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Was wäre wenn man das Shuttle-C entwickelt hätte?

Einleitung

Ich habe es ja schon mehrmals angesprochen zumindest während der ersten 10 Jahre der Einsatzzeit des Space Shuttles machte man sich Gedanken über eine unbemannte Version, meistens genannt Shuttle-C oder Shuttle-Carrier. Es kam nie dazu und es geistern selbst bei der NASA unzählige Varianten des Konzepts durch die Dokumente. Am unteren Ende stehen umgebaute Shuttles, in der Mitte der Veränderungen bleibt vom Shuttle nur noch der Nutzlastraum und die Triebwerke übrig und am oben Ende setzt man dann diesen Rumpf auf vier Feststoffbooster und einen noch größeren Tank und erreicht so um die 150 t Nutzlast. Ich habe in dem Blog ja schon mehrmals die Meinung geäußert, dass wenn man sich zu dem Schritt entschlossen hätte, das Space Shuttle vielleicht heute noch fliegen würde und ich will das in dem Blog auch mal fundiert begründen.

Die Version

Fangen wir zuerst mal mit der Version an. Es gab wie ich schon geschrieben habe wenige konkrete Pläne. Realistischerweise hatte die NASA nicht das Geld eine neue Version zu entwickeln. Die kleinste Version halte ich aber für einfach umsetzbar. Es ist einfach ein Orbiter, bei dem man alles entfernt hat, was die Besatzung braucht. Das ist das Mittdeck und Zwischendeck mitsamt aller Einrichtungen für die Besatzung wie Schlafkojen, Sitze, Toilette, Kombüse. Aber natürlich auch das Lebenserhaltungssystem, Wasser, Sauerstoff, Lithiumhydroxidkanister, Essen, die Besatzung selbst und die ganzen Instrumente vorne im Cockpit.

Als weiterer Vorteil muss man die Triebwerke nicht herunterregeln, um eine Spitzenbeschleunigung von 3 g zu halten, das senkt die Gravitationsverluste. Satelliten werden heute bei Trägerraketen 5 bis 5,5 g ausgesetzt. So hoch kommt man beim Space Shuttle selbst bei herunterregelten Triebwerken nicht (maximal 4,2 g). Alles zusammen kommt man so auf 15 t mehr Nutzlast. Zumindest gegenüber dem ursprünglichen Shuttle. Das lag ja später in der Nutzlast deutlich niedriger, wobei die 15 t mehr, dann noch willkommener sind. Das Bestechende an dem Konzept: Es müsste sogar billiger als ein normaler Orbiter sein, weil man ja Teile spart. Alternativ zu einem Neubau könnte man auch einen oder zwei der bestehenden Orbiter umrüsten. Die Wahl würde dann übrigens auf die neuesten fallen. Warum? Aus dem gleichen Grund, warum auch die Columbia für Langzeitmissionen umgerüstet wurde, (man braucht mehr Wasser, Gase und eine größere Kapazität bei den Brennstoffzellen dafür). Bei bemannten Missionen ist ein Labor an Bord, wie das Spacelab, dann limitiert die Nutzlast aber nicht die Maximalnutzlast, sondern die Landenutzlast und die liegt bei nur 14,5 t. Innerhalb von einigen Wochen kann man aber selbst bei optimistisch ausgelegten Ressourcen nicht so viele Verbrauchsgüter verbrauchen, dass man beim Start auch nur die maximale Nutzlast der Columbia erreicht, die bei maximal 21 t lag. Zudem würde selbst, wenn man heute ein voll ausgerüstetes ISS-Modul in den Nutzlastraum packen würde ,man die 45 t Startnutzlast nie erreichen.

