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Web Log Teil 529: 9.5.2018 - 20.5.2018

9.5.2018: Die Nutzlasten der nicht gebauten Saturn

Wie bei vielen anderen Raketen waren einmal leistungsstärkere Versionen der Saturn V geplant. Schaut man in die Archive, so findet man viele Pläne, die meisten setzen jedoch umfangreiche Änderungen voraus so der Einsatz von FLOX als Oxidator in der ersten Stufe oder eine nukleare Oberstufe.

Ich habe das Thema „Saturn Varianten“ schon mal im Blog erörtert, nun kann ich mit der Aufstiegssimulation die wahren Nutzlasten angeben. Von den vielen Varianten erscheinen mir drei umsetzbar:

Das J-2 Triebwerk wurde als „autonomes Antriebssystem“ konzipiert. Es hatte einige Features, die noch heute bemerkenswert sind, so die Anpassung an unterschiedliche Mischungsverhältnisse beim Treibstoff. Es war zuverlässig, aber auch komplex. So entstand schon, während die Qualifikation lief als Nachfolgesystem das J-2S. Das S steht für "Simplified". Es war in vielem einfacher konstruiert, war z.B. nur für zwei Zündungen ausgelegt, mehr gab es bei einer Mondmission nicht. Trotzdem wurden Schub und spezifischer Impuls leicht gesteigert.

Das J-2S war von allen hier besprochenen Maßnahmen am weitesten fortgeschritten: es hat die Qualifikation vollständig durchlaufen, es hätte noch zertifiziert werden müssen und hätte dann eingesetzt werden können. Als die NASA nach einem Triebwerk für die Ares V suchte, wurde das J-2S erneut Ausgangspunkt für ein Triebwerk. Man tauschte die Turbopumpe aus und verlängerte die Düse. Wie das J-2S wurde auch beim J-2X die Entwicklung nach der Qualifikation eingestellt.

Anders sieht es beim F-1A aus. Das F-1A war nur ein vergrößertes F-1 mit einem Maximalschub von 1.8 anstatt 1,5 Millionen lbf. Am Triebwerk änderte man nichts, schlussendlich hatte man dies jahrelang getestet. Bis heute ist es das F-1 das am besten getestete Triebwerk. Beim F-1A gab es nur den Entwurf und man hatte mit der Fertigung und dem Test von einigen Teilkomponenten begonnen, war aber noch weit von einem funktionierenden Triebwerk entfernt. Das F-1A hätte keinen höheren spezifischen Impuls gehabt, aber durch den höheren Schub wären die Gravitationsverluste beim Aufstieg größer gewesen.

Die Titan wurde seit 1965 durch zwei große Feststoffbooster unterstützt. Natürlich kam man auch auf die Idee, diese an die Saturn zu montieren. Es gab sogar einmal den Versuch einen eigenen Booster für die Saturn V zu konstruieren. Der Aj260, so genannt nach seinem Durchmesser von 260 Zoll, also 660 cm ist bis heute der größte je getestete Feststoffbooster. Er war verglichen mit den anderen Boostern dieser und der heutigen Zeit reaktiv kurz, das lag an der Grundproblematik, wenn man eine Rakete, um Feststoffbooster erweitert: sie werden nicht über die ganze Länge an der Zentralstufe befestigt, sondern nur oben und unten. Das muss, weil der ganze Schub über diese Zonen geleitet wird, an Teilen erfolgen, die diese Lasten aufnehmen können. Bei der Ariane 5 und Titan war dies oberhalb der Zentralstufe im Stufenadapter und unten am Triebwerksgerüst. Bei H-II, Ariane 6, Atlas V und Delta an der Zwischentanksektion. Die Zwischentanksektion wäre auch der natürliche Ansatzpunkt bei der Saturn gewesen. Damit liegt die Maximallänge fest: das Triebwerksgerüst ist 5,94 m lang, der unten liegende Kerosintank 13,10 m und die Zwischentanksektion 6,60 m. Damit kann ein maximal 25,64 m langer Booster angebracht werden. Die Minimallänge beträgt etwa 15 m. Die Booster der Titan haben ohne aerodynamische Nasenverkleidung eine Länge von 21,88 m, passen also. Ein Segment hat eine Länge von 3,36 m. Damit wären also 6 anstatt 5 Segmente möglich. Versionen der Titan mit mehr Segmenten wurden damals schon untersucht, auch wenn sie erst in den Achtzigern zum Einsatz kamen. So dachte man an einen Einsatz der verlängerten Titan 3B mit 5,5 Segmenten (die spätere Titan 34D) und an sieben Segmente – dann wären die Feststoffbooster so lange, dass man sie am Adapter zweite-dritte Stufe anbringen konnte. Ich habe mich auf die Standard-Titan URM mit 5 Segmenten beschränkt.

Die Feststoffbooster liefern während der Startphase mehr Schub, die Startbeschleunigung steigt von 1,8 auf 2,7 m/s, wenn vier Booster angebracht werden. Das senkt die Gravitationsverluste. Trotzdem brennen sie mit 117 bis 120 nicht so lange wie die Zentralstufe, die maximale Beschleunigung wird also nicht tangiert. Sie tritt nach 150 s auf, wenn die Tanks fast leer sind, dann wird ein Triebwerk abgeschaltet. Daneben erhöhen sie natürlich die Masse, was die Nutzlast automatisch erhöht.

Die Booster wären wichtig für eine Weiterentwicklung der Saturn – jeder Booster liefert beim Start 4450 kN, benötigt selbst, aber wenn die Startbeschleunigung gleich bleiben soll wie bei der Original-Saturn nur 2780 kN um sein Eigengewicht anzuheben. Das bedeutet: jeder Booster lässt das Erhöhen der restlichen Raketenmasse um knapp 140 t zu, bei vier Boostern also rund 560 t. Davon entfallen rund 20 t auf die Nutzlast. Man könnte so die zweite Stufe oder dritte Stufe verlängern oder im Durchmesser vergrößern. Doch da es dafür keine Pläne gab, habe ich es dabei belassen.

Die Ergebnisse der Aufstiegssimulation

Nach dieser Vorrede nun die Ergebnisse. Sie sind wie immer von den Randbedingungen abhängig. Zuerst eine Vorbemerkung zur Saturn V selbst. Diese hat einige Eigenheiten, die ich nicht simulieren kann:

Man erhält so bei meiner Simulation bessere Ergebnisse, wenn ich abbreche, wenn es weniger als 1.000 kg Resttreibstoff sind, dann komme ich bei der Saturn V auf eine Nutzlast von 53 t in eine 220 x 384.400 km Bahn. Die realen Bahnen von Apollo hatten ein höheres Apogäum um die Reisezeit zu verkürzen, rein theoretisch würde aber schon ein Apogäum von 346.000 km reichen, da ab dieser Entfernung die Mondgravitation das Raumschiff wieder anzieht. In der Literatur wird eine maximale Nutzlast von 49,5 t genannt. Die 220 x 3844.00 km Bahn ist auch die Vorgabe für die anderen Simulationen.

Nebenbedingungen:

Ich habe dann folgende Nutzlasten / Bahnen erhalten. Bei den Feststoffboostern sind etwas höhere Perigäumswerte unvermeidlich, weil diese durch den Schubüberschuss am Anfang entstehen, aber die Bahn dann absackt. Will man ein niedrigeres Perigäum haben, so müsste man den Startwinkel schnell abbauen, was dann aber den Luftwiderstand stärker vergrößert als der Gewinn durch das niedrigere Perigäum.

Rakete

Bahn

Nutzlast unkorrigiert

Nutzlast korrigiert

Saturn V

229 x 385.700 km

53.200 kg

49.500 kg

Saturn V mit F-1A

234 x 384.700 km

55.300 kg

51.400 kg

Saturn V mit J-2S

220 x 384.620 km

57.800 kg

53.800 kg

Saturn V mit 4 x UA 1205

242 x 384.950 km

65.700 kg

61.100 kg

Saturn V mit F-1A und J-2S

220 x 386.900 km

58.500 kg

54.400 kg

Saturn V mit 4 x UA 1205 und J-2S

240 x 385.400 km

69.600 kg

64.700 kg

Saturn V mit F-1A und 4 x UA 1205

251 x 384.300 km

68.500 kg

63.700 kg

Saturn V mit F-1A und 4 x UA 1205 + J-2S

228 x 384.700 km

72.100 kg

67.000 kg

Alle werte wurden auf 100 kg gerundet. Die korrigierte Nutzlast setzt den Faktor der Saturn V (0,935) als Multiplikator ein.

Wie zu sehen hat der Ersatz der F-1 durch F-1A kaum Einfluss. Das verwundert etwas, startet die Saturn V doch relativ langsam. Sie bringen als alleinige Maßnahme nur 1,9 t mehr Nutzlast. Deutlich mehr, 4,3 t, bringen die J-2S. Verständlich das man sie schon qualifizierte, während man mit der Arbeit an den F-1 erst begann.

Wie bei jeder Rakete bringt der Einsatz von Boostern eine deutliche Nutzlaststeigerung, auch wenn die vier Booster zusammen die Startmasse nur um ein Drittel erhöhen. Alleine steigern sie die Nutzlast um 11,6 t.

