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Web Log Teil 485: 11.12.2016 - 31.12.2016

11.12.2016: Die Falcon 1S und 6

Wer seine Raketen schon vor dem Start sprengt, und dem die Kunden abspringen, muss ab und an auch mal was positives berichten. So hat Gwwn Shotwell auf der Small Satellites Conference zwei neue Träger angekündigt. Dagegen gibt es von Musk seit Trumps Wahlsieg keine Twitter Meldungen mehr und auch sonst hält sich Musk bedeckt, was schon die Spekulationen anfeuert, er würde unter Trump ein wichtiges Amt bekommen. Schließlich haben schon ernannte Personen von Trump angekündigt, das vieles in der NASA privatisiert werden soll und die SLS eingestellt werden soll.

Doch zurück zu SpaceX. Die Small Satellite Conference befasst sich wie der Name schon sagt mit kleinen Satelliten, typisch unter 1 Tonne Gewicht. Wo die Grenze nach unten gezogen wird, ist unterschiedlich. Einige Vorträge befassen sich auch mit Cubesats die nur 1 kg wiegen. Der Markt boomt derzeit. Nicht nur Cubesats, für die gerade drei neue Träger entstehen (die Electron, LauncherOne und Firefly Alpha) sondern auch für kleine Satelliten. Google startet derzeit seine SkySAT-Satelliten. Jeder wiegt nur 110 kg und soll die Abdeckung und Aktualität von Google Maps verbessern. Zahlreiche kleine Länder beginnen nun kleine Erderkundungssatelliten zu starten. So hat die Vega schon Satelliten für Kasachstan, Peru und die Türkei gestartet. Klar, das auch SpaceX da mitmischen will. Zudem braucht die Firma für ihr eigenes Konstellationsprogramm einen Träger um Ersatzsatelliten zu starten, wenn mal einer ausfällt.

SpaceX hat schon mal eine Rakete gehabt die für kleine Satelliten geeignet war: die Falcon 1. Nach drei Fehlstarts klappten die beiden folgenden Flüge. Doch dann stellte man das Muster ein, ebenso wie eine größere Version die Falcon 1e. Die wenigen gebuchten Nutzlasten von Omniweb wurden auf die Falcon 9 umgebucht und der zweite Kunde Astrium wanderte zur Vega ab. Damals nannte man bei einer früheren Konferenz, dass man keinen Markt für die Rakete sähe. Das ist inzwischen 5 Jahre her und die Startfrequenz bei kleinen Satelliten ist in den letzten drei Jahren jährlich um 40 bis 66% gestiegen. Selbst die Falcon 9 konnte schon einen Start für den Transport zahlreicher Nutzlasten ergattern, da nun die Startgelegenheiten als Sekundärnutzlasten weitestgehend ausgeschöpft sind.

Die erste neue Rakete ist die Falcon 1S. S steht für „small“. Sie besteht aus der Oberstufe der Falcon 9, allerdings ohne die Düsenverlängerung und mit auf 50 t reduzierten Treibstoffzuladung. Offen lies Shotwell ob die Oberstufe unverändert eingesetzt wird oder leicht gekürzt wird. Sie soll etwa 1 t in einen erdnahen Orbit transportieren. Aufgrund der hohen Stufenleermasse nimmt die Nutzlast für höhere Bahnen rasch ab. Für sonnensynchrone Bahnen oberhalb 500 km Höhe wird es daher ein Auxillary Propulsion Kit geben, das nicht genau umrissen ist. Es setzt zwei Draco Triebwerke ein und soll aus dem Antriebsmodul der Dragon 1 abgeleitet sein. Ein Draco hat rund 400 N Schub. Vergleicht man den Schub mit Antriebsmodulen anderer Raketen, so dürfte die Treibstoffzuladung im Bereich einigen Hundert Kilogramm liegen. Die Falcon 1X soll den Start von Kleinsatelliten zu einem nicht näher genannten, aber „konkurrenzlos günstigen“ Preis ermöglichen. Der bisher niedrigste Startpreis wird von China mit der Kuaizhou-11 angeboten: 10.000 Dollar pro Kilogramm. So müsste der Start unter 10 Millionen Dollar kosten.

Die Falcon 1S soll auch die Bergung der Oberstufe erproben. Das ist für Bahnen geplant, bei dem das Auxillary Propulsion Kit zum Einsatz kommt. Dadurch sinkt die Abtrenngeschwindigkeit und die Stufe muss nicht deorbitiert werden, was zusätzlichen Treibstoff kostet. Zudem ist die (wahrscheinlich) verkürzte Stufe robuster und könnte den Weideeintritt überstehen. Shotwell schraubte die Erwartungen aber herab. Es gäbe sehr viele Unwägbarkeiten. So ob man die Landeplattform die weniger als 100 m lang ist, auch nach einem ballistischen Flug von mehreren Tausend Kilometern getroffen wird. Ob die Oberstufe die viel höheren Belastungen übersteht, wäre auch fraglich. Die ersten Exemplare, ohne zusätzlichen Schutz sicher nicht, doch bei ihnen sollen Sensoren beim Wiedereintritt nur genügend Daten liefern um zu entscheiden ob sich auch die Oberstufenbergung wirtschaftlich lohnt, denn der notwendige Thermalschutz würde die Nutzlast reduzieren.

Die zweite Rakete ist die Falcon 6. Bei der Falcon 6 handelt es sich aber nicht um eine neue Rakete, sondern ein Abfallprodukt der Bergung der Falcon 9. Bei der Landung arbeiten die mittleren drei Triebwerke um die Rakete abzubremsen. Sie haben nach einigen Bergungen daher eine deutlich höhere Laufzeit angesammelt als die äußeren Triebwerke. Wenn eine Falcon 9 noch einmal einsetzbar wäre, die mittleren Triebwerke aber aufgrund der längeren Laufzeit nicht mehr einen weiteren Lauf überstehen (bzw. die Sicherheitsmarge unterschritten haben) dann will SpaceX die mittleren drei Triebwerke ausbauen. Zusammen mit der verkürzten (oder teilbeladenen) Falcon 1S Oberstufe resultiert dann eine Trägerrakete mit in etwa der Nutzlastkapazität der ersten Falcon 9, also etwa 7-8 t in einen LEO Orbit. SpaceX will die Falcon 6 vor allem für SSO-Starts von Vandenberg aus einsetzen. Die Nutzlasten die für diese Starts gebucht sind, nutzen die theoretische Maximalnutzlast der Falcon 9 bei weitem nicht voll aus. Sie könnte auch für kleine geostationäre Satelliten (Masse unter 3,5 t) zum Einsatz kommen. Hier konnte Shotwell schon einen Kunden vorweisen, der einem Shift von der Falcon 9 zur Falcon 6 zugestimmt hat: OHB Systems, die damit den Radarsatelliten Sarah der Bundeswehr starten will. Die Deutschen Kunden wären „Extrem preissensitiv“. Die Falcon 6 wird daher wahrscheinlich spürbar billiger als die Falcon 9 sein, da man sonst die erste Stufe verschrotten müsste.

