Das Starship mit Methan, Propan, Kerosin und Wasserstoff – Teil 2
Da ich – weil andere Treibstoffe auch andere Aufstiegsverluste, andere Aufstiegsbahnen und Vorräte für die Landung für die SuperHeavy bedeuten – im letzten Artikel nur mit einem nicht wiederverwendbaren Starship gerechnet habe, will ich heute mal dasselbe wiederholen, aber mit einem optimierten Starship.
Der dahinter steckende Gedanke ist der, dass die SpaceX Lösung enorm viel Nutzlast kostet. SpaceX hat ja für das endgültige Starship 150 t Nutzlast im wiederverwendbaren Modus und 250 t bei Nicht-Wiederverwendung genannt. Das sind also 40 Prozent Nutzlasteinbuße. Wesentlich mehr als bei der Falcon 9 wo es für einen LEO nur 20 Prozent sind (aber bei höheren Geschwindigkeiten dann auch rasch zunimmt).
Was wäre, wenn – könnte vielleicht noch so kommen – SpaceX sich entschließen würde, das Starship nicht zu recyclen, sondern nur die SuperHeavy. Also genauso wie bei der Falcon 9 vorgehen.
Die derzeitige Architektur ist die, dass die SuperHeavy bei sehr niedriger Geschwindigkeit – etwa 1.600 m/s Brennschluss hat. Ohne Aufstiegsverluste muss also das Starship 5.800 von 7.300 m/s für einen Orbit aufwenden (die Erdumdrehung ist in der Rechnung mit berücksichtigt). Dieses Flugregime ist nötig, weil die SuperHeavy zum Landeplatz zurückfliegt. Dafür muss sie nicht nur die bisherige Geschwindigkeit neutralisieren, sie muss auch weitere Geschwindigkeit aufwenden um zum Landeplatz zurückzukehren. Würde die SuperHeavy wie die Falcon 9 Erststufe auf einem Dronenschiff weit vor der Küste landen (entsprechendes ist für Starts vom Cape auch geplant, allerdings nicht weit vor der Küste, sondern 5 km vor dem Ufer, sodass die Wende auch hier nötig ist).
Dann wäre aber der Weg frei, die Masse so zwischen beiden Schiffen zu verteilen, dass die maximale Nutzlast resultiert. Für den gleichen spezifischen Impuls in beiden Stufen kann man das Optimum definieren, die maximale Nutzlast erhält man, wenn gilt:
Maximale Orbitmasse = Startmasse Rakete / Brennschlussmasse Stufe 1 = Startmasse Stufe 2 / Brennschlussmasse Stufe 2.
Wer sich in Mathematik auskennt, kann die zugrundeliegende Raketengrundgleichung differenzieren und wird zu diesem Ergebnis kommen.
Die Methodik
Es dauert sehr lange die optimale Lösung zu finden. Mann kann aber mit einem kleinen Fehler das abkürzen:
Bei großen Stufen ist das Verhältnis von Startmasse/Leermasse weitestgehend konstant. Das liegt daran, dass Triebwerke ab einem bestimmten Schub ein relativ konstanter Schub-/Gewichtsverhältnis haben, wenn man die Technologie nicht ändert. Auch das Gewicht von Tanks steigt nach der Kesselgleichung proportional zum Inhalt. So kann man nur die Raketengrundgleichung lösen und die Nutzlast berechnen, wenn man die Verluste konstant annimmt. Erst danach mache ich eine Detailberechnung mit einer Aufstiegssimulation.
Berücksichtigt müssen die Aufstiegsverluste werden: (Werte vom letzten Blog, natürlich sind sie später bei anderen Massen anders).
- Methan: 1.442 m/s
- Propan: 1.592 m/s
- Wasserstoff: 1.612 m/s
- Kerosin: 1.723 m/s
Eine Sonderrolle hat der Wasserstoff: Durch die geringe Startmasse kann man Triebwerke weglassen. Ich habe das auch bei der Methanversion gemacht, damit alle Vehikel mit derselben Startbeschleunigung starten. Daher habe ich auch hier 1.600 m/s Verlust angenommen da die Aufstiegsverluste so etwas höher sind.
