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Web Log Teil : 527: 22.4.2018 - 2.5.2018

22.4.2018: Der Start vom Flugzeug aus – was bringts?

Mit meiner Aufstiegssimulation will ich heute ein Thema angehen, das ich bisher nur abschätzen konnte. Nämlich, wie viel es bringt, wenn man eine Rakete von einem Flugzeug aus abwirft. Nun da das Trägerflugzeug von Stratolaunch erste Testflüge unternimmt, ist die Thematik ja wieder aktuell.

Ich will mich dem Thema aber logisch nähern. Wenn eine Rakete von einem Flugzeug in typisch 12 km Höhe abgeworfen wird, hat sie folgende veränderte Starteigenschaften:

Für kleine Raketen, die man von militärischen Maschinen aus abwerfen kann, kann man auch die Abwurfhöhe erhöhen und die Startgeschwindigkeit ebenfalls steigern.

Einflussfaktoren

Als Einzelfaktoren bezifferbar sind folgende:

Die Differenz zur Orbitalgeschwindigkeit sinkt um die 250 m/s. Das ist sehr sicher bezifferbar.

Eine Rakete muss vom Erdboden aus die Atmosphäre durchqueren und hat dadurch Verluste. In 11 km Höhe ist die Luftdichte auf ein Viertel des Wertes am Erdboden abgesunken. Von diesen Aufstiegsverlusten – je nach Typ etwa 100 bis 200 m/s, entfallen also ein Teil. Wie viel ist schwer genau berechenbar, da die Rakete laufend schneller wird, was in großer Höhe zum Teil die geringe Dichte ausgleicht, denn der Luftwiderstand steigt zum Quadrat der Geschwindigkeit aber nur linear zur Luftdichte. Ich würde aber mindestens 50 % abschätzen, das sind weitere 50 bis 100 m/s.

Die Höhe entspricht einer geringeren „Hubhöhe“ auf die die Nutzlast gehoben werden muss. Auch diese ist nach der potenziellen Energie im Gravitationsfeld genau berechenbar. Für einen 185-km-Orbit sind es 108 KJ/kg Masse. Leider ist das wegen der vektoriellen Addition der Geschwindigkeitsvektoren nicht direkt in eine Differenzgeschwindigkeit umrechenbar.

Nicht offensichtlich ist die größere Effizienz des Antriebs. Für alle Raketentriebwerke ist der spezifische Impuls in Meereshöhe kleiner als der Vakuumimpuls. Um wie viel hängt sehr stark vom Antrieb und dem Düsenmündungsdruck ab. Bei hohem Düsenmündungsdruck können es 7-10 % sein, bei Niedrigem aber auch 30 %, wie bei der Ariane 5. Würde man die Rakete für das Abwerfen konstruieren, könnte man auch die Düsen vergrößern und an den kleineren Düsenmündungsdruck anpassen, was eine weitere Steigerung bringt vor allem bei den meist kleinen Expansionsverhältnissen von 7 – 16 beim Start vom Erdboden aus, steigert das die Effizienz deutlich. Dies gilt dann für die ganze erste Stufe und kann deren Endgeschwindigkeit um 10 Prozent steigern. Das sind bei Trenngeschwindigkeiten von 2- 3 km/s weitere 200 – 300 m/s.

Selbst wenn man die Düsen nicht anpasst, würde ich bei reiner Addition aller Faktoren eine Geschwindigkeitsdifferenz von > 350 m/s ansetzen. Ich würde um die 550 m/s schätzen.

Ein zweiter Ansatz

Versucht man sich von der Thematik von einer anderen Seite zu nähern, so kann man mit dem Start vergleichen, wie er heute der Fall ist. Bei den meisten Trägern liegt der Punkt Max-Q, also maximale aerodynamische Belastung bei 70 – 80 s nach dem Start ungefähr in der Höhe, wo die Rakete abgeworfen wird (11 bis 13 km) und bei etwas höherer Geschwindigkeit. Er tritt meist rund um die Schallgeschwindigkeit auf, die 330 m/s entspricht. Bei Brennzeiten von ersten Stufen (ohne Boosterunterstützung) von 100 bis 220 s bei Feststoffantrieben und mittelenergetischen Treibstoffen entspricht das einem Drittel bis der Hälfte der Brennzeit und damit auch einem entsprechenden Treibstoffverbrauch. Da die erste Stufe einem Großteil der Masse entspricht, übersetzt sich das fast 1:1 in einem entsprechenden Nutzlastgewinn, also von einem Viertel bis einem Drittel. Das ist deutlich mehr als nur die obigen 550 m/s.

Nach dieser Abschätzung komme ich mal zu Stratolaunch. Die Firma ist mir aus dem Blickfeld gerutscht. Das liegt daran, dass ich mich nicht für gigantische Flugzeuge interessiere, sondern für Raketen und da gab, es eigentlich nicht neues. Während das Trägerflugzeug im Prinzip das ist, was man vor einigen Jahren vorstellte, scheint die Firma bis heute keine Rakete zu haben. Zuerst gab es eine Zusammenarbeit mit SpaceX. Nach den Bläsern (Details gab es nicht) wäre die Rakete eine Falcon 9 der ersten Generation gewesen, bei der man vier Triebwerke entfernt hat und die Rakete gekürzt. Das macht auch technisch Sinn und ist einfacher als eine komplette Neuentwicklung. SpaceX löste die Zusammenarbeit, als sie genug Aufträge für ihre Falcon 9 hatten, um keine zwei Baulinien parallel zu betreiben. Stratolaunch kündigte dann eine Zusammenarbeit mit Orbital an, was noch mehr verwundert, da Orbital keine Rakete im Portfolio hat, die zu der maximalen Startmasse (nur Rakete) von etwa 200 t passt. Die Antares ist zu groß, die nächst Kleinere, die Taurus (inzwischen im Minotaur C umbenannt) dagegen viel zu klein. Zuletzt wurde bekannt das Stratolaunch sechs RL-10 Triebwerke gekauft hat, die wohl zur Oberstufe gehören. Was das Trägerflugzeug mal starten soll, ist meiner Ansicht nach immer noch offen. Es wird schon spekuliert, dass es gar kein eigenes Trägersystem sein soll, sondern die Firma Serviceleister für Launch Services Providers sein soll, deren Raketen sie dann startet. Das kann die Nutzlast steigern, bei Firmen die gerade erst in den Markt drängen auch die Kosten für eine Startplattform sparen. Gewissen Sinn macht das bei den vielen kleinen Trägern, die derzeit entwickelt werden wie Elektron oder Launcher One. Doch dafür ist der Träger eigentlich überdimensioniert. Die könnte man auch mit einem ausgemusterten Verkehrsflugzeug abwerfen so wie die Pegasus mit einem Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug. Die Fixkosten des Trägerflugzeugs sind ja immer gleich hoch, egal ob man eine 30 oder 200 t schwere Rakete startet. Bisher wurde das Konzept ja nur bei Feststoffraketen untersucht bzw. betrieben. Mit flüssigen Treibstoffen wäre es die erste Umsetzung. Hier kann die Größe des Trägerflugzeugs von Vorteil sein, denn anders als bei einem normalen Flugzeug, wo sich der Treibstoff für die Düsentriebwerke über die Flügel verteilt ist, er bei der Rakete an einem Punkt konzentriert, und wenn er beim Start kräftig schwappt, induziert er auch Belastungen an einem Punkt, die ein großes Flugzeug leichter ausgleichen kann als ein kleines.

