Skylon / SABRE

Tja, ich denke, dass die Idee, das Ding konventionell zu starten damit zusammenhängt, dass es so einfacher ist, die Nutzlast zu integrieren und man keine teure Startrampe braucht. Und was du da an Einsparungen beim Gewicht vorgerechnet hast: prinzipiell hast sicher recht, aber 30% dürften es nicht werden. Denn zum einen muss Skylon nach der luftatmenden Phase (bis etwa 6.600 km/h) noch weiter beschleunigen bis auf Orbitalgeschwindigkeit, wofür dann wiederum Sauerstoff vonnöten ist, und zum anderen kommt das Gewicht hinzu, welches das SABRE verursacht (das ist deutlich schwerer als n normales Triebwerk...)
In diesem Zusammenhang: für die X-33 hat man ein Spezialtriebwerk entwickelt, damit es keine Effizienzverluste gibt, egal in welcher Luftschicht man sich gerade befindet. Gibt es so etwas ähnliches auch beim Skylon ?

Ja für Skylon wurde STERN entwickelt. Das Prinzip ist ähnlich wie das der Aerospike- Triebwerke.
http://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_deflection_nozzle

..für die X-33 hat man ein Spezialtriebwerk entwickelt, damit es keine Effizienzverluste gibt, egal in welcher Luftschicht man sich gerade befindet. Gibt es so etwas ähnliches auch beim Skylon ?

Ja das Stern Triebwerk, welches ein expansion/deflection Triebwerk ist und auch Umgebungsdruck unabhängiger ist, wie die Aerospike der X-33. Man hatte auch eine Dual Bell Lösung in Betracht gezogen da jene bessere Werte bei Berechnungen ergab. Man entschied sich doch für die expansion/deflection, weil man mit diesen mehr Erfahrung hatte.

Twix, schau dir mal die Raketengleichung an und mach dir klar, wie die Massenanteile eines Raumfahrzeugs aussehen. Eine Rakete wird beim Beschleunigen immer leichter. Struktur, Triebwerke usw. sind kleine Massen im Vergleich zum Treibstoff. Eine Rakete beschleunigt in aller erster Line erstmal ihren eigenen Treibstoff - und dann, quasi unter fernerliefen, auch mal irgendwo ihre Strukturmasse und Nutzlast.

Ich hatte, ehrlich gesagt, eine recht konservative Überschlagsrechnung gemacht. Möglicherweise ist in der Realität die Einsparung an Sauerstoffmasse beim Skylon noch deutlich größer als ich schätzte.

Schau dir hier mal die Größe der Sauerstofftanks an:
http://www.reactionengines.co.uk/space_skylon_tech.html

Sie sind winzig, im Vergleich zu einer konventionellen Rakete. Das gibt eine ungefähre Vorstellung der Massenersparnis.

Das Gewicht der Struktur und Triebwerke ist im Vergleich zur eingesparten Sauerstoffmasse eher nachrangig und sollte locker vom System getragen werden können.

Da man das SABRE-Triebwerk selbstredend auch für solch ein SSTO verwenden kann, stellt sich die Frage warum muss Skylon eigentlich ein HTOL SSTO sein?

- Skylon muss, nehm ich an, eine gewisse Zeit in der Atmosphäre verbringen um Geschwindigkeit aufzubauen. Für den Aufstieg in der Atmosphäre benötigt Skylon rund 700 Sekunden. Wenn du das vertikal mit einer Rakete machst bringen dich die Gravitationsverluste um. Skylon braucht die Flügel für den Aufstieg. Eine Ariane 5 z.B. ist in einiges unter 100 Sekunden auf 25km. Ausserdem baut Skylon seine Geschwindigkeit in der oberen Atmosphäre auf, wo Luftwiderstand klein ist.
- HT ist einfacher in der Handhabung.
- Die Flügel garantieren einen niedrigen ballistischen Koeffizienten beim Wiedereintritt, was die Anforderungen an das TPS reduziert.
- Vertikales Landen tönt zwar nett in der Theorie, aber man hat damit mehr oder weniger eine Bombe die vom Himmel runterkommt. In der Regel sind RLV Designs deshalb auch mit Flügeln ausgestattet, dann musst du bei der Landung nicht ein ganzes Gebiet evakuieren.

Zusätzlich spart man sich die Startfelder und kann jederzeit jeden Orbit erreichen. Auch nicht zu verachten.

Schau dir hier mal die Größe der Sauerstofftanks an:
http://www.reactionengines.co.uk/space_skylon_tech.html

Sie sind winzig, im Vergleich zu einer konventionellen Rakete. Das gibt eine ungefähre Vorstellung der Massenersparnis.

