Home Site Map Sonstige Aufsätze Weblog und Gequassel counter

Web Log Teil 139 : 20.11.2009-23.11.2009

Freitag den 20.11.2009: Die Technisch wie wirtschaftlich optimale Rakete

Da die Diskussion in meinem Beitrag über Russland aufgekommen ist habe ich mich entschlossen das Thema mal wieder aufzugreifen, obwohl ich mir sicher bin, schon mal einen Blog darüber geschrieben zu haben. Zuerst mal eine Nachlese zu tp1024: Bei der Sojus muss technische Umsetzung und rationale Fertigung unterschieden werden. Für eine Trägerrakete ihrer Zeit (nicht vergessen: Bis zur Sojus 2 wurden nahezu unverändert alle Triebwerke seit Beginn der sechziger Jahre verwendet) hat sie gute technische Werte, was Voll/Leermasse betrifft, spezifischer Impuls oder beförderte Nutzlast gemessen am Startgewicht. Natürlich ist heute mehr drin wie die Sojus 2 zeigt wo die Nutzlast durch ein modernes Triebwerk nur in der letzten Stufe schon um 1000 kg anstieg.

Das Problem ist dass Koroljow die Gesamtleistung auf 20 Brennkammern verteilt hat. Auch Block I hat vier Brennkammern. Da die Brennkammern fest eingebaut sind benötigt die Rakete noch weitere 12 kleinere Triebwerke als Verniertriebwerke. In der Sojus gibt es so insgesamt 36 Brennkammern in zwei Stufen. Die Fertigung so vieler ist einfach teurer als weniger stärkerer Triebwerke.

Auf der anderen Seite sinken natürlich auch die Stückzahlen dann ab, wenn weniger Triebwerke produziert werden. Wenn eine Trägerrakete nur selten eingesetzt wird, ist zu überlegen ob sich die Investitionskosten in wenige Triebwerke die sehr leistungsfähig sind, lohnen oder es nicht auf längere Sicht preiswerter ist mehrere Triebwerke zu nehmen und mit höheren Produktionskosten zu leben. Auch hier gibt es ein Beispiel: Die Ariane 5 Entwicklung war bislang viermal teurer als die von Ariane 1-4, die bis zu 10 Triebwerke einsetzte, während es bei Ariane 5 maximal vier sind. Dafür ist die Rakete in der Produktion günstiger, auch wenn die ursprünglichen Ziele nicht erreicht wurden. Für einen Staat, der Trägerraketen nur für eigene Satelliten braucht, sollte daher die Gesamtsumme: Was zahle ich an Entwicklungskosten und Produktionskosten etwa über 20 Jahre vielleicht das Maß der Dinge sein. Leider scheint diese Einsicht sehr selten zu sein.

Ich will hier erneut ein Konzept vorstellen, dass ich seit ich mich für Raumfahrt interessiere im Kopf habe: Alle Trägerraketen von klein bis groß durch eine Familie zu ersetzen die nur wenige Triebwerke und Stufen einsetzt. Die Einsparungen kommen dann an vielen Ecken zusammen:

Es gilt dabei natürlich abzuwägen wo das Optimum ist. Ich glaube, wenn ich im Geiste die bisherigen Typen Revue passieren lasse, dass vier Triebwerke pro Stufe das Maximum sind, ab dem man darüber nachdenken sollte ein größeres Einzelnes zu nehmen. Es gibt nur wenige Träger die mehr Triebwerke einsetzen und bei allen gab es gute Gründe dafür. Es gibt aber zahlreiche Träger mit vier Triebwerken in der ersten Stufe. Daher kam ich zu folgendem Konzept

Die Triebwerke

Ich setzte voll auf Wasserstoff/Sauerstoff, da er es ermöglicht mit zwei Stufen einen Orbit zu erreichen und sogar noch eine gewisse Nutzlast in den GTO Orbit zu befördern. Mit drei Stufen kann Fluchtgeschwindigkeit erreicht werden. Zudem wird die Rakete so leichtgewichtiger, was die Anforderungen reduziert. Die Triebwerke erhalten römische Ziffern. Die Größe orientiert sich nach der minimalen Nutzlast und dem benötigten Stufenteiler.

Verzichtet habe ich bewusst auf Hochdrucktriebwerke, hohe spezifische Impulse,. auch müssen die Triebwerke nicht wiederzündbar sein, obwohl das für das erste Triebwerk technisch leicht möglich ist.