Die Simulation

Da die Rakete unbekannt ist, habe ich es mit der Minotaur C modelliert. Zum einen ist die Rakete bestimmt klein genug, um gestartet zu werden, zum anderen passt es zur Cooperation mit Orbital. Bei einer reinen Feststoffrakete wie der Minotaur C kommt noch ein Vorteil hinzu, der bei flüssigen Raketen nicht auftritt: Durch die typischen kurzen Brennzeiten der Stufen haben diese Freiflugphasen. Diese verkürzen sich, wenn die Rakete eine kürzere Zeit in den Orbit braucht, weil sie mit höherer Geschwindigkeit und Höhe startet.

Die theoretische Nutzlast für einen 128 x 400 km Orbit (nicht kreisförmig, ich beschränke mich auf einen geschwindigkeitsmäßig ähnlichen, stabilen Orbit) beträgt meiner Rechnung nach für die Minotaur 1328 kg. Orbital gibt 1275 kg für einen 200 km hohen kreisförmigen Orbit an, das passt also. Zum Vergleich ist das ohne Freiflugphase, der elliptische Orbit ist so unvermeidlich.

Die „Flugzeug-Variante“ starte ich mit 45 Grad Winkel. Das erspart eine schnelle Drehung nach dem Abwerfen, bei der meine Simulation meckern würde. Das ist bei einem schubstarken Flugzeug auch möglich, wenn es steil anzieht, wie man es heute z. B. bei Parabelflugzeugen bei Zero-G Tests macht. Auch die von Militärflugzeugen gestarteten Raketen (Projekt Pilot, ASAT) wurden bei steilen Parabelflügen abgeworfen. Die Pegasus startete horizontal, hatte aber Flügel, die ihr Auftrieb lieferten, die haben unveränderte Raketen nicht.

Startgeschwindigkeit sind 250 m/s, Starthöhe 11 km. Ich errechne, wiederum ohne Freiflugphase einen 100 x 400 km Orbit, also nahezu den gleich mit einer Nutzlast von 1.894 kg. Das sind nun deutlich mehr, nämlich 48,5 %. Erstaunlicherweise steigt sogar die der Luftwiderstand von 122 auf 210 m/s an.

Ob es sich wirtschaftlich lohnt, ist eine andere Frage, die nur die beteiligten Firmen beantworten können. Einen Punkt, den ich nicht untersucht habe, ist die Möglichkeit, bei jedem möglichen Breitengrad die Rakete abzuwerfen. Das hat zwei Gründe. Das eine ist, das die Masse auf rund 200 t beschränkt ist. Damit scheiden Starts in den GTO, die von einer niedrigen Startinklination profitieren aus. Beim Start in stärker geneigte Bahnen oder polare Bahnen, wie sie aber Satelliten für die Erdbeobachtung aber auch Kommunikationsnetze in erdnahen Bahnen haben, ergibt sich kein Vorteil solange, wie die Inklination nicht kleiner ist als der Breitengrad des Startorts. Die meisten Firmen mit neuen Trägern sind US-Firmen die können vom CCAF oder Wallops Island aus starten mit minimalen Bahnneigungen von 28 bis 38 Grad. Das ist für diese Bahnen mehr als ausreichend.

Das war der vorerst letzte Beitrag zu meiner Aufstiegssimulation. Wenn er erscheint, bin ich schon einige Tage weg und kann dann zwar Mails mit einem Raspberry Pi abrufen, aber mein Programm läuft nur unter Windows. Nicht wegen meiner eigenen Routinen, aber weil ich Zusatzkomponenten einsetze, die im Lazarusprojekt fehlen, wie Editfelder die Zahlenwerte prüfen und als Fließkommazahlen wiedergebe. Auf Lazarus und damit Cross-Plattform-Möglichkeit habe ich es daher nicht umgesetzt.

24.4.2018: Spektrometer

Ich bin derzeit in meinem Ferienhaus in Nesselwang, wie immer zweimal im Jahr Großreinemachen und nach dem Rechten schauen. Bisher hattet ihr Blogs aus der Konserve, also vorgeschrieben und dann in die Zukunft datiert. Der heutige Blog ist mehr oder weniger „live“, na ja er entsteht am Sonntag und wird am Montag fertig.

Auf das Thema kam ich, weil ich einen Tag vor der Abreise das Manuskript zum zweiten Band der Raumsonden zurückbekam. Ich habe es auf den USB-Stick kopiert und lese es gerade auf dem Raspbery Pi durch und bearbeite immer wieder zwischendurch eine Raumsonde. Wahrscheinlich kann ich es Ende Aril abschließen und es erscheint dann Anfang Mai, diesmal hoffentlich ohne verrutschte Seite. In beiden Büchern ist relativ deutlich die Entwicklung von Instrumenten zu erkennen. Den größten Fortschritt gab es meiner Ansicht nach bei den Spektrometern. Ich werde euch in dem Blog nicht erklären können wofür man alles Spektrometer nutzen kann, das würde den Rahmen eines Blogs sprengen, aber ich will mal die Fortschritte bei den Spektrometern im Visuellen und Infrarotbereich erläutern.

Seit Beginn der Spektoskopie hat sich am Grundprinzip nicht viel geändert: Hinter einer Optik die vergrößert, steht zuerst eine Einschränkung des Gesichtsfelds, meist nur ein Spalt. Warum? Nun ein Spektrum fächert das Licht auf, das Spektrum ist eindimensional, das Licht für ein Spektrum stammt aber von einem Punkt, also sozusagen nulldimensional. Würde man das Gesichtsfeld nicht einschränken so erhält man die Spektren vieler Punkte übereinander, sie würden sich überlagern und die Aussagekraft wäre gleich Null. Bei einem Spalt bekommt man ein zweidimensionales Spektrum. In einer Richtung (quer zum Spalt) das Spektrum und in der Spaltrichtung dann das Spektrum von verschiedenen Punkten entlang des Spalts, wobei bei den klassischen Spektrometer man nicht die ganze Länge ausnutzt, sondern nur die Höhe die der Detektor hat,

Dann braucht man eine Vorrichtung die Licht in einzelne Wellenlängen zerlegt. Das kann ein optisches Element wie ein Prisma sein, aber schon bei den ersten Spektrometern war es ein optisches Gitter: Fällt licht auf eine Oberfläche mit Furchen unter einem flachen Winkel so werden die einzelnen Wellenlängen unterschiedlich gebrochen und das Licht in sein Spektrum aufgespalten. Das Prinzip kennt man von einer CD, die auch viele Vertiefungen hat, Hält man sie flach gegen das Licht, so sieht man ein Spektrum.

An dem Ort wo das Spektrum ist, im einfachsten Fall wird es einfach projiziert, braucht man nun einen Detektor, der einfach die Lichtintensität misst. Bewegt man den Detektor über das Spektrum, z.b. mit einem Schrittmotor oder alternativ, man schwenkt durch einen Spiegel das Spektrum über den Detektor, so kann man es abtasten und man erhält eine Kurve, die wenn man sie plottet, in der Y-Achse die Lichtintensität wiedergibt und in der X-Achse die Wellenlänge. Ich gebs zu: wer nicht in der Materie drin ist, fängt mir der Kurve nicht viel an, doch die Einbrüche beruhen auf Absorption von Sonnenlicht und je nach Form und Position kann man so Rückschlüsse über die chemische Natur, dessen worauf die Optik gerichtet ist machen. Relativ einfach ist das bei Atmosphären, wo es nur eine Handvoll Gase gibt die aborbieren können, deutlich komplexer bei Oberflächen weil es viel mehr Minerale und andere anorganische und organische Verbindungen als Gase gibt.