Vorteile im Betrieb

Neben der höheren Nutzlast, zu der ich noch im nächsten Absatz komme, gibt es etliche andere Vorteile im Betrieb. Sie ergeben sich fast zwangsläufig aus den Sicherheitsanforderungen für die bemannte Raumfahrt. Das hatte beim Space Shuttle Programm die Folge, dass man praktisch über das Programm hinweg nur wenig am System änderte. Es gab viele Detailänderungen, aber nur wenige grundlegende Änderungen. So der Wechsel der Legierung beim Tank die 4 t Masse einsparte. Geplant war die Verlängerung der Booster um ein Segment. Die Columbia-Katastrophe verhinderte eine Umsetzung. Sie kommen nun bei der SLS zum Einsatz. Ein umbenanntes Programm ermöglicht es, zuerst etwas an den unbemannten Orbitern zu erproben und nach einigen Jahren, wenn es sich bewährt, in den bemannten Teil zu übernehmen. Das wäre risikoloser und müsste mehr Innovationen zulassen. Man könnte auch die gegenteilige Position einnehmen. Man kann die bemannten Orbiter wie man es getan hat kaum verändern und Innovationen nur bei den neuen umsetzen, die dürfen dann auch wagemutiger sein, denn ein Verlust hat geringere Konsequenzen. So hat man nach dem Verlust der Challenger alle Ausbaupläne für die Triebwerke geändert. Nun lag der Fokus nicht auf Leistungssteigerung, sondern mehr Sicherheit. Das 109%-Schub-Niveau wird nun erst in der SLS genutzt, obwohl die Triebwerke dafür qualifiziert sind. Man könnte wegen der hohen Nutzlast die unbemannten Orbiter natürlich auch als Resteverwertung nehmen – wenn man bei den bemannten etwas ersetzt hat (so wurden viel mehr Triebwerke gebaut als es Orbiter, gab um sie durch verbesserte zu ersetzen) so kann man es immer noch in den unbemannten weiter nutzen.

Der wesentlichste Vorteil ist, das das Programm zumindest unbemannt weitergehen könnte, wenn es einen Totalverlust gab, so, nach Challenger und Columbia. Bei Challenger war die Ursache ja schon vor dem Start bekannt. Das Programm hätte einfach weiter gehen können, wenn man nicht bei tiefen Temperaturen startet. Nach dem Verlust der Columbia gilt es abzuwägen: Selbst wenn man nichts an der Tankisolierung ändert, so beträgt das Ausfallrisiko 1:60, das ist abzuwägen gegen die Kosten eines neuen Orbiters, wenn er verloren geht oder den Verlusten, wenn man zwei Jahre lang Fixkosten bezahlt und sich der ISS-Ausbau verzögert. Aus Erfahrung sind die letzteren Kosten aber deutlich höher. Für das Militär, das zwar enormen Einfluss auf die Auslegung des Systems hatte, aber nie mit dem Programm warm wurde, weil es zu viel Aufmerksamkeit seitens der Öffentlichkeit anzog, wäre auch ein Vorteil, das unbemannte Starts wahrscheinlich nicht mehr Aufmerksamkeit haben, als normale Raketenstarts.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich nach der Challenger-Katastrophe. Danach wurde aus Sicherheitsgründen der Einsatz der Centaur G Prime untersagt. Diese hatte die doppelte Nutzlast der IUS-Oberstufe. Bei einem unbemannten Shuttle wäre das kein Problem. Galileo müsste keine Ehrenrunde im Sonnensystem drehen, auch Cassini hätte direkt zum Saturn geschickt werden können.

Für wirklich große Nutzlasten kann aber der Nutzlastraum zu klein sein. 40 t Nutzlast in einem Raum von 4,80 m Durchmesser und 18 m Länge ist wenig. Ariane 5 bietet 5,40 m Durchmesser und 20 m Länge, allerdings spitz zulaufend bei 21 t Maximalnutzlast. Vor allem das gleichzeitige Befördern mehrere Nutzlasten wird schwierig, auch wegen der gleichzeitigen Anlieferung am Startplatz.

Einsatzzwecke

Der Offensichtlichste ist der das ein unbemannter Orbiter das tut was sonst Raketen tun – unbemannten Satellitentransport. Als die Challenger verloren ging, waren die meisten Flüge die im Manifest standen reine Satellitentransporte. Danach hat man diese außer für besonders wichtige Nutzlasten eingestellt. Unbemannte Transporter könnten diese übernehmen und bemannte Flüge gäbe es nur noch für Einsatze des Spacelab oder z. B. Für die Hubble Reparatur. Selbst beim Aufbau der ISS kann ein Teil der Transporte unbemannt erfolgen. Sobald der Canadaarm an der ISS montiert ist, könnten zumindest die großen Labormodule unbemannt gestartet werden. Für die Montage der Solararrays sind Astronauten nötig, aber das könnte eventuell auch die ISS-Stammbesatzung erledigen. Sie an Ort und Stelle zu bugsieren macht aber wahrscheinlich beide Arme in Shuttlebucht und ISS nötig.

Für Satellitentransporte ist die höhere Nutzlast in zweierlei Hinsicht von Vorteil: Zum einen können so mehr Satelliten pro Start befördert werden. Wäre ein solch unbemannter Space Shuttle verfügbar gewesen, so hätte man Galileo ohne die Extrarunde auch mit nicht kryogenem Treibstoff starten können (Twin-IUS). Da die meisten Nutzlasten die geplant waren Kommunikationssatelliten waren könnte man mehr davon starten, denn diese benötigten eine Stufe, um in den GTO zu gelangen. Die ist relativ kompakt wiegt aber viel. Mehr als drei Nutzlasten der Delta Klasse transportiere nie eine Fähre. Rein technisch reicht bei 2,44 m Durchmesser einer Delta Nutzlastverkleidung der Nutzlastraum für sieben Nutzlasten der Delta 3xxx Klasse.