Einen Dämpfer gab es dagegen bei der Falcon Heavy. Sie wird 2017 nicht starten. Die Ingenieure haben große Schwierigkeiten in der technischen Umsetzung des Crossfeedings. Was genau das Problem ist wurde nicht genannt. Auf die Frage, warum man nicht darauf verzichtet, gab Shotwell die Antwort, das Crossfeeding essentiell für die Bergung der Falcon Heavy wäre. Sonst wären die drei Booster bei zu hoher Geschwindigkeit ausgebrannt und könnten nicht zum Startplatz zurückfliegen. Ohne die Wiederverwendung der äußeren beiden Booster die bei Cross-Feeding bei verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit (kleiner als die Abtrenngeschwindigkeit der Falcon 9) ausgebrannt sind, ginge aber das Marketingkonzept nicht auf, da die Falcon Heavy nur eine Nutzlast transportiert und man sonst über 130 anstatt 85 Millionen Dollar pro Start verlangen müsste. Es gäbe nachdem die Falcon 9 nun über 8 t in den GTO transportieren könnte, auch keinen Termindruck. Kunden habe man angeboten, ihre Nutzlasten auf die Falcon 9 zu verschieben. Zumindest Inmarsat hat aber dann lieber eine Ariane 5 gebucht. Andere Kunden waren schon vorher abgesprungen, sodass die Falcon Heavy derzeit nur drei bezahlte Einsätze hat.

Es könnte sein, das die Falcon Heavy in anderer Form wiederkommt, wenn wie Gerüchte besagen Musk eine einflussreiche Position als Berater von Trump oder (wie gemunkelt wird) als NASA-Administrator bekommt. Dann soll die Falcon Heavy mit Raptor-Triebwerken kommen. Drei Raptor werden neun Merlin ersetzen und die Nutzlast auf rund 70 t anheben. Dies soll dann die SLS ersetzen und die Entwicklung mit NASA-Mitteln finanziert werden. Allerdings wird sich SpaceX sputen müssen, denn das diese Verflechtung von Privat- und öffentlichen Interessen wahrscheinlich vom nächsten Präsidenten gekippt wird, dürfte sicher sein (außer es wird Trump erneut gewählt). Das bedeutet SpaceX müsste die Rakete in weniger als vier Jahren fertigstellen. Seit 2011 haben sie schon fast 6 Jahre an der Falcon Heavy gearbeitet, ohne zum Abschluss zu kommen.

14.12.2016: Eine Neuauflage zum Jahresausklang

Ich habe heute die Neuauflage des Buchs „Die Vega - Europas jüngste Trägerrakete“ fertiggestellt. Bis zu Weihnachten wird sie nicht verfügbar sein, aber ich wollte sie von der Liste haben, obwohl ich eigentlich noch zwei Monate Zeit haben bis der erste Vertrag nach 5 Jahren ausläuft. Bis zum Jungfernflug der Vega-C der 2019 ansteht, wollte ich nicht warten. Finanziell lohnt es sich nicht, das weiß ich schon von den anderen Auskopplungen, aber irgendwie drängt es mich das Buch zu aktualisieren, wobei man ehrlich gesagt sagen muss, viel machen musste ich nicht, weil ich schon vor einem Jahr viel für die Neuauflage der „Europäischen Trägerraketen 2“ recherchiert habe. Es ist einfach der preußische Gedanke etwas „richtig fertig zu stellen“.

Neu ist ein Kapitel über die seit dem Jungfernflug erfolgten Flüge und Abschlüsse und eines über die Vega C und E. Insgesamt sind das 18 Seiten mehr. Das heißt für die, die schon Auflage 1 oder eine der Europäischen Trägerraketen 2 haben, lohnt sich der Kauf bestimmt nicht. Immerhin eine Neuerung gibt es diesmal: 4 Sexten mit schönen Startfotos sind in Farbe. Der Rest (weil jede Farbseite das Buch um 10 ct verteuert) wie sonst in Schwarz-Weiß. Der Preis ist trotz des gesteigerten Umfangs gleich geblieben.

Obwohl ich eigentlich mein Engagement bei den Büchern herunterfahren will, habe ich dieses Jahr doch einiges gemacht. Wenn ich mal von zwei Neuauflagen, die sich kaum von der ersten Auflage unterscheiden absehe (Skylab, US-Trägerraketen) und die nur den Zweck hatten, die gesunkenen Druckpreise an die Leser weiterzugeben, dann gab es dieses Jahr drei neue Bücher:

Die Internationalen Trägerraketen

- ist zwar auch eine Neuauflage, doch mit über 50% mehr Inhalt dann schon eine ziemlich umfangreiche.

Fotosafari durch Sonnensystem

- mein erstes Buch mit vielen Farbbildern und wenn schon, denn schon auch auf Hochglanzpapier und dickem Papier. Es ist kein Astronomiebuch und es ist kein Bilderbuch, sondern irgend etwas dazwischen. Es gibt ein Bild oder mehrere (bei Planeten) und etwas Text dazu. Er versucht zum einen genau zu sein, zum anderen nicht technisch.

Fotosafari durch den Raketenwald

- weil mir die erste Fotosafari so viel Spaß gemacht hat, gleich die nächste, diesmal aber mit normalem Papier, was den Preis auch wieder deutlich abgesenkt hat. Auch hier: ein Buch, das zum einen präzise ist, aber ohne viel technische Daten und Tabellen. Das Niveau ist so, wie bei anderen Raumfahrtbüchern auf dem Markt die sich ja auch alle an Laien wenden.

Die beiden Letzten waren Experimente. Zum einen, weil ich, nachdem die Druckkosten gesunken sind, mal die Farboptionen nutzen wollte, und da gibt es auch drei verschiedene Sorten von Papier für Farbaufnahmen. Beim ersten Band habe ich auch mal die Spiralbindung als Kompromiss zwischen preiswertem Paperback und teurem Hardcover getestet. Immer wieder bekam ich Mails, in denen ich gefragt wurde, warum es keine Farbaufnahmen in meinen Büchern gab. Daher wollte ich mal wissen, ob es einen Bedarf gibt.

Mein Resümee nach einigen Monaten: Der bisherige Weg war der richtige. Die Leute, die mich kennen, und das sind ja relativ wenige, wollen fundierte Informationen und keine Farbaufnahmen. Die Leute die Bücher mit weniger technischem Inhalt kaufen, kennen mich nicht und stolpern nicht mal über meine Bücher, denn Bücher über Raumfahrt und Astronomie gibt es ja genug und hinter den meisten stehen dann größere Verlage mit entsprechenden Vermarktungsmöglichkeiten.