Der Trend bleibt auch bei der Kombination, wobei die Kombination F-1A / J-2S kaum mehr Nutzlast als die J-2S alleine bringt. Alle Maßnahmen zusammen erhöhen die Nutzlast auf 67 t, 5,9 t mehr als die Booster alleine und in etwa genauso viel, wie das Ersetzen von J-2 und F-1 alleine bringt.

Ergebnis

Etwa 18,5 t mehr Nutzlast sind möglich. Das klingt nach nicht viel, in der Praxis aber wäre die Auswirkung deutlich größer gewesen. Die Kapselmasse bleibt immer gleich, sie wird aber zum Mond und zurück gebracht. Der Treibstoffanteil dafür ist konstant. Man bräuchte mehr Treibstoff bei höherer Startmasse um eine Mondumlaufbahn zu erreichen, doch das erhöht selbst bei dem druckgeförderten Triebwerk kaum das Trockengewicht des Servicemodus. Für die Rückreise bleibt sogar alles gleich. So würde bei 18,5 t mehr Nutzlast die Masse des LM um 12 t steigen. Das ist eine Steigerung um 80 %. Bei gleicher Rückstartmasse des LM könnte man so 3,8 t mehr auf dem Mond landen. Das könnte Ausrüstung sein, aber auch Energie, Wasser, Gase Essen für eine längere Mission. Bedenkt man das die LM-Aufstiegsstufe ohne Treibstoffe nur noch 2,7 t wiegt, so sind 3,8 t mehr ein enormer Zuwachs.

Zum Mars beträgt die Nutzlast 54,4 anstatt 39 t (c3=12 km²/s²). Hier ist der Gewinn noch viel höher. Das ist aber kein Wunder, bei immer gleicher Leermasse der letzten Stufe ist der Gewinn immer prozentual immer höher je höher die Endgeschwindigkeit. Vor allem liegt die Nutzlast genauso hoch als die einer nuklearen Oberstufe. Mit einem NERVA-Reaktor sollten 54,5 t zum Mars befördert werden. Diese Technologie steckte damals wie heute im Anfangsstadium. Tests sind extrem aufwendig. Bis das Triebwerk gefeuert hat, ist es „harmlos“, doch danach muss man es zuerst abkühlen, weil der Kern auf nahezu Schmelztemperatur erhitzt wird. Das Kühlwasser wird radioaktiv versucht. Der Reaktor ist genauso wie Teile der Rakete ebenfalls radioaktiv. Man kann ihn nicht inspizieren, alle Arbeiten müssen hinter dickem Schutzglas mit Manipulatoren erfolgen – da ist es schwer, Haarrisse aufzuspüren. Dagegen ist das Erweitern der Saturn mit den obigen Maßnahmen einfach. Die F-1A Entwicklung kann man sich schenken – zu wenig Leistung für hohe Kosten. Das J-2S existiert, müsste nur in den Stufen zertifiziert werden. Die Feststoffbooster an der Rakete anzubringen ist auch einfach und sie sind preiswert: Eine Saturn V kostete 185 bis 216 Millionen Dollar. Ein Paar der Titan Booster 6,3 Millionen. Mit 12,6 Millionen Dollar mehr hätte man die Nutzlast deutlich steigern können. Bei einer strukturellen Verstärkung der S-IC hätte man auch acht Booster anbringen können, mehr geht wegen den acht Finnen an der Basis nicht. Ich habe auch das mal durchgerechnet und 10 t zur Leermasse der S-IC addiert so kommt man auf 75,8 t korrigierte Nutzlast also nochmals 6,8 t mehr. Damit läge diese Saturn höher als die Ares V und erst recht die SLS, die ja in der ersten Stufe gerade mal 25 t Nutzlast für eine Mondtransferbahn hat.

13.5.2018:  Gravity

Kürzlich schaute ich mir den Spielfilm Gravity an. Ich bin kein Kinogänger und so sehe ich Filme erst, wenn sie im Fernsehen kommen. Bei Gravity war es sogar eine Aufzeichnung. Der Spielfilm ist ein Science-Fiction Film und da erwarte ich keinen Realismus auch wenn er in der heutigen Zeit spielt. Genauso wenig wie ich bei Space Cowboys, Deep Impact oder Armageddon erwarte, das die Darstellung technisch und physikalisch real ist. Nicht mal wenn die Filmindustrie reale Ereignisse verfilmt, wie bei Apollo 13, ist alles korrekt. Kurzum ich hätte den Film abgetan und ignoriert, wenn nicht gerade zeitnah ESA-Chef Wörner meinte, Gravity wäre kein Science-Fiction-Film sondern real. Also vielleicht doch ein Thema für einen Blog, denn zumindest ist die Handlung realer als bei Deep Impact oder Armageddon. Also gehen wir‘s an.

Schon Wikipedia öffnet ja die Diskussion über Science-Fiction oder nicht. Aufhänger dort die aussage des Regisseurs, es wäre kein Science Fiction. Klar, damit ist der Film in der Diskussion und die Kassen klingeln. Aber als Regisseur ist er weder qualifiziert dazu, eine solche Aussage zu treffen, noch unabhängig. Wikipedia bringt einige Argumente, beschränkt sich als Laienplattform aber auf das was leicht durch Google recherchierbar ist und kein Hintergrundwissen erfolgt. Ich greife nur Aspekte auf die nicht in der Wikipedia erscheinen.

Umlaufbahnen

Der Film beginnt mit einer Reparaturmission zu Hubble. Hubble umkreist die Erde in im Mittel 600 km Höhe. Während der Zeit wo es gewartet wurde unterschritt der Orbit nie 550 km. Die ISS umrundet die Erde in 400 bis 425 km Höhe. Sie ist das Ziel der beiden Überlebenden, nachdem das Shuttle zerstört wird. Als auch die ISS zerstört wird ist das neue Ziel Tiangong. Dieses chinesische Raumfahrtmodul wurde 2011 in einen 332 x 348 km Orbit gestartet. Also die Astronautin dort ankommt ist die Station aber Minuten vor dem Weitereintritt also in unter 100 km Höhe. Im Film erreicht die Astronautin die beiden Stationen jeweils nach einem Erdumlauf, also 90 Minuten. Sie sind noch dazu in Sichtweite, bei Tiangong werden 100 km Distanz genannt. Das alles passt nicht zusammen. Bahnen in unterschiedlicher Höhe haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Nehmen wir die beiden Extreme 550 (Hubble) und 340 km (Tiangong) Höhe an. Der Unterschied der Kreisbahngeschwindigkeit beträgt 118 m/s, rund 424 km/h. Gravierender ist der Unterschied der Umlaufzeiten von 1 h 31 min 9 s und 1 h 35 min 28 s. Das bedeutet wenn Tiangong einen Umlauf hinter sich, so ist Hubble noch 268 s von der Ausgangsposition entfernt was einer Distanz von 203 km entspricht. Um diese Distanz entfernt sich Hubble jeden Umlauf von Tiangong. Die Stationen bleiben also nicht in der relativen Lage zueinander, wie im Film suggeriert.

Noch bedeutender ist die Bahnneigung. Hubble hat eine Bahnneigung von 28,47 Grad, Tiangong eine von 42,85 Grad und die ISS eine von 51,63 Grad. Sie bewegen sich auf unterschiedlichen Ebenen, vergleichbar einer Autobahn wo auf der Gegenfahrbahn die Autos vielleicht die gleiche Geschwindigkeit haben, aber eine andere Richtung. Und ebenso wenig wie man auf der Autobahn so einfach auf die Gegenfahrbahn ohne extremes Abbremsen und Beschleunigen kommt, ist das bei Bahnen möglich. Der Unterschied von maximal 23,16 Grad entspricht einer Geschwindigkeitsunterschied von 40 % der Bahnenergie. Bei 7700 m/s mittlerer Geschwindigkeit ist das mit den Treibstoffvorräten die hier zur Diskussion stehen (in einem Backpack / Sojus Bremstriebwerk) unmöglich.

Antriebsmanöver

Die Antriebsmanöver sind völlig irreal dargestellt. Am Beginn des Films umkreist der Commander (Clooney) auf einer MMU das Shuttle und Hubble. Er braucht 20 s für eine halbe Umrundung, die wenn man die Länge des Shuttles nimmt, sicher einen Halbkreis von 150 m (wenn nicht mehr) entspricht. Dabei zündet er dauernd die Düsen um den Kurs anzupassen. Wäre er durch eine Leine angebunden so entspräche dies einer Rotationsgeschwindigkeit von 23 m/s. Im freien Weltraum würde er aber keine Kreisbewegung halten können sondenr sich tangential fortbewegen wenn er nicht dauernd nachkorrigiert. Er würde in etwa diese Geschwindigkeitsänderung brauchen und das pro Umlauf. Bei den Shuttle MMU betrug die Gesamtkorrekturkapazität 25 m/s. Das heißt es wäre schon nach einem Umlauf leer. Geschweige denn das es für eine Rettungsmission reicht.