Noch wichtiger ist, dass man als „Nutzlast“ immer die Kombination von Orbiter und Nettonutzlast sehen muss. Daher nimmt diese beim Space Shuttle auch rapide ab. 100 km mehr Höhe reduzieren die Nutzlast um 4,5 t. Die 15 t mehr Nutzlast des Shuttle-C fehlen aber beim Orbitergewicht. Das bedeutet, das es in jeden Orbit 15 t mehr Nutzlast gibt. Nimmt man die Daten der Orbiter 103 bis 105, so steigt die Maximalnutzlast von 24,5 auf 39,5 t. Für einen polaren Orbit ist die Steigerung dann schon von 13,1 auf 28,1 t. Selbst in einen 800 km hohen polaren Orbit (wichtig für Erdbeobachtungssatelliten) hätte man noch 13 t transportieren können. Damit wäre ein Programmpunkt, nämlich die Bergung von Satelliten, auch wirklich umsetzbar. Man hätte in einer Mission einen Satelliten aussetzen und einen zweiten in einer ähnlichen Bahn bergen und zurückführen können. Dafür hatten die realen Fähren einfach nicht genug Nutzlast. Gerade das Militär würde davon profitieren. Zwar waren damals schon die ersten KH-11 Satelliten mit CCD im Einsatz, doch bei den kleinen Sensoren wurden nach wie vor Satelliten mit Film wie Gambit oder Hexagon gestartet. Sie hätte man bergen und am Boden mit neuen Filmkapseln ausrüsten können. Selbst bei den neueren Satelliten wäre eine Bergung sinnvoll, die Pixelgröße von CCD stieg dauernd an, man hätte den Satellit mit neuen Detektoren und Elektronik ausrüsten können, den Treibstoff nachfüllen, und dann erneut starten – bei den hohen Kosten dieser Satelliten ist das sicher lohnend. Bei der NASA gab es relativ wenige Forschungssatelliten, bei denen es sich lohnen würde, zumal diese ja auch in erreichbaren Orbits sein müssen. Immerhin, dann wäre es vielleicht einfach das ganze Hubble Weltraumteleskop, wie ursprünglich geplant zu bergen, erneut auszurüsten und Teile auszuwechseln und erneut zu starten.

Kostenabschätzungen

Es gab nach dem Verlust der Challenger viel Kritik an dem Shuttleprogramm. Nicht nur wegen der Unglücksursache. Es wurde auch bemängelt, dass man in dem Programm zugunsten einer hohen Startrate Sicherheit opferte. Es gab vorher auch immer wieder schwerwiegende Ausfälle in den Missionen. Das ist bei einem bemannten Programm nicht hinnehmbar. Eine Trägerrakete mit einem Verlustrisiko von 1:25 (so der Wert des Shuttles nach Challenger) war damals aber ganz normal. Titan und Atlas lagen unter diesem Wert, Ariane damals auch. Man kann davon ausgehen, das ein unbemannter Space Shuttle noch etwas geringere Operationskosten gehabt hätte als damals das bemannte Programm. Dafür kann man aber Zahlen benennen. 1985 flogen die Fähren neunmal, bei Operationskosten von 1.314 Millionen Dollar, macht 146 Millionen Dollar pro Flug. Zur gleichen Zeit gab es eine Diskussion. wie man den Preis des Nutzlastraumes nach Ende der „Einführungsphase“ festlegen sollte. Man kam auf 110 bis 129 Millionen Dollar pro Start, wenn das Projekt seine Kosten, selbst tragen sollte. Das wären also die realen Flugkosten gewesen (der höhere Betrag für 1985 lag daran, dass es in den nächsten Jahren (für 1986 waren je nach Quelle 12 bis 17 Starts geplant) mehr Flüge geben sollte, da erst im Herbst 1985 die Flotte vollständig war.

