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Web Log Teil 209: 3.4.2011 - 12.4.2011

Sonntag 3.4.2011: Kleine Nachlese

Anscheinend war mein Scherz zum ersten April nun doch etwas zu übertrieben, denn anders als im letzten Jahr hat man ihn sofort durchschaut. Ich habe einige Ideen gehabt auch mal wieder einen Spaß auf Kosten von SpaceX zu machen, vielleicht publiziere ich die ja noch hier unter "Satire". Das leitet mich weiter zu SpaceX. So langsam denke ich verstehe ich das Geschäftsmodell der Firma. Sie hat nun angekündigt, die Entwicklung der Falcon 1e zurückzustellen und die der Falcon Heavy (vormals Falcon 9 Heavy) anzugehen.

Das macht auf den ersten Blick keinen Sinn. Die Falcon 1e ist ja nichts anderes als eine Falcon 1 mit einem etwas leistungsfähigeren Triebwerk und etwas gestreckten Erststufentanks. Die Entwicklung sollte also viel einfacher als die der Falcon 9 sein und ursprünglich war ihr Erstflug auch vor der Falcon 9 angekündigt, hat sich aber dann sukzessive immer weiter nach hinten verschoben. Dabei wäre sie sicher das ideale Modell um das neue Triebwerk im Flug zu erproben und mehr Erfahrungen zu sammeln und erst mal in einem Marktsegment sich richtig zu etablieren - bisher dominieren ja zwei Aufträge der NASA das Launchmanifest und machen zwei Drittel aller Starts aus.

Das interessante daran ist, dass die Firma ja schon einen Kunden hat, der die Trägerrakete gebucht hat: ORBCOMM hatte einen Vertrag über den Start von 18 Satelliten abgeschlossen. Die beiden ersten sollen nun als Sekundärnutzlast einer Falcon 9 in den Orbit gelangen. Was mit den anderen passiert ist noch offen.

Stattdessen investiert die Firma nun in die Falcon Heavy. Sie bekam von der USAF die Antwort, dass um an einer Ausschreibung am EELV Programm teilnehmen zu können, sie eine Startrampe in Vandenberg benötigt und die Falcon Heavy.

Wäre SpaceX eine normale Firma, so würde sie erst mal versuchen mit der Falcon 9 und Falcon 1e im Markt Fuß zu fassen. Es gab hier zwar Fortschritte, so konnte nun zum zweiten Mal ein Auftrag für den Transport eines Kommunikationssatelliten gewonnen werden (der erste Kunde ist inzwischen wieder abgesprungen und sein Satellit wurde letztes Jahr von einer Ariane 5 gestartet) und auch ein dicker Auftrag für das Iridiumnetz konnte gewonnen werden. Aber der Durchbruch im freien Markt blieb noch aus.

Fließt dann Geld, kann man die nächste Stufe angehen. Was die Firma macht, ist dagegen sich für jeden Regierungsauftrag zu bewerben der nur geht und die gesamte Ausrichtung der Entwicklung darauf abzulegen. Was ist aus dem Anspruch geworden den Transport generell zu verbilligen? Nun es wird klar, wenn man weis, wie Starts vorfinanziert werden. Bei einem kommerziellen Starts ist bei Vertragsabschluss eine erste Rate fällig. Dem folgen weitere im regelmäßigen Abstand, bis vor dem Start der Flug vorfinanziert ist. Es ist also anders als im täglichen Leben, wo sie erst zahlen wenn eine Dienstleistung erfolgt ist. Anders würden Newcomer wohl auch kaum Fuß fassen können. Im Prinzip läuft es auch bei Regierungsaufträgen so. Nur ist es hier so, dass ein Großteil der Mittel in einem frühen Projektstadium fließt, während der Entwicklung. Nur wenig bei der Produktion und der Operation. Bei Apollo war 1967 das Jahr mit dem höchsten Etat, also zwei Jahre vor der Mondlandung. Auch beim COTS Programm ist es so. Vor dem Jungfernflug der Falcon 9 (also 6 Monate vor dem ersten COTS Start), hatte SpaceX schon 254 von 278 Millionen Dollar erhalten. Als Kistler Rocketplane die Ausschreibung gewann, erhielt die Firma auch gleich mal 30 Millionen Dollar, obwohl dann wenige Monate später feststand, dass die Firma gar nicht fähig war das Programm zu finanzieren - das Geld war futsch.