Allgemein wird das Thema Himmelsmechanik völlig ignoriert. Die Astronauten sehen eine Station als Punkt und steuern direkt darauf zu. Das funktioniert nicht so. Die Erfahrung machten schon die Astronauten bei Gemini. Bei Gemini 3 versuchte Gus Grissiom direkt nach dem Abkoppeln von der zweiten Stufe der Titan sich dieser zu nähern um eine Kopplung zu simulieren. Die Stufe war also in direkter räumlicher Nähe er machte es wie bei einem Flugzeug - auf die Stufe zuhalten und beschleunigen, ähnlich wie es die Astronauten im Film machen. Anstatt, dass er sich näherte, entfernte er sich von der Stufe. Wenn er beschleunigt wird sein Orbit elliptischer, das heißt er steigt die Höhe, die Stufe taucht unter ihm weg und da die Umlaufdauer im höheren Orbit länger ist, entfernt sich auch die Stufe. Grissom gab auf als er einen beträchtlichen Teil des Treibstoffs für Bahnmanöver verbraucht hatte. Am Schluss war die Stufe weiter von Gemini 3 entfernt. Raumschiffe wie das ATV oder Progress die von hinten an die ISS ankoppeln machen dies daher anders. Sie nähern sich auf einer niedrigeren Umlaufbahn auf der sie die ISS überholen. Erst kurz vor der Annäherung heben sie die Bahn an und nähern sich dann mit einer kleinen verbliebenen Relativgeschwindigkeit die erst vor dem Ankoppeln reduziert wird.

Wenn man von der Art der Manöver absieht, gibt es noch mehr Kritikpunkte. Die Astronauten erreichen die Stationen jeweils im Abstand eines Umlaufs, also 90 Minuten. Die Stationen sind dabei etwa 100 km entfernt. Dazu müssen sie also (wenn es keine Himmelsmechanik gäbe) eine Geschwindigkeit von 67 km/h haben. Sie kollidieren dann mit der Raumstation mit dieser Geschwindigkeit. Selbst wenn dann der Raumzug nicht beschädigt wird, ist ein Aufprall mit 67 km/h genauso tödlich wie auf der Erde. Auf der Erde entspricht das einem Fall aus dem 7-ten Stock und das überlebt man nicht. Ebenso irreal ist es, wie sie die Raumstation erreichen. Zuerst ist es ja mit einem MMU, also einem Raketenrücksack. Da kann man den Kurs nachkorrigieren. Als das Rettungsboot bei der ISS nicht nutzbar ist bricht die Astronautin zu Tiangong auf. Als antrieb hat sie nur noch das Bremstriebwerk der Sojuskapsel. Das wird bei der Landung wenige Meter über dem Boden gezündet und kann die Kapsel um 4,5 m/s abbremsen. Das reicht zum einen nicht, um die 100 km in 90 Minuten zurückzulegen. Vor allem ist es aber ein Feststoffantrieb der nur einmal zündbar ist. Man muss also sehr genau zielen. Das ist aber unmöglich selbst ohne Himmelsmechanik (die Lagenregelungsdüsen scheinen ja auch ausgefallen zu sein). Eine maximal 20 bis 30 m große Station ist dann 1 Bogenminute groß, das entspricht der Auflösung des Auges oder 1/30 des Vollmonddurchmessers. So genau kann man nicht zielen.

Raumfahrttechnisches

Zuerst wird das Space Shuttle zerstört. Dann brechen zwei überlebende Astronauten zur ISS aus um sich dort zu retten. Wenn sie ankommen, ist noch eine Sojus angebracht, diese aber durch Entfalten des Fallschirms unbrauchbar. Menschen sind nicht an Bord. Das geht nicht. Die Astronauten kommen mit den Sojus zur ISS und wenn nur die halbe Besatzung (normal 6 Personen = 2 Kapseln) zurückkehren kann, so müssen drei Personen an Bord sein. Wen man im Film mal das Gedränge in der Kapsel sieht dann weiß man da quetscht man nicht die doppelte Personenzahl rein. Zum einen kommt man da nicht mehr an die Kontrollen zum anderen sind die Belastungen beim Wiedereintritt so groß das die Astronauten sogar individuell angefertigte Konturensitze haben.

Noch lustiger wird es bei Tiangong. Die Station ist ebenfalls menschenleer, aber dort ist eine Shenzou angekoppelt, das chinesische Gegenstück zur Sojus. China startet aber auch seine Besatzung mit Shenzhou (bei der ISS gäbe es ja noch die Möglichkeit das die Besatzung mit dem Space Shuttle zur Station gelangt). Da ist es irreal eine weitere, nicht nutzbare, Kapsel zu haben.

Verhalten der Astronauten

Es gibt einige Passagen wo sich die Akteure falsch verhalten. Als Sandra Bullock vom Shuttle getrennt wird rotiert sie durch den Impuls. Den könnte sie abbauen, indem sie Arme und Beine anzieht oder streckt. Damit verändert sie die Rotationsgeschwindigkeit. Den Impuls reduzieren kann sie, indem sie dann in einer Extremposition Arme oder Beine leicht dreht und erneut streckt oder anzieht so eine Bewegung in einem anderen Winkel induziert. Wiederholt man sie dies mehrmals mit mehreren Winkeln, so heben sich die Geschwindigkeiten in den verschiedenen Achsen auf und man kommt zur Ruhe.

Dann fliegen beide nachdem sie durch den Commander (Clooney) mit der MMU gerettet wurde zum Shuttle zurück. Man sieht schon bei der Trennung das es beschädigt ist. Selbst wenn sie Astronauten das nicht sehen, so sollte es ihnen klar sein, das Weltraumschrott das so was kleines wie den Manipulatorarm treffen kann das viel größere Space Shuttle treffen kann. Selbst wenn nicht die Kabine beschädigt ist, so besteht das Risiko das die Leitungen für die Triebwerke unter der Oberfläche beschädigt sind und ein versuch das Shuttle zu nutzen um zur ISS zu gelangen, könnte in der Explosion durch den hypergolen Treibstoff enden.

An der ISS angekommen verheddert sich Bullock in den Leinen des entfalteten Fallschirms der Sojus und sie hält den Commander an einer Leine. Der macht sich nun los, weil er befürchtet, die Leinen halten nicht das Gewicht. Das ist Blödsinn. Es gibt einen Impuls wenn sie sich verhaken, danach keine Kraft mehr, es zieht ja nicht wie auf der Erde die Gravitation. Vielmehr müssten die leicht elastischen Leinen dann langsam die beiden rückwärts zur Sojus ziehen. Das die Leinen stark genug sind liegt auch auf der Hand, sie müssen halten, wenn eine Sojus die rund 20-mal mehr als die beiden wiegt, bei 300 m/s den Fallschirm entfaltet. Das ist bei einer angenommenen Geschwindigkeit von 67 km/h der Astronauten die 300-fache Belastung. Es sind aber nicht 300 Leinen, sondern vielleicht 20 bis 30 Leinen am Fallschirm.

Besonders lustig wird es am Schluss. Sicher auf der Erde gelandet, in einer hermetisch dichten, schwimmfähigen, korrektorientierten Kapsel, öffnet Bullock die Lucke, Wasser dringt ein, die Kapsel sinkt und sie ertrinkt fast. Das ist völlig blödsinnig. Sie müsste keine Angst haben zu ersticken. Zum einen gibt es einige Kubikmeter Luft, die für Stunden reicht ohne das Kohlendioxid zu einem Problem wird. Zum anderen gibt es in der Decke ein Ventil, das sich automatisch öffnet wenn man in der Atmosphäre öffnet (der Ausfall des Ventils war die Ursache für den Tod der Besatzung von Sojus 11). Die Kapsel ist so konstruiert, das bei einer Wasserung die Decke immer oben ist und die Sitze unten. Nur durch hohen Wellengang könnte da Wasser eindringen. Sie wäre also sicher. Noch dämlicher. Sie ist in einem Raumanzug, der viele Kilo wiegt. Sie muss ihn vor dem Aussteigen ausziehen und hat auch dafür den Platz (ist ja alleine in der Kapsel). Stattdessen verlässt sie die Kapsel nachdem sie fast vollgelaufen ist, mit dem Anzug, sinkt nach unten und muss ihn nun ausziehen um gerade noch an die Wasseroberfläche zu kommen. Bei so viel Dämlichkeit wundert es einen, das sie den Fallschirm, der auf dem Wasser schwimmt nicht auch noch trifft.

Auch das Ausziehen des US-Anzugs nach Erreichen der ISS macht keinen Sinn. Wenn sie mit der Sojus zur Tiangong gelangen will und dort landen will, würde sie ihren Anzug anbehalten. Er ist in ihrer Größe. Man kann sich nicht drauf verlassen, das einem ein Anzug passt, den man findet, schließlich ist jeder unterschiedlich groß. Zudem würde ich annehmen wenn keine Besatzung mehr an Bord ist, das auch keine Anzüge mehr an Bord sind – alle Kosmonauten landen seit dem Unglück mit Sojus 11 in Druckanzügen.

