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Web Log Teil 446: 3.1.2016 - 9.1.2016

3.1.2016: Religion, Vielgötterei und Jenseits

So, nah einer Pause gehts heute mal weiter im Blog. Für alle die ein Raumfahrtthema erwarten - es kommt keins, also könnt ihr gleich weitersurfen. Ich habe eine Idee für ein Thema und das wird arbeitsintensiv. Das ist auch der Grund, warum ich in den letzten Wochen wenig geblogt habe: ich habe mir schon vor dem Jahreswechsel vorgenommen zielstrebiger zu sein, das heißt erst mal wird das Raketenlexikon fertiggestellt. Da bin ich heute morgen (auch schon etwas verspätet, denn ich wollte es bis zum 1.1 schaffen) mit der Recherche fertig geworden - 565 Seiten sind geworden, aber da ich von Norbert Brügge noch Grafiken bekomme wird es wahrscheinlich noch umfangreicher.

Jetzt steht das Korrekturlesen an, das ich bis zu meinem Geburtstag erledigt haben will und dann kann es hoffentlich bald erscheinen. Erst dann steht wieder die Webseite an, da wären noch Aufsätze zu Exomars, Insight zu schreiben bzw. stark zu ergänzen.

Auf das heutige Thema bin ich gekommen, weil vor Weihnachten wieder einige Sendungen über die Bibel und was historisch belegt ist kamen und ich zu Weihnachten einen Roman geschenkt bekommen habe: "Mieses Karma". Den 1296 Kommentaren und der Tatsache, das es schon die 42 Auflage ist nach zu urteilen, ist das ein Bestseller. Er handelt von der Fernsehmoderatorin Kim Lange die stirbt und wiedergeboren wird und immer noch an ihrem Ehemann und Tochter hängt. Ich bin noch nicht ganz durch doch immerhin hat sie es geschafft, von der Ameise zum wiedergeborenen Menschen aufzusteigen. Eigentlich hätte sie ja ins Nirwana gehen können, aber siehe oben.

Das leitet mich über zu meinem Thema Religion und Gottesglaube. Und bevor einer meckert: das sind meine persönlichen Gedanken, ohne Anspruch auf wissenschaftliche Korrektheit.

Für mich liegt der Ursprung der Religion darin, dass wir als einzige Spezies uns bewusst sind, dass wir sterben müssen. Akzeptieren können wir das nur schlecht. In allen Religionen gibt es daher eine Aussage, über das was nach dem Tod geschieht. Entweder irgendein Leben nach dem Tod oder eben im Buddhismus das Streben nach dem Nirwana. Das die Menschen schon früher an so etwas wie einer Existenz nach dem Tod geglaubt haben, sieht man daran dass sie ihre Toten begruben und Grabbeigaben mitgaben. So etwas findet man schon bei den Neandertalern, dort ist die Deutung aber noch etwas umstritten, bei Homo sapiens sind die Beigaben aber klarer und verweisen auf eine Vorstellung das die Toten noch irgendetwas vor haben.

Von der Idee, das es nach dem Tod weitergehen soll, ist es nicht weit zu der Idee, dass dann auch dieses Leben beeinflusst wird. Entweder von den Geistern der Toten oder einer diffusen Macht, die man auch gerne Schicksal nennt oder eben zu Göttern. Darstellung von Göttern gibt es schon in der Steinzeit. Von allen frühen Hochkulturen wissen wir das sie mehrere Götter verehrten. Heute hat das in der Sprache einen negativen "Touch", dabei war es auch in Israel so, dass Jahwe lange Zeit nur einer von vielen Göttern war. Er wurde erst zum alleinigen Gott als Israel im achten Jahrhundert vor Christus in eine Reihe von Kriegen mit Assyrien verwickelt wurde. Erst da rückten die anderen Götter zurück, weil Jahwe auch Kriegsgott war. Später wurden die anderen Götter verboten und das findet man auch in der Bibel in Geschichten wie dem vom goldenen Kalb.

Älter ist der erste Versuch des Monotheismus durch Pharao Echnaton. Über die Motive von Echnaton streitet man sich noch heute. Manche halten ihn auch für verrückt. Schließlich gründete er mal so eben eine neue Hauptstadt und vor allem sehen auch die Abbildungen von ihm ziemlich grotesk aus. Zwar weicht die ägyptische Kunst in ihrer Ästhetik stark von der heutigen ab, aber so unproportioniert wurden früher nie Menschen dargestellt wie die Königsfamilie unter Echnaton. Er hatte jedenfalls keine Chance. Nach seinem Tod kehrten die anderen Götter wieder zurück - die Priester waren schon damals eine Macht im Staate.

Auch wenn heute mit Christentum, Judentum und Islam die monotheistischen Religionen weit verbreitet sind (der Hinduismus basiert auch auf einigen Göttern) halte ich den Polytheismus für für die Erfahrung der Menschen im Alltag logischer. Die Sache ist doch die: Im Leben ist man mit Dingen konfrontiert, die einen an einen beschützenden Gott zweifeln lassen: Krankheit, Naturkatastrophen oder auch nur die Dinge die Menschen einander antun können. Gibt es mehrere Götter, so gibt es dafür eine Erklärung: die anderen Götter haben sich eingemischt oder wurden vernachlässigt und strafen nun. Wer die Illias und Odyssey liest, der weis wie die Griechen sich das dachten: Da griffen die Götter in Schlachten ein, nahmen menschliche Gestalt an. So wechselte das Schlachtenglück und man konnte sich den wechselhaften Verlauf des eigenen Schicksals erklären. Die griechischen Götter waren auch im verhalten zutiefst menschlich.