Analog läuft es auch bei USAF Aufträgen. Das bedeutet dass für eine Firma es sehr lukrativ ist sich auf solche Aufträge zu bewerben. Es ist praktisch eine Vorfinanzierung der Entwicklung durch die Regierung. Mehr noch: Aufgrund dieser Tatsache kann ein neuer Auftrag die fehlenden Mittel für die Produktions- und Operationsphase eines alten Auftrags aufbringen. Das ganze ist natürlich nur so lange möglich, wie es immer neue Aufträge seitens der Regierung gibt. Hat eine Firma dann erst mal eine lebenswichtige Bedeutung für die nationale Sicherheit oder ein Programm, so wird die Regierung sie auch so subventionieren. So erhielt Boeing im Jahr 2009 neben 500 Millionen Dollar für drei neue Starts auch 550 Millionen Dollar um "Fähigkeiten" und Anlagen am Laufen zu halten - sonst würde Boeing einfach die Ingenieure entlassen und bei dem nächsten Projekt fehlt dann das Fachwissen. Das kann sich die USAF nicht leisten, wenn die Delta IV für die nationale Sicherheit notwendig ist um Spionagesatelliten zu starten. Ich vermute dass dies auch das ist was SpaceX anstrebt: Die Regierung finanziert durch immer neue Aufträge das laufende Geschäft. Natürlich müssen irgendwann auch Leistungen folgen. Ich denke die Firma spekuliert dann darauf, das sie so wichtig ist (z.B. für die Versorgung der ISS), dass dann Preiserhöhungen hingenommen oder es andere Subventionen gibt. Man kann nur spekulieren, weil es anders als z.B. bei Arianespace ja keine Geschäftsberichte gibt die man studieren könnte. Es heißt nur das die Firma bisher immer "profitabel" war. Nur bisher hat sie ja auch immer Vorfinanzierungen bekommen und z.B. müssen ja noch zwei COTS Flüge durchgeführt werden die schon vorfinanziert sind. Ob das also noch so bleibt wird sich noch zeigen.

Am 5.4.2011 will SpaceX was "Großes" ankündigen - ich Tippe auf die Falcon Heavy.

Ansonsten möchte ich nochmals drauf hinweisen, dass ich vom 9 bis 20.4 im Urlaub bin, es also auch keine Blogs von mir gibt. Ich habe vor wahrscheinlich noch einen zum 12.4. zu Gagarins Flug zu schreiben, der sich nun zum fünfzigsten Jahr jährt, aber sonst nicht vor die 10 Tage zu füllen. Also ist das die Gelegenheit für angehende Blogautoren oder Langkommentierer hier präsent zu sein. Insgesamt hat der Blog im März auch einen neuen Besucherrekord mit über 16.000 Seitenabrufen aufgestellt - davon entfielen alleine 1200 auf diesen Beitrag, ohne das ich mir das so recht erklären kann.

Montag 4.4.2011: Atomnachlese

Nun einige Wochen nach dem Super-Gau von Japan wird es an der Zeit für eine Nachlese und zwar eine etwas allgemeiner gehaltene. Ich möchte an dieser Stelle mal meine Einstellung zur Kernkraft in den letzten Jahrzehnten reflektieren. Ich war ursprünglich für Kernkraft. Wie viele andere, glaubte ich an umweltfreundliche Energie und für mich war zumindest in den frühen achtziger Jahren es kein Widerspruch das Klima zu schützen und Kernkraft einzusetzen um Kohlendioxid zu vermeiden.

Dann kam Tschernobyl. Bei mir hat es die Meinung geändert und ich bin (anders als die meisten) auch bei dieser über die letzten 25 Jahren geblieben. Vor allem ist es interessant wie man bestimmte Phrasen immer hört: Als es in Fukoshima ernster wurde, aber man noch nicht ganz genau wusste was passiert ist, gab es in den ersten Verlautbarungen ja auch die gleichen Sprüche: "deutsche Atomkraftwerke sind sicher" und ein Unionspolitiker verwies dann auch darauf, was passiert wenn man in Deutschland aussteigt - was wird mit den unsicheren Atomkraftwerken in den Nachbarländern wie Frankreich Tschechien und Österreich... Die sind ja dann immer noch da und gefährlich (sie sind ja keine deutschen Atomkraftwerke).

Nun das zeigt schon wie es läuft. Abwiegeln, beschwichtigen, von den Problemen ablenken. Das zeigt sich schon am obigen Zitat: Österreich hat in der Tat ein Kernkraftwerk, nur ging es nie ans Netz. Es wurde vorher durch Volksentscheid stillgelegt und ist wohl das einzige sichere Kernkraftwerk der Welt. Aber es geht ja darum zu suggerieren, das Deutschland von Kernrkaftwerken umzingelt ist und eh nichts machen kann. Immerhin kann man für das Landesinnere die Situation verbessern und den Osten auch, weil die meisten an der Westgrenze liegen.

Dann das so ewig beschworene "deutsche Kraftwerke sind sicher". Warum eigentlich? Nur weil sie in Deutschland hergestellt werden? Bei anderen Industrien hat doch Deutschland auch keine Führungsrolle, so bei der Elektronik. Das kommt alles aus Asien oder Amerika. Das Argument zog noch bei Tschernobyl - der Reaktortyp war ein anderer und man unterstellt den Russen ja, dass Ihnen Menschenleben nicht so wichtig ist, Hauptsache es gibt Strom. Nun eines ist sicher unstrittig: Durch den Moderator Graphit konnte der Tschernobylreaktor brennen und so großflächig die Landschaft verseuchen. Das ist bei einem Siedewasserreaktor nicht in dem Maße gegeben. Aber wie Fukoshima zeigt kann auch hier Radioaktivität austreten. Und was war 1979 mit Harrisburg? Da entging man ja auch gerade noch einer Kernschmelze und einer Wasserstoffexplosion. Sind amerikanische Kernkraftwerke vom netten großen Bruder denn auch so unsicher? Ich habe das Argument ja schon 1986 nicht mehr geglaubt, im Gegensatz zu den Politikern.