Ich hatte noch eine kleine Hoffnung, dass Weihnachten noch einen kleinen Schub liefert, weil ich denke, dass beide Bücher sich gut als Geschenk eigen, um jemanden mit dem Thema Raumfahrt oder Astronomie zu „infizieren“, aber das scheint nicht der Fall zu sein. So bleibt es erst mal bei den beiden Bänden, falls es mich nicht noch mal juckt, denn eines ist unbestreitbar: Die Bücher machen Spaß beim Schreiben. Bei den normalen Büchern muss ich Wochen oder Monate an dem Thema dran bleiben. Viel im Internet recherchieren, zusammenfassen und schreiben. Unterbrechen kann ich das kaum, sonst fange ich an viele Dinge doppelt und dreifach zu schrieben, weil ich nach einigen Wochen die Details vergesse. Das ist bei den „Foto“-Büchern anders: Ein Bild ist ein Aufhänger und es gibt einen kurzen Text genau zu dem Bild. Es gibt keine Querbezüge. Der ist selbst, wenn ich noch anderes mache, leicht an einem Tag fertigzustellen. So wird jeden Tag ein Abschnitt fertig und nach ein, zwei Monaten das ganze Buch.

Noch sind zwei Bücher in der Pipeline, beide aber nicht zum Thema Raumfahrt. Eines zur Geschichte und Technik des Computers (eines zur PC-Geschichte gibt es ja schon) und eines über Ernährungslehre. Das soll die Quadratur des Kreises schaffen und völlig ohne chemische Formeln auskommen. Beide Themen interessieren, das weis ich aus den Verkäufen deutlich mehr Personen als Raumfahrt. Und wenn ich ehrlich bin, habe ich in der Raumfahrt das beackert, was mir selbst wichtig ist. Ein Raumsondenlexikon wäre noch ein krönender Abschluss, aber gerade weil ich von der Arbeit an den beiden silberigen Lexika weiß, was da an Arbeit drinsteckt, (sicher in Richtung ein halbes bis Jahr Arbeit) schiebe ich das vor mich hin. Vielleicht kommt es mal als allerletztes Buch, vielleicht auch nie.

15.12.2106: Facebook Heuchelei

Facebook kommt immer wieder in die Schlagzeilen. Jetzt gerade, weil dort eine falsche Meldung "Fake News" über eine angebliche Äußerung von Renate Künnast nicht zeitnah gelöscht wurde. Vorher waren es rechtsradikale Äußerungen, gegen die protestiert wurden, zu deren Löschung sich aber Facebook sich nicht genötigt führte. Ganz im Gegensatz zu Bildern auf denen Brüste zu sehen sind, selbst ohne sexuellen Hintergrund z.B. bei einer stillenden Frau. Aus der Sicht von Facebook ist das auch logisch: es gibt etwa 7 Milliarden Brüste auf der Welt, aber nur wenige Millionen rechtsradikale die auf Facebook posten. Also sind Brüste viel gefährlicher als Rechtsradikale ...

Dann ist natürlich noch das Dauerproblem der Datenkrake, mit undurchsichtigen AGB und vor allem auch das Facebook Nicht-Mitglieder über Facbeook-Likes Buttons auf anderen Webseiten trackt. Das alles nur um mehr personalisierte Daten zu gewinnen, die man dann an Webekunden verkaufen kann. Die Gewinne werden dann nicht in Europa versteuert, obwohl sie auch hier gewonnen wurden und auch das alles kommt in den Medien, genauso wie die Einsicht, das selbst nationale Behörden gegen Facebook kaum Handhabe haben. Was ändern wird sich wohl erst, wenn die EU mal eine Milliardenstrafe verhängt. Sobald es an das Portemonnaie geht, sind Konzerne plötzlich enorm flexibel.

An und für sich tangiert mich das Problem nur peripher. Für mich waren soziale Netzwerke nie interessant. Mir erschloss sich nicht der Sinn und Zweck. Wenn ich jemand kontaktieren will, warum nicht direkt? Was interessiert mich was andere liken oder nicht? Und ich wüsste nicht was es so Wichtiges gäbe, dass ich es vielen mitteilen müsste, zumindest im privaten Bereich. Ich weiß auch nicht, warum es so wichtig wäre, von mir Bilder zu posten oder „Selfies“ zu machen. Kurzum: Ich bin für die Plattform wohl einfach nicht extrovertiert genug. Zudem habe ich das Ego, das wenn jemand was von mir will, er auf meine Seite kommen kann oder mich anmailen kann. Vielleicht bin ich auch zu alt, denn nach eigenen Statistiken ist das Durchschnittsalter eines Facebook-Benutzers 29,4 Jahre. Das erklärt auch den leichtsinnigen Umgang mit Bildern oder persönlichen Daten wie „Habe gestern wohl etwas zu viel über den Durst getrunken“, die dann später vor allem bei der Stellensuche sehr negative Folgen haben können.

Facebook ist da nicht das Einzige. Ich bin auch nicht bei Google+ und ich nutze auch andere neue Webservices nicht wie Twitter, Instagramm, Whatsapp etc. Meiner Beobachtung verselbstständigen sich diese Dinge. Die Leute meinen dann gar nicht mehr ohne Smartphone und ohne dauerndes Kontrollieren des Status auskommen zu können.

Was mich ein bisschen ärgert, sind öffentliche Medien. Auf der einen Seite verweisen sie immer, wenn es um Facebook geht auf die Mängel, die ich oben aufgezählt habe, auf der anderen Seite findet sich bei fast jeder Sendung, egal ob im Radio oder Fernsehen irgendwann eine Bemerkung wie „Diskutieren sie mit uns bei Facebook“. Oder es werden Facebook Seiten-URL eingeblendet. Ich finde das heuchlerisch. Entweder ich kenne das Problem und finde das Verhalten inakzeptabel und nicht vereinbar mit deutschem Datenrecht oder auch nur dem Befolgen von deutschen Gesetzen die ja auch Schranken für die Meinungsfreiheit kennen. Dann werte ich ein solches Medium nicht auf, indem ich dort eine Seite unterhalte und Besucher auf diese Seite locke. Ich finde es auch etwas komisch wenn ich eine Diskussion, sagen wir mal zu der ARD-Diskussionsendung „Fakt“ bei Facebook führen soll anstatt bei der ARD. Das wäre für mich der erste Sprung. Die ARD-Homepage oder die Fakt Homepage. Da immer nur eine Sendung gerade "OnAir" ist, wäre es auch kein Problem auf die Hauptseite einen Button mit einem direkten Sprung zu legen oder man nutzt sowieso kurze feste links wie www.ard.de/Fakt.

Die Argumentation lautet dann: Jeder ist auf Facebook, Facbeook hat eine so große Marktmacht ... Gerade deswegen sollte man sich nicht beteiligen, das die Marktmacht kleiner wird, dann wird vielleicht auch mal Facebook sich reformieren, wenn es an Kunden oder Mitgliedern verliert. So ist aber was die öffentlichen Medien betreiben Facebook-Heuchelei.

