Die Wiederbetankung im Orbit

Den Blog hatte ich schon seit Längerem im Kopf, doch PlatzX macht ihn unerwartet aktuell, doch dazu später mehr. Es geht um das Wiederauftanken im Orbit. Auftanken ist auf der Erde einfach. Dazu muss eigentlich nur die Flüssigkeit auf einem höheren Schwerkraftsniveau sein und sie läuft von alleine bergab, wenn man das Ventil zum Tank öffnet. Ist das nicht der Fall, z. B. bei einem unterirdischen Reservoir wie bei einer Tankstelle, so kann man sie mit Druck in die Leitung pressen oder durch eine Pumpe ansaugen (Saugen ist ja auch eine Druckdifferenz, nur ist dort wo angesaugt wird der Druck kleiner durch das Ansaugen als dort, wo die Flüssigkeit unter „Normaldruck“ steht.

Unter Schwerelosigkeit sieht das anders aus. Flüssigkeiten nehmen dann die Form mit der geringsten Oberfläche ein und das ist eine Kugel und selbst bei einem vollen Tank wird diese Kugel nicht überall die Wand berühren (auch bei einem vollen Tank bleibt immer etwas Leerraum, weil die Tanks zur Treibstoffförderung und zur Erhöhung der Stabilität unter einem geringen Druck stehen. Erst recht ist das aber der Fall, wenn schon ein Teil des Treibstoffs verbraucht ist. Ein Satellit im GEO braucht für die ersten Antriebsmanöver z.B. zwei Drittel seines anfänglichen Vorrats. Den Rest für zahlreiche Bahn- und Lagekorrekturen über die Lebensdauer und da ist der Tank dann schon zu ²/₃ leer. Öffnet man nun das Ventil zum Triebwerk, so kann es sein, dass keine Flüssigkeit in die Leitung strömt, sondern Gas. Der Treibstofffluss reist ab, das Triebwerk startet nicht oder es tritt nur eine Komponente (Oxidator oder Verbrennungsträger) ein und es kann zu Beschädigungen des Triebwerks bis zur Explosion kommen. Das will man nicht haben.

Für druckgeförderte Stufen hat man daher schon seit Langem eine Technologie im Einsatz, die man prinzipiell auch für das Umpumpen von Treibstoffen nutzen kann. Bei druckgeförderten Stufen stehen die Tanks unter relativ hohem Druck, typisch 10 bis 15 bar, bei normalen Stufen reichen 0,5 bis 2 bar Tankdruck aus. Die Tanks sind auch beim Start nur teilweise gefüllt (typisch zwei Drittel). Den Rest des Volumens macht Druckgas aus, üblicherweise Helium, das ist das leichteste Gas. Flüssigkeitsraum und Gasraum sind getrennt durch eine Gummimembran, die an der Wand befestigt ist. Das Gummi ist dehnbar und dehnt sich so weit aus, bis die Gasblase den ganzen Innenraum ausfüllt, den die Flüssigkeit übrig lässt, denn diese ist ja nicht komprimierbar. So füllt die Flüssigkeit immer den verfügbaren Raum voll aus und lässt man Treibstoff ab, z. B. weil ein Triebwerk zündet, so dehnt sich die Gummimembran durch die Druckdifferenz weiter aus. Bis auf kleine Reste kann man so auch den Treibstoff fast vollkommen nutzen.

Bei einer Wiederbetankung befindet sich am Auslass nun einfach kein Triebwerk, sondern eine Leitung, die zu einem Adapter führt. An ihn wird bei der Ankopplung eine zweite Leitung zu einem Tank angeschlossen. Vor dem Betanken muss man in diesem Ziel-Tank den Druck abbauen, damit sich die Gummiblase entspannt und dort ein Unterdruck herrscht. Dann strömt durch den Überdruck im Quell-Tank von alleine die Flüssigkeit in den zweiten Tank, bis man das Ventil schließt oder die Blase den gesamten Innenraum des Ausgangstanks ausfüllt. Solange der Zieltank genügend groß ist, muss man auch den Druck nicht vollständig ablassen. Es reicht aus, das die Druckdifferenz, selbst wenn das Gasvolumen im Quelltank ansteigt und damit der Druck absinkt immer noch gegeben ist. Man kann noch nachhelfen, indem man den Druck im Quelltank durch Gaseinleitung aufrechterhält. Beim ATV wo immer auch Gas befördert wird ist das ohne zusätzliche Ausrüstung möglich.