So einfache Spektrometer wurden schon in den Sechziger Jahren eingesetzt. Mit ihnen konnte man die Hauptbestandteile der Atmosphären der Planeten erfassen.

Wenn man die Bestandteile kennt, dann muss man nicht immer ein komplettes Spektrum aufnahmen. Bei Mariner 9 und Viking setzte man Spektrometer ein, die nur beim Absorptionsmaximum von Kohlendioxid und Wasser maßen. Mit dem letzteren konnte man den Waserdampfgehalt in der Atmosphäre abschätzen, der zeitlich und räumlich stark variiert. Doch wozu den Kohlendioxidgehalt bestimmen? Das Gas macht über 90 % der Atmosphäre aus und hier gibt es keine räumlichen und zeitlichen Variationen. Nun eben, weil aus dem Gas die gesamte Atmosphäre besteht, kann man über die Stärke der Absorption den Oberflächendruck bestimmen, sprich die Schichtdicke, die absorbiert. Mit einer ähnlichen Technik versuchte Russland Leben nachweisen, indem sie bei der C-H Bande aßen, die jedes organische Molekül hat. Allerdings auch Methan, das nun beim Mars gefunden wurde und bei dem man sich sicher ist, das es nichtbiologische Ursachen gibt. Das Messen bei einer Wellenlänge ist aber gefährlich. So vertreten amerikanische Wissenschaftler die Ansicht, das der Methansensor an Bord der indischen Raumsonde MOM nicht funktioniert. Er misst bei 1,65 µm, einer Absorptionsbande des Methans, aber nur dort. Wer einmal ein Spektrum auswertet weiß, das die Form nicht immer gleich ist, zudem können sich Spektren überlagern. Dann weiß man nicht, wenn man nur bei einer Wellenlänge misst, ob man Methan misst oder etwas anderes. Dazu müsste man dicht neben dem 1,65 µµ Messpunkt, wo Methan kaum absorbiert eine zweite Messung als Referenz haben, das leistet der Sensor von MOM aber nicht.

Klassische Spektrometer, wie sie bis Ende der Achtziger Jahre eingesetzt wurden, bestimmen zwar die Zusammensetzung, aber die räumliche Auflösung war relativ grob. Bei Voyagers Infrarotspektrometer IRIS, eines der ausgeklügelsten klassischen Spektrometer betrug die Größe eines Messpunktes 0,25 Grad, das ist ein halber Vollmonddurchmesser. Die Telekamera der gleichen Sonde bildete ein Feld von 0,42 Grad ab, löste dieses aber in 800 x 800 Punkte auf. Kurz: Man erhielt die Zusammensetzung der Atmosphäre, es war aber nur sehr schwer eine „Karte“ eines Himmelskörpers anzufertigen.

In den Neunzigern kamen abbildende Spektrometer auf. Ein Zwischenschritt war das NIMS von Galileo: Es hatte 20 anstatt einen Detektor, die über einen Schrittmotor über das Spektrum gefahren werden konnten und so Spektren von 20 Pixeln gleichzeitig aufnahmen. Die heutigen abbildenden Spektrometer arbeiten nach einem anderen Prinzip. Sie wurden möglich, weil es gelang CCD-Sensoren zu entwickeln, die im infraroten empfindlich sind, vor allem Quecksilbercadmiumtellurid-CCD (HgCdTe). Man machte eigentlich nur eines: Anstatt einem Detektor oder einer Reihe von Detektorelementen längs des Spektrums, setzte man einen solchen CCD dorthin, wo das Spektrum aufgenommen wurde. Das Spektrum stammt von einem Spalt, der in Y-Richtung verlaufen soll. Das Spektrum eines Punkts im Spalt wird in X-Richtung aufgespalten und landet so beim CCD auf einer Zeile. Jede Zeile sieht das Licht eines anderen Punktes des Spalts und man erhält so ein Spektrum des Spalts. Bei den ersten HgCdTe die oft 256 x 256 Pixel hatten also 256 Pixel in der Spalte und 256 Pixel pro Spektrum, was die spektrale Auflösung festlegt. Diese Linie kann nun einen Querschnitt z.b. vom Nordpol zum Südpol von Jupiter abbilden. Bewegt man nun das Spektrometer oder (im Falle eines Orbiters) bewegt sich der Himmelskörper relativ zur Raumsonde, so kann man aus vielen diese Spalten ein zweidimensionales Bild erzeugen.

Der große Nachteil solcher abbildenden Spektrometer sind die enormen Datenmengen. Cassini hatte z. B. einen solchen 256 x 256 HgCdTe-Sensor. Ein „Bild“ von 256 x 256 Pixel Größe hat aber, weil jedes Pixel 256 Einzelmessungen für das Spektrum beinhaltet 256 x 256 x 256 Pixel = 16 Mpixel. Daher hat man bei Cassini die Pixel immer zusammengefasst und so auf 64 x 64 x 64 = 0,25 MPixel reduziert. Aufgrund dieses Nachteils kann ein abbildendes Spektrometer auch kein klassisches, das eine höhere spektrale Auflösung erreicht, ersetzen. Cassini hatte daher beide Typen an Bord. Das Klassische Spektrometer suchte nach Molekülen und Spurenbestandteilen, das Abbildende wurde genutzt, um Karten zu erstellen, in den denen man die Hauptmoleküle hervorhob.

Eine zweite Methode zur Datenreduktion ist, dass man gar nicht mehr das ganze Spektrum überträgt, sondern nur die Spalten rund um interessante Moleküle wie Wasserdampf, Ammoniak und Methan. Beschränkt man sich auf wenige Moleküle und ordnet man diesen Farbkanäle zu so kann man dann Falschfarbenbilder erstellen in denen das Vorkommen bestimmter Moleküle farblich hervorgehoben ist. In diesem Modus kann man dann ein abbildendes Spektrometer als eine Kamera mit sehr vielen engbandigen Filtern ansehen.

Spektrometer mit sehr hoher spektraler Auflösung haben noch ein zweites Problem: Dann braucht man einen Detektor mit sehr kleinen Pixeln. Da auf jedes Pixel aber nur ein Bruchteil des Lichts des Urspungspunktes fällt und dieser Anteil immer kleiner wird, je höher auflösend das Instrument sein soll, desto länger muss die Belichtungszeit sein, und in dieser sollte sich die Szene nicht bewegen.

Es gibt mehrere Lösungsansätze für das Problem. Eines sind Michelson-Spektrometer. Bei ihnen gibt es kein optisches Gitter, sondern das Licht wird durch einen Strahlenteiler aufgeteilt und nach zwei unterschiedlichen Wegen wieder vereinigt. Dabei löscht sich das Licht je nach Weglänge aus wenn Amplitude auf ein Tal trifft oder verstärkt sich. Da die Amplitude bei jeder Wellenlänge woanders liegt, kann man durch Variation der Lauflänge über Bewegen eines Spiegels für jede Wellenlänge die Intensität messen. Ein Michelson-Spektrometer erstellt kein klassisches Spektrum, aber aus den Messdaten kann eines rekonstruiert werden. Michelson-Spektrometer sind sehr fein auflösend. Das PFS bei Mars 96, Mars und Venus Express konnte bis zu 16.384 Messpunkte pro Spektrum erstellen.

Eine zweite Variante ist das Echelle-Spektrometer, das durch zwei optische Elemente das Spektrum in zwei Dimensionen aufspaltet, indem in der zweiten Dimension die Spektren höherer Ordnung leicht versetzt abgebildet werden. Nimmt man dieses Spektrum mit einem 2D-Sensor auf, so fängt es oben links mit rot an und endet unten rechts mit blau. Auch Echelle Spektrometer kommen auf 10.000 bis 40.000 Messpunkte pro Spektrum. Venus Express, Rosetta und der TGO setzen Echelle Spektrometer ein.