Sonstiges

Im Film dauert das Wiederherstellen der Atmosphäre in der Luftschleuse nur etwa eine Minute. Ich halte das für unwahrscheinlich. Die Luftschleusen sind jeweils einige Kubikmeter groß. Sie unter Normaldruck zu setzen dauert sicher länger. Das wird erfolgen indem man die ISS-Atmosphäre hineinlässt nicht indem man Druckluft einpresst. Der Druckverlust liegt bei über 900 m³ Innenvolumen unter 1 %. Die Astronautin hat in ihrem Raumanzug reinen Sauerstoff, das heißt es gibt kein Problem wenn sie von 0,3 Atmosphären auf 1,0 Atmosphären Normaldruck wechselt, aber selbst, wenn man das Gas aus Hochdrucktanks einströmen lässt, reicht eine Minute nicht aus die Atmosphäre wiederherzustellen.

Dann bricht aus einem Funken ein Feuer aus. Das wird vom System erst gemeldet als es so groß ist, das man es nicht löschen kann. Unrealistisch. Ein Feuermelder meldet Rauch lange vorher. Der in meinem Wohnzimmer springt schon an, wenn ich in der Küche einige Meter weiter zu viel Dampf produziere. Vor allem wird man die Station so einrichten, dass es nichts leicht entflammbares gibt. Man muss sich nur mal Videos aus dem Inneren der ISS ansehen, da sieht man vor allem viel Metall. Textile Gewebe kann man mit flammen-hemmenden oder Flammenresistenten Überzügen versehen wie Teflon. Das Feuer wird rasch zu einem nicht bekämpfbaren Brand mit einer Feuerwalze. Auch das ist unwahrscheinlich. Ohne Gravitation gibt es keinen Kamineffekt, der frische Luft ansaugt. Statt einer Feuerwand wie im Film, würde man mangels Fischluftzufuhr vor allem Rauch erhalten. Als es 1997 auf der MIR brannte, war die ganze Station voller Rauch und die Kosmonauten mussten Atemschutzmasken anziehen.

Auch der Feuerlöscher ist hypothetisch. Er arbeitet mit hohem Druck durch die Rückstoßkraft wird die Astronautin weggeschleudert. Gerade das will man nicht haben. Der reale Feuerlöscher (es gibt nur einen im russischen Segment) arbeitet mit Wasserschaum und ohne Druck. Im US-Segment, wo der Brand ausbrach würde man Kohlendioxid einleiten.

Schon Wikipedia hat moniert, das Sandra Bullock im Astronautenanzug nur in Unterwäsche ist. Bei Außenbordeinsätzen tragen die Astronauten wegen der langen Dauer Windeln. Zu Apollo und Gemini-Zeiten, als die Astronauten nur männlich wären, und ein Ausflug nicht so lange dauerte, war es ein Überzug für den Penis wie ein Kondom das den Urin in einen Sammelbehälter leitete. Doch das klappt bei einem großen Geschäft nicht und ist auch für Frauen nicht praktikabel. Mir fiel mehr auf. Unter den starren Oberteilen tragen die Astronauten eine mehrlagige Unterwäsche die mit Kühlleitungen durchsetzt ist, schließlich entsteht jede Menge Abwärme die abgeführt werden muss. Bullock trug dagegen nur einen Slip und ein Unterhemd.

Im Space Shuttle sehen die Astronauten ihre Kollegen tot herum schweben, die Fensterscheiben sind geborsten. Sie wirken wie Schaufensterpuppen und das sind es wohl. Wenn jemand stirbt, dann arbeitet der Metabolismus in den Muskeln noch eine Zeit lang weiter. Sie schalten dann auf anaerobe Atmung um. Dabei entsteht Säure und die Muskeln verkrampfen, das nennt man Totenstarre und ist der Grund warum man bei Toten die Augenlider schließt, das geht wenn die Totenstarre erst eingesetzt hat, nicht mehr. Unter Schwerelosigkeit gibt es aber nichts was die bei der Kontraktion entstehenden Kraft entgegenwirkt. Die toten Astronauten müssten durch die kontaktierten Muskeln sich zusammenkauern die Arme und Füße halb angewinkelt angezogen, ähnlich wie in der Embryonalstellung. Stattdessen wirken sie, wie wenn sie senkrecht stehen würden. Den Prozess kennt man auch auf der Erde wenn jemand durch sehr große Hitze getötet wird, dann forciert diese noch die Prozesse, sodass dies so schnell geht, das die Personen aussehen als würden sie sich vor der Hitze zusammenkauern und mit Armen das Gesicht schützen. In Pompeji hat man in der festen Ascheschicht unzählige Hohlräume gefunden, in denen mal Menschen waren und die mit Gips ausgegossenen Körperformen zeigen genau diese Haltung.

Kessler-Effekt

Zuletzt noch das Szenario das den Film prägt und auf das sich wohl auch Wörner bezieht. Der Kessler-Effekt. Darunter versteht man das ein Satellit der von Weltraumschrott getroffen wird, in so viele Teile zerfällt das diese wieder mehr als einen weiteren Satelliten treffen. Das ganze ist dann eine Kettenreaktion. Auf diese Gefahr bezog sich Wörner und da gebe ich ihm recht, wenn die Pläne für Satellitenkonstellationen umgesetzt werden, dann wird dieses Szenario wahrscheinlicher. Alleine SpaceX will 12.000 Satelliten starten und ist nur eine Firma mit einem solchen System – seit Beginn der Weltraumfahrt gab es bisher 11.000 Objekte (mit Rückkehrkapseln, Subsatelliten etc). Von denen über 4000 schon wieder verglüht sind.

Im Film ist es erst eine Meldung das ein russischer Satellit zerstört wurde, da gäbe es keine Gefahr. Wenige Minuten später sind es mehrere getroffene Satelliten und die Gefahr ist da und wieder einige Minuten später ist der Schauer da. Danach tritt er immer in 90 Minuten also einem Erdumlauf später auf und zerstört die ISS und dann Tiangong die aber da sowieso schon vor dem Weitereintritt steht.

Wenn ein Satellit getroffen wird, fliegen die Bruchstücke nach allen Seiten weg. Sie haben natürlich eine Geschwindigkeit die der ursprünglichen Bahngeschwindigkeit entspricht und eine zweite Komponente zufälliger Richtung zur Seite, in Bewegungsrichtung oder entgegengesetzt. Als Folge erhält man eine Trümmerwolke die sich im Orbit erstreckt. Jedes Partikel hat dann eine ähnliche Bahn sodass die Bahn, selbst wenn die des Satelliten mal kreisförmig war, elliptisch ist. Durch die durch den Seitendrift resultierende unterschiedliche Inklination breitet sich eine solche Wolke immer weiter vom ursprünglichen Orbit aus weg. Das Bild zeigt die Trümmerwolke des aktiv zerstörten Satelliten Fengyung 1C. Er produzierte über 2800 Trümmerteile. Bei immer mehr Kollisionen wird sie rasch größer und dann gibt es auch keine Wolke mehr, die eine stabile Umlaufdauer hat, zumal die Umlaufszeit von 90 Minuten für einen niedrigen Orbit spricht. Dann wäre aber schon die erste Kollision nicht ungefährlich. Vor allem ist unverständlich, warum die Wolke immer gerade die Stationen erreicht, die jeweils rund 100 km auseinander sein müssen. Dazwischen es aber ruhig ist, ich würde bei einer realen Kettenreaktion mit einer laufend ansteigenden Gefahr und Zahl von Trümmerteilen ohne periodischen Bezug erwarten.

Dabei wird um die Spannung zu erhöhen (Missionskontrolle kann nicht mehr eingreifen oder Ratschläge erteilen) die Funkverbindung schon bei der ersten Kollision unterbrochen. Die läuft aber sowohl in Russland wie den USA über geostationäre Satelliten wie TDRS. Die sind garantiert nicht von einem Ereignis im Leo betroffen, dazu sind sie zu weit weg. Selbst wenn, dann würde ein Trümmerstück frühestens nach fünfeinhalb Stunden den GEO-Orbit erreichen. So lange gäbe es also Kommunikation. Daneben haben alle Raumfahrtnationen und zahlreiche privaten Satellitenbetreiber ein Netz von Bodenstationen, die man im Katastrophenfall nutzen kann. In der Nähe der Erde mit starken Sendern wie bei einer Raumstation, reichen sogar die Mittel von Funkamateuren um zu senden und zu empfangen und Bullock hat ja auch Funkkontakt mit Menschen, nur eben nicht mit der Missionskontrolle.

Fazit

Boah das ist schon ein langer Aufsatz, über 20.000 Zeichen und 5 Seiten und dabei habe ich nur das geschrieben was mir bei einmaligen Sehen so nebenher einfiel, ohne das ich gezielt drauf geachtet habe. Also es ist Science Fiction, aber in Film mit schönen Bildern und ich denke ein mutiger Film – die Hauptdarstellerin Sandra Bullock sieht man zum ersten Mal richtig nach der Hälfte des Films. Vorher erkennt man im Phantasie-Weltraumanzug (mit Innenbeleuchtung, bei den normalen Anzügen ist keine Beleuchtung da und das Visier verspiegelt sodass man das Gesicht nur im Schatten erkennen kann) nur die Augen, auch da habe ich sie erst erkennt. George Clooney ist sogar nur eine Minute lang während eines Traums ohne Helm. Wenn man zwei Weltstars engagiert ein mutiges Vorhaben, sie so lange zu „verstecken“, zudem ist er wohl der Film mit der kleinsten Besetzungsliste, Außer diesen beiden gibt es sonst nur noch drei weitere Astronauten, die nur Sekunden bis wenige Minuten lang und dann auch nur im Anzug zu sehen sind.