Unbemannte Flüge sind noch billiger, denn die Astronauten müssen nicht ausgebildet werden und der Aufwand ist insgesamt geringer. Doch um wie viel? Es gibt eine Möglichkeit zu vergleichen. Für die neu gebuchten Versorgungsflüge mit der Dragon 2 zahlt die NASA 150 Millionen Dollar pro Stück. Für die bemannten Flüge kann man die Differenz zwischen den meist genannten 2,6 Mrd. Dollar und den zuerst nur bewilligten 1,75 nehmen. Der Unterschied: Die NASA kann zuerst nur die Entwicklungsgelder zusagen, der Rest entfällt dann auf die ersten vier Flüge, die als Option gelten. Bei vier Flügen sind das 212,5 Millionen, oder 77-91 Millionen pro Start. Damals kostete eine Delta 35 Millionen Dollar, eine Atlas G 66 Millionen Dollar. Selbst wenn jeder Start nur zwei Atlas Nutzlasten (6 t mit Perigäumsantrieb) oder drei Delta Nutzlasten (3,2 t mit Perigäumantrieb) transportierte, so lohnt es sich. Inflationskorrigiert sind das heute zwischen 203 und 233 Millionen Dollar, bei der doppelten Nutzlast einer Atlas V oder Ariane 5 ist das immer noch günstig.

Der beste Weg wäre meiner Ansicht nach zwei der Orbiter gleich unbemannt zu bauen, alternativ könnte man sie auch nachbauen (Preis 1982: 1460 Millionen Dollar pro „originalem“ Orbiter, wobei man ja Kosten spart und auch schon benutzte Triebwerke einsetzen kann).

Ausblick SLS

Derzeit wird ja die SLS gebaut, dabei kommen vor allem Restbestände aus dem Shuttleprogramm zum Einsatz. So die Triebwerke des Space Shuttles, sowie die für Upgrades geplanten verlängerten Booster. Neu ist eigentlich nur die Zentralstufe und eine echte Oberstufe fehlt noch. In der Form gab es schon beim Vorgänger Ares V eine Alternative: das Shuttle Derived Heavy Luft Vehicle. Im Prinzip ist ein Space Shuttle, wenn es den Orbit erreicht hat noch rund 110 t schwer. Davon sind aber 72 t der Orbiter, 13 t der Resttriebstoff und nur 25 t die Nutzlast. Wenn man nun den Orbiter auf den Nutzlastraum und den Triebwerksrahmen reduziert dann könnte man etwa 90 t in den Orbit befördern, so hat man errechnet. Nicht so viel wie eine Saturn V, aber wenn man einen Mondflug mit zwei Starts macht, ausreichend. Der Vorteil ist das die Entwicklungskosten viel kleiner sind. Theoretisch könnte man auch die vielen ausgedienten Shuttle Triebwerke nun einsetzen, denn diese sind nun ja Verlustgeräte. Für die SLS stehen nur 16 Triebwerke zur Verfügung – es müssten eigentlich mehr sein. 51 wurden gebaut, sechs gingen verloren und in den ausgestellten Orbitern stehen nur Attrappen. Das heißt, es müsste mehr geben, sicher die ersten haben nur 100 % Schub, aber wenn man nicht die volle Nutzlast braucht vollkommen ausreichend.

Fazit

Ich denke ein Shuttle-C hätte dem Programm gut getan. Zum einen hätte man ehe wirtschaftlichere Basis, vielleicht sogar eine tragfähige. Zum anderen beschränkt man sich mit den bemannten Flügen auf wirklich wichtige Dinge, die haben dann mehr Aufmerksamkeit und das Programm leidet nicht so sehr darunter, das es „Routine“ ist. Auch Fragen nach dem Sinn stellen sich nicht so sehr, wenn man beim unbemannten Programm wirkliche einen Nutzen erkennen kann. Die Erfahrungen beim Shuttle C würden vielleicht auch zu einer anderen Version einer Schwerlastrakete führen wie dem beschriebenen Vehikel, schlussendlich hat man so etwas schon mal gemacht. Es ist schwer zusagen, ob man auch dann das Space Shuttle Programm eingestellt hätte, schlussendlich ändern die unbemannten Fähren ja nichts an der Sicherheitsproblematik selbst. Aber vielleicht hätte man auch hier eine Lösung gefunden: Es gab mal die Idee das gesamte Oberdeck so zu gestaltend as man es während des Aufstiegs absprengen und bergen kann, das wurde wegen zu hohem Gewicht verworfen. Ich würde noch weiter gehen und in die Spitze des Rumpfs eine Kapsel mit Fluchtturm setzen, die läuft ja auch konisch aus. Dort ist die Besatzung beim Start und Landung. Sie kann beim Start mit dem Fluchtturm abgetrennt werden, bei einem Zerbrechen des Orbiters bei der Landung könnte man sie mit Sprengbolzen abtrennen. Dort wäre die Besatzung sicher in einem aerodynamischen Gefährt das selbststabilisierend ist. Das mag 6-8 t Nutzlast kosten, aber wenn man bemannt nur Laboreinsätze fliegt, ist das verschmerzbar. Das wäre eine Synthese der Sicherheit einer Kapsel mit der Wiederverwendung eines Orbiters.