Es gibt natürlich einige Einwände gegen das "ist sicher" Argument. Das eine ist, dass nur Fälle berücksichtigt werden, die man annimmt. Bei Fukoshima war ja nicht das Erdbeben oder der Tsunami schuld. Beides war am Ort des Reaktors schon soweit schwächer (das Epizentrum war deutlich nördlicher), dass der Reaktor es überstand. Er wurde ordnungsgemäß heruntergefahren, ganz nach Handbuch. Was ihm zum Verhängnis wurde, war der Ausfall des Stromnetzes als Folge der Ereignisse über einige Tage und dadurch Ausfall der Pumpen. Unwahrscheinlich? Hatten wir nicht vor ein paar Jahren in Norddeutschland mal einen Ausfall des Stromnetzes in einigen Regionen über Tage?

Das ist also1:1 auf Deutschland übertragbar. Das zweite was die eigentliche Explosion von Tschernobyl verursachte, waren Bedienungsfehler und die können immer vorkommen, nicht nur in Russland.

Das zweite warum ich mich gegen Kernkraft wendete, war einfach die Güterabwägung: Was hat man als Nutzen und was als Risiko. Das Risiko, das zeigte Tschernobyl, ist eine unbewohnbare Gegend in einem Umkreis von 60 km. Ziehen sie mal einen Kreis mit einem Radius von 60 km um jedes deutsche Kernkraftwerk und malen sich die Folgen aus - es müssten ganze Großstädte wie Stuttgart oder Hamburg aufgegeben werden. Das ist das Risiko. Was ist der Nutzen? Es sind höhere Gewinne der Stromkonzerne. Wohlgemerkt nicht billiger Strom wie er immer genannt wird. Denn er ist nicht billiger. Wir haben nun seit 10 Jahren eine Strommarktliberalisierung und ich habe letztes Jahr von EnBW auf einen anderen Anbieter gewechselt. Der EnBW Strom war zu 40% aus Kernenergie und er war teurer als der eines kleineren Stadtwerkes ohne Kernenergie. Es ist schlicht und einfach nicht so, dass Atomstrom billiger ist, zumal nur ein Drittel des Strompreises auf die Herstellung entfällt, der Rest auf die Gebühren für das Leitungsnetz und die Steuern und verordneten Abgaben.

Ich finde es auch interessant wie z.B. das Entsorgungsproblem von den Politikern völlig ignoriert wurde. Seit 30 Jahren sucht man nun schon ein Endlager. Bzw. man streitet über das beste. Ich frage mich: Gehört das nicht mit zur Konzeption? Müsste ein solches Lager nicht schon bereit stehen, bevor überhaupt der erste Reaktor in Betrieb geht? Wie kann man es verantworten, diese Frage nicht zu lösen und trotzdem die Reaktoren weiter zu betreiben und mehr und mehr Atommüll zu produzieren?

Ich frage mich, wie nun Politiker ernsthaft für die Atomkraftwerke sein können, denn sie nutzen ja nur den Interessen von vier großen Konzernen und bürden die Kosten für die Entsorgung der Allgemeinheit auf. Man kann sich nicht des Eindrucks entziehen, dass die Politiker, die sie trotzdem noch vertreten, entweder strunzdoof oder gekauft sind. Diesen Eindruck kann man sich auch nicht erwehren, wenn sie (was immer wieder der Fall ist), davon sprechen, dass ohne Atomstrom es nicht geht. Das Fernsehen hat nach der Wahl in BW nochmals an Whyl erinnert. Da hat unser ehemaliger MP Filbiner 1975 prognostiziert, dass ohne das AKW Whyl in BW "Ende des Jahrzehnts die ersten Lichter ausgehen". Und nichts ist passiert. Innerhalb von zehn Jahren ist der Anteil regenerativer Energien auf 17,5% gestiegen. Wir haben eine Überkapazität aufgebaut und nur deswegen war es möglich von Heute auf Morgen einfach sieben Reaktoren vom Netz zu nehmen, also ein Drittel aller AKW. Wenn das so weiter geht, brauchen wir in weiteren zehn Jahren keine AKW mehr.

Auch hier muss man den Sachverstand von Politikern anzweifeln. Kennen sie nicht die Überkapazität? Aber das muss man nicht, denn das Moratorium zeigt ja, dass sie genau wissen, dass man vin wenigen Tagen sieben Reaktoren abschalten kann ohne die Versorgung zu gefährden, während sie vor wenigen Monaten noch sagten ohne sie bricht alles zusammen und man muss die Laufzeiten verlängern. Nur wird dann eben nicht das Gesetz mal schnell geändert (ging vor vier Monaten ja auch) sondern wahlkampfwirksam ein "Moratorium" verkündigt. Das Ziel war es wohl nach drei Monaten das wieder aufzuheben, wenn der Staub sich gelegt hat. Scheint so als ginge diese Rechnung nicht auf.