Die Stufen

Aus diesen beiden Triebwerken entstehen vier Stufen. Jede Stufe wiegt genau das vierfache der vorherigen. Das ist bei zweistufigen Raketen nahe des idealen Stufenteilers. Aus Produktionstechnischen Gründen haben jeweils zwei Stufen den gleichen Durchmesser aber unterschiedlich lange Treibstofftanks. (So unetrscheiden sich die gefertigten Triebstofftanks nur in der Länge der Mittelstücke) Stufen bekommen Großbuchstaben als Bezeichnung:

Dazu kommen dann noch zwei VEB im Durchmesser von 2,00 und 5,00 m und mindestens zwei Nutzlastverkleidungen ebenfalls im Durchmesser von 2,00 und 5,00 m.

Die Raketen

Es sind aus diesen erst mal drei Raketen sofort denkbar, die ideale Stufungen aufweisen:

Die beiden letzten Typen können auch dreistufig arbeiten:

Weiterhin sind einige Typen denkbar die nicht optimale Stufenteiler haben:

Da alle Stufen so ausgelegt sind, dass sie genügend Schub haben, auch beim Betrieb beim Boden, entstehen weitere Typen einfach durch die Hinzunahme von weiteren Stufen als Boostern. Als Beispiel habe ich nur mal den Nutzlastbereich zwischen Typ 1 und 2 gewählt:

Es kann sich jeder leicht vorstellen, dass bei den größeren Typen durch mehr Möglichkeiten kleinere Booster zu kombinieren noch viel mehr Abstufungen möglich sind. Als letzten Typ will die größte Version vorstellen, sie erreicht fast Ares V Niveau (mehr als die Saturn V)

Die Daten dieser Raketen finden sie in der Tabelle unten. Ich habe mit einem Verlust von 1700 m/s gerechnet. Die reale Nutzlast ist etwas geringer, weil bei keinem Typ die VEB mit eingerechnet wird. Trotzdem ist so eine Palette von Trägern zwischen 1 t in einen LEO Orbit (Falcon 1e Niveau) und 52 t zum Mond (Ares V Niveau, entspricht rund 138 t im LEO Orbit) möglich. Das bedeutet dass vier Stufen mit zwei Triebwerken alle derzeit in Dienst befindlichen US Trägerraketen ersetzen könnten. Die USA betreiben derzeit 14 Trägerraketen mit noch mehr Subtypen und Stufen. (Das die Startkosten nicht so stark gesunken sind wie erwartet könnte meiner Meinung nach auch daran liegen, dass es in den sechziger Jahren noch fünf Typen waren (Scout, Thor, Atlas, Titan und Saturn) bei erheblich mehr Starts.

Meiner Meinung nach wäre das eine "vernünftige" weil ökonomische Entwicklung, doch aus verschiedenen politischen und wirtschaftlichen Gründen wird sie nicht kommen.

Rakete: Typ 1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
26621112150078001701
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
12000030004365
250008004365

Rakete: Typ 2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1070206020100078001700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
18000080004365
22000030004365

Rakete: Typ 2/A)

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
10901930191000102501776
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
18000080004365
22000030004365
350008004365

Rakete: Typ 3

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
43274229742300078001700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1320000300004365
28000080004365

Rakete: Typ 3(B)

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
437913149133000102501700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1320000300004365
28000080004365
32000030004365

Rakete: Typ 4

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
904584458100078001700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
18000080004365
250008004365

Rakete: Typ 5

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
36236119361300078001700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1320000300004365
22000030004365

Rakete: Typ 6

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
35679687963000102501700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1320000300004365
22000030004365
350008004365

Rakete: Typ 7

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
37453195350078001701
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
11000016004365
22000030004365
350008004365

Rakete: Typ 8

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
42813231350078001701
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
11500024004365
22000030004365
350008004365

Rakete: Typ 9

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
17420915209110000110001700
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
112800001200004365
2320000300004365
38000080004365

Sonntag 22.10.2009: Es geht noch billiger!

Bevor ich zum letzten Blog eine ellenlange Diskussion mit "Interessierter Leser" (wäre ein anderes Pseudonym möglich, das dürfte zu Verwechslungen führen, so wie wir hier schon einige Thomas und Martins hier haben...): Nein ich habe nicht an das RD-0120 gedacht und auch nicht an die Angara. Aber ich gebe Dir recht, dass Russland wenn das Lohnniveau steigt eine Raketenfamilie sich zulegen muss, die billiger in der Produktion ist. Ansätze gab es dazu, so entstammt die Zenit einem solchen.