Ich finde Gravity ist ein guter Science-Fiction Film, spannend mit einem etwas schlechten Schluss (Überflutung der Shenzou-Kapsel um noch mal die Spannung zu erhöhen) aber mehr auch nicht.

17.5.2018: Vom Koi zu Schnappschildkröte

Vor mehr als sieben Jahren schrieb ich den Blog vom Hai zum Koi, sieben Jahre später denke ich, ist es eine gute Zeit an das Thema anzuknüpfen.

Nach dem Jungfernflug der Falcon Heavy kommen nun mehr praktische Fragen auf. Vorher war man ja gespannt, ob sie überhaupt kommt und wenn ja wann. Nun frage ich mich zumindest, wozu sie da ist. Die große Auftragsflut ist ja ausgeblieben. Das aktuelle Launch Manifest weist nur drei kommerzielle Starts und eine Air Force Testmission aus, die Bestandteil der Zertifizierung ist.

SpaceX selbst zeigt ja, wie man die Rakete einstuft, denn als Preismodell gibt man nur 8,5 Tonnen in den GTO an, obwohl es ja eigentlich 26,8 t sein sollten. Man will wohl alle Booster landen, anders könnte SpaceX nicht den Start für nur 40 % mehr als die Falcon 9 anbieten. Die hohe Nutzlasteinbuße entsteht dadurch, dass zwei Booster an Land gelandet werden (verbraucht mehr Treibstoff, da die Bahn umgedreht wird) und einer, der zentrale, auf einem Dronenschiff. Der Letztere wird bei höherer Geschwindigkeit abgetrennt, dafür benötigt er ebenfalls mehr Treibstoff und wahrscheinlich auch eine stärkere Hülle wegen der größeren Belastungen. Das Konzept: „Wiederverwendung ist ökonomisch“ widerlegt SpaceX so selbst: Zwar ist der Kilogrammpreis etwas günstiger (11.300 / 10.600 $/kg) aber nur noch 31,8 % (Falcon 9: 66,2% der nominellen Nutzlast) erreichen den GTO. Schaut man einige Jahre zurück, so ist die Falcon Heavy sogar enorm im Preis gestiegen. Als sie angekündigt wurde, sollte sie 136 Millionen Dollar bei 21,2 t Nutzlast in den GTO transportieren, nun kostet ein Bruchteil dieser Nutzlast 6,5 t schon 90 Millionen. Das ist eine Preissteigerung um zwei Drittel, ja Wiederverwendung ist teuer – zumindest bei der Falcon Heavy.

Es gibt eine Reihe von Gründen, warum die Falcon Heavy nur wenige Starts absolvieren wird. Für kommerzielle Starts vor allem in den GTO ist sie zu groß und zu klein. Zu groß, weil die theoretische Nutzlast (ohne Wiederverwendung) mit einer Ausnahme, dazu komme ich noch nirgendwo gebraucht wird. Mag sein, das Musk spekuliert, das die NASA SLS aufgibt, doch mit etwas Menschenverstand müsste er wissen das, dem nicht so ist. Die SLS entstand als Obama, die Ares V einstellte, weil das Parlament die Rakete haben wollte (wahrscheinlich nur um Arbeitsplätze zu sichern, denn sie wird allerhöchstens einmal alle zwei Jahre starten und bisher sind nur zwei Missionen geplant). Analog wird Orion weiter geführt, obwohl die ISS von kommerziellen Vehikeln versorgt wird und außer Mondumrundungen das Raumschiff nirgendwo eingesetzt werden kann.

Die Falcon Heavy ist aber auch zu klein, und das bezieht sich auf die Nutzlasthülle. Die ist 13,1 m lang, kürzer als alle Nutzlasthüllen der Konkurrenten, selbst denen die auch nur Einzelstarts durchführen. Ein Satellit passt rein, aber keine Zwei. Eine Doppelstartstruktur hat SpaceX deswegen schon gar nicht entwickelt. Der Grund ist wahrscheinlich, die dauernde Verlängerung der Rakete. Seit der ersten Falcon, die noch 333 t wog, hat man die Rakete gestreckt auf nun fast 70 m Länge bei nur 3,6 m Durchmesser. Auf den langen Körper wirken beim Aufstieg aerodynamische Kräfte und dann muss man entweder für eine noch längere Rakete die Struktur verstärken (kostet Nutzlast) oder eben die Nutzlasthülle verkürzen. SpaceX hat sich irgendwann mal dazu entschlossen die Konstruktion auf die Falcon 9 zu optimieren, also so lange wie möglich für einen Einzelsatellitenstart der alle heutigen Satelliten transportieren kann und bei etwas Leichteren sogar noch eine Bergung zulässt. Dabei hat man in Kauf genommen, dass man bei der Falcon Heavy nur kurze Nutzlasten (im Verhältnis zur Kapazität) starten kann. Auch das publikumswirksame Befüllen mit unterkühlten Treibstoffen ist eher ein Eingeständnis, das man keine bessere Lösung hat, als technologisches Können: wenn man die Tanks nicht mehr verlängern kann, dann müssen eben die Treibstoffe eine höhere Dichte haben, um mehr davon mitzuführen. SpaceX selbst rechnet selbst nicht damit, dass jemand die Nutzlast ihrer Raketen ausnutzt, denn wie man offiziell im Users Guide nachlesen kann, ist der Nutzlastadapter für eine Last von maximal 10,8 t ausgelegt. Wahrscheinlich gibt es Reserven, sodass man bei einem angepassten Adapter etwas höher gehen kann, aber bestimmt nicht die volle Nutzlast der Falcon 9. Bei gängigen Zuschlagfaktoren für eine Struktur die 62 t mehr Last trägt und der höhere Treibstoffverbrauch zur Veränderung des Neigungswinkels, erhöhen 62 t mehr Nutzlast die Masse der Oberstufe um 1,5 t. Um diese 1,5 t sinkt dann die Nutzlast für alle Orbits. Beim GTO von (angeblichen) 8,2 t auf 6,7 t.

Warum die Falcon Heavy trotz selbst eingestandener Probleme und mehr als vier Jahren Zeitverzögerung nicht aufgegeben wurde? Weil es eine Nutzlastgruppe gibt, die die Falcon 9 auch ohne Weiterverwendung nicht starten kann: militärische Satelliten des DoD. Die haben seit den Sechziger Jahren keinen integrierten Antrieb sind also darauf angewiesen, dass die letzte Stufe den GEO zirkularisiert. Schon mit den optimistischen Strukturfaktor von 25 hat die letzte Stufe eine Trockenmasse von mindestens 4 t. Schon mit der Raketengrundgleichung kann man errechnen, das für ein ΔV von 1800 m/s, wie man es beim Start vom CCAF hat, die GEO-Nutzlast auf 3,1 t sinkt. Doch die Stufe ist nicht isoliert. In den 5 ½ Stunden, die sie braucht, um den GTO zu erreichen, wird einiges an Sauerstoff verdampfen und davon ist nur noch wenig übrig – etwa 3,7 t. Bei der Falcon Heavy ist es erheblich mehr Treibstoff und die GEO-Nutzlast ist höher. Die Atlas V hat drei Versionen mit mehr als 3,1 t GSO-Nutzlast, die Delta 4M (5,4) liegt bei 3,2 t und die Delta 4 Heavy bei 6,75 t. SpaceX hat sich auf Regierungsstarts konzentriert, und um sich um alle Aufträge bewerben zu können, braucht SpaceX die Falcon Heavy.

Das leitet mich zum zweiten Punkt über. Auch wenn SpaceX sich nach außen hin als wahnsinnig innovativ gibt und immer neuere Projekte postuliert (als Ausgleich werden dann die früher angekündigten wieder eingestellt wie die Red Dragon oder die bemannte Mondumrundung), hat sie sich, wenn man die realen Fakten betrachtet, zu ULA 2.0 entwickelt.

Nach dem letzten Report des GAO hat:

SpaceX bisher am meisten Gelder im Rahmen von CCDev und CRS/COTS erhalten: 7,78 von 14.1 Mrd. Dollar

SpaceX hat die nominell stärkste Trägerrakete und transportiert am wenigsten Nutzlast pro Mission: 1.569 kg im Druckbehälter. Orbital ATK mit einer Rakete, mit nur einem Drittel der Nutzlast, erreichte im Schnitt 2,723 kg.

Ihre Preise pro Kilogramm Nutzlast um 50 % erhöht und ist nun der teuerste Anbieter, Orbital ATK, die die Leistung ihrer Antares und Cygnus steigerte, wurde vom teuersten zum billigsten Anbieter.