Meine Meinung: Man braucht keine Gesetze über Laufzeiten sondern nur Marktwirtschaft. Das klingt verrückt? Nein ist es nicht. Die Konzerne sollen ihre AKW betreiben können auch neue bauen können, wenn sie wirtschaftlich sind, Nur eben mit allen Kosten auch denen die heute der Allgemeinheit aufgebürdeten. Dazu gehören:

Ich wette, wenn man so die Kosten der Atomenergie den echten Kosten anpasst, sind die Reaktoren schneller vom Netz als es sich selbst grüne Politiker vorstellen können.

Man kann die letzten Wahlen ja auch anders interpretieren. Nicht als Folge von Fukoshima, denn es hat die Regierung ja sofort gehandelt. (Andere Länder wie die USA ja gar nicht, dort werden sogar neue AKW gebaut). Sondern als Ausdruck der Glaubwürdigkeit der Parteien. Die liegt nach Ansicht des ZDF Politbarometers derzeit so:

"Noch schlechter steht es um die Glaubwürdigkeit seiner Partei: 79 Prozent halten die FDP für unglaubwürdig. Am besten schneiden auch bei der Glaubwürdigkeit die Grünen mit 62 Prozent ab. Bei allen anderen Parteien ist das Verhältnis von Glaubwürdigkeit zu Unglaubwürdigkeit deutlich schlechter: SPD 45 zu 49 Prozent, CSU 37 zu 54, CDU 35 zu 60, Linke 22 zu 71 Prozent.".

Die Mehrheit der Bürger hält also die Regierung für unglaubwürdig. Die Verluste der FDP sind am höchsten und ihre Glaubwürdigkeit am geringsten. Die Gewinne der Grünen am höchsten und ihre Glaubwürdigkeit die höchste. Es wurden die Partien abgestraft denen man ihre dauernden Wechsel nach dem Wind nicht mehr abnimmt. So dumm ist der Wähler dann doch nicht.

Mittwoch 6.4.2011: Discoverys zweites Leben

Ich will euch nicht meine zweite Idee für einen Aprilscherz vorenthalten. Das ist sie:

Wie heute bekannt wurde hat das Smithsonian Institut die Raumfähre Discovery nicht gekauft, um sie im Museum auszustellen. Wie April First, Museumsprecherin bestätigte: "Wir haben mit der Enterprise schon eine Raumfähre. Die meisten Besucher halten sie auch für eine echte Raumfähre, schon aufgrund des Namens. Die Discovery ist dagegen den meisten nicht bekannt und wir würden sie nur verwirren". Stattdessen hat das Museum sie im Auftrag von SpaceX gekauft: "Sie haben uns dafür die erste Dragon Kapsel, eine vollständige Falcon 1e und Falcon 9 und die erste geborgene Stufe einer Falcon 9 versprochen. Natürlich bezahlen sie auch die Raumfähre".

SpaceX CEO Elon Musk bestätigte gestern den Deal: "Wir wollten eine Raumfähre, aber sie standen nur für Museen zum Verkauf. Also kontaktierten wir alle größeren Luft&Raumfahrtmuseen und das Smithsonian war zur Zusammenarbeit bereit". Was wird SpaceX aber mit der Discovery machen? "Sie wird erneut ins All fliegen, was denn sonst? Die Raumfähren sind sicher und alle Probleme, die es gibt, können wir lösen weil unsere Discovery nicht auf dem Rücken von Feststoffraketen und einem Tank ins All fliegen wird."

Elon Musk publizierte ein neues Konzept für SpaceX: Weltraumtourismus. "Wir sind angetreten den Transport ins All radikal zu verbilligen und das gilt auch für den Weltraumtourismus.". Anders als wie bisher wird sich SpaceX nicht mehr für den kommerziellen Crewtransport der NASA bewerben. "Wir haben die Anforderungen unterschätzt. Als wir die ersten Unterlagen für eine bemannte Dragon zurückbekamen und die Bemerkungen gelesen und durchgerechnet haben, so stellte sich heraus, dass alleine der Fluchtturm nach NASA Anforderungen 1 Milliarde Dollar kosten wird. Vorher rechneten wir mit den ganzen Umbaukosten der Kapsel von nur 500 Millionen Dollar. Wenn wir alle NASA Anforderungen umsetzen, werden wir nicht billiger sein können, als unsere Konkurrenten".

Stattdessen wird nun SpaceX eine Zusammenarbeit mit Bigelow Aerospace eingehen. Ihre Raumstation "BA 330" wird nächstes Jahr mit einer Falcon 9 in den Orbit gelangen. "Bigelow wird vier weitere Module und ein Verbindungsmodul mit sechs Kopplungsstellen mit Falcon 9 Raketen starten. Diese Weltraumstation wird dann von der Discvoery angeflogen, die am verbliebenen Kopplungspunkt andockt".

Doch wie soll die Discovery ins All gelangen? Auch das hat SpaceX schon gelöst. "Wir arbeiten seit einem Jahr an der Falcon XXL. Sie besteht aus drei Ringen aus Falcon 9 Erststufen. Eine in der Mitte, umgeben von sechs weiteren und neun in einem dritten Ring. Auf der Zentralstufe befindet sich dann die Discovery. Die Neun äußeren und drei der inneren Stufen zünden beim Start, die Zentrale und drei im zweiten Ring bilden dann die zweite Stufe.".

