US-Luftwaffe forscht an wiederverwendbaren Boostern

Die US-Luftwaffe ist an Trägersystemen mit rückkehrfähiger Erststufe und wegwerfbarer Oberstufe interessiert. Nach intensiven Forschungen ist man offenbar zu der Meinung gekommen, dass eine Rückkehr mit Raketentriebwerken besser ist als eine Rückkehr mit separaten Jet-Triebwerken. Dieses Program heißt Reusable Booster System (RBS) Pathfinder.

Zur näheren Untersuchung des Konzeptes sollen nun mehrere Aufträge an die Industrie verteilt werden. Das Programm besteht aus 4 Phasen und insgesamt 33 Millionen Dollar. In Phase I sollen bis zu dreimal je 4,5 Millionen $ Aufträge vergeben werden. Anschließend soll das beste Konzept dann in Phase II-IV gehen und auch Testflüge beinhalten.

Ein Testflug sieht dann z.B. wie folgt aus: Nach der Stufentrennung bei ca. Mach 7.5 fliegt die Erststufe eine Kurve (rechts/links/Immelmann?) innerhalb von 5 Meilen (max Anstellwinkel 180°, 7 g Belastung) und gleitet zurück zur Landebahn.

Weitere Ziele sind:

• wenig Personalaufwand
• LOX/Kerosin als Treibstoff
• hohe Zuverlässigkeit
• Übertragbarkeit auf operationelles System

Quelle: http://www.aviationweek.com/aw/blogs/defense/index.jsp?plckController=Blog&plckScript=blogScript&plckElementId=blogDest&plckBlogPage=BlogViewPost&plckPostId=Blog:27ec4a53-dcc8-42d0-bd3a-01329aef79a7Post:1553afc7-cc1e-4b5e-9a6c-ced39704d348

Mehr Informationen hier:
http://www.networkworld.com/community/node/59838
https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=cfa4ef29350c55aafabbb6ac5d1f6aff&tab=core&_cview=0

Die Biegebelastung auf die Struktur dürfte immens sein....

max Anstellwinkel 180° = Anströmung von hinten ....    

Offenbar fliegt man die "Kurve" nicht aerodynamisch, sondern dreht sich einfach um ca. 180°, um dann zu bremsen. Das erinnert an den (nie versuchten) RTLS-Abort eines Space Shuttles.

Naja ... ein neues Technologieprogramm ... ein paar Studien.

Naja ... ein neues Technologieprogramm ... ein paar Studien.

Das klingt so pessimistisch. Aber ohne solche Testprogramme kann man keine wirklich neuen Systeme entwickeln. Es wäre vielleicht wünschenswert, dass man ankündigt, ein neues Trägersystem zu entwickeln, das diese Technik nutzen soll. Aber falls man dann bei einem großen Projekt auf unlösbare Probleme stoßen sollte, wäre sehr viel Geld sinnlos verbrannt worden. Darum halte ich es für gut, so neue Technik in einem kleinen Programm zu testen.

mfg websquid

Dazu gab es in den letzten 30 Jahren weltweit schon etliche Studien. Das Ergebnis war aber immer wieder das gleiche. Wenn man bei einem mehrstufigen vertikal startenden System eine Stufe wiederverwendbar auslegt, bringt das keine Vorteile. Durch den zusätzlichen technischen Aufwand verringert sich die eigentliche Nutzlast. Dazu kommt einiger Aufwand für die Wiederaufbereitung der Stufe. Insgesamt war die Kostenbilanz immer schlechter als die eines konventionellen Systems. Einzig die Kerosin/Sauerstoff-Verbrennung bietet gegenüber Wasserstoff- und auch der Feststoffverbrennung ein Sparpotential. Das ist aber nicht wirklich neu.

Tja, sucht man die Flucht in einfacherer Technik, die man "opfern" kann, oder in immer komplexerer Technik, die man "retten" kann (muss)?

Das Bergen und Wiederverwenden (relativ) einfacher Technologien hat man probiert, und nutzt es trotzdem nicht. Bis auf die SRB des STS werden keine Booser wiederverwendet, auch wenn es möglich wäre. Hier lohnt sich der Aufwand nicht im Vergleich zur Neuproduktion.

Das Wiederverwenden eines komplexen Systems hat man mit den STS-Orbiter probiert. Hier würde es sich anhand des Wertes des Orbiters lohnen, nur der Aufwand wächst quasi exponentiell und frisst mögliche Vorteile wieder auf. Es funktioniert, ist aber ein "Fass ohne Boden" geworden (der bemannte Aspekt spielt natürlich eine dominante Rolle beim Aufwand).