Da sieht man, wohin die Reise geht: Um die 7,78 Milliarden, die vom Staat kamen, durch Start hereinzubekommen, müsste SpaceX 126 Starts durchführen, bisher waren es aber nur 52. Davon waren 14 Versorgungsflüge zur ISS, die in der oberen Summe enthalten sind, und 5 weitere Regierungsstarts. Rechnet man diese mit 90 Millionen hinzu (publizierte Preise für NASA/DoD Starts: 83 bis 96 Millionen Dollar) so bleiben von 52 Starts 33 kommerzielle übrig, die maximal 2.046 Millionen Dollar einbrachten gegenüber 8.230 Millionen Dollar durch Regierungsaufträge: Staatsquote: 80,1 %. Arianespace hat 20 bis 25 % Staatsquote.

Das Schöne an so Staatsaufträgen ist, das, wenn man erst mal im System drin ist, sie von alleine kommen. Einfach weil es keine Konkurrenz gibt und in der heutigen Zeit, der Warmduscher-NASA die Regierung nicht auf einen Launch Service Provider setzt. Das zeigt sich schon bei Delta / Atlas. Obwohl die Delta teurer als die Atlas ist, betreibt man für wenige Starts pro Jahr beide Systeme. Genauso bei CRS: Obwohl bei CRS-2 die Nutzlast pro Mission auf 3.754 kg pro Mission ansteigen soll, vergibt man Aufträge an drei Firmen, obwohl dies auch eine leisten könnte. SpaceX hat man nicht mal Aufträge entzogen, als sie die Preise um 50 % erhöhten. Daher will man auch noch die lukrativen Aufträge für GEO-Missionen kommen. Wenn SpaceX noch etablierter ist als jetzt, wird kommen, was man bei CRS-2 schon getan hat: die Preise werden massiv erhöht. Wenn sie auf 150 Millionen hinaufgehen, sind sie immer noch billiger als ULA und jeder Start für die Regierung bringt so viel ein, wie zweieinhalb kommerzielle Starts.

Wenn man SpaceX beim Wort nimmt, dann wird es komisch. Die Firma will ja eine Satellitenkonstellation aus 12.000 Satelliten aufbauen. Nun hat die FCC, die Organisation, die die Frequenzen vergibt, gefordert, das sie in sechs Jahren die Hälfte der ersten Phase (4425) davon startet. Das ist nach SpaceX Angaben unmöglich. Sehr komisch.

Das Launchmanifest ist ja laufend am Schrumpfen. Es weist nur noch 42 Einträge aus. Einer ist ein kombinierter Start, einer ist gekündigt worden (Bigelow) und 16 sind Flüge zur ISS, die zum Teil erst in Jahren stattfinden. Seit zwei Jahren gibt es weniger neue Aufträge als Starts, sodass mit der Rate von 30 Starts pro Jahr SpaceX alle noch ausstehenden kommerziellen Starts in 9 Monaten abwickeln kann.

Danach wird die Firma nur noch das starten können, was weltweit neu ausgeschrieben wird. Das sind bei kommerziellen Starts in den GEO etwa 20 bis 25 Satelliten pro Jahr. Die Betreiber der Satelliten haben niemals mehr als 50 % dieser Aufträge an eine Firma vergeben, das sind also maximal 10 bis 12 Starts pro Jahr.

Dazu kommen 5-6 Missionen zur ISS und vielleicht noch 4-6 andere für die Regierung. Auch die wird nicht alle Starts mit SpaceX starten, sondern noch andere Träger nutzen. Das sind dann, wenn man alles zusammenrechnet, 19 bis 24 Starts pro Jahr. Sie haben derzeit zwei Startrampen in Betrieb. Mit 39A und dem Weltraumbahnhof in Brownsville werden es vier sein. Mit zwei Startrampen führen sie 30 Starts pro Jahr durch, dann schaffen sie mit der doppelten Zahl 60. Das lässt bei maximal 24 Starts pro Jahr noch 36 für ihre Satellitenkonstellation übrig. Wenn es nur Falcon 9 Starts sind, dann kann jeder Start je nach Orbithöhe 15 bis 19 t transportieren. Das sind bei 500 kg pro Satellit (Gewicht der beiden Prototypen) 30 bis 38 Stück pro Start, in sechs Jahren also 6400 bis 8200, sie müssten nur 2213 starten. Die Falcon Heavy hat sogar die dreifache Nutzlast, da dürfte das ein Klacks sein. Kurzum: SpaceX beweist mit der Antwort, sie können maximal ein Drittel der Satelliten starten, das alle Ankündigungen schon jetzt nichts als heiße Luft sind. Dabei wird es ja noch besser: 2022 startet dann die BFR mit 150 t Nutzlast und das wöchentlich. Ach ja? Dann reichen ja 10 Wochen aus, um alle diese Satelliten zu starten ...

Vor allem, wenn man nun ja eine Rakete hat, die 100-mal wiederverwendet werden kann und 10-mal ohne Überholung gestartet werden kann. Da kann SpaceX ja sogar so viele Starts durchführen, denn nun muss ja nicht mal eine Unterstufe pro Jahr produziert werden, um alle abzuwickeln. Und die ganzen Arbeiter, die bisher Raketen gefertigt haben, müssen ja was zu tun haben, wie z.B. Satelliten bauen.

Kurzum: Nimmt man nur die von SpaceX publizierten Fakten, so kommt man darauf, dass ihre Konstellation ohne Probleme mit ihren Mitteln umsetzbar ist. Aber es sind eben nicht die realen Fakten, sondern alternative Fakten, wie Lügen neumodisch heißen.

Woanders zieht das Ankündigen von „Mit dem nächsten Modell wird alles besser“ nicht mehr: Tesla, Musks zweite Firma legt derzeit einen rasanten Abwärtsgang an der Börse ein. In einem Jahr ist der Kurs von 343 auf 245 Euro gesunken. Vor einigen Wochen war er sogar bei 208 Euro, als angekündigt wurde, dass das neue Modell, das nun endlich Gewinn bringen soll, sicher erneut verspätet. Tesla hat einige Parallelen zu SpaceX auch diese Firma lebt davon, das alle glauben sie wäre technologisch fortschrittlich, innovativ und ihre Produkte wären die Zukunft ihrer Branche. Das Image hat Kratzer bekommen, seit es tödliche Unfälle mit dem Autopilot gab, Batterien in Flammen aufgingen und das was den Massenmarkt erobern soll immer weiter in die Zukunft rückt. Vor allem aber ist bisher noch nie Gewinn erwirtschaftet worden, die Verluste sind laufend angestiegen. Rechnet man die Verbindlichkeiten auf die Zahl der Aktien um, so sind das 137 Euro pro Aktie, was den Unternehmenswert doch deutlich mindert. Musk ist schlau. Er hat sich sukzessive bei den hohen Kursen von Aktien getrennt und derzeit will Tesla Musks dritte Firma Solarcity für 2,6 Milliarden kaufen, wofür er dann nochmals Geld bekommt. Wer weiß, vielleicht kauft in einigen Jahren dann Tesla SpaceX und Musk verscherbelt die letzten Aktien und stiegt aus.

SpaceX ist vom Koi zur Schnappschildkröte geworden. Ein Koi schwimmt wenigstens noch langsam durch den Teich und frisst dabei Futter. Eine Schnappschildkröte lauert nur gut getarnt am Seegrund mit offenem Maul, an der Zunge ein Fortsatz der wie ein Wurm aussieht, beißt ein Fisch auf den vermeintlichen Wurm, dann schnappt sie zu.

20.5.2018: ATS Reloaded

Ursprünglich sollte die ISS bis 2016 betrieben werden. Darauf hatte man sich geeignet, als 2005 das Vorgehen für die bemannte Raumfahrt nach dem Ausmusterungsbeschluss der Space Shuttles fiel. Der Hintergrund war, dass damals ja noch das Constellation-Programm aktiv war und damit eine Rückkehr zum Mond. Die Mittel sollten auch dadurch gewonnen werden, indem die USA Space Shuttle und ISS aufgaben. Vertragsbedingt mussten die USA die Station 10 Jahre lang betreiben, nachdem die Labore aus Japan und Europa installiert wurden.

Europa passte die Bestellungen der ATV, die schon entwickelt wurden, diesem Zeitplan an. Man orderte fünf Transporter. Vier brauchte man um die vertraglich vereinbarte Fracht für diese 10 Jahre Betrieb zu transportieren, sie transportierten 19 t für die NASA zur ISS, dazu eigene Fracht für Columbus. Der fünfte Transporter wurde, als der Betrieb bis 2020 verlängert wurde, dann ebenfalls als Kompensation für die Jahre 2017/18 gestellt. Für die Kompensation der Unterhaltskosten der folgenden Jahre entwickelt die ESA das Servicemodul für die Orion und stellt zwei Exemplare.