Bedenken, bis zu 108 Triebwerke gleichzeitig zu zünden, hat Elon Musk nicht. "Unser neuer Berater Lutz Kayser, denn wir von Interorbital abwerben konnten, versicherte uns das dies kein Problem ist und wird uns auch technische Unterstützung leisten. Zudem wollen wir die neun Triebwerke einer Stufe sobald durch ein Merlin 2 ersetzen, sodass es nur noch 12 sind.". Die NASA, gefragt, ob sie SpaceX fördern wollte verneinte dies. "Wir sind schon verärgert, dass SpaceX die Raumfähre erneut einsetzen wird. Wenn sie einen Unfall hat wird dies wieder auf die NASA zurückfallen und unser Image schädigen. SpaceX hat Förderanträge für das Merlin 2 eingereicht, um Gelder aus dem Programm für die Entwicklung von Antrieben von Schwelastraketen zu erhalten, aber da dieses nur offen für LOX/LH2 und LOX/LNG Antriebe ist, mussten wir diese ablehnen".

Wie wird nun eine Mission aussehen? SpaceX versucht derzeit von der NASA die beiden verbliebenen MPLM zu kaufen und sie mit einem Verbindungstunnel zu verbinden. Im vorderen Modul befinden sich 18 Sitzplätze und im hinteren 12, dazu im hinteren noch 5 t Fracht und im vorderen 3 t. Im Cockpit werden sich zwei bis vier Besatzungsmitglieder aufhalten, welche nicht nur für die Discovery sondern auch die Touristen zuständig sind. Die 30 Touristen werden sich dann in den fünf Modulen von Bigelow aufhalten, wobei die typische Missionsdauer rund 14 Tage beträgt.

Die Nutzlastkapazität der Falcon XXL beträgt rund 135 t, ausreichend für das Shuttle, das nun ohne Triebwerke 10 t leichter ist) und 40 t Nutzlast. Davon werden nur rund 25 t benötigt. "Wir denken auch daran die ISS anzufliegen und dort Fracht abzuliefern und zu holen. Im Frachtraum gibt es noch Platz für zwei Expresspaletten, das sind über 8 t Fracht zur ISS. doch auch so wird SpaceX sehr viel günstiger als jeder andere Anbieter von Tickets in den Weltraum sein. Wir rechnen mit einem Ticketpreis von 15 Millionen Dollar.".

Nun fehlt sind nur noch die rund 30 Touristen pro Flug. "Die Falcon XXL ist schon fertig projektiert, sobald wir 30 Vorbuchungen haben, legen wir los.

Donnerstag 14.4.2011: Ariane 5 Mondrakete

Muss es immer was neues sein? Also wenn die ESA die Industrie fragt, bekommt sie ja immer die Antwort "Ja" - und die gleiche Antwort bekommt. Warum auch nicht, wenn sie einen Handwerker nach einer Meinung fragen, wie man ihr Wohnzimmer neu einrichten könnte, dann bekommen sie von vielen auch ein Angebot das im oberen Bereich der Möglichkeiten liegt.

Wenn mal wieder die Pläne für Mond- und Marsmissionen aufkommen, dann möchte ich auch eine besteuern. Warum immer eine neue Trägerrakete erfinden? Viel Geld in deren Entwicklung stecken, wenn sie doch nur wenige Starts absolvieren wird? Hier eine Idee, wie sich die ESA beteiligen könnte - mit einer Ariane Mondrakete, aufgebaut aus der Ariane 5.

Das verbindet weitgehend die Elemente der bisherigen Ariane 5 in weitgehend unveränderter Weise zu einer neuen Rakete. Nur transportiert diese rund 64 t zum Mond, mehr als eine Ares V. 178 t sind es (theoretisch, dazu unten mehr) in einen niedrigen Erdorbit.

Natürlich sind noch Änderungen nötig. So wirkt der Schub der EAP nun einseitig außen an den EPC, das macht sicher Anpassungen an der Struktur nötig. Auch die zentrale EPC wird anzupassen sein. Zum einen fallen nun die von den EAP induzierten Schwingungen deutlich geringer aus, weil sie durch die sechs äußeren EPC gedämpft werden. Man könnte das noch optimieren, indem man die Verbindungen mit Schwingungsdämpfern versieht. Umgekehrt ist EPC derzeit ausgelegt auf den Transport der ESC-B und einer 12 t schwerem Nutzlast, was zusammen rund 46 t wiegt. Für 64 t wird sie ein wenig verstärkt werden müssen, für eine Last von 178 t (für den Transport in den Erdorbit) wird es einiges mehr sein.

Auf der anderen Seite gibt es Möglichkeiten zu Optimierung. Da die zentrale Stufe nur im Vakuum arbeitet, kann man sie mit einer größeren Expandionsdüse versehen. Wie beim Vinci Triebwerk kann man sie ausfahrbar gestalten. Bei einem Vulcain Mark III wurde das mal untersucht und es soll eine um 150 m/s höhere Ausströmgeschwindigkeit bringen,. Nimmt man nur konservative 100 m/s an, so sind es 5 t mehr Nutzlast.