20.12.1016: Das richtige Okular finden

Es ist Weihnachtszeit und wie immer zu Weihnachten bekomme ich Mails von Leuten, die sich ein Teleskop anschaffen, wollen oder verschenken wollen. Ganz intensiv war es am Wochenende, als jemand als erstes Teleskop ein C8 oder einen 150-mm-Apochromaten anschaffen wollte. Das heißt, er liegt in der Preisklasse 2000 bis 3000 Euro. Normalerweise geben die Leute für erste Teleskop eher ein Zehntel dessen aus und ich wollte ihn auch zu einem kleineren Instrument überreden. Der Grund: Jeder macht was anderes, jeder wohnt woanders und nicht jeder findet Gefallen, nachts in der Kälte durch ein Teleskop zu schauen (dummerweise sind die Beobachtungsbedingungen am besten im Winter in sternklaren = kalten) Nächten. Ich habe persönlich festgestellt, dass es für mich nicht das Richtige ist. Es wäre vielleicht, wenn ich in den Bergen wohnen würde, anders. Aber hier in der Nähe von Stuttgart lohnt sich wegen der Lichtverschmutzung eigentlich kein größeres Instrument. Das ist wie, wenn man einen Porsche hat, und darf nur innerorts fahren. Dafür reicht dann auch ein Golf.

Daher sollte man klein anfangen sich Basiswissen aneignen und dann kann man sich nach ein, zwei Jahren was Größeres kaufen, hat aber dann auch genau Vorstellungen was man will und was nicht.

Ich will im heutigen Blog mal auf ein Thema eingehen, das alle angeht: zusätzliche Okulare. Man bekommt meistens welche mitgeliefert, meistens Zwei, manchmal auch nur Eines. Man braucht aber meistens mehr. Zudem sind die meist schlecht ausgewählt. So habe ich schon Refraktoren mit einem Öffnungsverhältnis von 12 gesehen die mit einem 10 und 20 mm Okular ausgeliefert wurden. Warum das Nonsense ist weiß man nach Lesen des Artikels.

Warum braucht man verschiedene Okulare?

Mit Okularen stellt man die Vergrößerung ein die ein Teleskop liefert. Man berechnet sie durch die einfache Formel:

Vergrößerung = Teleskopbrennweite / Okularbrennweite

Da die Teleskopbrennweite fest ist, erreicht man verschiedene Vergrößerungen nur durch mehrere Okulare. Die gibt es von 3 bis etwa 56 mm Brennweite, die größte Auswahl gibt es zwischen 10 und 32 mm Brennweite, darunter und darüber wird das Angebot kleiner.

Von Zoom-Okularen ist wenn man keine Tiere beobachten will abzuraten. Zum einen ist die optische Qualität schlechter als bei Einzelokularen. Zum Zweiten ist der Blockwinkel klein (dazu später). Dafür sind sie relativ teuer.

Eine zweite Möglichkeit Okulare einzusparen sind Barlow-Linsen. Das sind Vergrößerungslinsen mit einem festen Faktor (meist 1,5 bis 2), die man zwischen Teleskop und Okular steckt. Mit einer 1,8-Fachen Barlowlinse wird aus einem 18-mm-Okular so ein 10-mm-Okular. (Die neue Brennweite erhält man durch Teilen der Originalbrennweite durch den Faktor der Barlowlinse).

Man kann also Okulare einsparen. Ich persönlich finde es zu umständlich, weil man immer zwei optische Elemente wechseln muss und ich benutze die Barlowlinse nur für fotografische aufnahmen.

Welche Brennweiten soll ich kaufen?

Es gibt unabhängig vom Teleskop zwei Kriterien, die man beherzigen müsste. Beide hängen mit dem Auge als optischem System zusammen und folgen aus den Gesetzen der Optik. Das eine ist die maximale Pupillengröße. Sie liegt im mittleren Alter bei 7 mm. Ein Okular sollte keine Austrittspupille haben, die größer als die maximale Pupiillengröße (also 7 mm) ist. Nach unten erhält man die schärfste Abbildung, wenn die Pupille 1 mm groß ist, so groß ist die Region im Auge mit der hohen Auflösung. Die kleinste nützliche Austrittspupille beträgt also 1 mm. Man kann leicht drüber gehen (so bis in etwa 0,7 mm) wenn das Objekt sehr klein ist (Planeten, meist bemerkt man aber dann auch schon das die Abbildung nur größer und dafür unschärfer wird denn das korrespondiert auch mit dem Auflösungsvermögen des Teleskops. Man bekommt bei 1 mm die Vergrößerung, mit der man die feinsten Details sieht. Sie liegt, als kleine Hilfe, so groß wie der Optikdurchmesser in Millimetern. Die maximal sinnvolle Vergrößerung eines 130-mm-Instruments liegt also bei 130-Fach. Die Regel gilt übrigens nicht für Ferngläser, weil man diese tagsüber benutzt und da sollte die maximale Vergrößerung bei einer Pupille von 7 mm liegen, sonst hat man den weiter unten beschriebenen „Röhreneffekt“. Ein 50-mm-Fernglas sollte also maximal 50/7 = 7-fach vergrößern.

Doch wie kommt man auf die Austrittspupille?

Sie berechnet sich nach folgender Formel:

Austrittspuplle = Okularbrennweite / Öffnungsverhältnis

wobei:

Öffnungsverhältnis (f/d) = Brennweite der Optik / Durchmesser der Optik

Nehmen wir mal einen billigen Einstiegsnewton mit 114 mm Durchmesser und 900 mm Brennweite:

Öffnungsverhältnis = 900 / 114 = 7,9

Mit den beiden Extremen 7 mm Austrittspupille und 1 mm Austrittspupille bekommt man dann auf eine Maximalbrennweite von 7 x 7,9 = 55 mm und 1 x 7,9 = 8 mm, maximal 0,7 x 7,9 = 5-6 mm.

Ich empfehle drei bis vier, wobei jedes Okular etwa die doppelte Vergrößerung des vorherigen liefert. So würde sich folgende Reihe anbieten:

55-56 / 25-28, 12-14,7-10

Da die hohen Brennweiten teuer sind, und die 0,7-mm Pupille schon grenzwertig ist käme man auch mit drei aus:

40 mm / 15-20 mm / 7-10 mm

Welches Okular kaufen?

Es gibt nicht nur zahlreiche Anbieter sondern auch zahlreiche Bauformen. Sie unterscheiden sich im Preis aber auch dem optischen Aufbau. Am unteren preislichen Ende liegen orthoskopische Okulare, die so langsam aussterben und Plössls, am oberen Extreme-Wide-Angle Okulare. Die einfachen haben vier Linsen, die teuren bis zu acht.

Der Unterschied ist nicht mal so sehr an der optischen Güte festzumachen. Auch die preiswerten orthoskopischen Okulare bieten ein scharfes Bild. Das Gleiche gilt für die heute häufigste Gruppe, die Plössls. Worin sie sich wesentlich unterscheiden, ist der Öffnungswinkel und das Einblickverhalten. Der Öffnungswinkel ist der Winkelbereich, den man mit dem Okular sieht. Vereinfacht gesagt bedeutet ein kleiner Öffnungswinkel, dass man mit dem Auge den Rand = die Bregenzung deutlich wahrnimmt (wie wenn man durch ein Rohr schaut), bei einem großen dagegen nicht, es scheint so als wäre man „im“ Weltraum. Das Zweite ist das Einblickverhalten. Es hängt zum einen vom Brennpunkt des Okulars ab, ist der nahe an der Linse so ist das Einblickverhalten schlecht, ist er weit weg so ist es deutlich besser. Bei kleinen Brennweiten kommt hinzu, dass bei kleinen Brennweiten die Feldlinse sehr klein ist. Ich habe hier mal meine Okulare nach Brennweiten geordnet (32 bis 10 mm Brennweite). Man sieht deutlich das die Linse immer kleiner wird.