Der Monotheismus hat da seine Erklärungsnöte und so richtig monotheistisch ist die christliche Religion auch nicht. Unter den Römern wurde sie verfolgt, weil sie den römischen Kaiser als Gott nicht anerkannten. Die Römer duldeten zwar auch andere Religionen und übernahmen sogar einige fremde Götter, aber sie bestanden eben drauf das ihr Kaiser auch ein Gott war und als solcher angebetet wurde. Von dem strikten Monotheismus hat sich die katholische Kirche weit entfernt. Nicht nur, das sie sich nun als Nachfolger des Imperiums sieht "Römisch-Katholische" Kirche. Sie hat auch das Gottgleiche von Menschen übernommen, denn der Papst ist ja Stellvertreter Gottes auf Erden und unfehlbar. Auch mit dem Monotheismus ist es nicht so weit her. Das wird mir jedes Mal beim Apostolischen Glaubensbekenntnis klar. Da gibt es den Vater und den Sohn und den Heilligen Geist, also drei Götter die doch irgendwie nur einer sein sollen. Dann gibt es noch die Gemeinschaft der Heilligen, als evangelischer finde ich die zwar im Glaubensbekenntnis aber sonst nirgendwo in der Religion. Zumindest kann ich mich an keine Predigt über Heilige erinnern. Bei den Katholiken ist das anders, da gibt es sogar heute noch neue Heilige. So wurde der letzte verstorbene Papst ja auch schon zum Heilligen erklärt. Komisch mir kam er er sehr irdisch vor.

Man merkt es: ich bin nicht wirklich gläubig. Zum einen bemerke ich recht wenig von göttlichen Mächten. Zum anderen ist alles endlich. Selbst Gebirge, Sterne und das Universum, also Dinge die uns unveränderlich erscheinen. Da daran zu glauben das ausgerechnet wir Menschen so was wie ein Leben nach dem Tod oder Wiedergeburtszyklen durchleben, erscheint mir unlogisch. Meiner Ansicht nach ist das so was wie eine Disziplinierung: wenn Du im Leben gut bist, dann gibt es eine Belohnung (oder Strafe) nach dem Tod. Denn sonst ist es im Leben ja nicht so, dass gutes Verhalten immer belohnt wird. Im Gegenteil. Das ist für mich auch der tiefere Sinn jeder Religion, so unterschiedlich sie auch sind: Regeln fürs Miteinanderleben aufstellen. Sicher, es gibt auch die Gesetze, doch die sind nur der Mindeststandard. Nach dem Gesetz soll ich anderen nichts antun, doch das Gesetz fordert nicht das ich zu ihnen freundlich sein soll, wohl aber die Religion "Liebe deinen Nächsten wie dich selbst". Das kann man meiner Ansicht nach aber auch umsetzen, ohne an einen Gott zu glauben. Im Buddhismus gibt es, soweit ich informiert bin, keinen Gott, aber Regeln für das "rechte" Leben. Allerdings auch nicht in Reinform sondern wieder verbunden mit dem Konzept der Wiedergeburt, irgendwie scheint es nicht zu reichen das Richtige zu tun. Es muss immer noch ein (jenseitiger) Anreiz geschaffen werden.

4.1.2016: Strukturfaktoren

Auf den heutigen Blog, der auch für mich zum Nachschlagen dient, bin ich durch das Beschäftigen mit der gelandeten Falcon 9 Erststufe gekommen. Als SpaceX die Falcon 9 baute reklamierte Elon Musk einen Strukturfaktor von 30 für die erste Stufe, das habe ich damals bezweifelt. Ich kann mich noch an einen Kommentar erinnern in dem Tenor "Warum eigentlich, die Titan ICBM kamen auch schon auf über 20". Doch dazu später mehr. Ich glaube nicht, dass die heutige Erststufe einen Strukturfaktor von 30 (für die Oberstufe werden 25 genannt) hat, denn sonst wäre die Nutzlasteinbuße nicht nur 30%. Die erste leichtgewichtige Falcon 9 Stufe kam ja nur in Bruchstücken an, so kann man annehmen das die heutigen die den Wiedereintritt überstehen robuster aber auch schwerer sind. Die meisten Autoren schätzen heute sie auf 20 bis 25 t Trockengewicht was einem Strukturfaktor von 16 bis 20 entspricht.

Aber fangen wir mit den Grundlagen an. Was ist der Strukturfaktor? Er ist einfach das Verhältnis von Startmasse zu Leermasse einer Stufe:

Strukturfaktor = Startmasse / Leermasse

Im folgenden beziehe ich mich nur auf Erststufen, weil ich denke dass hier ein deutlicher Abfall der Strukturfaktoren in den letzten Jahrzehnten sichtbar ist. Je höher der Wert ist, desto leichter ist eine Stufe. Warum sollte der Strukturfaktor denn ansteigen?