Eine der Optionen für den Ausbau der Ariane 5 sind EAP Booster mit CFK-Werkstoffen. Sie sind leichter, haben einen höheren Brennkammerdruck und eine höhere Ausströmgeschwindigkeit. Nimmt man die projektierten Werte dieser CFK-EAP, so gibt das nochmals 4 t mehr Nutzlast (rund 73 t). Das sollte auch Gewichtssteigerungen bei den EPC auffangen können.

Ich denke es ist machbar. Die Anpassungen sind gering, verglichen mit der projizierten "Liberty" Rakete von ATK, wo eine EPC auf einem 5-Segment Shuttle SRB sitzt: Sie ist dort viel höheren Vibrationsbelastungen ausgesetzt, die Spitzenbeschleunigung ist höher, und das Triebwerk muss in der Schwerelosigkeit gezündet werden. Was problematisch sein wird, ist mit dem heutigen Vulcain 2 eine Mission mit zwei Zündsequenzen, da es dafür nicht ausgelegt ist. In diesem Falle müsste eine weitere Stufe in den Orbit transportiert werden, z.b. eine verkürzte EPC mit Feststofftriebwerken zur Vorbeschleunigung des Treibstoffs. Diese würde dann die zweite Zündsequenz durchführen. Damit wären dann Missionen wie sie die NASA im Constellation Programm plant (Besatzung und Ausrüstung getrennt gestartet).

Kostenabschätzungen

Ich denke die Entwicklungskosten wären aufgrund der weitgehend unverändert übernommenen Elemente überschaubar. Man braucht eine neue Startrampe, schon alleine weil die Öffnungen für die Raketentriebwerke woanders sind als bei der Ariane 5.

Die Produktionskosten sind abschätzbar. Unter der Annahme, das bei einer Ariane 5 von den Produktionskosten

wären die Kosten dieser Moon-Ariane 5 zu berechnen nach: 7 x 45 % + 12 * 25 % + 10 % = 625 % einer Ariane 5 und somit bei rund 684 Millionen Euro.

Auf der anderen Seite senkt die höhere Stückzahl die Herstellungskosten. Nimmt man zwei Starts pro Jahr an, so bedeutet dass eine dreimal höhere Produktionsrate gegenüber der Ariane 5.  Nimmt man eine Erfahrungskurvenwert von 75%, so sinken die Produktionskosten auf 63,3 % des Wertes bei derzeit sieben produzierten Ariane 5 pro Jahr, also 433 Millionen Euro - viermal so teuer wie eine Ariane 5 oder so teuer wie ein Space Shuttleflug, also durchaus bezahlbar. (Als Nebeneffekt sinken natürlich auch die Produktionskosten der normalen Ariane 5 auf 63,3%...

Samstag 9.4.2011: Stöchiometrie bei Raketen

Fangen wir mal an zuerst mal das böse Fremdwort zu erklären: Stöchiometrie. Gemeint ist damit die Berechnung der Verhältnisse der bei einer Reaktion beteiligten Substanzen, damit diese vollständig umgesetzt werden. Nehmen wir mal die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff als ganz einfaches Beispiel. Die Reaktionsgleichung lautet:

2 H2 + O2 → 2 H2O.

Ein Mol Wasserstoffmolekül (H2) wiegt 2 x 1 g, ein Mol Sauerstoff (O2) 2 x 16 g. Das Verhältnis für eine vollständige Umsetzung liegt also bei 4 zu 32 oder 1 zu 8. Liegt es höher, z.B. bei 10 zu 1 so wird ein Teil des Sauerstoffs nicht umgesetzt. Ist es niedriger z.B. bei 6 zu 1, so wird ein Teil des Wasserstoffs nicht umgesetzt.

In Raketen ist es immer so, dass von dem Verbrennungsträger (hier der Wasserstoff, andere Verbrennungsträger sind Kerosin, Hydrazinderivate, Aluminium) im Überschuss vorliegt und der Oxidator (hier Sauerstoff. andere Oxidatoren sind Stickstofftetroxid, Salpetersäure oder Ammoniumperchlorat) nicht ausreicht den gesamten Treibstoff zu oxidieren.

Warum?

Nun, bei den Antrieben die nach dem Nebenstromverfahren arbeiten, wird ein Teil des Treibstoffs für den Gasgenerator benötigt. Dort wird der Oxidator im extremen Unterschuss verbrennt, damit die Gastemperaturen nicht so hoch sind. Das erzeugte Gas muss nämlich dann noch eine Turbine antreiben und da sollte es vielleicht nicht 3000°C sondern nur 600°C heiß sein. Der Überschuss an Verbrennungsträger wirkt praktisch als Kühlmittel. Bei Nebenstromantrieben wird dieser Anteil nicht in die Brennkammer eingespritzt, sodass er automatisch die Gesamtmischung ärmer an Oxidator macht. Desgleichen kann es sein dass andere Ströme (je nach Treibstoffart) benutzt werden, um die Tanks zu druckbeaufschlagen oder Verniertriebwerke anzutreiben.