Gerade beim Mars ist man heute nicht nur an einem kompletten Spektrum interessiert. Es gab unzählige Raumsonden, alle haben Spektren gewonnen. Was neues zu entdecken ist daher recht unwahrscheinlich. Inzwischen ist man bei den Untersuchungen mehr daran interessiert, wie sich die Atmosphäre verändert hat. Dazu ist das Isotopenverhältnis wichtig. Nun gibt es kleine Unterschiede, wo das Absorptionsmaximum liegt, wenn im häufigsten Molekül Kohlendioxid anstatt den häufigsten Isotopen C12 und O16 die schwereren C13/14 oder O17/18 verbaut sind. Und es gibt in der Tat Spektrometer die diese minimalen Unterschiede messen können. Dazu werden akustischoptische Modulatoren eingesetzt, welche die Frequenz eines Laserstrahls modulieren und damit ein spezifisches Interferenzmuster einer bestimmten Frequenz erzeugen. Misst man nun, wie stark dieses Frequenzmuster durch eine Messung verändert wird, so kann man die Isotope mit leicht unterschiedlichem Absorptionsmaximum unterscheiden. Derartige Instrumente kommen sowohl bei Landesonden wie auch Marsorbitern zum Einsatz z.B. Phoenix, Curiosity, Exomars Trace Gas Orbiter.

In der Summe haben sich Spektrometer enorm verändert und wurden in der Leistung viel stärker gesteigert als Kameras. IRIS von Mariner 6/7 hatte eine spektrale Auflösung, die rund 800 Messpunkten pro Spektrum entspricht, bei einem Gesichtsfeld von 4,5 Grad. NOMAD als neuestes nicht abbildendes Spektrometer hat zwar auch nur 2,6 Grad Gesichtsfeld, aber eine spektrale Auflösung von 1/10000. Abbildende Spektrometer haben höhere räumliche Auflösungen, das M3 von Chandrayaan z.b. eine von 0,04 Grad bei 280 Meßpunkte pro Spektrum.

26.4.2018: Facebook, Alte und gute Nachrichten für Dieselbesitzer

Heute mal wieder einen Mischmasch-Blog sprich, verschiedene Themen, die alleine für einen Blog zu kurz wären.

Facebook und Soziale Medien

Fangen wir mal an mit der Facebook-Nachlese. Wie bekannt hat, ja die Firma Cambridge Analytics massenhaft Daten abgegriffen, die sie genutzt hat um Wähler anzusprechen. Die Aufregung war groß. Nur ich verstehe sie nicht. Nach meiner Wahrnehmung ist der einzige Unterschied, das die Daten von einer Fremdfirma genutzt werden anstatt von Facebook selbst die ja auch alles auswertet und damit wirbt, das man so personalisierte Werbung erstellen könnte. Warum das eine schlecht und das andere gut sein soll, verstehe ich nicht. Zumal es ja so etwas wie einen Datenschutz nach EU-Kriterien bei Facebook gar nicht gibt. Man ist vor dieser Datenkrake ja nicht mal sicher, wenn man den Dienst gar nicht nutzt. Ein Facebook-Like Button auf einer Website reicht aus, das jeder der dort hinkommt, selbst wenn er ihn nicht klickt getrackt wird.

Facebook kam ja schon in der Vergangenheit in Verruf. Nicht nur wegen ihrer laschen oder besser gesagt fast nicht existenten Datenschutzrichtlinien, sondern auch wegen beeinflusster Diskussionen durch russische Trolle, dem fehlenden Löschen rechtsradikaler Postings. Dafür aber Bilder mit blankem Busen. Klar, es gibt ja auch viel mehr Busen als Rechtsradikale auf der Welt ...

Ich habe das gesamte Konzept nie verstanden. Warum soll ich mich da rumtreiben? Warum soll ich Facebook-Freunde haben? Schon der Ausdruck sagt ja das das keine echten Freunde sind. Warum soll ich etwas liken oder wildfremden Leuten irgendetwas von mir preisgeben? Ich habe zu, ich bin da eine Ausnahme, ich bin (fast) nirgendwo bei einem der Sozialen Medien vertreten, weder bei Facebook, noch Whatsapp noch Instragram. Die einzige Ausnahme ist Twitter, dazu noch später mehr. Die Sache ist die: ich finde das kostet nur Zeit. Wenn ich jemanden was mitzuteilen habe, kann ich ihn anrufen oder eine Mail schreiben. Ich wüsste nichts, was bedeutsam genug wäre das ich es wahllos an jeden weitergeben würden. Natürlich gibt es Nachrichten, die man teilt. Aber ich wüsste nichts, was wirklich alle meine Bekannte gleichermaßen angeht, sondern eben nur bestimmte Leute. Entweder aus dem beruflichen Umfeld, oder die Familie oder Bekannte. Das zweite ist, dass ich mich für wichtig genug halte, das wenn jemand was von mir will er mich anmailt oder anruft. Ich brauche keine fremde Plattform um in Kommunikation zu bleiben. Ich trenne auch zwischen Leuten die ich „wirklich“ kenne und Leute, die ich nur übers Web kenne. Das hat Kevin Glinkas Vater erstaunt, der mich vor längerer Zeit anrief, um mir zu sagen, dass Kevin gestorben ist. Er ging davon aus, weil Kevin einige Artikel bei mir veröffentlicht hat und Koreekturleser bei den ersten Büchern war, das ich einen intensiven Kontakt zu ihm hätte, aber das war nicht der Fall.

Das einzige Medium bei dem ich bin ist Twitter. Ich dachte, es wäre eine Vereinfachung bei der Recherche, indem man Personen oder Institutionen abonniert, und dann Tweets zu Nachrichten oder Veröffentlichungen bekommt. Würde so funktionieren, wenn die Personen sich auf das offizielle beschränken würden und nichts Privates posten würden und vor allem es keine Retweets oder Antworten auf Tweets gäbe. Die schütten die Nachrichten mit unwesentlicher Information zu oder im Falle von Retweets sogar redundanter Information – Twitter bringt es offenbar nicht fertig, einen Tweet der NASA der von X Personen retweetet wird, nur einmal anzuzeigen. Ich glaube, das werde ich auch aufgeben. Kostet nur Zeit, bringt aber relativ wenig. Der letzte Satz ist auch ein gutes Tesümee meiner Meinung zu Facebook und Co – das ist was für Leute mit zu viel Zeit und zu wenig Selbstbewusstsein. Wie man davon abhängig werden kann und man sich danach richten kann was wildfremde Leute von einem denken ist mir ein Rätsel.

Ich hoffe mal das mehr und mehr Facebook den Rücken kehren. Nicht nur Privatpersonen, sondern auch Firmen. Warum Firmen dort vertreten sein müssen verstehe ich nicht. Die haben ja anders als die meisten Privatpersonen eine eigene Website mit der sie mit Kunden oder Interessenten in Kontakt treten können. Noch unverständlicher sind die Medien wie Radiosender oder Fernsehsender. Wie oft höre ich da am Ende einer Sendung „Diskutieren sie mit uns auf Facebook“ - so wertet man die Plattform nur auf. Gerade das Gegenteil sollte man machen.