Nun wenn man die Bestandteile eine Rakete aufteilt so bietet es sich an sie in drei Hauptteile aufzuteilen:

Fangen wir mit dem Triebwerk an. Das schwerste am Triebwerk ist die Brennkammer. bei einem Vulcain macht sie die Hälfte der Masse aus. Hier gibt es einige Technische Fortschritte. Die primitivste Technologie ist es die Brennkammer mit den Kühlkanälen aus einem Block her auszufräsen. Das Funktioniert, man erhält eine monolithische Brennkammer aber sie ist sehr schwer. Das ist heute absolut obsolet. Soweit ich weiß, macht nur der Iran das bei seiner Safir so.

Neueren Datums ist die Brennkammer aus zwei Wänden. Vor allem in Russland ist die Technologie gang und gäbe und wurde sogar noch beim RD-0120 eingesetzt. Zwei Wände eine davon in Wellblech oder sonstiger gekrümmter Struktur werden aneinander gelötet oder geschweißt. Nord Korea hat nach den Überresten seiner Unha auf diese Technologie aufgeschlossen.

Im Westen fast ausschließlich gängig ist das Verschweißen sehr vieler dünner Kühlröhren bis zu mehreren Hundert pro Brennkammer. Meist noch überzogen mit verschiedenen Thermal oder Oxidationsschutzschichten aus anderen Metallen. Diese Technologie ergibt die leichtesten Brennkammern.

In dieser Reihenfolge nimmt die Masse ab. Ähnlich wie eine Fachwerkkonstruktion genauso stabil sein kann wie eine massive Konstruktion kann eine so gefertigte Brennkammer leichter und trotzdem genauso fest sein.

Es gibt noch einen zweiten Aspekt. Das ist der Brennkammerdruck. Der ist in den letzten Jahrzehnten laufend angestiegen. Die ersten Triebwerke der USA hatten einen Brennkammerdruck von 40 Bar. Heute sind 80 bis 100 Bar bei Gasgernatorenantrieb gängig. Ein höherer Brennkammerdruck macht zwar eine stärkere Wand nötig, aber die gesamte Brennkammer ist kleiner und bei einem gegebenen Düsenmündungsdruck kann man eine größere Düse einsetzen. Die addiert wiederum Gewicht. In der Summe wird das Triebwerk bei gegebenem Schub etwas leichter. In Russland setzt man das Staged Combustion Verfahren bei den meisten Triebwerken ein. Da sind die Drücke nochmals höher und liegen bei 150 bis 230 bar. Russische Triebwerke gehören daher auch zu den mit dem höchsten Schub/Gewichtsverhältnis. Es steigt tendenziell mit der Größe des Triebwerks an, sodass Vergleiche schwer zu ziehen sind (auch wenn man die Leistungsdaten nich berücksichtigt).

Kommen wir zu den Tanks. Wir haben hier einige Effekte zu berücksichtigen. Zum einen gibt es eine Evolution der Materialien. Die ersten Tanks bestanden aus Edelstahl, schon Ende der Fünfziger Jahre wechselte man auf Aluminium. Aluminium ist nicht gleich Aluminium. zuerst setzte man die Aluminiumlegierung 7050 aus dem Flugzeugbau ein. Ende der Sechziger kam die heute noch am meisten eingesetzte 2219 hinzu. Die bisher beste ist die 2195. Diese Legierungen unterscheiden sich untereinander nicht so sehr in der Dichte wie Aluminium von Stahl. Sie unterscheiden sich aber in den Kräften die ein Stück gegebener Masse aushalten kann. Die 2195 soll je nach Werkstück (Tank) bei gleichen Kräften 24 bis 40% leichtere Teile ermöglichen als die Standardlegierung 2219.

Stahl scheint zuerst mal die schlechteste Wahl zu sein, ist er doch fast dreimal schwerer als Aluminium. Er gleicht dies zum Teil aus weil er duktil ist und damit Kräften in gewisser Weise nachgibt. Tanks aus Stahl können daher dünnere Wände haben und so ist der Gewichtsnachteil nicht so groß. Die Atlas hatte sehr gute Strukturwerte trotz Stahltanks. Man erreichte sie indem man die Tanks unter Innendruck setzte. Der Innendruck wirkt praktisch als Gegenkraft und reduzierte so die von außen wirkende Kraft. Dass gleiche gilt auch für die Centaur Oberstufe.

Bei den Tanks gibt es noch etwas anderes zu berücksichtigen: Die Masse dessen was auf der Stufe drauf ist. Das wiegt zwar weniger als der Treibstoff selber, doch der ist flüssig und überträgt die Kräfte nicht nur auf den Tankboden, sondern auch auf die Wände. Eine Masse auf der Stufe überträgt die Kräfte dagegen nur in Längsrichtung. die anderen Strukturen sind auf diese Kräfte ausgelegt, sie müssen sie aus anderen Gründen tragen z.B. weil die Triebwerke eingespannt sind oder sie das Gewicht der Tanks tragen müssen. Die Tanks dagegen nicht automatisch. Mehr noch: Die Kräfte werden größer wenn die Beschleunigung durch steigende Entleerung der Tanks ansteigt. Die Masse des Treibstoffs nimmt aber ab sodass netto nur die Oberstufe/n(/Nutzlast eine zusätzliche Belastung für die Tanks bringen.