Die Massenfaktoren für die anderen Vehikeln sind:
Strukturfaktor SuperHeavy |
Strukturfaktor Starship |
|
---|---|---|
Methan |
16,2 |
16,5 |
Propan |
17,5 |
18,0 |
Kerosin |
19,0 |
19,4 |
Wasserstoff |
9,0 |
10,7 |
Alle Vehikel sind auf 12 m/s Startgeschwindigkeit normiert, 60 t Treibstoff bei der SuperHeavy für die Landung sind mit eingezogen.
Massenshrink
Während sich an der SuperHeavy fast nichts ändert, kann man am Starship einiges einsparen. Es muss nicht den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre überstehen. Dazu hat es einen Hitzeschutzschild. Auf Basis der belegten Fläche verglichen mit dem von dem Space Shuttle habe ich für den Hitzeschutzschild eine Masse von 14 t errechnet. Er könnte noch schwerer sein, denn unter den Kacheln befindet sich eine Zwischenschicht, während die Kacheln beim Space Shuttle direkt auf das Metall geklebt wurden.
Dann ist da die Nutzlastsektion. Wäre sie eine Nutzlasthülle, die abgeworfen wird wie bei Raketen, sie wöge etwa 5 t. Sie ist aber massiver. Hat sie nur die Wanddicke der Tanks so wöge sie 18,5 t. Ich denke, dass sie noch schwerer sein wird, denn das Starship wird mit der Spitze voran in die Atmosphäre eintreten. Das erhöht die Belastungen. Ich rechne daher mit 20 t Masse.
Es gibt noch die Flügel und für die Landung weitere Tanks. Diese erhöhen nicht nur das Gewicht, sie nehmen auch Volumen weg, dass sonst vom Treibstoff genutzt werden können. Ich schätze das Gewicht beider Dinge zusammen auf 6 t.
Damit wäre das Starship um 40 t leichter, wöge 80 anstatt 120 t. Wahrscheinlich gibt es noch mehr Einsparpotenzial, denn als große Stufe sollte das Starship denselben Voll-/Leermassenkoeffizienten haben, wie die SuperHeavy und bei der liegt er bei voller Betankung bei 19. So gesehen wäre die Masse sogar auf 66,7 t senkbar. (oben ist er etwas höher, das liegt aber an dem Treibstoff, den die Superheavy für die Landung noch an Bord hat).
Bei der SuperHeavy kann – da nun ja eine so schnelle Startfolge vom Tisch ist, wie sie für das Starship geplant war, schlussendlich muss für jeden Start ein neues Starship gebaut werden – das Wendemanöver entfallen und sie benötigt nur noch den Treibstoff für den Landungsburn, das sind 2,5 % der Treibstoffreserven oder 60 t bei 180 t Trockenmasse. Rein theoretisch benötigt auch das Starship noch Treibstoff für ein Deorbitmanöver. Ich habe keinen angesetzt, da ich davon ausgehe, dass man dafür (für die Raptoren) nicht nutzbarem Resttreibstoff nutzen kann, man benötigt nur kleine Triebwerke, die man an den Boden, wo sich Sammelsümpfe befinden installiert.
Eine bessere Lösung wäre allerdings eine Kickstufe. Dann könnte das Starship auf einer suborbitalen Bahn Brennschluss haben und die Nutzlast würde für höhere Orbits ansteigen.
Ergebnis
Hier das Ergebnis. Ich habe in jedem Fall die Masse der Vehikel von den Ergebnissen im letzten Blog genommen, damit kann man vergleichen:
Masse SuperHeavy |
Masse Starship unmodifiziert |
Masse Starship modifiziert |
Nutzlast modifiziert |
|
---|---|---|---|---|
Methan |
3.772 t |
1.280 t |
893 t |
225 t |
Propan |
4.201 t |
1.401 t |
1.021 t |
261 t |
Kerosin |
4.684 t |
1.560 t |
1.097 t |
275 t |
Wasserstoff |
1.663 t |
560 t |
590 t |
175 t |
Mit Ausnahme des Wasserstoffs, wo das (nach dem ersten Durchgang) die optimale Stufung fast identisch ist zum Treibstofftausch aus dem letzten Blog, sind alle Starships kleiner, was jetzt nicht verwunderlich ist.