Diese Technologie haben die Sowjets beim Betanken von Saljut 6 eingeführt und verfeinert. Das europäische ATV benutzt sie auch. Die Schwierigkeit liegt weniger im Prinzip, als vielmehr, dass zwei Leitungen beim Ankoppeln verbunden werden müssen und das dicht, ohne das jemand eingreift oder bei der Kopplung etwas beschädigt wird. Ich vermute auch das die NASA an so etwas dachte, als sie bei der ersten Ausschreibung für die Mondlander für das Artemis-Programm die Forderung nach einer Auftankung im Orbit stellte. Denn im Servicemodul der Orion werden druckgeförderte Triebwerke (AJ10) eingesetzt. Es wäre eine einfache Möglichkeit der Nutzlaststeigerung, da die Orion ausgelegt ist, mit der SLS Block I einen Mondorbit zu erreichen. Da die SLS Block IB dann aber etwa 10 t mehr Nutzlast hat, die man dann als Treibstoff für einen Mondlander nutzen könnte, der so schwerer sein kann, wäre das eine elegante Lösung. Auch ein Mondlander wird wahrscheinlich druckgefördert sein. Zum einen reichen diese Triebwerke für den geforderten Schub vollkommen aus, zum Zweiten sind sie relativ einfach im Schub variierbar, was bei der Landung für die Schwebephase nötig ist und zum Dritten sind sie zuverlässiger als Triebwerke mit Turbopumpen, was bei bemannten Missionen sehr wichtig ist – alle bemannten US-Missionen haben daher für die Orbitalgefährte nur druckgeförderte Triebwerke eingesetzt.

Anders sieht es bei „normalen“ Stufen aus, also solchen die einen Turbopumpenantrieb haben. Auch sie stehen unter Druck aber nur einem geringen von typisch kleiner als 3 Bar. Eine Gummiblase gibt es nicht und die Tanks sind länglicher – bei druckgeförderten Triebwerken nimmt man meist Kugeltanks oder Zylindertanks mit Kugeldomen und kurzer Zylinderhöhe – so muss sich die Gummiblase nicht zu sehr ausdehnen, denn auch die Dehnfähigkeit von Gummi ist begrenzt, zumal der typische Oxidator Stickstofftetroxid chemisch sehr aggressiv ist. (Er ist ein Oxidationsmittel und mit Spuren von Wasser, die es immer gibt auch eine aggressive Säure) Ob man eine Gummimembran bei dem bei größeren Stufen üblichen Oxidator Sauerstoff einsetzen kann, wage ich zu bezweifeln. Zum einen wird Gummi von alleine durch die Luft und den enthaltenen Sauerstoff spröde. Zum anderen hat flüssiger Sauerstoff eine Temperatur von -183°C und bei dieser Temperatur wird selbst Gummi hart wie Beton. In einer langen zylinderförmigen Stufe wird daher sich der Treibstoff in der Mitte ansammeln und nicht am Ende, wo die Leitungen zum Tank sind. Das Abreißen des Treibstoffflusses ist bei einem pumpengeförderten Antrieb folgenreicher. Die Förderung übernimmt der Gasgenerator, der durch Verbrennung eines Teils des Treibstoffs ein Arbeitsgas erzeugt, das wiederum eine Gasturbine antreibt und diese Gasturbine dann eine Pumpe. Es gibt hier viele bewegliche Teile, wie Propeller, und wenn nun der Fluss ausbleibt, kann das leicht zu Beschädigungen führen.

Doch schon seit Jahrzehnten gibt es wiederzündbare Oberstufen, die mit diesem Problem zu kämpfen haben und es gibt Lösungen sie unter Schwerelosigkeit zu zünden. Die Erste ist es, an den Tanks wo die Tankleitungen sitzen, Sümpfe anzubringen. Das sind Vertiefungen mit einer besonders behandelten Oberfläche. Sie bindet einen Teil des Treibstoffs adhäsiv, vergleichbar, wie ein Schwamm Flüssigkeit bindet. Man kennt das Phänomen auch aus dem Alltag, wenn raue Oberflächen mehr Wasser binden als glatte Oberflächen. Öffnet man die Ventile zum Triebwerk. So treibt der Druck zuerst diese Flüssigkeit in die Leitungen, sie reicht aus, das Triebwerk mit niedrigem Schub zu starten. Die dadurch erzeugte Schubkraft beschleunigt die Stufe leicht und die Beschleunigung (nichts anderes ist ein Druck) führt dann dazu das der Treibstoff zum Stufenende getrieben wird. So eine Lösung setzten die Agena oder die Astris Stufe der Europa ein.