Im folgenden eine Übersicht einiger dieser Konzepte

Shuttle-C „Carrier Shuttle“

Im Lauf der vierzig Jahre der Entwicklung und des Einsatzes des STS gab es einige Vorschläge das System zu einem unbemannten Schwerlasttransporter umzubauen. Die Ersten gab es noch während der Entwicklung des STS. Die einfachsten sahen die Umrüstung eines normalen Orbiters vor. Er wäre ausgeweidet worden. Alle Systeme, die für die Besatzung oder eine längere Mission nötig waren, wie die Mannschaftsquartiere, Lebenserhaltung und ein Großteil der Brennstoffzellen würden entfernt. Das hätte die Nutzlast um 15 t auf 45 gesteigert. Das war einfach möglich und mit den vorhandenen Orbitern umsetzbar. Andere Pläne verzichteten auf die Wiederverwendung des Orbiters und ersetzten diese durch den Rumpf mit den Triebwerken und Nutzlastraum ohne Flügel. Das hätte die Nutzlast auf 65 t angehoben. Mit vier SSME-Triebwerken, einem vergrößerten Tank und vier SRB wäre eine Nutzlast von 150 t möglich. Bei diesen Vehikeln wären die SSME bei jedem Flug verloren gegangen.

Diese Pläne verschwanden in der Schublade, als die NASA schon Probleme hatte, den Terminplan bei den ersten Flügen einzuhalten. Als Mitte der achtziger Jahre das SDI-Programm begann, das die Stationierung von Waffen im Weltraum vorhersah, wurde das Konzept des Shuttle Carriers (Shuttle-C) erneut geprüft. Während Tank und Booster unverändert übernommen werden sollten, wurde der Orbiter auf den Schubrahmen mit den Triebwerken und einen größeren Nutzlastraum reduziert. Eine konusförmige Nase schloss sich an. Durch Wegfall der Flügel, Leitwerke und des Vorderteils hätte er 68 – 77 t in eine Umlaufbahn transportieren können. Ein anderes Konzept setzte nur zwei SSME ein. Dann mussten 20 % des Treibstoffs im ET weggelassen werden. Dieses hätte in einem 25 × 5,48 m großen Nutzlastraum immerhin noch 45 t in den Orbit befördert, aber eines der teuren SSME eingespart.

Bei einigen Konzepten wurden die Haupttriebwerke von einer aerodynamischen Verkleidung umgeben und sollten gebogen und wieder verwendet werden. SDI erwies sich bald als undurch­führbar und damit brauchte man auch keinen Schwerlastträger für die Weltraumwaffen. Anfang der Neunziger Jahre wurde das Konzept des Shuttle-C eingestellt.

Das letzte Mal, dass dieses Konzept aufgenommen wurde, war beim Shuttle-Derived Heavy Lift Launch Vehicle als Alternative zu den Ares Trägerraketen. Ziel des Konzepts war es, so wenig Neues wie möglich einzusetzen, um die Kosten zu begrenzen. 2009 wurde es der Augustine Kommission präsentiert. In viereinhalb Jahren sollte ein HLV einsatzbereit sein, bei Entwicklungskosten von nur 6,6 Milliarden Dollar, 20 % der Kosten der Ares I+V. Bei diesem HLV werden Booster und Tank unverändert übernommen werden. Der Tank muss strukturell verstärkt werden und ist etwa 7 t schwerer als der SLWT. Die SRB werden nicht geborgen. Vom Orbiter wird nur der Schubrahmen mit den drei Haupttriebwerken übernommen. Dieser wiegt 26 t. Eine 7,5 m große Nutzlasthülle ersetzt den Orbiter. Sie wird nach 185 s in 106 km Höhe abgetrennt. Anders als die Ares V erreicht dieses HLV nur einen Erdorbit. Für Mondmissionen war daher eine Oberstufe mit dem J-2X geplant, die von der Nutzlastverkleidung mitumhüllt wird. Sie sollte bis zu 35 t zum Mond befördern. Je nach Konfiguration kann dieses Vehicle zwischen 71 und 83 t in den Orbit transportieren, mit leichten Änderungen bis 90 t.

Auch wenn es nicht zur Entwicklung dieses HLV kam, so ist das SLS als „Shuttle-Derived“ Heavy Launchsystem zu verstehen.

Quellen

Referenzen:NASA TM-100382: Main Propulsion Test requirements for the Shuttle-C

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