Skalieren
Zuletzt muss man dann noch die Gesamtmasse skalieren. Sprich: Es muss bei einem Startschub von 33 x 216 t und einer Startbeschleunigung von 1,25 g immer die gleiche Startmasse resultieren. Das sind 5.795 t. Man kommt dann auf folgende Massen:
Masse SuperHeavy |
Masse Starship modifiziert |
|
---|---|---|
Methan |
4.552 t |
1.077 t |
Propan |
4.460 t |
1.079 |
Kerosin |
4.482 t |
1.049 t |
Wasserstoff |
3.969 t |
1.408 t |
Man sieht – durch die ähnlichen spezifischen Impulse sind die Massen der Vehikel bei den Kohlenwasserstoffen fast identisch. Mit diesen Massen kann man nun an eine genaue Aufstiegssimulation gehen.
Aufstiegssimulation
Am Schub habe ich nichts gerüttelt. Man könnte bei dem Starship einige Raptoren weglassen. Aber ich habe nun nur noch die Versionen mit langen Vakuumdüsen vorgesehen. Die Sealevel-Varianten werden ja vor allem für die Landung benötigt.
Es wird eine Nutzlastverkleidung benötigt. Ich habe mich entschlossen, eng am Original zu bleiben. Das heißt, die Verkleidung ist so groß wie beim Starship. Diese ist eigentlich dort schon zu klein – ihre Länge beträgt 17 m, das ist genauso lang wie eine kurze Verkleidung der Ariane 5. Der Durchmesser beträgt zwar 9 m, aber wenn man das Volumen pro Tonne Nutzlast nimmt, dann bieten die langen Verkleidungen von Delta IV, Vulcan und Ariane 5/6 mehr Platz. Nun mit noch mehr Nutzlast ist sie auch nicht mehr adäquat. Aber eine größere Nutzlastverkleidung, die ja schon während des Aufstiegs abgeworfen wird, kostet wenig Nutzlast vielleicht eine Tonne, das ist vernachlässigbar.
Nutzlast |
Anteil |
|
---|---|---|
Methan |
307 t |
5,4 % |
Propan |
313 t |
5,6 % |
Kerosin |
300 t |
5,4 % |
Wasserstoff |
420 t |
8,2 % |
Fazit
Am Schluss sollte man sich natürlich fragen, was das ganze soll. Mit dem ursprünglichen Starship hat das jetzt nichts mehr zu tun. Es wurde vielmehr die Frage beantwortet: Welche Nutzlast hätte ein Gefährt mit 33 Raptoren in der ersten Stufe und 6 in der zweiten Stufe bei dem die erste Stufe wiederverwendbar ist, bei verschiedenen Treibstoffarten?
Wie schon im letzten Blog: Da Methan kein Wundertreibstoff ist in dem Sinne, dass er einen wesentlich höheren spezifischen Impuls hat, als andere Kohlenwasserstoffe wäre die Wahl des Treibstoffs mehr eine, die von anderen Faktoren abhängt. Wasserstoff schneidet trotz des um 100 % höheren Strukturfaktors (würde man nicht überall Stahl als Werkstoff einsetzen so wäre hier noch einiges rauszuholen) um 40 % besser ab.
Klar ist auch: Die derzeitige Architektur, die mit hohem Schubüberschuss bei der SuperHeavy arbeitet und eben beide Stufen wiederverwenden will, kostet massiv Nutzlast. Gegenüber der Zielnutzlast von 100 t des Starships sind 300 bis 420 t natürlich eine andere Größenordnung. Dabei wird diese ja noch nicht mal erreicht, maximal 40 bis 50 t bisher nach Elon Musk.
HLS
Da wir nun auch ein viel leichteres Gefährt haben wäre es interessant zu wissen, wie oft man es denn auftanken muss. Ich habe bei jedem Gefährt noch 15 t Gewicht addiert. Das sind 10 t für eine Dragonkapsel an der Spitze (die Nutzlastverkleidung entfällt) und 5 t für die Landebeine und den Aufzug.
Die Geschwindigkeit die aufzubringen ist, habe ich nach meinen früheren Berechnungen fix mit 9.583 m/s angenommen.
Dazu braucht man keine Simulation, das geht mit dem Taschenrechner:
Startmasse | Davon Treibstoff | |
Methan | 1.068 t | 988 t |
Propan | 1.047 t | 972 t |
Kerosin | 1.001 t | 921 t |
Wasserstoff | 1.090 t | 944 t |
Die Massen sind sehr ähnlich. Der Vorteil von Wasserstoff hinsichtlich des spezifischen Impulses wird durch die bis zu 100 % höhere Startmasse ausgeglichen.