Das Gewicht der Struktur und Triebwerke ist im Vergleich zur eingesparten Sauerstoffmasse eher nachrangig und sollte locker vom System getragen werden können.

natürlich sind die klein. Beim Space Shuttle waren sie auch klein. Aber LOX ist bei weitem dichter als LH2 und demzufolge sind die Tanks bei gleicher Masse viel kleiner. Schau dir das mal an: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shuttleexternaltank.svg Der LOX-Tank des Shuttles passt mehr oder weniger in die Spitze des External Tanks...
Was ich mit der Struktur und den Triebwerken meinte: nun anders als bei konventionellen Raketen muss der gesamte Körper den Wiedereintritt überstehen, was zusätzliche Hitzeschutzbeschichtung nötig macht sowie Strukturen, die die anfallenden Kräfte kompensieren.

Ich kann euch nochmals empfehlen die Dokumente bei NSF durchzulesen, über die ich letztens geschrieben habe.

Sie waren sehr aufschlußreich was das aktuelle Skylon Design betrifft.

Da man das SABRE-Triebwerk selbstredend auch für solch ein SSTO verwenden kann, stellt sich die Frage warum muss Skylon eigentlich ein HTOL SSTO sein?
Präzisionswiedereintritt und Punktlandung machen meiner Meinung nach HTOL mit seinem unnötig hohen Strukturgewicht überflüssig. Man könnte SABRE in einem VTOL SSTO wesentlich besser nutzen und hätte eine deutlich höhere Nutzlast, bzw. grössere erreichbare Orbithöhe. Und dabei kann man sich sogar noch die kleine Treibstoffmasse für eine Landung auf dem Triebwerksstrahl leisten.

Es gibt noch einen Punkt den man mit einrechnen muss. Ein Flugzeug, im Gegensatz zu einer Rakete kann mit einem Schub/Gewicht Verhältnis von unter 1 starten. Z.B. hat das Sylon C1 Design beim Start im Airbreathing Mode einen max. Schub von 2 x 1350000 N. Das Startgewicht ist 345000 kg. Wenn ich das Startgewicht mit der Erdbeschleunigung (9,81 m/s) in N umrechne bekomme ich 3384450N. Das Schub Gewicht Verhältnis ist also 2700000N/3384450N=0,79.
Bei diesem Design kann ich also ca. 21% mehr Masse horizontal starten als das vertikal möglich wäre. Neben diesem Vorteil durch Auftrieb muss ich den Treibstoff fürs Abbremsen und fürs Landen auch nicht mit auf Orbitalgeschwindigkeit beschleunigen.

@ rookie,
das geringere Schub/Gewichts-Verhältnis ist ein guter Punkt.

@Rogoz,
Skylon wird sich nicht länger in der atmosphäre aufhalten als es zum Beschleunigen auf Mach 5,5 nötig ist. Alles andere wäre Verschwendung.

Mein Punkt war eigentlich der, dass man mit Luftatmen auch bei vertikalem Flug durch die Atmosphäre enorm viel Treibstoff sparen kann. Der Vorteil wäre, daß man beim Fahrzeugdesign auf Bewährtes zurückgreifen kann und allzu hohe atmosphärische Fluggeschwindigkeiten vermeiden kann - denn die Mach 5,5 vom Skylon wollen erstmal beherrscht sein.

@Twix,
ich denke, wir reden aneinander vorbei.

Der Vorteil wäre, daß man beim Fahrzeugdesign auf Bewährtes zurückgreifen kann und allzu hohe atmosphärische Fluggeschwindigkeiten vermeiden kann - denn die Mach 5,5 vom Skylon wollen erstmal beherrscht sein.

Du kannst auch mit Skylon nach Mach 3 schon vertikal durchstarten. Mach 5.5 dürfte ein vernünftiger Kompromiss sein. Bei höheren Geschwindigkeiten ist die Hitzeentwicklung grösser und vor allem wäre dann ein Scramjet-Design notwenig. SABRE ist ja auch ein Ramjet, obwohl der nur einen Bruchteil des Schubs liefert. Ramjets beherrscht man aber gut heutzutage.

Was mich bei Skylon noch beschäftigt, ist die Überlegung, es bemannt einzusetzten. Scheinbar gibt es ja Pläne, mittels eines Containers bis zu 30 Leute in die Nutzlastbucht zu quetschen. Müssten aber dafür nicht einige Dinge am Desing geändert werden, sodass es als man-rated gilt ?
Woran ich denke, ist die autonome Steuerung, die soweit geändert werden müsste, dass die Crew darauf Einfluss nehmen kann (Handsteuerung, hat Sojus afaik auch) sowie ein LAS, um im Falle einer Fehlfunktion den Start abzubrechen oder um bei der Landung die Crewsicherheit zu gewährleisten.
Alles in allem bietet Skylon ja für keine Phase der Mission eine Option B falls was schief geht, oder ?