Nein ich sah das Konzept recht abstrakt unter dem Aspekt dass alle Nationen mehrere Trägersysteme unterhalten - heute sogar erheblich mehr als in den sechziger Jahren, obwohl die Anzahl der Starts seitdem gesunken ist und das einfach unwirtschaftlich ist. Es ist einfacher wenige Triebwerkstypen und wenige Stufen in großer Zahl zu produzieren als Dutzende davon. Die geringeren Produktionskosten gleichen dann aus, dass im Allgemeinen Feststoffbooster zumindest als erste Stufen günstiger sind. Ich habe mein Konzept  auch mal variiert und Feststoffbooster hinzugenommen, dadurch wird aber der Bereich kleiner in dem Nutzlasten möglich sind. Für kommerzielle Transporte würde es aber noch reichen. Wer es genauer haben will:_ Seit über 10 Jahren gibt es den Aufsatz "Konzepte für eine preiswerte Trägerrakete" auf meiner Website.

An konkrete Triebwerke und Typen habe ich nicht gedacht. Die Realität spielt nur eine Rolle bei dem Bereich an Nutzlast den die Träger abdecken sollten. Aber es gibt auch einen anderen Weg das gleiche zu erreichen, und er kostet keinen Cent! Einfach die Anzahl der Träger reduzieren. Alleine die USA haben derzeit 14 im Dienst. Es würden reichen um den Bereich zwischen 1 und 23 t Nutzlast abzudecken aber sechs ausreichen und da die anderen Nationen ja auch noch Träger im Einsatz haben kann man die Zahl von etwa 30 auf sechs reduzieren. Hier ein Vorschlag (über die Wahl der Träger kann man natürlich diskutieren):

Jede größere Nation ist mit mindestens einem Träger dabei (bis auf Japan, aber bisher waren deren Träger zu teuer). Die Zahl der Träger würde  sich rapide vergrößern. Auch bräuchte man nicht ein Dutzend Weltraumbahnhöfe, einer würde ausreichen oder zwei (der zweite dann nur für SSO Bahnen). Das würde viel mehr die Kosten senken als irgendwelche Optimierungen.

Ich weiß das heute noch Sturm gegen dieses Konzept gelaufen wird. In den USA werden ja gerade neue Anbieter gefördert, weil die Regierung unzufrieden mit der Preisentwicklung ist, seitdem Lockheed Martin und Boeing sich zu ULA zusammengeschlossen haben. Dazu gibt es noch nationale Vorbehalte, so sollen alle US Satelliten nur von US Trägern gestartet werden. Aber das bröckelt. Selbst Frankreich startet seine Plejades mit der Sojus und Russland einen Kommunikationssatelliten mit der Ariane 5. Schauen wir mal auf den Flugzeugbau: Dort gibt es heute noch genau zwei Hersteller von Großraumflugzeugen. Ich denke eine ähnliche Konsolidierung wird es auch beim Trägermarkt geben. Wenn eine Absicherung gewünscht wird kann man ja immer noch ein zweites System dazu nehmen und so mehr Sicherheit haben., trotzdem wären es dann viel weniger produzierte Typen als heute.

Montag 23.10.2009: Die Anforderungen an Spionagesatelliten wandeln sich

Viele Leute hängen sich ja gerne an Zahlen auf. Besonders gern spekuliert wird, wie groß der Spiegel der KH-11 bis 13 Serie ist und wie hoch deren Auflösung. Was dabei gerne vergessen wird: Die Zahl dieser Satelliten ist rückläufig und dies schon seit Ende des kalten Kriegs. Stattdessen setzt das Militär auf den Aufkauf ziviler Produkte. So ist es guter Abnehmer der Bilder von WourldView Ikonos und Co und es erprobt neue Technologien, so war der vor etwa einem Jahr abgeschossene Satellit ein neues Exemplar mit IR-Technologie.

