Turbofan als erste Stufe

Ihr kennt ja alle die Pegasus Rakete? Das interessante an ihr ist der Start von einem Flugzeug in der Höhe von über 12km mit 900km/h.

Ich habe mich gefragt, muss man denn einen so grossen Flieger dafür nehmen? Was wenn man dafür einen spezielen Flugzeug bauen würde? Man nehme ein Paar starken Turbofans - z.B Trent 900 je 31t Schub, etwa 4,8 kg/sek Kerosinverbrauch, Gewicht pro Stück 6,3 Tonnen. Für einen 10 Minutiegen Flug und Landeanflug würden 3 Tonnen Kerosin mehr als ausreichen. Mit Pegasus zusammen komme ich auf etwa 35 Tonnen ohne Rumpf und Flügel des Turbofanstuffe. Ich schätze diese werden noch mal 20t maximal wiegen. So komme ich auf eine Startmasse von 50t. So haben wir eine wiederverwendbare quasi- Erststufe.

Oder noch besser für unsere VEGA: ohne erste Stuffe aber mit Nutzlast würde sie etwa 40 Tonnen wiegen. Also mache man eine etwa 60t schwere Turbofanstuffe dafür.

Mich würde wirklich eure Meinung dazu sehr interessieren.

• für wie realsierbar haltet ihr so was?
• ob es wirtschaflicher währe als bereits jetzt verwendete Pegasus oder kommende VEGA?
• habe ich vielleicht etwas übersehen und mache einen Denkfehler?

Hallo ILBUS,

zur Wirtschaftlichkeit:
Entwicklung, Test, Zulassung und Produktion eines kompletten neuen Fliegers, der praktisch ein Einzelstück mit nur einer Aufgabe wäre, wären extrem teurer als ein altes, robustes und vielleicht überdimensioniertes Flugzeug zu modifizieren und zu nutzen.
Etwas ähnliches geschieht ja bei Frachtflugzeugen der Paketlieferer (UPS, FedEx, DHL ...). Die nehmen auch meistens nur alte gebraucht Flieger und modifizieren die. Spezielle Neuentwicklungen sind da auch noch selten. Der A-380F wurde ja auch erst mal gestoppt.

Noch etwas zum Ersatz der Erststufe einer Rakete durch ein Flugzeug:

Die TriStar ersetzt nicht vollständig die erste Stufe der Pegasus. Die Starthöhe (10km) und die Anfangsgeschwindigkeit (800km/h) sind eher vernachlässigbar. Die Rakete muss immer noch viel Arbeit leisten, um in den Orbit zu kommen. Die Vorteile der Pegasus sind eher, dass

• man etwas vom Wetter unabhängig ist, da man es um- oder überfliegen kann,
• weniger Bodeninfrastruktur für den Start benötigt wird und man so die Kosten etwas senken kann, was v.a. bei Kleinsatelliten ein Vorteil sein kann,
• man die Düse der Erststufe nicht auf den unteren, mittleren und oberen Atmosphärenbereich auslegen muss, so dass man sie einfacher gestalten kann und evtl. auch einen besseren Wirkungsgrad erzielt.

Die Entwicklung eines komplett neuen Flugzeugs kann leicht mehrere Milliarden kosten. Daher lohnt sich diese Idee wohl nur bedingt. Außerdem müsste man sich hier Gedanken um die Energiebilanz machen.

Zwar passiert man mit einem Flugzeug als 1. Stufe die relativ dichte untere Atmosphäre und gewinnt mit 12 km Höhe und 900 km/h sowohl potentielle als auch kinetische Energie - doch zusammen scheint das nur ein Bruchteil der nötigen Gesamtenergie zu sein.


David

N'abend,

alle Eure genannten Argumente sehe ich genauso. Aber es gibt noch einen ganz wichtigen positiven Aspekt des Einsatzes eines Fluzeugs: die Rakete kann direkt in den Orbit mit der gewünschten Inklination fliegen. Viele Orbits lassen sich z.B. vom KSC aus nur durch energetisch aufwendige "Schwenkmanöver" erreichen. Dies entfällt eben im Falle des von Pegasus angewendeten Verfahrens.

Gruß
roger50

Danke für schnelle Meldungen

Jetz wo ich wieder wach bin und am Rechner sitzte, kann ich etwas mehr sagen Meine Hauptmotiovation war ein Ersparniss des flüssigen Sauerstoffs mit allen dafür benötigten Infrastrukturen und Technicken. Dabei habe ich ausser Acht gelassen, dass Pegassus von dem grossen Transporter in günstigste Startposition gebracht werden kann. Bei der Turbofanstuffe bliebe dies aus.