Die Alten

Dann habe ich mir eine Folge von Kroymann angeschaut, eine Satireserie die bisher wegen des späten Sendetermins an mir vorbeiging. Da gab es die Szene „Wir sind die Alten“. Das Resümee: Den Alten ist die Welt scheißegal, sie wählen AFD, kümmern sich nicht um das Klima, erleben ja sowieso den Klimawandel nicht mehr etc. Ich bin ins Nachdenken gekommen. Denn zum einen ist ja nicht zu Leugnen, das dies unsere Politik treffend beschreibt. Immer nur so weitermachen wie bisher. Ja keine Flüchtlinge aufnehmen. Klimaziele sind toll, aber nur wenn man nichts machen muss, um sie zu erreichen und vor allem: Trotz demografischem Wandel redet man nur seit Jahrzehnten über eine Rentenreform, führt aber keine durch. Und wenn ich mich nehme: natürlich verändert man sich mit dem Alter. Ich würde es nicht mal Lebenserfahrung nennen, sondern eher Gelassenheit. Man hat so viel erlebt, dass man weiß: nichts wird so heiß gegessen, wie es gekocht wird. Über viele Dinge die mich früher aufgeregt haben, zu Aktionen oder ewigen Diskussionen brachten, denke ich heute anders. Meistens kann man es in einem Satz zusammenfassen: ist es das Wert, das ich mich darüber aufrege? Oftmals kann man viele Probleme auf Geld reduzieren und mir ist inzwischen Geld weniger wichtig als mein Seelenfrieden. Zugegeben: ich habe auch mehr davon als zu der Zeit wo ich jung war. Das einzige, wo ich mich wirklich aufregen kann, unabhängig vom Geld ist Ungerechtigkeit in jeder Form. Früher gab es in Kulturen oft den Ältestenrat, der wie der Name schon sagt, beratend wirkt oder sogar Beschlüsse macht, oftmals verbunden mit Altersgrenzen für Ämter. Die gibt es bei uns ja immer noch für den Bundespräsidenten. Ich denke, das hat seinen Sinn. Wenn vor einigen Hundert Jahren es mal einen Zwischenfall an der Grenze gab und viele Junge meinten, man müsste nun Krieg anfangen, dann rückte die „Altersweisheit“ das zurecht – beim Krieg sterben noch viel mehr Menschen, er bringt viel Leid und kostet viel. Wahrscheinlich hatten die Alten aber auch einen Krieg erlebt und wussten das ein Krieg meist nicht nur aus ruhmreichen und siegreichen Schlachten ohne eigene Verluste besteht.

Es gibt also die Altersweisheit, aber eines ist auch sicher: wenn es um Entscheidungen für die ganze Gesellschaft und die Zukunft geht: Dinge, die investiert werden müssen, Gebäude, an denen lange gebaut wird, Gemeinschaftsvorhaben, diese Entscheidungen wurden von allen getroffen. Wahrscheinlich waren die Alten schon im Mittelalter gegen einen Dombau, dessen Fertigstellung sie nicht mehr erleben würden. Der wichtige Unterschied: Damals waren die Alten eine Minderheit, es gab noch die klassische Alterspyramide. Heute sind die Alten aufgrund des demografischen Wandels vielleicht nicht die Mehrheit, aber eine wichtige Gruppe die keine Partei vergällen möchte. Und dann blockieren Alte wichtige Entscheidungen oder verzögern sie.

Diesel, Hipp-Hipp Hurra!

Zuletzt noch die gute Nachricht: Es wird keine Fahrverbote für Diesel geben! Warum? Nun in der Radiowerbung werben derzeit VW und Skoda mit einer Rücknahme-Garantie. Wenn es Fahrverbote geben sollte, dann kann man den Diesel wieder zurückgeben. Nun wir kennen diese Industrie. Die verlangt für kleine „Extras“ enorme Aufpreise, war nicht mal bereit die vertraglich zugestandenen Eigenschaften des Autos nach dem Dieselgate per Hardwarenachrüstung auch wirklich herzustellen, geschweige denn einen Ausgleich für den Wertverlust zu leisten. Wenn diese Industrie also die komplette Rücknahme anbietet, dann nur, wenn sie wissen, das diese nie kommt. Die nötigen Verbindungen zur Politik haben sie ja. In einem Prozess hat ja Porsche am Wochenende einem Käufer den gesamten Kaufpreis erstattet, als der Richter im Prozess den Präsidenten des Kraftfahrtbundesamtes hören wollte. Unser neuer (be)Scheuer(ter) Verkehrsminister hat ihm das zwar verboten, aber solange ich weiß, sind bei uns die Gerichte immer noch unabhängig und als Zeuge kann man die Aussage vor Gericht nicht verweigern, außer man will gerne in Beugehaft sitzen. Daher war Porsche wohl eher bereit einen Kunden zu entschädigen, als offiziell vom Gericht bescheinigt zu bekommen das alle Käufer ein Anrecht auf Wandlung des Kaufvertrags haben.

Die frohe Nachricht

Soviel für heute. Ich habe in der letzten Woche das Manuskript zu Teil 2 „Mit Raumsonden zu den Planetenräumen - Neubeginn bis Heute: 1993 bis 2018“ durchgelesen. Wenn ich wieder zuhause bin, werde ich noch die Formatierung durchgehen und dann kann es in den Druck gehen. Es sind 432 Seiten geworden und wird wahrscheinlich 27,99 € kosten. Ihr erfahrt an der Stelle wenn es soweit ist. Soweit die gute Nachricht. Nun die schlechte. Das wird mein letztes Raumfahrtbuch sein. Vielleicht nicht für immer, aber für lange Zeit. Das was mir wichtig war, habe ich bearbeitet. Es gäbe noch zahlreiche Themen, aber das Aufwands/Ertragsverhältnis ist einfach zu schlecht. Bücher, die mir wichtig sind, haben einen hohen Arbeitsaufwand (ja ich schreibe die primär für mich selbst und schlage auch immer wieder darin nach) und sprechen gleichzeitig nur ein kleines Publikum an. Mein Ausflug in die seichte Region mit den beiden Fotosafari-Bänden kann aber vielleicht noch fortgesetzt werden. Der Arbeitsaufwand dafür ist rund dreimal kleiner als für ein Buch wie dieses. Vor allem braucht man dann nicht so viel Durchhaltewillen, wenn ein Manuskript in einem Monat fertig ist anstatt in drei Monaten.

28.4.2018: Small Nukes oder Riesenträger?

Nach zwei Jahrzehnten der nuklearen Abrüstung wird wieder aufgerüstet. Die USA haben angekündigt, neue Atomsprengköpfe, sogenannte „Small nukes“ zu entwickeln. Laut Trump wären die bisherigen Atomsprengköpfe nutzlos, weil sie so stark wären, das keiner sie einsetzen will. Bisher gab es nach Nagasaki keinen Einsatz von Nuklearwaffen, nicht mal im Koreakrieg als General McArthur die „Bombe“ forderte und die USA noch die einzigen waren, die einsatzbereite Atomwaffen hatten. Damals mussten sie also keinen Gegenschlag befürchten. Truman scheute davor zurück, auch wenn ich denke, dass er nicht als Massenmörder in die Geschichte eingehen wollte (was ihn trotzdem nicht hinderte Atomwaffen in Japan und Flächenbombardements in Nordkorea durchzuführen, die ja auch jede Menge Zivilisten töteten). Später gab es das Gleichgewicht des Schreckens, im Amerikanischen so treffend MAD genannt nach der Abkürzung von Mutual Assured Destruction.