Es gibt aber auch andere Gründe. Zum einen gibt es Triebwerkstypen, die einen Teil des Treibstoffs zur Film- oder Schwitzkühlung benötigen. Dieser tritt durch die Brennkammerwand ein und verdampft und kühlt so die Wand. Obwohl dies zwar prinzipiell mit dem Oxidator und dem Verbrennungsträger geht, wählt man fast immer den Verbrennungsträger, da die meisten Oxidatoren bei hohen Temperaturen auch Metalle angreifen. Auch bei der Verbrennung hilft ein Überschuss an Verbrennungsträger einen lokalen Oxidatorüberschuss und damit eine Oxidation der Brennkammer zu vermeiden.

Eine stöchiometrische Verbrennung liefert die höchsten Verbrennungstemperaturen und damit meist die höchste Ausströmgeschwindigkeit, die ja auch von der Gastemperatur abhängt. Trotzdem arbeiten die meisten mit Verbrennungsträgerüberschuss. Warum? Nun eine zweite Rolle spielt auch die Molmasse der Abgase. Bei Wasserstoff/Sauerstoff verbleibt ungebrannter Wasserstoff, der mit einer Atommasse von 2 viel leichter als das Wasser mit 18 ist. Bei gleicher Temperatur weist daher das leichtere Molekül eine höherer Geschwindigkeit auf (Mit gleicher Muskelkraft kann man einen Handball viel stärker beschleunigen, als einen Basketball). Bei anderen Treibstoffen kommt noch dazu, dass es zum Teil noch Nebenreaktionsprodukte gibt die eine geringere Molekülmasse haben. Bei der Verbrennung von NTO mit UDMH entstehen bei stöchiometrischer Verbrennung als Reaktionsprodukte Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff. Liegt UDMH im Überschuss vor, so können auch Stickoxid (NO), Lachgas (N2O), Kohlenmonoxid (CO) und andere Verbindungen entstehen.

Der Effekt ist, das die unvollständige Verbrennung energetisch günstiger sein kann, da die Molmasse des Abgases sinkt. On dies der Fall ist hängt sehr stark von dem Raketentriebwerk ab. Die erste Abbildung links ist die Simulation für ein typisches Erststufentriebwerk. Das stöchiometrische Verhältnis von NTO/UDMH beträgt 3,06 für LOX/RP-1 liegt es bei 3,4 und bei LOX/LH2 ist es 8,0.

Diagramm 1 zeigt die typischen Umstände bei einem Erststufentriebwerk (40 Bar, Expansionsverhältnis 15 und zwar für den Bodenimpuls). Deutlich ist, dass die unterstöchiometrische Verbrennung bessere spezifische Impulse liefert. Das ändert sich wenn man eine größere Expansionsdüse einsetzt (entsprechend niedrigeren Gastemperaturen am Düsenende - nun können weitere Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen stattfinden. Sie liefern weitere Energie und bilden leichtere Endprodukte. Die zweite Abbildung zeigt den Vakuumimpuls bei einer Düse mit einem Expansionsverhältnis von 240 (alles theoretische Werte, berechnet mit FCEA). Deutlich ist, dass nun der höchste spezifische Impuls bei LOX/RP-1 und UDMH/NTO nahe des stöchiometrischen Verhältnisses vorliegt. Lediglich bei LOX/LH2 ist der Einfluss der neunmal niedrigeren Atommasse von molekularem, ungebranntem Wasserstoff so groß, dass der höchste Wert bei 5,5:1 erreicht wird, allerdings mit einem starken Plateau zwischen 4,5 und 6,5.

In den letzten Jahrzehnten ging der Trend zu höheren Mischungsverhältnissen. Die alten RL-10 arbeiteten bei 5:1. Die neuen und das Shuttle SSME bei 6:1. Beim Vulcain 2 beträgt es schon 6,8 zu für die Brennkammer. Der Grund dafür liegt in dem großen Volumen dass der Wasserstoff benötigt. Seine Dichte ist 16-mal kleiner als beim Sauerstoff. Selbst bei einem Verhältnis von 5:1 ist so der Wasserstofftank dreimal voluminöser als der Sauerstofftank. Ähnliche Tendenzen sieht man auch bei LOX/Kerosin. Die Thor verwandte noch ein Mischungsverhältnis von 2,1 zu 1 und das RD-180 liegt bei 2,7 zu 1.

So damit entlasse ich euch in eine blogarme Zeit. Ich bin bis zum 20.4 in Nesselwang um nach dem Rechten zu sehen, Großputz zu machen etc. Wer mal wissen will wie es dort aussieht, kann dies hier tun. Ich habe einen Blog zum 12.4. erstellt zum 50.sten von Gagarins Flug. Von Frank kommt ein Blog am 13/15. Vielleicht nutzen thomas und Kevin ihren Zugang zum blog um auch noch einen zu verfassen. Ansonsten sehen wir uns am 20 oder 21.sten wieder.