Ich habe leider keine Vorstellung darüber was es kostet eine LO2-Aufbereitung zu betreiben.

Flüssiger Sauerstoff? Da stehe ich gerade auf dem Schlauch ... Ist Pegasus (und auch die angesprochene Vega) nicht eine reine Feststoffrakete?

Doch doch du hast natürlich recht,  sorry für die Verwirrung . Also ich habe es versucht mit einer Raketenstuffe zu vergleichen die eine ähnliche Wirkung hätte wie die Turbofanstuffe, und mit Kerosin als Treibstoff floge. Ich kamm bei meiner Schätzung auf etwa 30t schwere Raketenstufe mit etwa 19t LO2 drin und 7,6t Kerosin.

Der Grundgedanke war, den Atmosphärensauerstoff solange zu benutzen, wie die Turbofans noch gut laufen können, ich bin deswegen auf den funktionierenden Beispiel des Pegassus als Orientirung für die Höche und Geschwindigkeit gekommen. Um die Vorteile einzuschätzen, habe ich die erwähnte Raketenstuffe mit der selben Wirkung geschätzt, und gesehen, dass mit einem Turbofan ich weniger als halb so viel Kerosin brauchen würde, und eben gar kein LO2, dazu kommt die Wiedeverwendbarkeit. Das, und eine grosse Erfahrung mit Turbofans, (was deren geringen Wartungsauffwand zu folge hätte) habe ich gehoft, konnten durchaus eine sehr günstige Lösung darstellen.. :-/. Wenn die Entwicklung enstprechend günstig währe.

tut mir nochmal leid wegen der Unschlussigkeit, ich war gestern so lange dran, und habe so viel rumgerechnet. ..ich vergesse deswegen meine Überlegungen zu begründen.

Hallo Ilbus,

du kannst doch eine Erststufe nicht wirklich durch ein einfaches turbofangetriebenes Unterschallflugzeug ersetzen. Die Einsatzbeschränkungen bei der Stufentrennung wären ja:

• Unterschall (800-900km/h)
• Dienstgipfelhöhe ca. 10km, bei einer Hochleistungsauslegung vielleicht auch 15km

Damit ist nicht wirklich viel gewonnen. Wie oben schon gesagt, muss die Rakete immer noch den größten Teil der Arbeit selbst machen. Man vermeidet zwar den Bereich der größten Luftdichte, hat aber immer noch eine Menge Atmosphäre über sich. Das "Bisschen" gesparte DeltaV wiegt gegenüber der Orbitgeschwindigkeit fast nicht. Viel Treibstoff für die Erststufe wirst du also nicht einsparen durch so eine Konfiguration.
Durch ein Flugzeug kann man die Erststufe nur sinnvoll ersetzen, wenn man ähnliche Leistungsdaten bis zur Stufentrennung aufweißen kann. Das heißt:

• hohe Überschallgeschwindigkeit bei der Stufentrennung
• ausreichender Höhengewinn, um in den dünnen Luftschichten zu sein.

Diese Charakteristik wirst du nur mit einem Ramjet oder Scramjet erreichen. Und da sind wir wieder bei ... tatatata ... Sänger II . Dieser benötigt für den konventionellen Start natürlich auch noch normale Turbofantriebwerke, neben dem Ramjet/Scramjet.

... Viel Treibstoff für die Erststufe wirst du also nicht einsparen durch so eine Konfiguration...

Na bei meiner Schaetzung sind's immerhin ueber 4t Kerosind und 19t LO2, die gespart sind. Dazu kommt wirtschaftlicher Ersparnis der LO2 Aufbereitungs und Aufbewarungsanlagen. Und die Herstellungskosten fuer die erste Stuffe vielen weg.

Ich sage nicht, dass es viel ist, aber ich meine so spuerbar, dass es durchaus interessant klingt. Immerhin sind bis dadurch 1/11 bis 1/10 der Energie (evtl sehr guenstig) aufgebracht.

Du sparst doch nur das, was die Erststufe für das Erreichen von 10km und 900km/h verbrauchen würde. Das sind schon zusammen 23t bei einer so kleinen Rakete?

Ich vergleiche da die gewohnene Geschwindigkeitsunterschiede. Mit Luftwiederstandverlusten etc komme ich bei 900km/h und 12 500m auf etwa 1000m/s. Die alte Woschod verbraucht dafür 100t Treibstoff-  ein Drittel des gesammten Startewichts. In meinem Beispiel wird zwar mehr als die Helfte daraus, liegt aber an dem etwas ungünstiegeren Stuffenverhältniss, den ich wegen der Vergleichbarkeit in Kauf genohmen habe.