Man hat ja schon „kleine“ Atomwaffen entwickelt, im Fachjargon taktische Atomwaffen. Taktisch meint sie sollen regional wie Artillerie eingesetzt werden und in den 50-er Jahren gab es tatsächlich Artilleriegeschütze die Atomwaffen verschießen konnten. Das kleinste was zur Einsatzreife gebracht wurde, war die Davy Crockett mit nur 10 bis 20 t Sprengkraft und einer Reichweite von nur 2 bis 4 km. Die Sprengkraft klingt nach wenig, eine B-52 kann mehr Sprengkraft tragen. Doch trotzdem sind diese Small-Nukes nicht ungefährlich. Die Sprengkraft bezieht sich ja nur auf die Wirkung durch Druckwelle und Temperatur, ich vermute, die Strahlenbelastung wird überproportional größer, vergleichen mit einem 1.000 oder 10.000 mal größeren Sprengkopf sein. Vor allem wird es eine Eskalation kommen. Ich glaube, dass wenn mal eine Atombombe eingesetzt wird, dann ist es egal, wie hoch ihre Sprengkraft ist, dann ist ein Damm gebrochen. Dann fällt der Einsatz des Gegners ebenfalls nuklear nicht schwer, zumal wenn die USA eine Atombombe einsetzen würden, dies wohl gegen Regimes wie Iran oder Nordkorea tun würden, wo man nicht lange über eine Reaktion nachdenkt.

Zuletzt sind die Small-Nukes, gar nicht so Small. Als taktische Atomwaffen, das ist die offizielle Bezeichnung, laufen alle Sprengkörper von 0,1 bis 100 kt Sprengkraft. 100 kt sind aber schon 7 bis 8-mal größer als die Hiroshimabombe und die tötete 100.000 Menschen.

In Russland wird auch aufgerüstet. Der Schritt verwundert mich aber. Russland hat ja bei seinen Raketen eine andere technische Richtung als die USA. Die USA sind ab Mitte der Sechziger Jahre von Raketen mit flüssigen Treibstoffen auf feste Treibstoffe umgestiegen. Das fing an mit den ersten U-Boot gestützten Raketen wie Polaris, bei denen die Vorteile offensichtlich sind – kein schwappender Treibstoff, keine Gesundheitsgefahr bei Lecks, kleineres Volumen der Rakete durch höhere Treibstoffdichte. Es folgten die landgestützten Raketen wie Minuteman I-III und Peacekeeper. Russland hat lange, bis Mitte der Achtziger Jahre Raketen mit flüssigen Treibstoffen neu entwickelt. Doch dann schien Russland auch zu wechseln. Die SS-20 war die erste Mittelstreckenwaffe, die nur mit festen Treibstoffen arbeitete, es folgten ICBM wie die RS-12 Topol und RS-24. Die letzte mit flüssigen Treibstoffen angetriebene Rakete, die Mitte der Achtziger stationierte RS-36M wird nach und nach ausgemustert. Die ausgemusterten RS-36M werden als Dnepr Trägerrakete genutzt. Ganz trennen will man sich aber nicht von ihnen, denn sie sind viel größer als die kleinen Feststoffraketen. Nach offiziellen Angaben tragen die 46 verbliebenen Raketen 460 Sprengköpfe, die anderen 240 einsatzbereiten Feststoff-ICBM aber nur 516 Sprengköpfe, also durchschnittlich 10 zu 2 Sprengköpfe pro Rakete.

Wahrscheinlich ist das der Grund warum man nun erneut eine ICBM mit flüssigen Treibstoffen entwickelt, offensichtlich sind die Sprengköpfe schwerer und will man viele MIRV unterbringen so braucht man eine große Rakete.

Ich habe als in den Nachrichten ein Video des Teststarts kam, versucht herauszubringen was das für eine Rakete ist. Aber hier scheint die Propaganda zugeschlagen zu haben. Schon deutsche und englische Wikipedia differieren. Wiegt die RS-28 Sarmat nach der deutschen Wikipedia 100 t, so sind es bei der englischen 220 t. Damit ist sie etwas schwerer als die RS-36M, die 211 t wog. Die in der englischen Wikipedia angegebene Nutzlast von 10 t und die Sprengkraft von 50 MT sind aber irreal. Die RS-36M hat schon Triebwerke mit hohem spezifischen Impuls. Da noch mehr rauszuholen klappt kaum. Man kann noch etwas die Leermasse senken, die relativ hoch ist. Doch die RS-36M transportierte maximal einen 20 MT Sprengkopf, was etwa 4 t Nutzlast entspricht, also etwas mehr als in einen Orbit befördert wird – das Verhältnis gibt es auch bei anderen ICBM und das ergibt sich daraus, dass um interkontinentale Reichweiten zu erreichen man fast Orbitalgeschwindigkeit erreichen muss. Bei 220 t Startmasse läge dann die Nutzlast für einen Orbit bei 8 t und das erreicht man garantiert nicht. Erst recht nicht mit 100 t Startmasse. Auch die anderen Spekulationen wie Flug über den Südpol halte ich für unfundiert. Die Russen haben das in den Sechzigern erprobt, als die Frühwarnung noch aus Radarstationen in Grönland, Alaska und Kanada bestand – der kürzeste Weg für eine ICBM von Russland in die USA ist über den Nordpol. Seit es Frühwarnsatelliten gibt, die eine Rakete schon beim Start wahrnehmen, ist diese Strategie obsolet, kostet nur 20 % Nutzlast und verlängert die Warnzeit von 20 Minuten auf 80 Minuten.

Trotzdem übernehmen es auch auf das Thema spezialisierte Websites wie Globalsecurity.org. Auch hier die Angabe man könne 10 t über die Antarktis schicken – 10 t über die Antarktis sind gleichbedeutend mit 10 t in einen Orbit, eher 11-12 t, denn man erreicht einen Orbit und muss diesen vor einem Umlauf zu verlassen. Die Rakete hätte dann trotz polarer Umlaufbahn ein besseres Nutzlastverhältnis als SpaceX Falcon 9 die 22,8 t bei 550 t Startmasse befördert und das mit höherenergetischen Treibstoffen und hervorragenden Strukturfaktoren (die man bei einer Rakete die korrosive Treibstoffe hat und die dauernd betankt bleibt nie erreichen kann). Mein Tipp: 5 t wären wahrscheinlich.

Mein Gedanke: Russland hat nach wie vor nicht die Fähigkeit, so kleine und leichte Sprengköpfe zu bauen wie die USA. Die Angabe von 15 Sprengköpfen à 350 kT ist daher viel sinnvoller. Damit kann eine dieser Raketen rund 7 der Feststoffraketen mit nur 1 – 4 Sprengköpfen ersetzen. Völlig blödsinnig ist es einen 50 MT Sprengkopf zu transportieren – selbst wenn es in der Realität vielleicht 25 MT sind, die Zeit dieser Riesen ist vorbei. Sie bringen keinen Vorteil. Militärbasen kann man mit den kleineren Sprengköpfen ohne Problem zerstören – 450 kt sind ja schon 20-mal mehr als eine Hiroshimabombe die Quadratkilometer verwüstet. So riesige Sprengköpfe würden nur Sinn machen, wenn man die Zivilbevölkerung auslöschen möchte. Klar mit einem Sprengkopf kann man dann ein Ballungsgebiet wie Los Angeles, San Francisco oder New York bis in die Außenbezirke auslöschen.

Ich sehe in der neuen Rakete aber eher ein Symbol der Schwäche als der Stärke, genauso wie in den Small Nukes. Wer meint, dass er politische Probleme militärisch lösen kann zeigt nur seine eigene Inkompetenz. Zuletzt sollten beide Nationen mal nachdenken: Trotz Atomwaffen haben USA und Russland alle Kriege seit dem Zweiten Weltkrieg verloren, zumindest wenn man es am Ziel misst. Würde mir zu denken geben. Ich glaube aber nicht das Putin und Trump als Testosterongesteuerte viel denken.