Relevant ist wie viel Treibstoff ein Start mit „Null“ Nutzlast in den Orbit bringt und dies sind für einen 200 km Orbit pro Start:
Treibstoff pro Flug |
Tankflüge |
|
---|---|---|
Methan |
257 t |
4 |
Propan |
271 t |
4 |
Kerosin |
263 t |
4 |
Wasserstoff |
377 t |
3 |
Der Resttreibstoff ist etwas geringer als die Nutzlast bei voller Tankentleerung. Das liegt an zwei Dingen. Zum einen sinkt nun die Gesamtbrennzeit weiter ab. Durch den hohen Schubüberschuss bei Stufe 2 muss so eine steile Aufstiegsstufe geflogen werden, damit das Perigäum hoch genug liegt. Zum anderen hat der Treibstoff auch einen Energiegehalt der beim Verbrennen natürlich die Nutzlast erhöht.
Die Zahl der Tankflüge ist dann einfach durch Division des Gesamtreibstoffs durch die Treibstoffmenge pro Tankflug berechenbar. Real ist die Treibstoffmenge bei den drei Kohlenwasserstoffen etwas zu hoch, so viel passt nicht in die Tanks. Allerdings kann man bei einem Lunar Starship noch etwas optimieren, z.b. würden drei Raptioren vollkommen ausreichen. Das senkt die Masse ab und da 1 t weniger Masse in der Größenordnung 10 bis 15 t weniger Treibstoff erfordern, müsste es dann reichen. Real wären aber drei bis vier Tankflüge mit den geplanten Startrampen (je zwei in der Starbase und am Cape) zeitnah durchführbar.
Raketen
Der Leser, der nicht so sehr in die Tiefe gehen will, kann nun aufhören zu lesen, es folgen nur noch die Daten der Raketen aus meiner Simulation.
Rakete: Starship Wasserstoff 2
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5.802.000 | 420.000 | 7.831 | 1.669 | 7,24 | 160,00 | 200,00 | 200,00 | |
Startschub [kN] |
Geographische Breite [Grad] |
Azimut [Grad] |
Verkleidung [kg] |
Abwurfzeitpunkt [s] |
Startwinkel [Grad] |
Konstant für [s] |
Starthöhe [m] |
Startgeschwindigkeit [m/s] |
69.000 | 26 | 90 | 5.000 | 210 | 90 | 15 | 10 | 0 |
Stufe | Anzahl | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez. Impuls (Vakuum) [m/s] |
Schub (Meereshöhe) [kN] |
Schub Vakuum [kN] |
Brenndauer [s] |
Zündung [s] |
1 | 1 | 3.969.000 | 441.000 | 4.351 | 69000,0 | 74475,0 | 206,11 | 0,00 |
2 | 1 | 1.408.000 | 131.000 | 4.523 | 14820,0 | 14820,0 | 389,73 | 206,11 |
Simulationsvorgaben
Azimut | Geografische Breite | Höhe | Startgeschwindigkeit | Startwinkel | Winkel konstant |
---|---|---|---|---|---|
90,0 Grad | 26,0 Grad | 10 m | 0 m/s | 90 Grad | 15,0 s |
Abbruch wenn Ziel-Perigäum und -apogäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 200 km | 218 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,1 Grad | 248 km | 205 km | 420.000 kg | 420.052 kg | 595,6 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 153,6 s | 288,0 s | 431,0 s | ||
Winkel | 44,0 Grad | 17,1 Grad | -5,1 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Start | 0,0 s | 0,01 km | 0,0 km | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | -6378 km | -6378 km | 2,1 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,26 km | 0,0 km | 1 m/s | 36 m/s | 0 m/s | 36 m/s | -6369 km | 0 km | 2,7 m/s |
Winkelvorgabe | 153,6 s | 48,87 km | 0,4 km | 996 m/s | 762 m/s | 0 m/s | 1255 m/s | -6268 km | 70 km | 13,8 m/s |
Brennschluss 1 | 206,1 s | 99,79 km | 3,6 km | 2128 m/s | 1155 m/s | 0 m/s | 2422 m/s | -6011 km | 161 km | 23,3 m/s |
