlast und IPCS auf die Basisstufe. Er verbleibt bei Zündung der IPCS auf der Zentralstufe und hebt deren Leergewicht um 5 t an. Das ganze ähnelt den Adaptern zwischen S-IVB und Apollo SM, die wogen 1,8 t.

Der Vorteil der IPCS ist, das ohne sie die 89 t schwere Zentralstufe – schwerer als die Nutzlast selbst – auf eine Mondtransferbahn gelangt. Bei der IPCS sind es nur 3,5 t Trockengewicht. Dafür steigen die Gravitationsverluste durch den kleinen Schub stark an, was man bei einem hohen Perigäum von über 3.000 km sieht. Die Nutzlast steigt nun weiter an auf 92 t, also nahezu der dreifache Wert der Block IA Version.

Bisher ging ich von der Bergung der SuperHeavy aus. Doch es gibt Unterscheide zu dem Einsatz beim SS und der SLS. Beim SSV ist das Starship wesentlich schwerer als die Zentralstufe der SLS und diese brennt auch von Anfang mit, erzeugt so zusätzlichen Schub. Nur nach der Raketengleichung berechnet, wäre beim Brennschluss einer SuperHeavy beim Starship bei 2100 m/s schnell, bei der SLS selbst mit jeweils 200 % der Trockenmasse als Treibstoff fürs Abbremsen 4200 m/s schnell. Das ist doppelt so hoch und so kann es zum einen sein, das die Stufe diese Belastung beim Abbremsen nicht aushält, oder man noch mehr Treibstoff braucht (um 2100 m/s abzubremsen würde die Abtrennmasse von 510 auf 977 t steigen, also verglichen mit den 175 t Landemasse sehr viel). Da die SLS selten fliegt und die bestehenden Booster schon teuer sind, halte ich es für möglich die SuperHeavy nicht zu bergen. Das müssen ja keine neuen SH sein, sondern welche die schon etliche Flüge hinter sich haben und nun verloren gehen können, da betriebswirtschaftlich schon abgeschrieben. Schlussendlich wird eine SLS sicher nicht öfters als einmal pro Jahr starten. Da sollte es genügend Booster geben die sowieso nicht viele weitere Flüge vor sich haben. Der Effekt ist dramatisch. Durch die Nutzung des Landetreibstoffs steigt die Abtrenngeschwindigkeit um 1600 m/s und die Nutzlast steigt auf 165 t, das ist mehr als die vierfache Nutzlast einer SLS Block IB!

Und das tolle: Das geht ohne Auftanken! Ja man könnte sogar bei der Nutzlast ein Starship zum Mond starten, ebenfalls ohne Auftanken.

Wenn es nicht um die Nutzlast geht, sondern die Kosten, dann bietet es sich angesichts des enormen Schubüberschusses an, zwei der vier RS-25 der Zentralstufe einzusparen, die sind mit 146 Millionen Dollar pro Stück nicht gerade billig. Bei der Konfiguration mit IPCS – sie hat das maximale Oberstufen/Nutzlastgewicht bei minimaler Abtrenngeschwindigkeit, also die ungünstigste Kombination, senkt das die Nutzlast wieder von 92 auf 84 t ab – sofern man sowieso die maximale Nutzlast benötigt ist das durchaus eine Alternative, denn das korrespondiert auch mit 292 Millionen Dollar Einsparungen durch zwei weggelassene Triebwerke – wobei ich wette, das in diesem Fall, die verbleibenden Triebwerke noch teurer werden.

Die letzte Option ist mit der geplanten EUS Stufe, ohne IPCS. Ich habe nicht alle Kombinationen durchgerechnet, sondern nur die letzte mit SH ohne Landetreibstoff. Hier steigt die Nutzlast nur wenig an, von 175 auf 186 t. Das erscheint mir zu wenig um eine eigene Entwicklung dieser Stufe zu rechtfertigen.

Hier noch eine kleine Übersicht der Raketen:

Rakete: SLS Superheavy

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
8.207.662	80.000	10.963	1.888	0,97	130,00	180,00	450000,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
139.812	29	90	8.210	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	2	3.570.000	510.000	3.392	66410,0	69731,0	148,85	0,00
2	1	979.452	85.420	4.420	6992,0	8564,0	461,42	0,00

 

Rakete: SLS Superheavy IPCS

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
8.255.372	92.000	10.963	2.039	1,11	130,00	180,00	450000,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
139.812	29	90	8.210	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	2	3.570.000	510.000	3.392	66410,0	69731,0	148,85	0,00
2	1	984.452	90.420	4.420	6992,0	8564,0	461,42	0,00
3	1	30.710	3.490	4.516	110,0	110,0	1117,50	465,00

 

Rakete: SLS Superheavy IPCS 2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
8.328.372	165.000	10.963	1.727	1,98	130,00	180,00	450000,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
139.812	29	90	8.210	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	2	3.570.000	170.000	3.392	66410,0	69731,0	165,39	0,00
2	1	984.452	90.420	4.420	6992,0	8564,0	461,42	0,00
3	1	30.710	3.490	4.516	110,0	110,0	1117,50	465,00

 

Rakete: SLS Superheavy IPCS 3

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
8.242.920	84.000	10.963	2.359	1,02	130,00	180,00	450000,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
136.316	29	90	8.210	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	2	3.570.000	510.000	3.392	66410,0	69731,0	148,85	0,00
2	1	980.000	86.000	4.420	3496,0	4282,0	922,81	0,00
3	1	30.710	3.490	4.516	110,0	110,0	1117,50	935,00

 

Rakete: SLS Superheavy IPCS 4

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
8.463.162	186.000	10.994	0	2,20	130,00	3000,00	450000,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
139.812	29	90	8.210	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	2	3.570.000	170.000	3.392	66410,0	69731,0	165,39	0,00
2	1	984.452	90.420	4.420	6992,0	8564,0	461,42	0,00
3	1	144.500	15.500	4.520	440,0	440,0	1325,20	465,00