2.5.2018: Der Start vom Mt Everest und mit dem Katapult

Heute wieder mal ein Ergebnis meiner Aufstiegssimulation, diesmal will ich den Nutzlasteffekt, der entsteht, wenn ich eine Rakete aus einem Flugzeug aus abwerfe, in die zwei Einzelfaktoren aufdröseln und sehen, was herauskommt. Beide Szenarien sind hypothetisch, also bitte nicht gleich das in den Kommentaren bringen.

Szenario 1: Wir hätten einen Startplatz in 8.000 m Höhe, also so hoch wie die höchsten Berge, die es gibt. Das ist an sich schon kaum zu bewerkstelligen, damit ich vergleichen kann, darf sich aber der Breitengrad nicht ändern, das heißt, bei den Beispielen müsste sich der Berg bei 28,5 bzw. 5.5 Grad nördlicher Breite befinden (Breitengrad vom CCAF und CSG).

Szenario 2: Wir haben beim Startplatz eine Beschleunigungsvorrichtung aufgebaut, welche die Rakete beschleunigt und zuletzt über eine Rampe in einem definierten Winkel entlässt. Als Kompromiss (der ideale Winkel ist ja unbekannt) habe ich 45 Grad als Mittel zwischen 0 Grad (horizontaler Start) und 90 Grad (üblicher senkrechter Start) genommen. Wie schnell man eine Rakete so beschleunigen kann, ist natürlich schwer zu sagen. Ich habe mich für 150 m/s Anfangsgeschwindigkeit, das sind 540 km/h entschieden. Das Erreichen Hochgeschwindigkeitszüge oder Magnetschienenbahnen. Vielleicht etwas hoch, aber bei einer 1 km langen Beschleunigungsstrecke reichen dann 4 g Beschleunigung um die 540 km/h erreichen. Das wäre vielleicht mit Zügen aber nicht erreichbar sein, aber mit einem Raketenantrieb.

Simulationsbedingungen

Ich kann nun nicht alle Raketen, die es gibt, ausprobieren und habe mich auf drei Fälle beschränkt. Die Auswahl fiel aufgrund der Gravitationsverluste, die mit der Brennzeit korrespondieren:

Für alle Muster vergleiche ich die erzielbare Nutzlast mit den in der Aufstiegssimulation ermittelten theoretischen Maxima, als da sind:

Rakete

Perigäum

Apogäum

Azimut

Mindesthöhe

Falcon 9

260 km

35.790 km

90 Grad

190 km

Ariane 5 ECA

250 km

35.790 km

90 Grad

190 km

Minotaur C

185 km

185 km

90 Grad

180 km

Die Azimute entsprechen dem Start nach Osten. Die Mindesthöhe ist erklärungsbedürftig: Viele Raketen erreichen aus energetischen Gründen einen „Buckel“, ein Maximum, bevor sie wieder absinken. Sobald der Schub das Gewicht überschreitet, das ist auch bei einer Falcon 9 Oberstufe nicht direkt nach dem Start der Fall, steigt die Bahn wieder an. Wenn man diese Mindesthöhe absinken lässt, dann steigt die Nutzlast an. Die Werte für Falcon 9 und Ariane habe ich willkürlich gesetzt. Wichtig ist nur das sie in beiden Simulationen gleich sind. Die Werte für das Perigäum entsprechen denen in den realen Bahnen.

Ergebnisse bei unveränderter Bahn und Start in 8.000 m Höhe

Das einfachste Ergebnis erhält man, wenn man die Aufstiegsbahn nicht anpasst. Man erhält dann zwar eine neue Nutzlast aber auch eine neue Bahn, die von der Ausgangsbahn abweicht. Aber es ist ein erster Ansatz für einen Vergleich:


Rakete

Ausgangsbahn

Bahn mit Start aus 8000 m Höhe

Nutzlast

Nutzlast aus 8000 m Höhe

Nutzlastgewinn

Falcon 9

298,78 x 35796,4 km

418,4 x 35.796,5 km

8.821 kg

8.855 kg

0,385 %

Ariane 5 ECA

363,9 x 35.794 km

532 x 35.790 km

11.417 kg

11.266 kg

-0,446 %

Minotaur C

183,6 x 187,2 km

-1162 x 233 km

1.429 kg

1.771 kg

23,9 %

Man sieht: ohne angepasste Aufstiegsbahnen gewinnt man gar nichts. Das Perigäum ist höher. Bei der Minotaur C die in eine flache Umlaufbahn „einfädeln“ muss kommt sogar eine ungünstigere Bahn heraus in der die Rakete noch knapp 500 m/s aufwenden müsste, also ist der Nutzlastgewinn nur scheinbar. Bei den GTO-Bahnen ist das Perigäum höher. Das nützt den Kunden etwas, da die aufzuwendende Geschwindigkeit zum Zirkularisieren kleiner ist. Darin steckt aber potenzielle Energie, die besser in kinetische Energie umgewandelt wird.

Aber wie gesagt, die Bahn kann ja optimiert werden und das ist Schritt 2:


Rakete

Ausgangsbahn

Bahn mit Start aus 8000 m Höhe

Nutzlast

Nutzlast aus 8000 m Höhe

Nutzlastgewinn

Falcon 9

298,78 x 35796,4 km

384,1 x 35.821 km

8.821 kg

9.685 kg

9,5%

Ariane 5 ECA

363,9 x 35.794 km

420,2 x 35.796 km

11.417 kg

13.302 kg

16,5 %

Minotaur C

183,6 x 187,2 km

163,5 x 185 km

1.429 kg

1.537 kg

7,6 %


Als Tendenz ist deutlich zu sehen und zu erwarten, dass der Gewinn um so größer ist, je länger die Brennzeit ist. Woran liegt es? Nur am Luftwiderstand? Sicher nicht, denn macht man eine Aufschlüsselung bei der Ariane 5 ECA so ergibt sich dies:

Parameter

Start von 20 m Höhe

Start von 8.000 m Höhe

Luftwiderstand:

94,2 m/s

48,25

Maximaler Luftwiderstand

1,582 m/s

0,734

Nach

77,8 s

77,7 s

In

15.065 km Höhe

23.881 km Höhe

Startbeschleunigung

2,923 m/s

3,982 m/s

Der totale Gewinn an Luftwiderstandsverlusten ist klein. Aber, es gibt einen anderen Faktor: Der Luftwiderstand kommt ja noch zu anderen Verlusten hinzu. Anfangs startet eine Ariane 5 ECA langsam. Mit unter 3 m/s (in der Simulation, in Wirklichkeit ist das Schubprofil nicht gleichmäßig und es sind 5 m/s beim Start). Davon gehen dann noch die Luftwiderstandverluste ab. In der Folge gewinnt sie beim Start von Meereshöhe aus anfangs nur langsam an Höhe. In 8 km Höhe expandieren die Düsen schon besser, der Schub ist damit höher, die Startbeschleunigung beträgt fast 4 m/s – Ein Drittel mehr und sie gewinnt mit geringerem Luftwiderstand schneller an Höhe. Bedeutender: Die 1 m/s höhere Startbeschleunigung entspricht einer Erhöhung des spezifischen Impulses um 7,7 % und damit erzielen Feststoffbooster und Zentralstufe höhere Endgeschwindigkeiten. Das macht viel mehr aus, als die rund 50 m/s eingesparter Luftwiderstand, der bei einer Ariane 5 rund 500 kg Nutzlast ausmacht, also nur ein Bruchteil des Gewinns.