Hallo TWiX,

Rettungssystem einzubauen, die unabhängig von der Funktion des Hauptsystems retten, war/ist der bisherige Weg in der Raumfahrt. Soll heißen: Die Menschen können gerettet werden, wenn das Gesamt-/Hauptsystem komplett versagt und verloren ist. Nur beim STS (und Buran?) hat man davon Abstand genommen.
In normalen Flugzeugen gibt es so eine Rettung auch nicht. Dort überleben die Passagiere bei Problemen nur, wenn das Gesamtsystem weiter ausreichend funktioniert. Komplettversagen muss ausgeschlossen bzw. unwahrscheinlich sein. Dort akzeptieren wir ein fehlendes Rettungssystem. Keiner fordert ernsthaft Schleudersitze. Dort haben wir die Technologie so ausgelegt und im Griff, dass wir Sicherheit des Systems ohne doppelten Boden garantieren können.

Wenn man ernsthaft in dieser Größenordnung Menschen ins All bringen möchte, wird kein Weg daran vorbeiführen, diesen Weg zur Sicherheit zu verfolgen: keiner doppelter Boden.


und: Manuelle Steuerung braucht man nicht. Wenn wir heute Drohnentechnologie schon erprobt haben, die automatisch auf Flugzeugträgern landen und starten lässt, ist das bissel Rendezvous-Mechanik im Orbit kein Problem mehr.

Containers bis zu 30 Leute in die Nutzlastbucht zu quetschen. Müssten aber dafür nicht einige Dinge am Desing geändert werden, sodass es als man-rated gilt ?

Soviel ich weiss, darf bei Skylon jederzeit eines von zwei Triebwerken ausfallen. Das führt dann zu mission abort aber nicht zum Verlust des Skylons. Besser gehts nicht. Nenn mir ein RLV, das jederzeit die Hälfte des Schubs verlieren kann und trotzdem noch heil runterkommt.

@bemannte Skylon: Ist denk ich mal erstmal wirklich nur eine "Überlegung". 

Zunächst muß Skylon erstmal zeigen, daß es als unbemannter Transporter funktioniert und wirtschaftlich ist.

Vor allem muss Skylon eine Oberstufe für GTO Starts mitschleppen, was ein großes Manko ist. Die ist nicht wiederverwendbar und benutzt vermutlich LH2/LOX und muss dann in der Nutzlastbucht betankt werden, dann das Abführen des verdampften H2/O2 etc... ich sehe jede Menge Herausforderungen.

Skylon sehe ich vor allem für den Start in der LEO bemannt und unbemannt im Vorteil. Für GTO Missionen kann es den Wiederverwendungsvorteil nicht so stark ausspielen.

Hallo,

Rettungssystem einzubauen, die unabhängig von der Funktion des Hauptsystems retten, war/ist der bisherige Weg in der Raumfahrt. Soll heißen: Die Menschen können gerettet werden, wenn das Gesamt-/Hauptsystem komplett versagt und verloren ist. Nur beim STS (und Buran?) hat man davon Abstand genommen.
In normalen Flugzeugen gibt es so eine Rettung auch nicht. Dort überleben die Passagiere bei Problemen nur, wenn das Gesamtsystem weiter ausreichend funktioniert. Komplettversagen muss ausgeschlossen bzw. unwahrscheinlich sein. Dort akzeptieren wir ein fehlendes Rettungssystem. Keiner fordert ernsthaft Schleudersitze. Dort haben wir die Technologie so ausgelegt und im Griff, dass wir Sicherheit des Systems ohne doppelten Boden garantieren können.

Der bisherige Plan sieht vor, dass das Passenger and Logistics Module von Skylon ein komplettes Versagen der Struktur von Skylon oder auch eine Explosion der Treibstofftanks überstehen (was ich durchaus für möglich halte) und anschließend mit Notmitteln (Fallschirmen?) verhältnismäßig "sanft" (soll heißen, bei überlebbaren Beschleunigungen) runterkommen soll (hier liegt meines Erachtens die größere Schwierigkeit).

Das ist  meiner Meinung nach der falsche Weg. Mit dem Ansatz wird das Rettungssystem zum Systemtreiber. Es dominiert stark das grundlegende Design und die Konstruktion auf Systemebene. Dabei muss man bei SSTO kombiniert mit Wiederverwendbarkeit und neuer Triebwerkstechnologie schon ganz andere "Happen" unterbringen/vereinen. Sicherheit (in Form von Zuverlässigkeit) sollte man auf Ebene der Subsysteme, der Ausrüstung und der Betriebsprozesse realisieren, eben wie im Flugzeugbau und -betrieb.