Die zweite Lösung für eine Wiederzündung solcher Stufen ist es, diesen benötigten Schub durch eigene Raketentriebwerke zu erzeugen. Stufen haben solche kleinen Triebwerke auch für andere Zwecke, so muss die Lage während der Freiflugphase stabilisiert werden, damit die Stufe für die Wiederzündung korrekt ausgerichtet ist. Diese Triebwerke können mit eigenem Treibstoffvorrat nach obigen „Blow-Down“ Prinzip arbeiten oder mit Treibstoff aus dem Haupttank, dafür reicht wegen des geringen Schubs oft auch schon verdampfender Treibstoff in Gasform aus. Sie zünden vor der Zündung der Stufe. Daneben kann auch der Treibstoff selbst dafür genutzt werden. Entweder, indem man bei nicht lagerfähigen Treibstoffen den Tankdruck ansteigen lässt und den nicht benötigten Überdruck vor der Zündung durch Düsen abzulassen. Diese müssen dann nur in die gleiche Richtung wie das Triebwerk zeigen. (Anders als bei Triebwerken wird dabei der Treibstoff nicht verbrannt) Alternativ kann man auch Treibstoff / Gas durch das Haupttriebwerk expandieren. Bei Triebwerken, die Wasserstoff verbrennen ist, das sowieso vor dem Start nötig. Dann durchströmt der Treibstoff das Triebwerk, verdampft durch die höhere Temperatur und kühlt so auch das Triebwerk vor. Dieses „Chill-Down“ wird bei vielen Triebwerken eingesetzt so beim J-2 und Vinci. Die S-IVB Stufe hatte (auch aus Redundanzgründen) alle drei Systeme an Bord: Eigene Vorbeschleunigungstriebwerke, Düsen am Tank, die Wasserstoff gegen die Bahnrichtung entlassen konnten und das J-2 wurde vor dem Start gechillt.

Im Prinzip könnte man diese Verfahren auch für eine Betankung einsetzen. Nur ist der Schub nicht erwünscht, er müsste aber über die gesamte Betankungsdauer aufrechterhalten werden. Er äußert sich, selbst wenn er nur gering ist, über die Dauer des Vorgangs in einer Bahnänderung und die ist meist nicht beabsichtigt. Denkt man an das Wiederauftanken nicht durch spezielle Frachttransporter wie das ATV oder die Progress die fest mit dem Ziel (Raumstation Saljut, Mir oder ISS) verbunden sind, sondern eine Auftankung eines ansonsten selbstständigen Gefährts (wie z.B. bei einem Flugzeug über eine flexible Leitung) dann ist offensichtlich das dies keine Lösung ist – der Schub würde nur bei dem Gefährt wirken, das den Treibstoff anfangs hat und die Leine dadurch abreißen oder aus der Verankerung gezogen. Wie SpaceX so ihr Starship im Orbit auftanken will, wird spannend werden. Derzeit gibt es auf jeden Fall keine eingesetzte Technologie bei anderen Raumschiffen, die dies ermöglichen würde. Eine Lösung, die ich sehe ist, das man den Treibstoff nicht aus den Tanks des Starships nimmt, das ohne Nutzlast ja noch etwa 100 t Resttreibstoff in den Tanks hat, sondern im Nutzlastraum aus einem mitgeführten Drucktank nach dem obigen Prinzip des Blow-Downs, den man mit einem Adapter am Tank eines zweiten Starships anbringt. Dann ist die Vorgehensweise die gleiche wie sie heute beim Auftanken von Sarja durch ein ATV oder eine Progress. Zumindest wäre, das meine Lösung, wenn ich mich diesem Problem stellen müsste.

Das Starship als Mondlandungsgefährt

Dieser Grundlagenartikel, auf den ich auch wegen der Nachfüllpläne von SpaceX für ihr Starship kam, wird überraschend aktuell. Nach SpaceFlightNow bewirbt sich SpaceX um Aufträge im Rahmen des Commercial Lunar Payload Services, oder CLPS, Programms. Dazu will man ein Starship auf der Oberfläche des Mondes landen. Das hat mich verwirrt. Zum einen ist dieses Programm gedacht für den Transport von kleinen Experimenten (die Mindestanforderung liegt bei 10 kg Nutzlast auf die Mondoberfläche) gedacht. Es ist ein Programm bei dem Firmen mit relativ wenig Geld einsteigen können, denn so wiegen auch ihre Gefährte nicht viel und können wie Beresheet als Sekundärnutzlast bei einem GTO-Start mitfliegen, was die Startkosten reduziert. Beresheet wog beim Start 585 kg und ohne Treibstoff (also minimale Landemasse) 150 kg. Demgegenüber wiegt das Starship ohne Treibstoff 120 t und da SpaceX als Ziel hat das ein Start so viel kostet wie heute ein Falcon Start (also maximal 90 Millionen Dollar) ist das nicht preiswert. Die ersten drei Firmen, die bisher SpaceX Kontrakte bekamen, erhielten zwischen 76 und 97 Millionen Dollar von der NASA. Angemessen für 10 kg Nutzlast aber sicher nicht ausreichend für auch nur einen Start des Starships.