Start mit Katapult

Nun zur zweiten Fragestellung: Wie sieht es aus, wenn die Rakete mit 45 Grad und mit 150 m/s startet. Der Vergleich mit der Originalbahn ist nun sinnlos, weil diese ja erst auf einen Winkel von 45 Grad drehen muss, wofür die meisten Raketen 50 bis 60 s brauchen.

Rakete

Ausgangsbahn

Bahn mit 150 m/s Startgeschwindigkeit

Nutzlast

Nutzlast aus 8.000 m Höhe

Nutzlastgewinn

Falcon 9

298,78 x 35796,4 km

556,2 x 35.795 km

8.821 kg

10.383 kg

17,7%

Ariane 5 ECA

363,9 x 35.794 km

343 x 35.793 km

11.417 kg

12.672 kg

11,1 %

Minotaur C

183,6 x 187,2 km

154 x 185 km

1.429 kg

1.676 kg

17,3 %

Durch die Startgeschwindigkeit und den flachen Winkel ist es vor allem für die Minotaur c schwierig, auf die richtige Höhe zu kommen, bei ihr steigt der Winkel auch nach dem Start an, um dann wieder abzufallen. Analog kann man so bei der Falcon 9 ein hohes Perigäum nicht verhindern. Deutlich ist bei beiden Trägern, dass der Gewinn nun viel größer als bei der Ariane 5 ECA ist.

Rechnet man diesen Gewinn in eine Geschwindigkeitsdifferenz um, so kommt das heraus:

 

Falcon 9

372 m/s

Ariane 5 ECA

259 m/s

Minotaur C

320 m/s

Auch hier dasselbe Bild. Gewonnen wird in jedem Falle mehr, als die reinen 150 m/s Differenz beim Start. Auch hier: Die untere Atmosphäre wird schneller durchquert) weniger Luftwiderstand, die Höhe wird schneller erreicht = geringere Gravitationsverluste.

Bei der Falcon 9 gewinnt man mehr als das Doppelte der eingesetzten Startgeschwindigkeit (die man auch mit Raketentriebwerken aufbauen kann, da sie nur kurz arbeiten, kann man sie sehr oft einsetzen).

Umsetzung

Mit der Falcon 9 habe ich noch ein Experiment durchgeführt. Sie soll in 4.000 m Höhe mit einer Geschwindigkeit von 1000 m/s starten. Das entspricht, dem was man erreicht, wenn man eine Beschleunigungsstrecke von etwas über 8 km Länge hat (Startwinkel 30 Grad) und mit 60 m/s beschleunigt. Das soll eine Beschleunigung z B. über Magnetfelder wie beim Hyperloop simulieren. Die Falcon 9 habe ich genommen, weil sie schnell beim Start beschleunigt und relativ lange ist. Die Minotaur C wäre noch geeigneter, doch sie erreicht keine GTO-Bahnen, sodass die Simulation wieder etwas schwieriger ist, weil man Freiflugphasen für das Perigäum einfügen muss.

Erster Versuch: Mit 1000 m/s geht es nicht, die Rakete hat beim Verlassen des Rohrs einen höheren Luftwiderstand als Schub. Sie wird abgebremst. Erst ab <700 m/s Startgeschwindigkeit beschleunigt sie langsam. Also habe ich mal die Startgeschwindigkeit systematisch verändert:

 

Falcon 9

0 m/s

8.810 kg

100 m/s

~ 9.900 kg

200 m/s

~ 10.400 kg

300 m/s

~ 10.700 kg

400 m/s

~ 10.900 kg

500 m/s

~ 10.900 kg

600 m/s

~ 10.600 kg

700 m/s

~ 9.900 kg

Die Tilde gibt an, dass ich nicht bis in jede Feinheit nachsimuliert habe, sondern abbrach, wenn die Differenz der Restmasse zur Vorgabemasse unter 100 kg fiel. Es ergibt sich also ein Optimum zwischen 400 und 450 m/s, das ist etwa Mach 1,5. Ich vermute das Optimum verschiebt sich nach oben, wenn die Rakete stromlinienförmiger ist, also man z.B. die Nutzlastverkleidung auf den Durchmesser der Rakete anpasst oder die Startbeschleunigung höher ist, z.B. bei einer reinen Feststoffrakete. Wegen des Luftwiderstandes würde sich ein solcher Start dann auch in einem höheren Winkel und in größerer Höhe lohnen. Das gibt dann andere Probleme die Konstruktion in großer Höhe. Wenn man den steilen Winkel haben will, dann müsste man entweder von einem flachen in einen steilen umlenken (und das bei einer schnellen, Hunderte von Tonnen schweren Rakete) oder hätte Probleme mit einem geraden Rohr in diesem Winkel. Steile Winkel über eine größere Höhe gibt es ja nicht so viele auf der Erde.

Da die Höhe offenbar den größeren Einfluss hat, habe ich außer der Reihe mal eine Minotaur aus 20 km Höhe im Winkel von 60 Grad, aber Relativgeschwindigkeit 0 abgeworfen. Das wäre z.B. der Fall, wenn ein Heliumballon sie trägt. Der Cargolifter war ja mal für schwere Lasten vorgesehen, aber ich glaube der käme nicht auf 20 km Höhe. Bei der Minotaur C wäre die Nutzlast mit 2020 kg dann schon deutlich höher als beim Boden aus.

Fazit

Die Idee eine Rakete beschleunigt und in großer Höhe abzusetzen erscheint danach interessant. Vor allem ergeben sich hier durchaus ansehnliche Nutzlastgewinne. Die obige Strecke habe ich an die Höhe eines Schildvulkans wie die der Hawaii-Inseln angepasst, man könnte aber auch den Kilimandscharo nehmen. Schildvulkane haben eine geringe Steigung, keine steilen Wände, an ihnen kann man leicht eine gerade Beschleunigungsstrecke aufbauen. Bei 8 km Länge (ergibt sich beim 30 Grad Winkel aus der Höhe von 4000 m) würde für 450 m/s Endbeschleunigung eine mittlere Beschleunigung von 12,7 m/s ausreichen – das dürfte machbar sein. Etwas anders sieht es bei der Energie aus. Eine rund 560 t schwere Rakete (Falcon 9) auf 450 m/s (luftleere Röhre, keine Reibungsverluste) zu beschleunigen erfordert 56,7 GJ. Die verteilen sich immerhin über 35,5 s die, das Ganze dauert, sodass es pro Sekunde nur 1,6 GJ sind. Die könnte ein Kraftwerk aufbringen, zumindest ein Kernkraftwerk.

Der Lohn wären rund 25 % mehr Nutzlast. Wahrscheinlich lohnt es sich dafür nicht, eine so große Anlage zu bauen, zumindest nicht bei wenigen Starts pro Jahr. Bei kleinen Raketen, wo der finanzielle Aufwand kleiner ist, sieht es anders aus, jedoch sofern es nicht wirklich einen Boom mit kleinen Satelliten gibt, mit noch wesentlich mehr Starts als heute, wird auch dort die Wirtschaftlichkeitsrechnung negativ sein. Für so kleine Raketen lohnt sich aber das Abwerfen von einem Ballon oder Flugzeug aus.

Nur bei bisschen mehr Höhe bringt es nicht: Bei der Falcon 9 ist, wenn man 2.500 m Höhe anlegt, (in der Höhe liegen z.B. Bogota und Quito) das gerade mal mit 300 kg mehr Nutzlast assoziiert.

 


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