Weitwinkelokulare erlauben einen Rundumblick. Doch preiswerte Weitwinkelokulare haben meist ein schlechtes Einblickverhalten und eine Randunschärfe. Bessere Weitwinkelokulare wiesen beide Nachteile nicht aus, doch dafür sind sie sehr teuer und schwer. Das teuerste Ultra-Wide Angle Okular kostet 1300 Euro bei 1,3 kg Gewicht und 120 Grad Gesichtsfeld. Ein Standard Plössl derselben Brennweite dagegen 35 Euro bei 71 g Gewicht und 52 Grad Gesichtsfeld. Das Gewicht spielt durchaus eine Rolle, weil die Okulare an den Tubenenden befestigt werden und so eine große Hebelwirkung haben. Das gilt vor allem für Refraktoren.

Meine Empfehlung

Okulare mit kleinen Brennweiten braucht man für die Planetenbeobachtung. Da man hier sowieso nur auf den Planeten schaut und der schon in einem normalen Okular klein ist, lohnt es sich nicht hier in Weitwinkelokulare zu investieren. Ideal sind hier die orthoskopischen Okulare mit zwar kleinem Blickfeld, aber gutem Einblickverhalten. Leider sind die langsam am Aussterben. Für die Beobachtung mit mittleren oder großen Brennweiten (Globalübersicht Mond oder Sonne, Nebel, Sternfelder) kann sich ein Weitwinkelokular lohnen. Leider haben Besitzer von langbrennweitigen Instrumenten hier das Problem, das sie sehr große Brennweiten für kleine Vergrößerungen brauchen. Ab etwa 30-32 mm Brennweite braucht man schon bei Standardokularen (Plössl) ein 2“ Okular. Normal sind sonst 1,25 Zoll Steckhülsen. Der normale Okularauszug hat einen 2-Zoll-Anschluss mit Reduktion auf 1,25 Zoll, außer bei ganz kleinen Teleskopen.

Das man bei großen Brennweiten eine Steckhülse mit 2 Zoll Durchmesser braucht, liegt an der Feldlinse. Sie kann maximal so groß sein wie der Innendurchmesser des Okulars. Bei 1,25 Zoll maximal 29 mm. Als Faustregel gilt: Bei 57° Austrittswinkel ist die Feldlinse genauso groß wie die Brennweite. Bei den 50-52 Grad Öffnungswinkel eines 32-mm-Okulars ist man also schon an der Grenze, das die Feldlinse den ganzen Innendurchmesser ausfüllt. Das Okular oben rechts ist z.B. ein solches 32-mm-Okular. Geht man nun zu größeren Brennweiten über, so sieht man absolut nicht mehr – die Brennweite steigt an, aber der Öffnungswinkel sinkt, das Produkt con beiden, das heißt das wahre Gesichtsfeld, bleibt konstant.

2-Zoll-Okulare sind aber nicht nur teurer und schwerer, man muss dann auch dauernd den Einsatz zwischen 2 Zoll und 1,25 Zoll wechseln. Bei einem Instrument mit 90-Grad-Prisma am Okularauszug (Schmidt-Cassegrain, Refraktor, Maksutov) muss man zudem dann auch dieses 90-Grad-Prisma in 2 Zoll Ausführung sein, was extra kostet. Üblich sind nur 1,25 Zoll Prismen bei Standardteleskopen.

Aus Sicht der Minimierung der Folgekosten ist man daher am besten dran, wenn die Optik ein Öffnungsverhältnis von 5-6 hat. Dann kommt man mit 1,25 Zoll Okularen aus und man braucht keine Okulare mit kleinen Brennweiten und schlechtem Einblick. Leider sind das nur Newtons. Kurzbrennweitige Refraktoren und Schmidt-Cassegrains mit dem Öffnungsverhältnis gibt es auch, doch sind die entweder teuer oder haben andere Nachteile. (Unscharfe Abbildung durch die großen Fangspiegel bei SC, Farbfehler bei Achromat-Refraktoren).

So ich hoffe der Beitrag war lehrreich, auch wenn er vielleicht für die meisten regelmäßigen Blogleser nicht so interessant war

30.12.2106: Die Lösung für ein überflüssiges Problem: schnell zu Merkur

Merkur ist der innerste der Planeten. Anders als alle anderen inneren Planeten hat er aber selten Besuch bekommen. 1974/75 besuchte ihn dreimal die Raumsonde Mariner 10. Dies war eine Vorbeiflugmission. Es folgte 2004 Messenger. Sie schwenkte im März 2011 in einen Orbit ein. Es soll noch BepiColombo folgen, ebenfalls eine Orbitermission, diesmal aber mit zwei Orbitern. Ursprünglich war auch ein Lander geplant, doch er fiel Budgetrestriktionen zum Opfer. Auch BepiColombo wird sieben Jahre brauchen, um Merkur zu erreichen. Demgegenüber schaffte Mariner 10 den Weg in weniger als fünf Monaten. Da bin ich beim heutigen Blogthema: schnell zu Merkur. Wie schnell geht es?

Nun um die Frage kurz zu beantworten: Natürlich geht es schnell. Doch der Preis ist, dass man ein hohes ΔV zur Merkur-Umlaufbahn bei der Ankunft hat. Das muss man abbauen und das kostet Treibstoff. Ich will den Artikel nicht mit Berechnungen vollstopfen. Es sind ohnehin nur zwei Formeln nötig: Die Geschwindigkeit eines Körpers um einen anderen erhält man mit der Vis-Viva Gleichung, wenn man die Bahnparameter und momentanen Abstand kennt. Die Geschwindigkeit, die man braucht, um von einer Sonnenumlaufbahn in eine Planetenumlaufbahn zu gelangen (und umgekehrt) erhält man mit dem hyperbolischen Exzess. Beides ist in meinen Grundlagenartikeln erläutert.