Verkleidung | 219,1 s | 115,03 km | 5,4 km | 2217 m/s | 1089 m/s | 0 m/s | 2470 m/s | -6378 km | -6378 km | -1,2 m/s |
Winkelvorgabe | 431,0 s | 247,39 km | 152,1 km | 4243 m/s | -470 m/s | 0 m/s | 4269 m/s | -4911 km | 230 km | 4,5 m/s |
Sim End | 595,6 s | 205,22 km | 694,2 km | 7036 m/s | -2231 m/s | 0 m/s | 7381 m/s | 200 km | 218 km | 17,7 m/s |
Rakete: Starship Propan 2
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5.857.000 | 313.000 | 7.831 | 1.349 | 5,34 | 160,00 | 200,00 | 200,00 | |
Startschub [kN] |
Geographische Breite [Grad] |
Azimut [Grad] |
Verkleidung [kg] |
Abwurfzeitpunkt [s] |
Startwinkel [Grad] |
Konstant für [s] |
Starthöhe [m] |
Startgeschwindigkeit [m/s] |
70.230 | 26 | 90 | 5.000 | 210 | 90 | 15 | 10 | 0 |
Stufe | Anzahl | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez. Impuls (Vakuum) [m/s] |
Schub (Meereshöhe) [kN] |
Schub Vakuum [kN] |
Brenndauer [s] |
Zündung [s] |
1 | 1 | 4.460.000 | 255.000 | 3.470 | 70230,0 | 74457,0 | 195,97 | 0,00 |
2 | 1 | 1.079.000 | 60.000 | 3.636 | 14016,0 | 14538,0 | 254,86 | 195,97 |
Simulationsvorgaben
Azimut | Geografische Breite | Höhe | Startgeschwindigkeit | Startwinkel | Winkel konstant |
---|---|---|---|---|---|
90,0 Grad | 26,0 Grad | 10 m | 0 m/s | 90 Grad | 15,0 s |
Abbruch wenn Ziel-Perigäum und -apogäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 200 km | 213 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,2 Grad | 217 km | 209 km | 313.000 kg | 312.923 kg | 450,8 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 100,0 s | 288,0 s | 500,0 s | ||
Winkel | 52,7 Grad | -5,0 Grad | -15,5 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Start | 0,0 s | 0,01 km | 0,0 km | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | -6378 km | -6378 km | 2,2 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,28 km | 0,0 km | 1 m/s | 38 m/s | 0 m/s | 38 m/s | -6369 km | 0 km | 2,9 m/s |
Winkelvorgabe | 100,0 s | 18,81 km | 0,0 km | 456 m/s | 444 m/s | 0 m/s | 636 m/s | -6337 km | 25 km | 10,2 m/s |
Brennschluss 1 | 196,0 s | 94,69 km | 4,9 km | 2699 m/s | 1139 m/s | 0 m/s | 2929 m/s | -5820 km | 161 km | 35,6 m/s |
Verkleidung | 213,5 s | 115,04 km | 8,7 km | 2871 m/s | 1038 m/s | 0 m/s | 3053 m/s | -6378 km | -6378 km | 1,5 m/s |
Sim End | 450,8 s | 208,69 km | 383,4 km | 7186 m/s | -1680 m/s | 0 m/s | 7380 m/s | 200 km | 213 km | 29,8 m/s |
Winkelvorgabe | 500,0 s | 0,00 km | 0,0 km | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 km | 0 km | 0,0 m/s |
Rakete: Starship Kerosin 2
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5.836.000 | 300.000 | 7.831 | 1.421 | 5,14 | 160,00 | 200,00 | 200,00 | |
Startschub [kN] |
Geographische Breite [Grad] |
Azimut [Grad] |
Verkleidung [kg] |
Abwurfzeitpunkt [s] |
Startwinkel [Grad] |
Konstant für [s] |
Starthöhe [m] |
Startgeschwindigkeit [m/s] |
69.926 | 26 | 90 | 5.000 | 210 | 90 | 15 | 10 | 0 |
Stufe | Anzahl | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez. Impuls (Vakuum) [m/s] |
Schub (Meereshöhe) [kN] |
Schub Vakuum [kN] |
Brenndauer [s] |
Zündung [s] |
1 | 1 | 4.482.000 | 236.000 | 3.429 | 69926,0 | 74458,0 | 195,54 | 0,00 |
2 | 1 | 1.049.000 | 54.000 | 3.583 | 13866,0 | 14538,0 | 245,23 | 195,54 |