Es gibt nun eine zweite Runde mit größeren Landern bei der auch auch Blue Origin und Boeing beteiligt. Blue Origion will 3,6 t mit ihrem „Blue Moon“ Lander zum Mond bringen bei einem Start mit der New Glenn die 53 t in den LEO schafft. Allerdings sind das Gefährte für eine bemannte Landung und Shotwell machte im Artikel klar, das die ersten Starship Landungen unbemannt erfolgen sollen. Kurzum: es passt weder zu den „leichten“ noch den „schweren“ Mondlandern die die NASA fördern will.

Analyse

Zuerst mal hab ich mich gefragt, ob Musk nun völlig den Verstand verloren hat oder Marihuana, das er ja raucht, vielleicht doch nicht so harmlos ist, wie ich dachte. Den ersten offensichtlichen Einwand sieht jeder, der sich die untere Abbildung anschaut:

Ein Vehikel, das so schmal ist, kann leicht umkippen und die Mondoberfläche ist, da muss man sich nur mal die Aufnahmen der Landeplätze anschauen, ist nicht so eben wie in er Grafik. Bei Landungen auf ebenen Plattformen der Droneschiffe sind bei SpaceX schon Stufen umgekippt, bei einer kraterbedeckten Oberfläche ist das noch wahrscheinlicher. Die Abbildung täuscht in einem weiteren Punkt. Man sieht dort einen Menschen und einen Kran. Das Starship wird aber unbemannt starten und es sind auch unbemannte Flüge im Rahmen des CLPS Programms vorgesehen. Einen Kran kann man mitführen, benötigt ihn aber für Orbitaleinsatz nicht, (ohne Schwerkraft macht ein Seil zum Abseilen keinen Sinn) würde ihn also nur für diesen Einsatzzweck entwickeln müssen, was zusätzlich Geld kostet.

Der offensichtlichste Nachteil ist das Δv Budget. Ich habe es mal simuliert, mit den bekannten Eckdaten des Starships: 120 t Masse, drei Raptor Vakuumtriebwerke (die anderen drei haben einen niedrigen spezifischen Impuls und kleinere Düsen und sind für die Landung auf der Erde gedacht) mit einem spezifischen Impuls von 3727 m/s. Ich habe eine direkte Landung angenommen. Ohne Schwebephase errechne ich bei einer Landung mit einer anfänglichen minimalen Geschwindigkeit von 2400 m/s ungefähr ein Δv von 2600 m/s. Das entspricht dem Δv das auch die Surveyors hatten (2700 m/s). Nimmt man 200 m/s für die Schwebephase an, ist man bei 2800 m/s für die Landung. Da der Rückstart im Prinzip genauso verläuft, nur dort die Schwebephase entfällt, braucht man für die Rückkehr zur Erde auch 2600 m/s. (Apollo hatte deutlich höhere Δv Budgets, aber auch ein anderes Landeverfahren. Addiert man das Δv für das Erreichen des Mondorbits und die Landung so kommt man auf 3100 bis 3200 m/s). Also Landung auf dem Mond und Rückstart (sonst ist das Starship ein Totalverlust) erfordern mindestens 5400 m/s. Dazu kommt noch der Übergang in eine translunare Bahn, das sind 3150 m/s über der Kreisbahngeschwindigkeit eines 100 nmi (185 km) Standardorbits. Zusammen sind dies ohne andere Manöver für Kurskorrekturen also ein Δv von 8550 m/s.