Als die ersten Atlas eine Mercury Kapsel transportieren mussten, scheiterte der erste Start, weil die Struktur der Tanks im oberen Drittel riss. Es gab dann zuerst eine Verstärkung des Bereichs, später wurden die ganzen Tankwände oben dicker. Diesen Effekt findet man auch bei anderen Trägern. So unterschiedet sich die Trockenmasse der Titan II ICBM von der Titan III mit einer Oberstufe mehr, vor allem aber den zusätzlich möglichen Boostern, deutlich.

Fertigungstechnisch kann man getrennte Tanks mit einer strukturell verstärkten Zwischentanksektion und einen Integraltank mit einem gemeinsamen Boden unterschieden. Letzterer ist leichter, aber wegen der höheren Fertigungskosten heute die Ausnahme bei Erststufen.

Natürlich ist auch zu unterschieden zwischen Wasserstoff als Treibstoff und anderen Treibstoffen. Wasserstoff hat eine so niedrige Dichte, das die Tanks dreimal größer sind. Entsprechend wichtiger ist die Gewichtseinparung. Große LOX/LH2 Tanks können 1/30 des Inhalts wiegen, bei anderen Treibstoffen kommt man sogar in den Bereich von 1/90 bis 1/100. Tanks machen bei LOX/Kerosin oder UDMH/NTO etwa ein Drittel der Startmasse aus, bei LOX/LH2 zwei Drittel und mehr.

Bei den anderen Strukturen gibt es noch ein Material mehr, das man einsetzen kann: Kohlenfaserverbundwerkstoffe. Sie sind nochmals deutlich leichter als Aluminium und je nach Faserrichtung kann man sie starr oder leicht nachgebend in eine Richtung auslegen. Kohlefaserverbundwerkstoffe sind in den letzten 20 Jahren vor allem bei den anderen Strukturen eingezogen wie Zwischentanksektionen, Stufenadapter. Boeing hat erste Muster eines LH2-Tanks aus CFK-Werkstoffen hergestellt, sie sind nochmals 30% leichter als die Shuttle Lightweight Tanks aus Alu 2195. Bislang hält amn sich bei Tanks wegen der tiefen Temperaturen und damit stärkeren Versprödung zurück. Doch wenn man auch Tanks aus CFK-Werkstoffen herstellen kann so ist nochmals eine deutliche Gewichtseinsparung möglich. Nach Boeings Angaben sind die Tanks sogar noch preiswerter zu fertigen.

Bevor ich nun zur Tabelle komme die für gängige Erststufen ab etwa 50 t Startmasse komme. ein paar Gründe warum man nicht den Trend in der Erhöhung der Strukturmasse aka Erniedrigung der Trockenmasse haben.

Der offensichtlichste ist eine Optimierung auf Kosten nicht Performance. Die Erste Stufe macht den größten Teil der Startmasse aus, bei den meisten Raketen aber nicht den größten Teil der Kosten. Bei der Atlas Centaur war die Atlas z.B. viel billiger als die achtmal leichtere Centaur Oberstufe, Dies geht indem man sie simpel hält. So sind getrennte Tanks die Regel. Leichte Legierungen die schwerer zu verarbeiten sind, selten. Der Gewinn durch Gewichtseinsparungen ist dagegen gering. Bei einer dreistufigen Rakete bewirkt eine Gewichtsersparnis von 10 bis 15 kg ein Kilogramm mehr Nutzlast, bei zwei Stufen sind es 5 bis 7 kg. Das bedeutet: es macht viel mehr Sinn die oberen Stufen im Gewicht zu optimieren. So setzte die Ariane 1 in der ersten Stufe Edelstahl ein, in der zweiten (mit gleicher Treibstoffkombination) dagegen Aluminium. In der ersten sind es getrennte Tanks, in der zweiten ein Integraltank.

Das zweite ist der Trend zu angebrachten Boostern. Diese übertragen zusätzliche Kräfte und damit muss die Struktur stärker sein. Idealerweise überträgt man die Kräfte an Sektionen die sowieso große Lasten übernehmen. Das sind das Schubgerüst unten, die Zwischentanksektion und oben der Stufenadapter. Wer die Befestigung von Boostern ansieht wird feststellen, dass sie immer an zwei dieser Teile angebracht sind. Die Zwischentanksektion macht dann zwei getrennte Tanks notwendig. Sie ist aber die günstigere Lösung, denn im oberen Stufenadapter angebracht, werden die Kräfte auch weitgehend angekämpft auf die Oberstufe übertragen. Die muss dann auch massiv sein. In der Zwischentanksektion angebracht beschränkt sich der Gewichtszuwachs auf die erste Stufe und der obere Tank wird gut durchgeschüttelt, dämpft aber die Schwingungen. Delta IV und H-II haben daher leichte Oberstufen, die Ariane 5 nicht. Auch bei der Ariane 6 sieht man in den Entwürfen wieder getrennte Tanks und die Boosterbefestigung in der Zwischentanksektion vor.