Simulationsvorgaben
Azimut | Geografische Breite | Höhe | Startgeschwindigkeit | Startwinkel | Winkel konstant |
---|---|---|---|---|---|
90,0 Grad | 26,0 Grad | 10 m | 0 m/s | 90 Grad | 15,0 s |
Abbruch wenn Ziel-Perigäum und -apogäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 200 km | 237 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,1 Grad | 220 km | 212 km | 300.000 kg | 299.848 kg | 440,6 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 100,0 s | 250,0 s | 450,0 s | ||
Winkel | 57,2 Grad | -1,8 Grad | -14,2 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Start | 0,0 s | 0,01 km | 0,0 km | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | -6378 km | -6378 km | 2,2 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,28 km | 0,0 km | 1 m/s | 38 m/s | 0 m/s | 38 m/s | -6369 km | 0 km | 2,9 m/s |
Winkelvorgabe | 100,0 s | 19,47 km | 0,0 km | 408 m/s | 475 m/s | 0 m/s | 626 m/s | -6341 km | 27 km | 10,5 m/s |
Brennschluss 1 | 195,5 s | 100,89 km | 4,3 km | 2686 m/s | 1188 m/s | 0 m/s | 2937 m/s | -5822 km | 172 km | 37,3 m/s |
Verkleidung | 207,2 s | 115,04 km | 6,6 km | 2807 m/s | 1116 m/s | 0 m/s | 3020 m/s | -6378 km | -6378 km | 1,7 m/s |
Sim End | 440,6 s | 212,34 km | 352,5 km | 7203 m/s | -1622 m/s | 0 m/s | 7383 m/s | 200 km | 237 km | 31,8 m/s |
Winkelvorgabe | 450,0 s | 0,00 km | 0,0 km | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 km | 0 km | 0,0 m/s |
Rakete: Starship Methan 2
Startmasse [kg] |
Nutzlast [kg] |
Geschwindigkeit [m/s] |
Verluste [m/s] |
Nutzlastanteil [Prozent] |
Sattelpunkt [km] |
Perigäum [km] |
Apogäum [km] |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5.941.000 | 307.000 | 7.831 | 1.434 | 5,17 | 160,00 | 200,00 | 200,00 | |
Startschub [kN] |
Geographische Breite [Grad] |
Azimut [Grad] |
Verkleidung [kg] |
Abwurfzeitpunkt [s] |
Startwinkel [Grad] |
Konstant für [s] |
Starthöhe [m] |
Startgeschwindigkeit [m/s] |
70.230 | 26 | 90 | 5.000 | 210 | 90 | 15 | 10 | 0 |
Stufe | Anzahl | Vollmasse [kg] |
Leermasse [kg] |
Spez. Impuls (Vakuum) [m/s] |
Schub (Meereshöhe) [kN] |
Schub Vakuum [kN] |
Brenndauer [s] |
Zündung [s] |
1 | 1 | 4.552.000 | 280.000 | 3.470 | 70230,0 | 74457,0 | 199,09 | 0,00 |
2 | 1 | 1.077.000 | 65.000 | 3.698 | 14016,0 | 14538,0 | 257,42 | 199,09 |
Simulationsvorgaben
Azimut | Geografische Breite | Höhe | Startgeschwindigkeit | Startwinkel | Winkel konstant |
---|---|---|---|---|---|
90,0 Grad | 26,0 Grad | 10 m | 0 m/s | 90 Grad | 15,0 s |
Abbruch wenn Ziel-Perigäum überschritten | |||||
Perigäum | Apogäum | Sattelhöhe | |||
Vorgabe | 200 km | 200 km | 160 km | ||
Real | 200 km | 215 km | 160 km | ||
Inklination: | Maximalhöhe | Letzte Höhe | Nutzlast | Maximalnutzlast | Dauer |
25,1 Grad | 220 km | 210 km | 307.000 kg | 307.983 kg | 456,2 s |
Umlenkpunkte | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | ||
Zeitpunkt | 153,6 s | 288,0 s | 431,0 s | ||
Winkel | 37,2 Grad | -5,8 Grad | -10,9 Grad |
Wichtige Aufstiegspunkte
Bezeichnung | Zeitpunkt | Höhe: | Distanz: | v(x): | v(y): | v(z): | v: | Perigäum: | Apogäum: | Beschleunigung: |
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Start | 0,0 s | 0,01 km | 0,0 km | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | 0 m/s | -6378 km | -6378 km | 2,0 m/s |