Dienstag den 12.4.2011: Gagarins Flug

Heute jähren sich zwei historische Daten in der Raumfahrt: Vor dreißig Jahren startete die erste Raumfähre Columbia zu ihrem Jungfernflug mit Bob Crippen und John Young und vor fünfzig Jahren war es Gagarins erster Raumflug.

Ich will mich mit dem ersten beschäftigen und wenn die Shuttles ausgemustert sind auf diese zurückblicken.

Bis heute gibt es sehr wenig Material über den Flug von Gagarin. Das meiste wurde erst nach der Öffnung der Sowjetunion bekannt. Das wohl spektakulärste, neben einigen kleineren Vorkommnissen, wie dem Verlust des Bleistifts in der Schwerelosigkeit, war, dass sich die Landekapsel der Wostok beim Wiedereintritt nicht vollständig von der Serviceeinheit löste und noch mit einer Leine verbunden war und so am Anfang des Wiedereintritts um den gemeinsamen Schwerpunkt torkelte. Erst die Hitze durchtrennte die Verbindung. Gottseidank war die Landekapsel als Kugel mit einem die ganze Oberfläche bedeckenden Hitzeschutzschild ausgelegt, sodass sie keinen Schaden nahm.

Ich habe in der aktuellen Sterne und Weltraum einen Bericht über Gagarin und seinen Flug gelesen. Eines hat er aber verschwiegen, genauso wie die Sowjetunion damals: Gagarin hatte zwar den Rekord für den ersten Raumflug aufgestellt (wofür es reichte, eine Höhe von 100 km zu erreichen), aber die Sowjetunion weigerte sich den genauen Startort zu nennen (und gab später Tjuaratam an, das jedoch 270 km nördlicher lag) und schließlich fehlten die Details über die Landung: Aus gutem Grund, denn Gagarin war nicht in dem Fluggerät gelandet, wie es für die Anerkennung des Rekords vorgeschrieben war, sondern vorher mit dem Fallschirm ausgestiegen - das war bei Wostok so vorgesehen.

Noch weitgehend weniger bekannt ist, dass Gagarin keinen ganzen Orbit durchlaufen hat. Zwar ist der Landepunkt südlicher als der Startpunkt (45° zu 50°), aber von dieser Strecke geht die Aufstiegsbahn der Rakete ab und die Bremsung erfolgte auch schon einige Minuten vor der Landung, sodass die Orbithöhe verlassen wurde. Aber Gagarin hat immerhin die Orbitalhöhe und vor allem die Geschwindigkeit für einen Orbit erreicht.

Das taten die beiden ersten Raumfahrer der USA nicht und so wird auch John Glenn als erster Amerikaner nach seinem Raumflug frenetisch gefeiert, denn er erreichte einen Orbit. Die SuW hat da eine andere Sicht. Auf den Artikel folgt eine Übersicht der Raumflüge, wobei auch drei private Raumflüge enthalten sind. Sie kennen keine drei privaten Raumfahrer? Nun in der Zeitleiste wird deutlich, dass die Redaktion die Flüge von "Spaceship One" als Raumflüge ansieht. Vielleicht weil es gerade en Vogue ist und es nur wenige sind. Ob sie auch noch dazu zählen wenn es einige Hundert sind? Das könnte in einigen Jahren so sein. Denn SpaceShip One erreicht gerade einmal etwas mehr als dreifache Schallgeschwindigkeit. Dazu benötigt das Raumfahrzeug wenig Treibstoff und es könnte sehr oft fliegen. Ich halte es für einen grundsätzlichen Fehler, zwei unterschiedliche Flüge zu vermischen, nämlich die welche einen Orbit erreichen (v=7.800 m/s) und denen welche die Grenze des Weltraums (100 km Höhe) ankratzen (v=1.100 m/s). Genauso gut könnte man Autos die 50 km/h erreichen und welche die 350 km/h erreichen, beide als "Rennwagen" bezeichnen. Da würde jeder auch dies als Unsinn ansehen oder man müsste zu den Starts von Satelliten auch die von Höhenforschungsraketen hinzuzählen.

Interessant ist, dass bis heute es kaum technische Details zu dem Wostok-Raumschiff gibt und auch nicht so viele zur Sojus Trägerrakete trotz 50 Jahren die seitdem vergangen sind. Woran es liegt? Also Geheimhaltung kann es heute nicht mehr sein. Ich vermute das diese technikaffine Ader einfach in Russland nicht so verbreitet ist. Wer von russischen Autoren Bücher über die Raumfahrt liest findet auch viele Geschichten, aber kaum etwas über die Technik. Nicht umsonst hatten damals ja alle Produkte nur "Erzeugniscodes" und keine echten Bezeichnungen. Wichtiger waren Personen und propagandistisch wichtige Leistungen, was ja bis heute so gilt. So ist die Erforschung mit Satelliten seit dem Zusammenbruch der GUS praktisch zum Erliegen gekommen. Nur noch die publizistisch wirksame bemannte Raumfahrt ist übriggeblieben. Vielleicht ist die Technikfixierung etwas typisch westliches (vielleicht noch japanisches). Trotzdem wäre es ganz nett wenn man nicht weitere 50 Jahre bis zu Details über die Wostok warten muss.


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