Klassische Hohmann-Transferbahn

Die energieärmste Bahn zu Merkur resultiert dann, wenn Merkur am sonnenfernsten Punkt ist. Merkurs Umlaufbahn ist stark elliptisch und der sonnenfernste Punkt erstreckt sich über 69 Millionen km von der Sonne entfernt. Beim sonnennächsten Punkt sind es nur noch 46 Millionen km. Die Geschwindigkeitsdifferenz ist um so größer, je weiter die Bahnextreme auseinander liegen. Da die Erdbahn nahezu kreisförmig ist, kann man nur bei Merkur Einfluss nehmen. Für eine klassische Hohmannbahn sieht dies für Merkurs Aphel so aus:

Zum einen muss die Raumsonde schon die solare Geschwindigkeit beim Start um 6,2 km/s ändern. Das drückt sich in der hohen Startgeschwindigkeit (relativ zu einer 186-km-Kreisbahn) aus. Bei Merkur angekommen ist sie immer noch 12 km/s zu schnell. (51,3 zu 39,4 km/s)

Für das Perihel von Merkur sieht dieselbe Rechnung so aus:

Hier ist die Sonde „nur“ noch 7,5 km/s zu schnell. Um mit diesen Überschussgeschwindigkeiten in einen 500 km hohen Otrbit einzuschwenken, muss die Sonde dann um 9,9 km/s (Annäherung im Aphel) und 5,7 km/s (Annäherung im Perihel abbremsen). Zusammen mit der Startgeschwindigkeit von 12,6 und 14,5 km/s ergeben sich so Gesamtgeschwindigkeitsänderungen von 22,5 und 20,2 km/s. Die Annäherung im Perihel ist also energetisch günstiger. Der Widerspruch erklärt sich durch den hyperbolischen Exzess. Es gibt dabei zwei. Einen beim Abflug von der Erde und einen bei Merkur. Er senkt den Geschwindigkeitsbedarf enorm ab. Ohne ihn wären es 29-42 km/s Geschwindigkeitsänderung. Bei der Annäherung im Perihel ist der größere Betrag beim Start fällig. Dieser findet im Gravitationsfeld der Erde statt, wobei der hyperbolische Exzess wegen der größeren Gravitationskraft der Erde naturgemäß höher ist.

Trotzdem: 20-22 km/s sind enorm viel. Die beim Start schnellste Raumsonde war bisher New Horizons mit einer Startgeschwindigkeit unter 17 km/s. Dabei wog diese nicht mal 500 kg. Schon auf die niedrigere Geschwindigkeit von 20 km/s könnte man gerade mal 100-200 kg mit einer Atlas V in einen Merkurobrit bringen.

Schneller mit Venus Fly-By

Schon Mariner 10 nutzte die Venus als Sprungbrett. Die Venus kann das Perihel einer Bahn soweit absenken, dass aus einer Venus-Transferbahn eine Bahn wird, deren sonnennächster Punkt beim Perihel von Merkur liegt. Das geht schon bei Bahnen die sonst ihr Perihel in der Entfernung der Venus haben. Eine Überschussgeschwindigkeit wirkt sich kaum auf das Aphel aus. Das Perihel sinkt dagegen deutlich ab, wie folgende Tabelle zeigt. Die Vorbeiflughöhe an der Venus wurde dabei konstant bei 500 km gehalten und die Startgeschwindigkeit von der Erde bezieht sich auf eine Fluchtgeschwindigkeit von 11 km/s, die man typisch in einem erdnahen Orbit hat.

 

Startgeschwindigkeit Solar

Startgeschwindigkeit Erde

Startbahn

[Mill. km]

Endbahn
[Mill. km]

Geschwindigkeitsdifferenz zu Merkur am Perihel

24.000 m/s

12.430 m/s

71,9 x 149,6

46,6 x 120,7

5761 m/s

25.000 m/s

11.998 m/s

81,3 x 149,6

51,4 x 117,1

6088 m/s

26.000 m/s

11.634 m/s

92,1 x 149,6

57,2 x 113,1

6853 m/s

27.000 m/s

11.349 m/s

104,3 x 149,6

70 x 109,3

9221 m/s

Ich habe die größeren Startgeschwindigkeiten hinzugenommen, weil wie oben gezeigt, man so die Differenz zur Geschwindigkeit Merkurs minimieren kann.

Für die erste Bahn errechnet sich so eine abzubremsende Geschwindigkeit in einen 500-km-Orbit von 4203 m/s und für die Zweite eine von 4476 m/s. Die beiden anderen Bahnen sind nicht mehr günstiger. Zusammen mit der Startgeschwindigkeit ist man so bei 16.633 m/s und 16.475 m/s. Das ist zwar fast 4 km/s besser als ohne Vorbeiflug, aber klar ist, dass so die Nutzlast minimal ist: Eine Atlas V könnte so noch etwa 500 kg in einen Orbit um Merkur bringen. Elliptische Orbits sind etwas günstiger, doch angesichts der kleinen Schwerkraft von Merkur nicht viel. Bei Messenger machte dies rund 850 m/s aus.

Wie kommt man möglichst schnell mit mehreren Vorbeiflügen zu Merkur?

Es geht, das zeigte Messenger. Doch die Raumsonde brauchte fast sieben Jahre vom Start bis zur Ankunft in dem Endorbit. Dabei machte sie sechs Swing-Bys: Einen an der Erde, zwei an der Venus und drei an Merkur.

Doch müssen es 7 Jahre Flugzeit sein? Im Prinzip nicht. Man muss nur dafür sorgen, dass die neue Umlaufszeit, und Merkurs Umlaufszeit von 88 Tagen, eine möglichst kleine gemeinsame Periode haben. Das Vorbild ist hier Mariner 10. Ihre Bahn, die nach der Merkurpassage stark der letzten Bahn in der Tabelle ähnelte, hatte eine Umlaufszeit von 176 Tagen. Das sind zwei Merkurjahre. Merkur könnte sie mit nur 2604 m/s Geschwindigkeitsänderung in eine von 69 x 84 Millionen km ändern. Diese hat dann 1,5 Merkurjahre Umlaufdauer – nach 3 Merkurumläufen oder 264 Tagen passiert man Merkur erneut. Das Problem: Die Periode nimmt nun rasch zu. Das nächste geradzahlige Vielfache wäre 4/3 mit 4 x 88 = 352 Tagen nach dem man sich erneut begegnet. Kurzum: Wenn man wie bei Messenger nur noch 900 m/s abbremsen möchte, braucht man sehr viele Begegnungen und sehr lange Zeit. Immerhin, für den Fall, dass man die günstige der obigen Startbahnen nimmt, ergäben sich folgende Zwischenbahnen:

 

Startbahn

Nach Vorbeiflug

Differenz zu 500 km Kreisbahn

Neue Umlaufsdauer

Gesamtdauer

51,4 x 117,1 Mill. Km

51,4 x 100,5 Mill. Km

3476 m/s

132 Tage

105 Tage

51,4 x 100,5 Mill. Km

51,4 x 88,7 Mill. Km

2541 m/s

117 Tage

369 Tage

51,4 x 88,7 Mill. Km

51,4 x 83,1 Mill. Km

2086 m/s

110 Tage

720 Tage

Relativ schnell deutlich wird, dass man für einen immer kleiner werdenden Geschwindigkeitsgewinn immer länger werdende Perioden zwischen zwei Begegnungen mit Merkur erreicht. Nach der letzten Bahn müsste man nun 440 Tage warten (gesamt also 1160 Tage oder mehr als 3 Jahre) bis man mit rund 2,1 km/s einschwenken könnte. Dabei liegt diese Geschwindigkeit immer noch über der, die Messenger aufwenden musste.