Das ist  meiner Meinung nach der falsche Weg. Mit dem Ansatz wird das Rettungssystem zum Systemtreiber. Es dominiert stark das grundlegende Design und die Konstruktion auf Systemebene. Dabei muss man bei SSTO kombiniert mit Wiederverwendbarkeit und neuer Triebwerkstechnologie schon ganz andere "Happen" unterbringen/vereinen. Sicherheit (in Form von Zuverlässigkeit) sollte man auf Ebene der Subsysteme, der Ausrüstung und der Betriebsprozesse realisieren, eben wie im Flugzeugbau und -betrieb.

Ich denke nicht, dass eine Systemzuverlässigkeit, die in die nähe der von heutigen Verkehrsflugzeugen kommt, mit kryogenem Wasserstoff und bei Geschwindigkeiten von bis zu Mach 5 (innerhalb der dichteren Atmosphäre) möglich ist.

Das Problem bei Raketen sind ja Triebwerksausfälle und ev. das Staging. Deswegen auch die Rettungssysteme. Den Rest kriegt man schon in den Griff. Eine Zuverlässigkeit wie bei einem modernen Airliner kann man eh vergessen. Das Rettungsystem für commercial crew muss z.B. nur eine 90% Zuverlässigkeit demonstrieren.

Vor allem muss Skylon eine Oberstufe für GTO Starts mitschleppen, was ein großes Manko ist.

Ein Manko, dass alle RLVs haben. Bei Skylon ist die SUS (die GTO Oberstufe) aber wiederverwendbar, oder so ist es zumindest vorgesehen. Die SUS bringt den Satellit in den GTO, kehrt dann zu Skylon zurück, wird eingesammelt und auf der Erde überholt. Bei Wiederverwendung reduziert sich der GTO payload allerdings auf 6.25t.

Ich habe ja auch nicht gesagt dass man dasselbe Niveau wie bei den Flugzeugen erreichen soll, aber dass derselbe Ansatz (wie erreiche ich Sicherheit?) der bessere Weg wäre.

Unterm Strich ist es eventuell wahrscheinlicher, dass das SABRE-Triebwerk zuerst in einem Airliner verwendet wird, also der Airlinerversion des Skylon. Denke mit einem solchen "Concorder-Nachfolger" könnte man eher einen Business Case vorweisen, als mit dem noch anspruchvolleren Raumtransporter.

Ja, Hyperschall Passagiermaschienen kann man sicher schneller umsetzen, das wird wohl zuerst kommen. Wenn man erst mal erfolgreich fliegt kommt vielleicht auch ein noch leistungsfähigeres Scramjet SABRE.

Unterm Strich ist es eventuell wahrscheinlicher, dass das SABRE-Triebwerk zuerst in einem Airliner verwendet wird, also der Airlinerversion des Skylon.

Nö, eben gerade nicht. Von der Lebensdauer eines Jet-Triebwerks sind Raketentriebwerke weit, weit entfernt. SABRE hat eine voraussichtliche Lebensdauer von rund 50 Stunden Brennzeit. Skylon selber ist nur für 200 Flüge ausgelegt. Zudem verbringt Skylon nur relativ kurze Zeit bei Mach 5 in der Atmosphäre, die Anforderungen an Kühlung/Material/Konstruktion bei einem Airliner der stundenlang bei Mach 5 rumfliegt wären viel grösser. Das hat REL ausdrücklich erwähnt. Die Airliner-Version von Skylon ist ja bekanntlich das Lapcat A2 Konzept mit dem Scimitar Triebwerk. Ein Riesending übrigens, rund 143m lang.

Und dann hat man natürlich noch das Problem mit dem Überschall-Knall über den Flugrouten.

http://www.reactionengines.co.uk/press_release/S-ELSO_Press_Release-Monday_5th_August_2013.pdf

SKYLON Studied as the Next European Launch System - €1 Million Contract Signed with European Space Agency
London, Monday 5th August 2013

Reaction Engines Ltd have signed a contract with the European Space Agency (ESA) for a €1 million study into the next European Launch System. The "Skylon-based European Launch Service Operator" contract has been finalised by the Launcher Directorate of the European Space Agency in Paris, France and work has started to study how the SKYLON spaceplane can meet Europe's Space access demands in terms of cost, flexibility and responsiveness, from the early 2020's.

Ehrgeizige Pläne.