Rollprogramm | 15,0 s | 0,26 km | 0,0 km | 1 m/s | 35 m/s | 0 m/s | 35 m/s | -6369 km | 0 km | 2,7 m/s |
Winkelvorgabe | 153,6 s | 52,13 km | 0,6 km | 1243 m/s | 824 m/s | 0 m/s | 1491 m/s | -6226 km | 78 km | 18,5 m/s |
Brennschluss 1 | 199,1 s | 98,58 km | 4,5 km | 2630 m/s | 1165 m/s | 0 m/s | 2877 m/s | -5844 km | 167 km | 35,1 m/s |
Verkleidung | 212,9 s | 115,01 km | 7,2 km | 2767 m/s | 1086 m/s | 0 m/s | 2972 m/s | -6378 km | -6378 km | 1,4 m/s |
Winkelvorgabe | 431,0 s | 215,99 km | 283,8 km | 6373 m/s | -1279 m/s | 0 m/s | 6500 m/s | -2093 km | 204 km | 21,6 m/s |
Sim End | 456,2 s | 210,28 km | 379,6 km | 7186 m/s | -1674 m/s | 0 m/s | 7379 m/s | 200 km | 215 km | 29,8 m/s |
Verwendest Du für die Aufstiegssimualtion ein öffentliches Programm wie CAE2 für spec. Impuls ?
Ich habe sie selbst geschrieben und sie basiert im wesentlichen darauf in kurzen Zeitabständen Schub, Gewicht, Geschwindigkeit, Distanz und Beschleunigung zu berechnen und dreidimensional zu integrieren. Da ich mit dem Programm auch alle bekannten Trägerraketen über 200) modelliert habe und mit kleinen Abweichungen (unter 5 %) auf die korrekte Nutzlast komme gehe ich davon aus das sie physikalisch korrekt ist.
Ich versuche mir gerade ein Bild über alle Tabellen zu machen.
Meine Erkenntnis aus den beiden Blog’s:
– SpaceX:
Blog, Teil 2: „SpaceX hat ja für das endgültige Starship 150 t Nutzlast im wiederverwendbaren Modus und 250 t bei Nicht-Wiederverwendung genannt.“
– Berchnungen Bernd Leitenberger für Methan, nichtwiederverwenbar:
Blog, Teil 1: Nutzlast 242 t
Blog, Teil 2: Spaceship modifiziert, Nutzlast 225 t
Blog, Teil 2: Treibstofftransport 257 t
– Persönliche Abschätzung für Methan, wiederverwenbar:
Aus Blog, Teil 2: „So gesehen wäre die Masse sogar auf 66,7 t senkbar.“
Ich gehe davon aus, dass sich Gewichtseinsparung am Starship sich 1:1 in Nutzlastgewinn bemerkbar macht.
Damit wäre der Unterschied zwischen Starship „wiederverwendbar“ und „nicht wiederverwendbar“: 120 t – 66,7 t = 53,3 t
Nutzlast-Abschätzung bei Wiederwendung: 250 t – 53,3 t = 196,7 t
Damit sind für mich die Angabe von SpaceX zwar nicht identisch aber im großen und ganzen plausibel.
250 t ( nicht wiederverwendbar ), entspricht in etwa den Berechnungen von Bernd Leitenberger.
150 t ( wiederverwendbar ), abgeschätzt wurde eine Gewichtsunterschied 53,3 t + etwaiger Treibstoff für Landungs-Burn
Mir geht es jetzt nicht darum, die Daten von SpaceX auf die letzte Kommastelle zu bewerten.
Es geht nicht um V1, die nicht ausgereizt ist.
Ich möchte lediglich wissen, in wie weit man die Angaben von SpaceX ernst nehmen kann.
So wie ich das sehe, paßt das schon einigermaßen.
Oder habe ich etwas übersehen ?
Also ist Propan theoretisch ein (etwas) besserer Treibstoff als Methan?
Gestern hat übrigens der „Everyday Astronaut“ ein Video veröffentlicht, wo er Boca Chica besichtigt.
Ich habs noch nicht gesehen, aber man hat mir erzählt, dass Musk dort bestätigt haben soll, dass das Eis, das die Triebwerke verstopfte, von der Druckbeaufschlagung des LOX-Tanks mit sauerstoffreichem Vorbrennergas herrührte.
Ich habe mal ein Transsript erstellen lassen:
„They, they, they got ice, ice, ice in the, in the valves.