So nun zur Tabelle. Ich habe nach Datum geordnet. Ich habe mich auf Erststufen von 50 bis 400 t Gewicht beschränkt. Das sind rein willkürliche Kriterien. 50 t als Untergrenze erlaubt es noch die Thor als Beispiele für erste Stufen aus den Fünfziger hinzuzunehmen, 400 t ist so das Maximum bei großen Trägerraketen die nicht gleich Schwerlastraketen sind. Tendenziell sollte man wegen des günstigeren Volumen/Oberflächenverhältnisses und des bei größeren Triebwerken ansteigenden Schub/Gewichtsverhältnis annehmen, dass eine größere Stufe auf einen besseren Strukturfaktor kommt. Da Wasserstoff viel schwerere Tanks nötig macht gibt es für LOX/Lh2 als Triebstoff eine eigene Tabelle.

Rakete Vollmasse Leermasse Integraltank Material Jahr Strukturfaktor Bemerkung
Titan I 77678 4373
Aluminium 1959 17,8 Tanks in tragender Außenstruktur
Titan II 123150 4937
Aluminium 1962 24,9
Titan 23 122016 5047
Aluminium 1988 24,2
Titan IIIA 120848 5980
Aluminium 1964 20,2
Titan 34B 138677 7301
Aluminium 1971 19,0
Titan 3C 123830 7756
Aluminium 1965 16,0
Titan 34D 139950 7000
Aluminium 1985 20,0
Titan 4 163000 7000
Aluminium 1989 23,3 Benötigt Booster zum Abheben
Titan 34B 163000 8000
Aluminium 1997 20,4 Benötigt Booster zum Abheben
Thor 49340 3125
Aluminium 1957 15,8 Tanks in tragender Außenstruktur
Thor DM-21 49167 2948
Aluminium 1957 16,7 Tanks in tragender Außenstruktur
LT Thor 70354 3715
Aluminium 1967 18,9 Tanks in tragender Außenstruktur
ELT Thor 85426 4310
Aluminium 1972 19,8 Benötigt Booster zum Abheben
Thor XLT Delta 2 101700 5600
Aluminium 1989 18,2 Benötigt Booster zum Abheben
Thor XLT Delta 3 104377 6622
Aluminium 1998 15,8 Benötigt Booster zum Abheben
Atlas B 110600 6970 x Stahl 1956 15,9 Innendruckstabilisierte Tanks
Atlas D 116100 5400 x Stahl 1958 21,5 Innendruckstabilisierte Tanks
Atlas E/F 121000 7100 x Stahl 1960 17,0 Innendruckstabilisierte Tanks
Atlas F 121000 7100 x Stahl 1960 17,0 Innendruckstabilisierte Tanks
Atlas Agena B 117818 5263 x Stahl 1961 22,4 Agena Serie
Atlas agena D 121267 6137 x Stahl 1963 19,8
Atlas SLV3A Agena 148800 7201 x Stahl 1968 20,7
Atlas Cenatur D 120393 5355 x Stahl 1968 22,5 Centaur Serie
SLV 3C Centaur 126877 6526 x Stahl 1967 19,4
SLV §D Centaur 130448 7305 x Stahl 1973 17,9
Atlas G Cenatur 149058 7971 x Stahl 1984 18,7
Atlas II 167360 10960 x Stahl 1991 15,3
Atlas IIAS 167728 11378 x Stahl 1993 14,7
Atlas III 196925 13725 x Stahl 2000 14,3 Normale Tanks
Atlas V 305143 21054
Aluminium 2002 14,5 Normale Tanks
Kistler K-1 250500 20500
Aluminium 2006 12,2
Saturn I 460850 46720
Aluminium 1961 9,9 Tanks in tragender Außenstruktur
Saturn IB 448891 43392
Aluminium 1966 10,3 Tanks in tragender Außenstruktur
R-7 99100 7500
Aluminium 1957 13,2 Benötigt Booster zum Abheben
Wostok – Luna 100400 6500
Aluminium 1958 15,4 Benötigt Booster zum Abheben
Wostok 101000 6500
Aluminium 1960 15,5 Benötigt Booster zum Abheben
Soyuz U2 101600 6500
Aluminium 1982 15,6 Benötigt Booster zum Abheben
Soyuz FG 99500 6500
Aluminium 2001 15,3 Benötigt Booster zum Abheben
Soyuz 2.1b 99725 6545
Aluminium 2006 15,2 Benötigt Booster zum Abheben
RS-12 39515 3150
Aluminium 1961 12,5
RS-14 87200 5300
Aluminium 1964 16,5
Proton K 449500 33500
Aluminium 1965 13,4
Proton K Block D 449800 31100
Aluminium 1967 14,5
Proton M 450100 30700
Aluminium 2001 14,7
R-36 122300 6400
Aluminium 1966 19,1
Zyklon 3 127420 6150
Aluminium 1977 20,7
Zyklon 4 129854 8076
Aluminium 2010 16,1 Mit Stufenadapter
Zenit 2 346880 33600
Aluminium 1985 10,3 Mit Stufenadapter
Zenit 3 SL 354582 32302
Aluminium 1999 11,0 Mit Stufenadapter
Rockot 86689 5695
Aluminium 1994 15,2
Dnepr 161250 13620
Aluminium 1999 11,8
Angara URM 141500 9150
Aluminium 2014 15,5
Europa I 89400 6400 x Stahl 1964 14,0
Europa II 94940 6289 x Stahl 1971 15,1
Europa III 166030 13580
Stahl 1979 12,2
Ariane 1 160900 13270
Stahl 1979 12,1
Ariane 2 160900 14070
Stahl 1984 11,4
Ariane 4 251200 17510
Stahl 1988 14,3 Benötigt Booster zum Abheben