Nun ist der Betrieb der ISS seitens NASA,Kanada und Russland bis 2028 beschlossen. Japan hat bis 2024 verlängert, die ESA als letzter Partner dann auch bis 2024. Dann muss Europa aber auch die Betriebskosten mittragen. Das sind nach NASA Angaben 807 Millionen Euro für die Jahre 2021-2024. Dazu kommen 153 Millionen für wissenschaftliche Projekte. Bisher lief dies wie bei allen Partnern als Kompensationsgeschäft: man erbrachte Leistungen, wie eben den Transport von Fracht. Zeit über die Optionen nachzudenken. Darum geht es in diesem Aufsatz.

Zuvor aber zwei persönliche Einschübe. Ich halte das ATV für die beste Möglichkeit Fracht zur ISS zu befördern, darum dreht es sich in diesem Aufsatz. Doch mein Verhältnis zum ATV ist ambivalent. Das Buch über das ATV war mein erstes richtiges Raumfahrtbuch, nachdem ich vorher nur eine kleine Broschüre über Gemini geschrieben habe. Ich fand das Projekt damals technisch ambitioniert und ein gutes Beispiel, was Europa leisten kann. Wenn man dann allerdings es mit den staatlichen Stellen zu tun hat, die das Projekt betreuen, dann bekommt man von hochrangiger Stelle (damaliger ATV Projektleiter, heute sogar Leiter der Abteilung bemannte Raumfahrt beim DLR und DLR-Pressesprecher) die Rückmeldung, dass ein solches Buch nicht gewünscht ist, wenn man trotzdem um eine Rezension bietet, bekommt man einen Verriss, übrigens von demselben Rezensenten, der Bücher eines Plagiators die nur meine Webseite abgeschrieben haben, in höchsten Tönen lobt. Bitte kaufen sie also unten stehendes schlechtes Werk auf keinen Fall, außer sie wollen selbst ein Buch über das ATV schreiben.

Das Zweite was mir beim ATV übel aufstößt, ist ein Dauerthema bei den Deutsch-Amerikanischen Beziehungen. Wann immer wir Projekte mit der NASA abgeschlossen haben, war es so, dass sie unfair waren, das heißt rechnet man den Aufwand auf europäischer und amerikanischer Seite auf und vergleicht diese mit Verabredungen über Leistungen oder Ansprüche, so fällt auf, das Europa immer den kürzeren zieht. Man kann die Fracht durch die bekannte ISS-Beteilligung teilen und kommt auf einen Kilogrammpreis der kleiner ist als den wo die NASA an SpaceX, den damals günstigeren US-Anbieter zahlt.

Nun müsste die ESA also für 4 Jahre 807 Millionen Euro an die NASA zahlen oder andere Kompensationen leisten. Wenn man von einer Verlängerung bis 2028 ausgeht, ist es sogar mindestens die doppelte Summe. Nimmt man an, das die ESA nicht mehr Fracht transportieren muss, als die NASA selbst für diese Summe bei CRS-2 starten kann, so kann man die CRS-2 Aufträge als Berechnungsbasis nehmen. Sie sehen durchschnittliche Missionskosten von 300,6 Millionen Dollar bei durchschnittlich 4.178 kg Nutzlast pro Mission vor. Die NASA rechnet bei den ersten acht Missionen die mit 2,6 Milliarden Dollar bezahlt wurden, sogar nur mit 3.754 kg pro Mission. Das sind 86.500 (erste acht Missionen) bzw. 72.000 Dollar/kg (über das gesamte Programm). Das nutze ich, um die Zahl der Flüge zu berechnen.

ATV 1.1

Die einfachste Möglichkeit und zugleich unwahrscheinlichste ist es, das ATV weiter einzusetzen. Allerdings würde ich es nicht unverändert einsetzen. Das ATV ist eine eierlegende Wollmilchsau. Es kann einfach alles transportieren: Fracht im Druckmodul, Wasser, Gase, Refülltreibstoff, Reboosttreibstoff. Lediglich Fracht ohne Druckausgleich geht nicht, doch zum einen gibt es dafür zwei Systeme und zum anderen war auch das Mal für das ATV vorgesehen, mann würde dann einfach den Druckbehälter durch eine Palette mit Dockingadapter ersetzen.

Trotzdem würde ich etwas verändern: Für Wasser und Gas gibt es auch Alternativen. Wenn es regelmäßige Besuche durch das ATV gibt braucht man auch keinen Refülltreibstoff. Der mitgeführte Treibstoff (Reboosttreibstoff) ist mehr als ausreichend, um die Station anzuheben und davon hat der Transporter die fünffache Menge an Bord. Die Systeme für beide Teile befinden sich hinter einer Trennwand im Druckbehälter. Entfernt man diese Systeme, so gewinnt man zum einen Raum, den man für mehr Fracht im Druckmodul auch braucht und zum andern spart man Gewicht ein. Der Druckbehälter wiegt leer 3,7 t, doch mit Kopplungsadapter, der Ausrüstung für Wasser, Gase und Refülltreibstoff sind es 5,15 t. Der Kopplungsadapter macht davon den kleinsten Teil aus. Man könnte mindestens 1 t Masse einsparen, wenn man diese Systeme entfernt. Im ürbigen wäre die NASA auch an einem ATV interessiert. Die ersten ATV hoben die station von 340 in 425 km Höhe. Seitdem sinkt sie, auch wenn Progress das etwas bremsen. Wenn nun die Sonne wieder aktiver wird, wird das Abbremsen stärker werden. Da ist ein Transporter, wie das ATV der die Station um gleich 40 km anheben kann, sehr willkommen.

Daneben profitiert das ATV von einer leistungsfähigeren Ariane. Wenn es starten sollte (ab 2021) ist die Ariane 6 einsatzbereit. Sie soll mindestens 12 t in den GTO transportieren, genauso viel sollte 2009 die Ariane 5 ME transportieren, mit ihr hätte man einen 23 t schweren Transporter starten können. Also ist auch diese Nutzlast für die Ariane 6 anzusetzen. Das sind 2,25 t mehr als die Nutzlast der Ariane 5 ESV. Davon bleiben etwa 2 t übrig, wenn man den höheren Treibstoffverbrauch für den schwereren Transporter berücksichtigt. Da bisher die ATV die Maximalnutzlast auch nie ausnutzten, kann man von realistisch 9 t Fracht pro Mission ausgehen. Für 8 Jahre ISS-Betrieb, 1.614 Millionen Euro Betriebskosten (oder 1706 Millionen Dollar) wären das nach CRS-2 Kostenvorgabe 23,7 bzw. 19,7 t Fracht. Drei Transporter mit je 9 t Fracht würden also reichen diese Vorgabe zu erfüllen und lassen noch Fracht für das eigene Labor übrig oder man tritt die an die NASA ab und hat mehr Astronautenzeit sprich es gibt öfters einen europäischen Astronauten an Bord (derzeit 1 Astronaut pro Jahr bei 12 Astronauten insgesamt pro Jahr). Wenn man dieselben Kosten wie die letzten Transporter ansetzt, (wahrscheinlich wird es nicht billiger – die Ariane 6 wird zwar etwas billiger sein, doch die Neuqualifikation von neuer Hardware kostet auch Geld) so würden diese 1350 Millionen Euro kosten. (Mithin billiger als die NASA zu bezahlen).

Man müsste einiges verändern, so ist schon bekannt, das Elektronikbauteile nicht mehr produziert werden – die Konzeption des ATV geht zurück bis ins letzte Jahrtausend. Doch billiger als eine Neukonstruktion wird es in jedem Fall. Warum das dennoch das unwahrscheinlichste Szenario ist? Weil schon, als die ESA bekannt gab, das Sie keine weiteren ATV baut, sondern die Servicemodule für die Orion, der Verantwortliche bei der ESA sagte. Nur einen Transporter zu bauen, der schon entwickelt wäre, wäre nicht „herausfordernd genug“. Eine seltsame Einstellung vor allem, wenn es darum geht, die Versorgung zu sichern. Daimler entwickelt ja auch nicht einen Lastwagen und stellt den Bau nach einigen Prototypen wieder ein. Cygnus, HTV, Progress werden ja auch in Serien gebaut.

ATV optimiert

Eine zweite Lösung, die ich sehe, kann dieser Herausforderung (was neues entwickeln) her nahe kommen. Alle Transporter zur ISS, mit Ausnahme der Dragon und Dream Chaser sind Einmalgefährte. Damit versenkt man viel Geld, denn die Druckbehälter sind relativ preiswert. Der Druckbehälter für die Cygnus kostet 20 Millionen Euro. Dazu kämen beim ATV noch die Kopplungssysteme, die am Druckbehälter angebracht sind wie der Dockingadapter mit KURS-Radar, der auch etwa 20 Millionen Euro kostet und die anderen Sensoren. Trotzdem – ein ganzer ATV kostet rund 280 Millionen Euro. 2/3 bis ¾ der Kosten entfallen auf den Bus mit Avionik und Antrieben. Er wiegt auch 5 t trocken die jedes Mal mit gestartet werden und entsprechend die Frachtmenge reduzieren.