Warum dieser Wandel? Früher war die Aufgabe eine andere. Die USA wollten wissen wie stark der Gegner ist, wo seine Armee steht und was er zur Verfügung hat. Für die ersten beiden Punkten reichen Aufnahmen mit einer Auflösung aus, die es erlauben Panzer oder Flugzeuge zu erkennen und zu zählen. Das ist schon der Fall im Bereich von 1-2 m/Pixel. Dazu sind keine hochauflösenden Bilder nötig. Damit konnte dann auch regelmäßig der Ostblock abgetastet werden. Für die Information wie er ausgerüstet ist ist dann tatsächlich eine höhere Auflösung wünschenswert, aber neue Flugzeuge und neue Panzer und Schiffe muss man nicht überall suchen - die kann man auf bekannten Erprobungsgeländen fotografieren.

Nun hat Russland kein Geld neues zu entwickeln, wie ja kürzlich auch von offizieller Seite bestätigt wurde, mit China versteht sich die USA gut und der Ostblock ist zerfallen. So gibt es heute den Terrorismus als neuen Feind. Doch da nützt eine hohe Auflösung nichts. Ein Talibankämpfer trägt keine Uniform und ist als solcher nicht zu erkennen. Vor allem müssen einzelne Terroristen in einem großen Gebiet gefunden werden, die dort auch nicht stationiert sind, sondern sich bewegen.

Das verändert die Anforderungen an die Aufklärung. Das SARLupe System ist z.B. daraufhin entworfen worden ein Ziel möglichst rasch nach einem Auftrag zu beobachten und auch die Daten möglichst rasch zur Bodenstation zu übermitteln - wenn Taliban verfolgt werden und man kann sie erst nach 1-2 Tagen überwachen können sie längst woanders sein. SARLupe arbeitet auch mit Radar und nicht mit visuellen Sensoren und ist damit Wetter- und Tag/Nacht unabhängig.

Eine zweite Technologie betrifft den Übergang zu Infrarot. Dann erscheinen warme Dinge wie laufende Motoren oder Lebewesen hell und kalte Dinge wie der Erdboden dunkel. Das erlaubt es viel leichter Personen auszumachen als im visuellen Bereich. Wünschenswert wäre eine Wellenlänge von etwa 11 µm, das entspricht der Körpertemperatur von Menschen. Noch gibt es keine CCD mit hoher Auflösung für diese Wellenlänge, aber immerhin bis 5-7 µm, was auch schon ausreichend ist. Die Auflösung nimmt im selben Maße ab, und ist dann 10-20 mal kleiner. Aber das ist bei Spiegeldurchmessern von 2-3 m auch kein Problem, sie liegt dann immer noch bei rund 1 m. Daher vermute ich dass IR Sensoren inzwischen die visuellen ergänzt haben. Von Vorteil ist natürlich auch die geringere Datenmenge und dadurch kann auch ein größeres Gebiet abgetastet werden. Wourldview kann pro Tag etwa die Fläche der BRD in 1 m Auflösung abtasten, so dass US-Aufklärungssatelliten durchaus größere Gebiete von Afghanistan und Irak täglich überwachen können.

Allerdings werden Satelliten nur die erste Stufe sind. Sie dienen dazu festzustellen wo etwas verdächtiges ist - eine Menschenansammlung oder viele Fahrzeuge in einem Land mit wenigen Autos. Ob es sich um Zivilisten oder Terroristen handelt kann dann nur eine Detailaufklärung ergeben, die heute vorwiegend mit unbemannten Drohnen erfolgt. Insgesamt ist der Stellenwert des Satellitensegments gesunken. Früher waren sie beim Ostblock praktisch die einzige Möglichkeit an Informationen zu kommen. Demgegenüber gibt es eine Explosion an Systemen: Heute haben folgende Nationen eigene Aufklärungssatelliten oder Dual-Use Erdbeobachtungssatelliten in Betrieb oder geplant: Frankreich, Italien, Deutschland, Indien, Japan, China, Isreal, die USA, Russland. Vor 20 Jahren waren es noch drei Länder: China, Russland und die USA. Das liegt daran, dass die Investitionen deutlich gesunken sind und es heute kein Problem mehr ist einen Satelliten zu bauen der 1 m Auflösung liefert und die Daten dafür zwischenspeichern kann. Eine private Initiative möchte ein "Dobson SpaceTeleskope " mit 1 m Auflösung schon in einen 100 kg Mikosatelliten einbauen.

Weiterhin sind viele der Staaten bei UN-Missionen im Einsatz in unsicheren Krisengebieten und benötigen daher eine Aufklärung die früher nicht nötig war.


Sitemap Kontakt Neues Impressum / Datenschutz Hier werben / Your advertisment here Buchshop Bücher vom Autor Top 99