Wasserstoff als Verbrennungsträger:

Rakete Vollmasse Leermasse Integraltank Material Jahr Strukturfaktor Bemerkung
Delta IV 226400 26760
Aluminium 2004 8,5
Ariane 5G 170300 12200 x Aluminium 1994 14,0 Benötigt Booster zum Abheben
Ariane 5E 188300 14100 x Aluminium 2002 13,4 Benötigt Booster zum Abheben
H-II 97900 12200
Aluminium 1994 8,0 Benötigt Booster zum Abheben
H-IIA 114700 13600
Aluminium 2001 8,4 Benötigt Booster zum Abheben
H-IIB 202000 24200
Aluminium 2009 8,3 Benötigt Booster zum Abheben

Man sieht einige Trends. Bei US-Trägern nimmt der Strukturfaktor von der ICBM zum Satellitenträger zuerst ab, steigt dann wieder an, weil man leichtere Triebwerke einbaut oder Tanks verlängert. Allerdings können einige Versionen nicht mehr ohne Booster abheben.

Bei russischen Trägern bleibt der Strukturfaktor erhalten, die wurden auch meistens nicht modernisiert.

Anbei ein Diagramm der Werte. Wie man sieht sind die großen Stufen nicht besser als die kleinen: die ersteren stammen meistens von ICBM ab, die man auf geringes Gewicht optimiert hat. Bei Satellitenträgern zählen andere Faktoren wie kosten und Zuverlässigkeit. So haben selbst neue Raketen wie die Atlas V, Zenit oder Angara schlechtere Strukturfaktoren als uralte Typen.


8.1.2016: Selbstbedienungsladen ESA

In dem halben Jahr zwischen meiner Neuauflage der europäischen Trägerraketen hat sich das Konzept der Ariane 6 erneut geändert. Anstatt 4,60 m wird nun die Zentralstufe 5,40 m Durchmesser haben und als kleine Änderung bekommen die Booster spitzkegelige Verkleidungen. Das ist ja nicht die erste Änderung. Es gab schon mehrere Alternativvorschläge vorher von Industrie und ESA. So wird langsam mal wahr, was ich mal vor ein paar Jahren im Blog geschrieben habe: die Industrie lässt sich für eine neu designierte Ariane 5 gut bezahlen, denn mit 5,4 m Durchmesser hat die Stufe nun den Durchmesser der Ariane 5.

Es gibt technisch natürlich einige Gründe für diesen Schwenk. Eine Änderung zur Ariane 5 sind getrennte Tanks. Sie erlauben das Anbringen der Booster in der Zwischentanksektion. Da wegen der aerodynamischen Belastung der LH2 Tank unten sein muss. Die Booster sind deutlich kürzer als die der Ariane 5, sie haben nur die halbe Treibstofffüllung und einen größeren Durchmesser, daher wird man interessiert sein, den Durchmesser der Stufe zu erhöhen um den Anbringpunkt in der Zwischentanksektion nach unten zu verschieben. Schon jetzt sind ja lange Verkleidungen nötig.

Nur halte ich das für den falschen Weg. Stattdessen könnte man die Booster verlängern. Dann sind Anpassungen der Vega Startanlage nötig aber die günstiger sind als die Folgen bei der Ariane 6. Die Hauptfolge ist die, dass die Oberstufe dann wieder 5,4 m Durchmesser hat und sie sieht in den Abbildungen verdammt ähnlich zur ESC-NB aus - mit der gleichen ungünstigen Geometrie und hohen Leermasse. Bei den Entwürfen mit 4 m Oberstufe sollte diese noch 3,3 t trocken wiegen bei 32-36 t Treibstoff. Die ESC-B war auf 6 t bei 28 t Treibstoff geplant. Das senkt also die Nutzlast um rund 3 t ab . Die Ariane 6 soll ja trotz größerer Startmasse nur die Nutzlast der derzeitigen Ariane 5 aufweisen, nicht mal die der Ariane 5 ESC-B erreichen.

Warum man auf gleichen Durchmessern von erster und zweiter Stufe besteht, ist mir eh ein Rätsel. Man könnte für die Oberstufe ja den Durchmesser verringern und dann wieder bei der Verkleidung aufweiten oder man macht es wie bei der Atlas V und umgibt die Oberstufe auch mit der Verkleidung. Die wird ja frühzeitig abgetrennt und kostet nicht so viel Nutzlast. Insgesamt sehe ich wenig Innovationen für 4 Milliarden Euro. Vor allem wenn ich dran denke dass die H-3 1,35 Milliarden Euo kosten soll - mit neu entwickeltem Triebwerk. Auch die Delta IV als Vergleich war um einiges günstiger. Am ehesten vergleichbar wäre noch die Atlas V - keine neue Triebwerksentwicklung, nur neue Stufen und die kostete 1630 Millionen Dollar.