Meine Idee: Ein ATV kann bis zu 7 t Treibstoff mitführen, davon braucht er nur etwa 1,5 bis 1,8 t für die Mission. Der Rest steht für das Anheben der Station zur Verfügung. Wenn man den Treibstoff nicht ganz oder gar nicht braucht, kann man sich auch Folgendes denken:

Der wesentliche Vorteil:

Die Frachtmenge ist viel größer. Man kann als Vorlage die MPLM nehmen, der Druckbehälter des ATV ist nur ein verkürztes MPLM. Sie konnten pro Kilogramm Behältermasse 2 kg Nutzlast transportieren. Schlägt man noch die Masse der Kopplungssysteme hinzu, so sind es mindestens 14 t Fracht pro Ariane 64 Start – 5 t mehr als beim normalen ATV bei geringeren Kosten.

Der Druckbehälter ist selbst mit zwei Adaptern und doppelter Sensorausrüstung billiger als der Bus.

Man kann dies sogar noch erweitern, sodass man einen ATV-Bus praktisch ewig nutzen kann. Dazu führt man wieder im Druckbehälter Refülltreibstoff mit, diesmal aber wird er in den ATV-Bus transferiert. Die Menge müsste man erhöhen auf die Zuladung, die man für die Mission braucht. Das kostet dann pro Flug etwa 2-2,5 t Fracht. Die 12 t Fracht würden bei geschätzten 250 Millionen Euro für eine Mission trotzdem erheblich billiger sein als die ersten 4 t (Refülltreibstoff fällt ja weg) für 450 Millionen Euro. Bei drei Missionen pro Bus kommt man so auf Kosten von 950 Millionen Euro bei 32 t Fracht (Drei normale ATV: 1350 Millionen Euro für 27 t Fracht). Wenn man den Bus dauernd wiederverwendet, kommt man bei 300 Millionen Euro pro Mission auf Kosten von 300 Millionen Euro für 12 t Fracht + 450 Millionen Euro/Missionszahl. Ab vier ATV Missionen ist dies billiger. Allerdings transportiert ein ATV so viel Fracht das man wegen der kleinen ESA-Beteilligung sich das nicht wirtschaftlich lohnt und als Versorgungssystem darf man sich als Nicht-US-Unternehmen auch nicht an CRS bewerben. Das Konzept hätte man schon auflegen müssen, als die ersten ATV starteten.

ATV als Deorbitgefährt

ATV AntriebsmodulEin Problem, vor dem sich die NASA bisher erfolgreich gedrückt hat, ist es die ISS zu deorbitieren. Es gibt dazu zwei Probleme. Das eine ist die Masse der ISS, die ja sogar noch leicht durch weitere Adapter ansteigt und vielleicht kommt noch Nauka irgendwann. Es gibt keinen Transporter, auch das ATV nicht, der so viel Treibstoff hätte, die ISS sauber zu deorbitieren. Das Zweite ist der Schub. Mit Ausnahme der Progress haben alle Transporter Triebwerke mit wenigen Hundert Newton Schub. Als die ATV die Station anhoben, taten sie dies in mehreren Etappen, sie brauchen Stunden um nur den internen Treibstoffvorrat zu verbrauchen während der ganzen Zeit würde bei einem Deorbitieren die Bahnhöhe sinken und schnell in einen Bereich kommen, in dem die ATV die Ausrichtung der Station nicht mehr aufrechterhalten können, sei würde sich durch aerodynamische Kräfte drehen und man müsste das Deorbitieren abbrechen. In der Höhe verglüht sie dann bald, aber eben nicht da, wo man es haben will, sondern irgendwo, vielleicht auch über einem Ballungsraum wie Mexiko-Stadt oder Tokio.

Eine theoretische Möglichkeit gäbe es. Eine Orion müsste genügend Treibstoff haben und auch ein schubkräftiges Triebwerk. Da man eine automatische Kopplung sowieso anstrebt, bräuchte man keine Besatzung an Bord. Auch hier tickt de Uhr. Selbst eine Orion müsste 15 Minuten lang ihr Triebwerk zünden, um die ISS abzubremsen. Bei der Umlaufsdauer bleiben dann nur noch 20 Minuten, um abzukoppeln und sich selbst in sichere Höhe zu bringen, sodass dies riskant ist. Würde man die Orion „opfern“ also unbemannt starten wäre dies aber kein Problem. Neben den Kosten (Start mit der SLS) gibt es dann noch das Problem, das eine Orion nur am US-Segment ankoppeln kann, dann geht der Schubvektor aber nicht durch die Station. Die induzierte Rotation muss durch die Triebwerke kompensiert werden. Einfacher ist es die Orion umzurüsten und wie das ATV am russischen Segment anzudocken.

Meine Idee ist es, das ATV zum Deorbitgefährt umzurüsten. Ein ATV der heutigen Bauweise schafft das aber nicht. Wenn man die ISS auf 340 km Höhe sinken lässt, das war die niedrigste erlaubte Höhe im operationellen Betrieb und man das Perigäum auf 80 km absinken lässt (bei normalen ATV Missionen liegt es unter der Erdoberfläche, damit der Eintritt steil erfolgt und er schnell verglüht, doch das erfordert mehr Treibstoff), benötigt man bei einer mit angedocktem ATV 460 t schweren Station ohne Gravitationsverluste mit den Triebwerken des ATV 80 m/s Geschwindigkeitsänderung, bei Perigäum 0 km sogar 104 m/s. Das sind 12,8 bzw. 16,6 t Treibstoff. Ein ATV fasst maximal 7 t, von denen auch noch ein Teil abgeht, um die Station zu erreichen.

Mein Idee: Man verdoppelt zum einen die Treibstoffzuladung, indem man die Tankzahl verdoppelt. Die sitzen auf einem Kreisring, wie die Abbildung zeigt. Der Druckbehälter fällt zum Ausgleich weg. Wenn man die 730 l Tanks durch die größeren 769 l Tanks, die heute von Airbus gefertigt werden, ersetzt und eine zweite Reihe einsetzt, dann kommt man auf eine Treibstoffzuladung von 14.240 kg nominal und 17.740 kg maximal. Das reicht aus, um zumindest Szenario 1 (<80 km Deorbithöhe, entsprechend einem fachen Eintritt und langer Strecke über die sich die Trümmer verteilen) umzusetzen. Doch die Tanks alleine machen es nicht. Wie man an der Abbildung auch erkennt, ist in der Mitte viel Platz frei. In den sollte in einigen Erweiterungsszenarien ein Tunnel gebaut werden. Ich würde hier das Aestus Triebwerk einbauen. Es ist mit 28,7 kN Schub schubkräftig genug und könnte 13,5 t Treibstoff (wie schon gesagt man braucht etwas Treibstoff, um die Station überhaupt zu erreichen) nach einer Simulation von mir die ISS in 25 Minuten von einer 340 km Bahn in eine 45,3 x 314,1 km Bahn bringen. Will man einen noch steileren Eintritt, so müsste man vor dem Ankoppeln die Triebwerke von Sarja zünden, wobei man vorher die Treibstoffvorräte ergänzen müsste. Nach dem Ankoppeln geht das nicht mehr, dann ist das ATV im Weg, sodass dieses nicht den Treibstoff bringen könnte. Aus einer 290 km hohen Bahn könnte ein ATV die Bahn soweit absenken, dass man das Perigäum auf Meereshöhe absenken kann. Dafür bräuchte man weitere 5,6 t Treibstoff die zwei bis drei Progress zur Station bringen könnten. Doch schon das Perigäum von 45 km liegt niedrig genug.

Ich halte das für möglich, zumal das Triebwerk nur fest eingebaut werden muss. Im Prinzip kann die ESA auch auf Erfahrungen mit dem Bau des Servicemoduls für die Orion zurückgreifen, das ist vom Antriebssystem her nichts anderes. Wenn man dieses mit dem vorderen Teil des ATV mit den Kopplungssystemen kreuzt, hat man im Prinzip das Deorbitgefährt. Aus diesem Grund halte ich es auch für die wahrscheinlichste Möglichkeit der dire Szenarien das umgesetzt wird, denn wie schon gesagt. Die NASA selbst hat keine Lösung für das Problem.

Ein ATV-Bus wiegt ohne Treibstoffe 5,32 t. Dazu käme noch die Verdopplung des Antriebssystems, das leer 1,5 t wiegt und die Koppelhardware, die ich auf etwa 500 kg ansetze. Bei 14,24 t Treibstoffzuladung kommt man so auf eine Startmasse von 21,56 t, was leicht von einer Ariane 64 gewuppt werden kann. Würde man auf von Kugeltanks auf zylindrische Tanks übergehen, die Airbus auch im Angebot hat, könnte man die volle Startmasse nutzen und mehr Treibstoff mitführen und das Perigäum auf 15,9 km Höhe absenken.

Fazit

Meiner Ansicht nach hat das ATV Zukunft. Insbesondere sehe ich in ihm die einzige derzeit mit vertretbarem Kostenaufwand umsetzbare Alternative, die ISS zu deorbitieren. Schon 2007 wurde das ATV für diese Aufgabe vorgeschlagen. Allerdings damals noch in der Originalkonfiguration was zwei Flüge erforderlich macht und wegen des Ankoppelns und Abkoppelns und der langen Betriebszeit der Triebwerke und dadurch langsamen Absinken des Orbits nicht ganz risikolos.

 


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