Nun benötigt man keine Simulation mehr. Man kann die Ziolkowski Formel nehmen. Für alle zum Nachrechnen:

v = va * ln Voll/Leer)

v = Zielgeschwindigkeit (hier: 8550 m/s)

va = Ausströmgeschwindigkeit des Antriebs (hier: 3727 m/s

Voll: Vollmasse (gesucht)

Leer: Leermasse (hier: 120 t)

Wir müssen also die Gleichung auf Voll umstellen. Das geht in drei Schritten:

• Dividieren durch Va:

v/va = ln (Voll/Leer)

• Exponentieren:

e^(v/va) = Voll/Leer

• Multiplizieren mit Leer:

Leer * e^(v/va) = Voll

wer mir nicht glaubt, oder seine Mathematikkenntnisse inzwischen verloren hat, kann es ja mit Wolfram Alpha nachprüfen. Setzen wir die Werte ein:

Voll = e^(8550/3727)*120

Voll = 1189,8

Man benötigt also 1189,8 oder aufgerundet 1200 t im Erdorbit um 120 t zum Mond und zurück zu bringen. Nicht verwunderlich, denn bei Blue Origin sind es ja auch nur 3,6 von 53 t die auf dem Mond landen und die kommen nicht mal zurück. Bei 100 t Nutzlast pro Flug und 120 t Masse des Starships benötigt dann PlatzX 11 Auftanksflüge, um ein Starship zum Mond zu bringen. Wenn sie es dort zurücklassen, sinkt die Startmasse auf 592 t und fünf Tankflüge.

Wenn (Betonung auf Wenn), sie tatsächlich den Start des dreimal schwerer als eine Falcon 9 Gefährts für denselben Preis hinbekommen, dann sind das aber immer noch 12 x 90 = 1080 Millionen Dollar pro Flug.

Ich wollte nur noch erwähnen …

Das dies nur ein Problem ist. Die Auftankfrage habe ich ja schon erläutert. Daneben dürfte das Gefährt rund 4 Tage zum Mond unterwegs sein, steht dort dann auch noch längere Zeit rum und soll dann wieder starten. Beide Treibstoffe sind nur bei tiefen Temperaturen flüssig. Während der interplanetaren Phase kann man durch einen Schild gut die Sonnenstrahlung die Wärme abschirmen, aber auf dem Mond kommt die Strahlung von der ganzen Oberfläche, also nicht einer Punktquelle und ein Schild wäre bei der vorherigen Phase an der Seite und nicht am Heck. Das ist nicht wenig, denn die Oberfläche heizt sich auf bis zu 120°C hoch.

Schon vorher gibt es Probleme. Denn insgesamt sechs bzw. zwölf Flüge pro Mission setzen eine hohe Flugfrequenz voraus, sollte der Treibstoff nicht schon vorher im Erdorbit verdampfen, denn auch die Erde strahlt reichlich Infrarotstrahlung ab, wenn auch weniger als der Mond. Bisher plant SpaceX in ihren Unterlagen, die sie für die Abschätzung des Umwelteinflusses und Beeinträchtigung des Flugverkehrs vorlegen müssen, aber maximal 24 Starts pro Jahr vom Kennedy Space Center aus. Das heißt, im Extremfall muss der Treibstoff 5 Monate lang flüssig gehalten werden.

Die Alternative, das Starship aufzutanken, dann den Orbit anzuheben und dies zu wiederholen, ist auch nicht umsetzbar. Da ein Starship ohne Treibstoff nicht mal einen exzentrischen elliptischen Orbit erreicht, kann man so nicht verfahren, das geht nur bei vergleichsweise leichten Stufen. Zudem ändert dies nichts an dem Treibstoff, den man für die Mondlandung und die Rückkehr braucht und diese Menge muss man in jedem Falle aktiv kühlen.

Und dann noch die Frage, ob das Starship überhaupt sicher landen kann, ohne umzukippen. Aber ist eigentlich nichts neues. Vor mehr als drei! Jahren nahm ich schon Musks Aussage „Dragon 2 is designed to be able to land anywhere in the solar system“ unter die Lupe. Inzwischen wissen wir das sie nicht mal auf der Erdoberfläche landen kann und SpaceX wieder zur Seelandung übergangen ist. Und nun dasselbe mit dem Starship „The Starship will be similarly capable of vertical landings on Earth, or on other planetary surfaces.“. Gleicher Text, nur anderes Raumschiff. PlatzX, Shotwell und Musk halten die Öffentlichkeit wohl für ziemlich doof oder vergesslich. Auf der anderen Seite hängen sie bei einer einfachen Kapsel wie der „Crewed Dragon“ drei Jahre hinter den Plänen hinterher obwohl diese von der Dragon abgeleitet ist die 2011 erstmals flog und alle Ankündigungen für diese Dragon wie Red Dragon zum Mars oder Gray Dragon zum Mond (geschweige denn der Orange Dragon zur Venus) wurden gestrichen.

Ach ja und die Astronomen hat SpaceX auch wieder mit ihren neuen Skylink-Satelliten erfreut:

https://twitter.com/lcjohnso/status/1196370554414125056/photo/1