Vor allem ist die Ariane 6 ja nur beschlossen worden, weil man mit dem Schreckgespenst "SpaceX" das Geld los leiern konnte mit der Begründung die Ariane 6 wird dann viel billiger als die Ariane 6 (das wird sich erst zeigen müssen). Und wie sieht es aus? 2014 schrieb Arianespace trotz SpaceX erstmals seit 10 Jahren wieder schwarze Zahlen. Die liegen für 2015 noch nicht vor, doch die Presseerklärungen jubeln jetzt schon: Auch wenn das US-freundliche, nicht unabhängige Spacenews es kleinreden will: 14 neue GTO-Kontrakte plus 24 für den LEO gegenüber insgesamt 9 für SpaceX. Das letzte Jahr brachte Orders im Wert von 2,5 Milliarden Euro, auch das der höchste Wert der jemals erzielt wurde. selbst wenn man den riesigen Einzelkontrakt von Oneweb abzieht bleiben 1,5 Milliarden Euro übrig, das ist mehr als im Vorjahr. Man konnte schließlich gar nicht mehr Aufträge annehmen, So bekamen die H-IIA und Atlas auch noch je einen Kontrakt, denn SpaceX hat ja dasselbe Problem - ihre Kunden warten teilweise schon Jahre auf die Starts und es gab dieses Jahr nicht mal die Hälfte der geplanten Starts. Selbst Elon Musk rechnet nur noch mit 12 Starts nächstes Jahr. Die Zeit wo man für Jedes Jahr immer mehr Starts anvisiert scheinen vorbei zu sein.

Ariane 5 war in den letzten Jahren immer teurer als die Konkurrenz und sie war trotzdem immer Marktführer - weil sie zuverlässig war. ILS und Sealaunch waren billiger, verloren aber Kunden durch Fehlstarts. Mit SpaceX konnte man Ängste aufbauen. Könnte da jemand kommen, der billig produziert und trotzdem zuverlässig ist? Tja wie wir jetzt wissen kocht SpaceX auch nur mit Wasser. Ein Fehlstart kann vorkommen, die Umstände sind aber doch mysteriös. Mehr Starts planen sie nun auch nicht, eher weniger: für 2014 standen 14 Starts im Manifest (inzwischen ja nur noch ohne Zeitangabe einsehbar) Aber die Ariane 6 ist beschlossen, die Industrie muss da Arianespace nun auch weitgehend ihr gehört keinen Einfluss mehr befürchten und weil es mit dem Handaufhalten so gut klappt, wird sie sicher wenn die Ariane 6 fliegt weitere Zuschüsse verlangen oder ein teures Ariane 6 Evolution Programm auflegen das viel kostet und wenig Nutzlast bringt. Bookmarkt die Seite. In ein paar Jahren wird es genau so kommen.

9.1.2015: Proliferation von Raketentechnik oder Selbstbau?

Zu meinem heutigen Beitrag kam ich durch das aktuelle Buch und Nordkoreas Atomtest fällt auch ein bisschen in die Kategorie. zuerst mal zum Buch. Da mache ich heute mal Pause bei der Korrektur. Ich konnte Norbert Brügge gewinnen wieder einige Grafiken beizusteuern, die das Buch deutlich aufwerten und nun auch Seiten füllend präsentiert werden (er war ja schon bei den US-Trägerraketen beteiligt, nur hatte ich bei dem Buch das Platzproblem, dass es unter 700 Seiten liegen musste und das habe ich nur durch Zusammenfassen von Abbildungen geschafft). Der Umfang wird so um die 570 bis 580 Seiten werden, 564 habe ich derzeit schon. Leider kann ich das Preisziel von 29,90, also so viel wie die alte Ausgabe, nicht halten. Es wird 34,90 € kosten, das sind 15% mehr für 50% mehr Inhalt.

Mein Thema ergibt sich zwangsläufig, wenn man die Träger von Iran und Nordkorea beschrieben will. Von denen gibt es wenige Informationen. Eigentlich nur Videos aus Nachrichtensendungen, bei der Unha auch einige Fotos, da vor dem vierten Start eine Handvoll auserlesener westlicher Reporter eingeladen waren, darunter James Oberg. Was es an gesicherten Informationen gibt, ist überschaubar:

Nun bin ich nicht der Experte im Rekonstruieren solcher Rakete, so übernehme ich das, was andere mit viel Arbeit rekonstruiert haben. Doch auch das kann fehlerhaft sein. Dazu ein Beispiel:

Bei der letzten Auflage habe ich die damals gängige Theorie wiedergegeben, dass die erste Stufe der Unha der Nachbau einer Langen Marsch 1 wäre. Auf die Idee kam man, weil die Stufe denselben Durchmesser wie die LM-1 hatte (damals auf 2,25 m geschätzt), Dazu passte, das von den Nationen mit Raketen Nord Korea noch die besten Beziehungen zu China hat. Auch bei einem Vorstoß für ein Embargo jetzt gilt es ja China ins Boot zu holen. Was allerdings ein verschärftes Embargo leisten soll, wenn dort die Bevölkerung jetzt schon hungert, entzieht sich meiner Erkenntnis. Ich muss nur an das Embargo nach dem zweiten Golfkrieg denken, als im Irak durch den Mangel an Medikamenten über 100.000 Menschen starben, Hussein blieb aber Diktator.

Heute weiß man, dass die Unha 2,40 m Durchmesser hat, nicht von der Langer Marsch 1 abstammt und vier Triebwerke in der ersten Stufe einsetzt. Da kam man dann auf die bisher immer naheliegende Erklärung: dass sind weiter entwickelte Scud. Die Scud basiert auf der deutschen Wasserfall-Rakete, die vor Kriegsende als Luftabwehrrakete entwickelt wurde. In der Technologie des Triebwerks, seiner Leistungsdaten und dem verwendeten Treibstoff ist sie nicht viel weiter entwickelt als die A-4, anders als die größeren damals produzierten sowjetischen Mittelstrecken und Interkontinentalraketen. Kein Wunder, dass man diese in großer Zahl exportiert, sodass auch Nord Korea auch zu welchen kam.