Das Ganze wird etwas dadurch entschärft, das die Raumsonde den Kurs zwischen zwei Begegnungen leicht korrigieren kann. Doch das kostet wiederum weiteren Treibstoff. Messenger brauchte noch länger, weil die Sonde schon mit geringer Geschwindigkeit startete. So brauchte sie erst mehrere Vorbeiflüge, um überhaupt das Perihel in Merkurs Entfernung zu bekommen. Bei obiger Sonde wäre die Venus nach 43 Tagen erreicht worden, Messenger passierte sie erst nach 26 Monaten. Die erste Merkurbegegnung erfolgte nach über 4 Jahren anstatt nach einem halben Jahr. Danach ist die Mission mit der obigen Tabelle vergleichbar.

Wie immer erkauft man sich Treibstoffverbrauch mit verlängerter Mission. Für den Fall, dass man nach einer Merkurbegegnung in eine Umlaufbahn eingeschwenkt wäre, sähe die Bilanz so aus:


Schneller Weg

Messenger

Zeit vom Start bis zum Einschwenken:

369 Tage

2387 Tage

Startgeschwindigkeit:

11.988 m/s

11.722 m/s

Einbremsen in Merkur-Orbit (500 x 15.200 km)

2629 m/s

860 m/s

Interplanetare Manöver

100 m/s

1047 m/s

Gesamt ΔV über Fluchtgeschwindigkeit (11 km/s)

3717 m/s

2629 m/s

Die Betrachtung berücksichtigt auch, dass Messenger wegen insgesamt sechs Fly-Bys zahlreiche Anpassungen der Bahn benötigte (mindestens sechsmal gab es größere Bahnänderungen) und dafür ebenfalls Treibstoff verbrauchte. Dagegen kommt man bei zwei Passagen noch ohne aus, wie das Beispiel Mariner 10 zeigte.

MESSENGER wog beim Start 1107 kg. Für die rund 1100 m/s Korrekturvermögen würde sich ein Startgewicht von 1715 kg geben. Das wäre für eine Delta II als Träger zu schwer. Man hätte eine Atlas V nehmen müssen, die damals etwa 50 Millionen Dollar teurer war. Messenger war schon an der Nutzlastgrenze der Delta 2. Man setzte eigenes eine Delta 7924H mit vergrößerten GEM-Boostern ein. Hätte man mehr Performance gehabt, sicher hätte man die Sonde direkt zur Venus geschickt, die sie dann zu Merkur umgelenkt hätte. So gab es aber erst einen Erdvorbeiflug nach einem Jahr, der sie auf Venuskurs brachte und zwei Venus-Flybys mussten dann das Perihel auf Merkurs Umlaufbahn absenken und das anfängliche zu hohe Perihel wieder abbauten. Das alleine kostete schon viel Zeit.

31.12.2106: Die Lösung für ein überflüssiges Problem: Welche Nutzlast hätte eine Saturn V 2.0?

Bei einer Dokumentation über das Apolloprogramm kam mir angesichts der Hervorhebung, dass man das alles vor 40 Jahren mit dem damaligen Stand der Technik geschafft hat, die Idee zum heutigen Blog: Wie weit ist man heute wirklich weiter in der Raketentechnik am Beispiel der Saturn V.

Damit man richtig vergleichen kann, muss man einige Parameter gleich lassen. Ein Vergleich der Ares V oder SLS mit der Saturn V ist so nicht besonders sinnvoll, denn sie verwenden zweieinhalb anstatt drei Stufen und zweimal Wasserstoff und einmal Feststoff anstatt Kerosin/LOX.

Viel hat sich in den 40 Jahren geändert, aber doch erstaunlich wenig fundamental. Natürlich gibt es heute leichtere Legierungen. Das reduziert vor allem die Tankmasse. Die Triebwerke werden nach wie vor aus denselben hochtemperaturfesten Legierungen hergestellt. Bei Tanks ist derzeit auch der Übergang von Metall zu CFK-Werkstoffen in Gespräch. In anderen strukturell belasteten Teilen wie Nutzlasthüllen, Zwischentankstrukturen und Stufenadaptern werden sie ja schon eingesetzt. Triebwerke arbeiten heute mit höheren Brennkammerdrücken, das erlaubt größere Expansionsdüsen was den Schub und spezifischen Impuls steigert. Sie können heute auch ausgefahren werden, womit man theoretisch auch Erststufentriebwerke an den Betrieb in großer Höhe anpassen kann. In den USA wurde zudem noch nie das Staged-Combustion-Verfahren bei LOC/Kerosin eingesetzt, was nochmals einen Performanceschub verspricht. Kurzum, das verspricht, spannend zu werden.

Allerdings muss man sagen: Der Vergleich wird nicht fair werden. Das liegt daran das schon die Saturn V nicht die modernste Technik einsetzte. In allen Stufen war die Strukturmasse sehr hoch. In der zweiten Stufe saß der Tank z.B. in einem umhüllenden Container, der die Lasten aufnahm. Auch die Triebwerke hinkten dem damaligen Stand der Technik hinterher. Die Triebwerke der Titan und das Zentraltriebwerk der Atlas hatten schon höhere spezifische Impulse als das F-1. Das Gleiche galt für das RL-10 der Centaur, vergleichen mit dem J-1. Das Credo war eine zuverlässige Trägerrakete zu bauen, nicht die technisch optimalste.

Damit der Vergleich fair ist, muss man auch die Stufenmassen beibehalten. Optimieren kann man dann die Leermasse und den spezifischen Impuls. Im Normalfall diktieren die Triebwerke mit ihrem Schub das Gewicht der Stufe. Da die Triebwerke heute einen anderen Schub als damals haben würde man, wenn man wirklich eine Saturn V neu konstruieren, würde die Stufe dem Schub anpassen. Doch dann hat man auch anders Stufenteiler und der Vergleich hinkt. Ich will auf eine Folge aber noch zurückkommen.

Die Saturn V

Hier mal die Daten der eingesetzten Saturn V:


Apollo 8

Apollo 9

Apollo 10

Apollo 11

Apollo 12

Apollo 13

Apollo 14

Apollo 15

Apollo 16

Apollo 17

S IC betankt

2,172,224

2,280,201

2,282,072

2,278,285

2,281,193

2,281,671

2,244,911

2,236,248

2,245,280

2,246,540

S IC leer

138,642

134,084

133,449

130,977

130,569

130,637

130,410

131,453

130,641

130,441

S II betankt

469,686

485,048

487,434

480,440

481,000

487,141

488,164

499,413

505,750

493,318

S II leer

40,188

38,129

38,268

36,351

36,388

35,403

35,403

35,381

37,820

36,478

S II / SIC Adapter

5,720

4,674

4,032

4,582

5,200

5,200

5,189

5,171

4,581

4,541

S IVB betankt

119,859

117,042

118,768

118,173

118,875

117,889

117,972

117,936

118,161

120,657

S IVB leer

13,496

11,476

11,680

11,340

11,362

11,278

11,323

11,340

11,340

11,295

S II / S IVB Adapter

3,973

3,665

3,665

3,665

3,645

3,674

3,665

3,639

3,640

3,637

Nutzlast

28,897

36,553

42,774

45,677

45,721

45,789

46,349

48,619

48,629

48,623

Dazu kommen noch 1821 kg für den Adapter S-IVB und Apollo und 2.041 kg für die IU, das „Gehirn“ der Rakete. Diese Daten habe ich bei der Gesamtübersicht hinzugekommen, wobei die letzte Saturn V von Apollo 17 die Referenz war.