– Okay. In the valves.
Not necessarily, or in the, somewhere along the stream.
– They, they got clogged by ice. We’re not sure exactly how.
Yeah. But, but if water, ice, we’ll get into the, the, the oxygen side, there’s a small amount.
So since we’re the location that we’re tapping off the engine is not, is not pure O2, it’s got a little bit of a water ice.
– Why – Is that? It’s, it’s, it’s, it’s ox rich gas.
– It is ox. So is it coming off the actual Yeah.
Like exhaust or the turbine side. Yeah. Really?
Yeah. So wouldn’t it have, – Wouldn’t even have a little bit of it’s ox rich gas, but it’s Yeah, no, it’s, it’s got burnt fuel.
– Yes. Wouldn’t it have a little bit of CO2 in it too then?
And can that turn into an ice?
Do you freeze CO2 with that temperature? ‚cause I think, yeah, – Well anyway, it’s, it’s, it’s, it’s, it’s got stuff that can turn solid at cryogenic temperatures, the thing that’s relevant, right.
So – Yeah.
Ice, whether it be water, ice or Yeah.
Or CO2 ice or whatever. Ice, ice.
– Yeah. And it’s solid stuff that does that. Blocks, – Blocks things.
– Blocks things. So we do, we we we’ve improved the sort of ice strainers or the ice catchers.“
Ahnungslosigkeit bei beiden „Raumfahrtexperten“ Klar fiert auch Kohlendioxid bei den Temperaturen von flüssigem Sauerstoff aus und natürlich entstehen bei der Verbrennung von Methan im Überschuss mit Sauerstoff Wasser und Kohlendioxid. Wenn man dies nicht weiß sollte man weder ein Astronaut sein, noch CEO einer Raumfahrtfirma.
Transkripte verwirren oft bei informellen Gesprächen, wo sich beide ins Wort fallen, Sätze angerissen aber nicht beendet werden, und Mimik, Gestik und Tonfall mindestens 50% der Kommunikation ausmachen. Gäbe es ein Transkript von mir und meinen Freunden würden wir auch klingen wie stotternde Idioten.
Hier ist die Stelle im Video:
https://www.youtube.com/watch?v=aFqjoCbZ4ik&t=1657s
Natürlich weiß Everyday Astronaut dass CO2 gefriert. Das war ein großes diskutiertes Thema und deshalb fragt er hier ja so gezielt und überrascht nach. (Stichwort Rhetorische Frage). Natürlich weiß auch Musk das CO2 gefriert und sein Beitrag ist das bestätigende „Yeah“ im Transkript und er will stattdessen über die Ventile sprechen.
Interessanter finde ich die anschließende Diskussion als EA nachfragt warum das überhaupt in dieser Art gemacht wird? Elon weicht hier aus bzw. erklärt es nur mit dem großen Energieaufwand zur Gaserzeugung für autogenen Druck, aber ich bin skeptisch ob sich die Vorgehensweise langfristig lohnt oder nicht immer immer wieder Scherereien machen wird.
Aber so wie er es sagt war nicht (wie alle dachten) Eis im Tank das Problem von IFT3, sondern Eis in den Gasleitungen zum Tank was einen zu geringen Druck im Tank zur Folge hatte.
> Tim Dodd also asks him whether these ices were the source of the booster relight problems in IFT-3. Elon seems to zig a bit at that, describing the issue as lack of pressure rather than something to think of simply as a clog, and suggesting that a more gradual startup sequence would have prevented the problem.
To me this suggests that the IFT-3 booster relight issue may have been that the ullage pressure at relight was low, rather than the problem being ice floating in the tank. This explains the weak boostback. It suggests that the primary problem was in the valves that admit the ullage gas to the lox tank – that these were narrowed or less effective due to icing.
Es gibt zu dem verfahren ja eine etablierte Alternative die viele Raketen, unter anderem auch ariane 6 einsetzen: man leitet einen Teil des Treibstoffs zu einem Wärmetauscher am Triebwerk, er verdampft und wird in den Tank zurückgeleitet. Dabei entstehen keine Verbrennungsprodukte die auskristallisieren können.
Meiner persönliche Ansicht nach ist das Konzept darauf zurückzuführen das elon Musk einen Raptor 2 ohne viele Leitungen haben will und sein Konzept spart eben zwei herab führende Leitungen ein.