Gängige Theorie ist, dass alle Nordkoreanischen Waffen von der Scud abstammen. Das hat nur einen kleinen Nachteil: Die Scud hat 101 kN Schub, die Unha und Safir setzen Triebwerke von etwa 300 kN Schub. Man kann nicht einfach Triebwerke um den Faktor 3 hochskalieren, wenn dem so wäöre, könnte man auf Triebwerksentwicklungen verzichten. Dann brauchen wir kein Vinci, wir skalieren einfach das HM-7 um den Faktor 3 hoch. Die USA brauchen kein neues Triebwerk für die Atlas/Vulcan - sie skalieren einfach das RS-27 hoch. Warum macht das keiner?

Vielleicht deswegen, weil es nicht geht: anderer Schub andere Geometrie - anderes Triebwerk. Was geht,ist meistens das ein Triebwerk auf einen bestimmten konservativen Verbrennungsdruck ausgelegt wird und man später Reserven nutzt, um es im Schub zu steigern. So bei den Triebwerken der Thor, Atlas und Ariane 1. Doch das geht nicht um den Faktor 3: 10-20% sind so meist drin.

Glaubt man den Experten, so beherrscht der Iran gerade mal das Herausfräsen von Kühlrippen aus einer massiven Brennkammer, Nord Korea immerhin die doppelwandige Brennkammerwand durch das Verschweißen von Wellblechen. Auf der anderen Seite ist man sich „sicher“, dass die zweite Stufe der iranischen Safir die Verniertriebwerke der russischen R-27 (SS-N-6) SLBM einsetzt, einer U-Boot Mittelstreckenrakete die Mitte der Sechziger Jahre stationiert wurde und damit in etwa dem technischen Stand, den auch die Zyklon aufweist. Die Frage die sich mir stellt, ist die: wenn der Iran auf diese Rakete Zugriff hat, warum setzt er sie nicht ein? um eine weitere Stufe ergänzt, würde die 15 t schwere Rakete eine höhere Nutzlast als die Safir ins All transportieren. Warum nutzt er nur die Verniertriebwerke, aber nicht das Haupttriebwerk?

Sicher sind moderne Raketentriebwerke komplex, erfordern viel Erfahrung und auch finanziellen Aufwand. Doch davon redet ja auch keiner. Die Unha und Safir haben gemessen an ihrer Startmasse eine kleine Nutzlast, etwa um den Faktor 10 kleiner als bei einer modernen westlichen Rakete. Die Safir wiegt in etwa so viel, wie eine Falcon 1 transportierst aber 52 anstatt 450 kg in den Orbit. Ich glaube das es nicht so viel braucht eine solche Rakete zu entwickeln. Man arbeitet dann eben mit höheren Strukturfaktoren. Kopenhagen Suborbitals arbeitet an einem Triebwerk das auf V-2 Technologie basiert und das sind Amateure. Warum soll der Iran oder Nord Korea nicht dasselbe erreichen? Zumindest bei der Oberstufe halte ich ein einfaches druckgefördertes Triebwerk für technologisch erreichbar. Dann entfällt der anfälligste Teil des Raketentriebwerks der wegen seiner Mechanik oft Ursache von Fehlern ist: die Turbopumpe. Ein minimalistisches druckgefördertes Triebwerk entwickelte die OTRAG innerhalb von wenigen Jahren mit wenigen Personen und 4 Millionen DM vom BMFT. Warum sollten dies Iran und Nord Korea nicht hinbekommen.

Nord Korea hat Atombomben entwickelt. Diese haben einen erheblich höheren technischen Aufwand: Bei den Atombomben, die Uran verwenden ist, verwenden ist die Zündung relativ einfach, es riecht zwei unterkritische Massen aufeinander zu bringen, bei der Hiroshima-Atombombe z. B. mit einer umgebauten Kanone. Dafür ist die Anreicherung extrem aufwendig weil man geringe Dichteunterschiede ausnutzen muss. Bei Plutonium als Spaltmaterial ist die Zündung aufwendiger, hier müssen mehrere unterkritische Masse genau getimt komprimiert werden, dagegen die Gewinnung einfach, wenn man einen Kernreaktor hat. Plutonium entsteht bei der Uranspaltung. Der Reaktortyp muss nur einen leichten Zugang zu den Brennstäben erlauben. Plutonium kann man wegen der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften dann vom Uran abtrennen. Daher verwenden heute fast alle Atombomben Plutonium als Spaltmaterial.

Kurzum: Warum sollten die Staaten so viel Arbeit in eine Atombombe stecken und dann bei dem Transportmittel (eine Atombombe die nicht zum Gegner kommt, ist weitgehend wertlos) anfangen russischen Artellerieraketen oder Bauteile von SLBM zu verwenden anstatt ihre eigene Technik zu entwickeln? Die kann ja inspiriert sein von der Scud, aber es ist eben nicht die Scud oder R-27 als Nachbau.


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