S-IC

Die S-1C der Saturn V setzte fünf F-1 Triebwerke ein. Sie arbeiteten mit niedrigem Brennkammerdruck von 50 bis 54 Bar. Man würde sie heute durch Hochdrucktriebwerke ersetzen. Es bieten sie die RD-170 der Zenit an, die zudem einen etwas höheren Schub aufweisen.

Die Bauweise war relativ massiv, mit einem Strukturkoeffizienten von nur 17,2 zu 1. Den übertrafen schon die älteren Titan 2 und Atlas. Heute will SpaceX bei den Boostern 30 erreicht haben, also setzen wir diesen an. Die Angabe „bei den Boostern“ deutet schon an, der Stufenadapter ist nicht dabei. Doch selbst wenn man Aluminium als Legierung nimmt, kann man den Adapter deutlich leichter machen. Er war bei der Saturn V 5,2 m lang. Ein 14 m langer Adapter für die Ares V hätte trotz fast dreifacher Länge in CFK-Bauweise nur 3,8 t gewogen. Mit 5,2 m wird man nicht auskommen, da die Triebwerke der zweiten Stufe länger sind, doch ein 2,5 t schwerer CFK-Adapter würde bei einer Länge von 8 m ausreichend sein.

S-II

Für die beiden Oberstufen habe ich mich für die Nachfolger des J-1, die J-2X entschieden. Die Wahl ist naheliegend, denn die Triebwerke sind wie das Original wiederzündbar und im Vakuum zündbar. Das erfüllt ohne Modifikationen nicht für das RS-25, das dafür mit höherem Schub punktet. Dadurch wiegt es aber auch 1,2 t mehr. Bei der S-II ist das ohne Bedeutung, man könnte fünf J-1 durch drei RS-25 ersetzen. Doch bei der S-IVB hat das Triebwerk dann den doppelten Schub des J-1, was deutliche Folgen auf die Auslegung gehabt hätte. So kann man aber fünf J-1 in der S-II durch vier J-2X ersetzen, die fast denselben Schub haben.

Für die Berechnung der Leermasse kann man den Space Shuttle Tank als Referenz nehmen. Die Masse der S-2X ist bekannt und etwa ein Drittel der Triebwerksmasse entfällt auch den Schubrahmen. Zusammen mit anderen Subsystemen komme ich so auf eine Trockenmasse von 31,4 t. Von Vorteil ist auch das höhere LOX/LH2 Verhältnis der S-2X. Ich denke es müsste noch etwas leichter gehen bedenkt man das beim Shuttle-ET zwei getrennte Tanks verwendet wurden und dieser Tank noch die lasten der Feststoffraketen aufnehmen muss. Dazu kommen noch 2 t für einen leichtgewichtigen Stufenadapter aus CFK-Werkstoffen. Insgesamt kann man bei der S-II am wenigsten Gewicht einsparen, diese Stufe wurde auch damals am stärksten auf eine geringe Leermasse optimiert.

S-IVB

Eine moderne Parallele zur S-IVB wäre die EPC der Ariane 5. Auch sie ist nicht gerade das neueste Modell, doch in Schub und Gewicht vergleichbar. Mit demselben Strukturkoeffizienten von 14 sinkt schon die Leermasse stark ab. Wie bei den anderen beiden Stufen kann man beim Gewicht der SLA-Adapter viel Gewicht einsparen: Hier habe ich 1 t angesetzt. Das Gleiche gilt für die IU. Das meiste Gewicht an der IU ist der Ring, nicht die Computer, Batterien oder Kreiselplattformen. Heute integriert man dies in die letzte Stufe und spart so Gewicht ein. Eine Masse von 1 t für die IU halte ich für ausreichend. So kommt man zu der Version „Neu“.

Das Ergebnis

Der Vorteil ist offensichtlich. Die Nutzlast hat von 48 auf 76 t erhöht. Zugegebenerweise ist das schon eine optimistische Betrachtung. Doch selbst mit dem Strukturfaktor der Ares V EDS für die beiden Oberstufen und der Titan 2 für die Erststufe kommt man noch auf über 70 t Nutzlast. Der Hauptgewinn entsteht durch die viel höheren spezifischen Impulse.

Als letzte Option habe ich daher die RS-25 anstatt der J-2X eingesetzt und das Zusatzgewicht von 1,5 t bei der dritten Stufe berücksichtigt (bei der zweiten reicht es, nur drei Triebwerke einzusetzen die fast gleich viel wie fünf J-1 wiegen). Dies bringt aber nur 1,5 t mehr Nutzlast. Allerdings: drei RS-25 haben 6300 kN Schub in der S-II und eines 2100 kN in der S-IVB. Original waren es nur 5100 bzw. 1027 kN. Dadurch resultieren kleinere Gravitationsverluste. Diese würden die hohen Gravitationsverluste auf ein für dreistufige Raketen „normales“ Maß senken. Nimmt man 200 m/s an (sie liegen dann immer noch relativ hoch) so bekommt 4 t mehr Nutzlast (Neu 3)

Was kommt als Resümee heraus? Eine „neue“ Saturn V würde sich durchaus lohnen. Die Rakete hätte eine Nutzlast, die höher ist als die der Ares V oder SLS. Dabei würde sie sogar weniger als eine Ares V wiegen die 900 t schwerer als eine Saturn v sein sollte.

Außer der Reihe: Eine Saturn V mit dem Strukturfaktor der Titan II und dem spezifischen Impuls der Atlas Triebwerke in der S-IC und den spezifischen Impulsen der RL-10 in den oberen Stufen, also Technik, die damals möglich war, wäre mit über 58 t Nutzlast auch um rund 10 t besser als die originale Saturn V. Bewährte Technik und Reserven haben auch ihre Nachteile. Und immerhin ist keine Saturn V schon beim Betanken explodiert wie die hippen SpaceX Raketen mit den Rekordwerten und Teilen aus dem 3D-Drucker ….

Anhang: Raketendaten

Rakete: Saturn 5

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Verkleidung
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil

2921178

48623

0

10931

1870

1,66 %

Stufe

Anzahl

Name

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]

1

1

2251081

134982

2980

2

1

496955

40115

4180

3

1

124519

15152

4180

Rakete: Saturn 5 (Neu 3)

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Verkleidung
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil

2953261

80706

0

10931

1670

2,73 %

Stufe

Anzahl

Name

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]

1

1

2251081

103800

3246

2

1

496955

33400

4480

3

1

124519

12200

4480

Rakete: Saturn 5 (Neu)

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Verkleidung
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil

2946950

76214

0

10931

1870

2,59 %

Stufe

Anzahl

Name

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]

1

1

2251081

77040

3246

2

1

496955

33400

4393

3

1

122700

10700

4393

Rakete: Saturn 5 Alternativ

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Verkleidung
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil

2931181

58626

0

10931

1870

2,00 %

Stufe

Anzahl

Name

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]

1

1

2251081

106000

3031

2

1

496955

40100

4355

3

1

124519

15136

4355


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