Ich sehe auch nicht, wie man eine voll flugfähige Erststufe "billig" hinbekommen und betreiben soll. Aus meiner Sicht geht der Weg in Richtung einfacherer Systeme. Das war doch die Idee der EELV: moderner, einfacher und billiger ... aber nicht komplexer als die Vorgänger.

Das Problem ist recht komplex und jede Architektur hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Am einfachsten wäre es mit einem Einstufer. Dafür fehlt aber bislang die Technologie. Also geht es mindestens um einen Zweistufer. Wenn die bisherigen Studien zu wiederverwendbaren vertikal startenden Boosterstufen keine Vorteile versprachen, sieht es bei horizontal startenden Systemen wieder ganz anders aus. Da ist die Rückkehrfähigkeit schon eingebaut und das höhere Strukturgewicht wird ausgeglichen, da man den Sauerstoff statt aus Tanks aus der Luft bezieht. Da die USA aber wie schon bei der Mondlandung unter Zeitdruck stehen und das Geld knapper denn je ist, glaubt man mit einem schlichten ballistischen Verlustträger besser zu fahren. Wie die Betriebskosten einer kontinuierlichen Raumfahrt in 20 Jahren aussehen werden, interessiert heute niemanden da das nicht mehr unter die eigene Verantwortung fällt.

hier gibts einen aktuelle Bericht dazu:
http://www.aviationweek.com/aw/generic/story_channel.jsp?channel=space&id=news/awst/2010/09/20/AW_09_20_2010_p76-253108.xml&headline=Air Force Study Points To Reusable Orbiter

Die AirForce will damit die Atlas und Delta (EELV) ab 2030 ersetzen, betriebsfähig sollen die ab 2025 sein,
erste Tests (RBS=Reusable Booster System) 2013, weitere (RBX=größerer Demonstrator) 2016/7.

Wird Reusable doch wieder Hiep ?

Tja, da stellt sich die Frage: Cui bono - wem nutzt es?

Dazu gab es in den letzten 30 Jahren weltweit schon etliche Studien. Das Ergebnis war aber immer wieder das gleiche. Wenn man bei einem mehrstufigen vertikal startenden System eine Stufe wiederverwendbar auslegt, bringt das keine Vorteile. Durch den zusätzlichen technischen Aufwand verringert sich die eigentliche Nutzlast. Dazu kommt einiger Aufwand für die Wiederaufbereitung der Stufe. Insgesamt war die Kostenbilanz immer schlechter als die eines konventionellen Systems.

Man muss es mal von der anderen Seite betrachten. Bisher hat man es nie ernsthaft versucht. Gerade bei einer Flüssigkeitsstufe und sanfter Landung könnten die Kosten vermutlich deutlich verringert werden, da hier weniger Aufwand für die Inspektion anfällt als bei hart landenenden Boostern wie beim Shuttle. Die Triebwerke sollten auch kein Problem sein, ein F-1 zb sollte man ungefähr 10 x verwenden können.

Der Shuttle war dabei sogar recht erfolgreich. Ein Flüg des Shuttles kostet (inklusive Wiederaufarbeitung Booster und Orbiter) eigentlich nur 85 Mio Dollar. Gemessen an der Nutzlast ist das vergleichsweise billig. Allerdings ruinieren hier die Fixkosten jede Rechnung, hier müssen dann 3,5 Milliarden Dollar auf sämtliche Flüge eines Jahres umgelegt werden. Hätte der Shuttle wirklich 50 mal im Jahr starten können, wie anfangs geplant, hätte die Rechnung aufgehen können. So allerdings nicht.

Bei unbemannten Raketen sieht es wieder anders aus. Hier sind Sicherheitsniveau und Fixkosten deutlich niedriger. Kann man dann noch die Kosten durch eine Wiederverwendung der Erststufe senken, dann könnte das Konzept durchaus aufgehen. Wichtig ist nur, das man die Stufe sanft landet und nicht an Fallschirmen im Salzwasser aufschlagen lässt. Dann könnte die Stufe auch nach der Landung in einem Zustand sein, die eine kostengünstige Wiederverwendung erlaubt

Hallo,

Gerade bei einer Flüssigkeitsstufe und sanfter Landung könnten die Kosten vermutlich deutlich verringert werden, da hier weniger Aufwand für die Inspektion anfällt als bei hart landenenden Boostern wie beim Shuttle.

Eine "sanfte Landung" bedingt quasi Flugzeugsysteme ... Hydraulik, Fahrwerk, Avionik und Flugführungssysteme, Steuerflächen, etc. Die Instandhaltung so eines komplexen Systems ist nicht billig, und auch nicht per se billiger als der Inspektionsaufwand der robusten und relativ einfachen Shuttle-SRB.

Eine "sanfte Landung" bedingt quasi Flugzeugsysteme ... Hydraulik, Fahrwerk, Avionik und Flugführungssysteme, Steuerflächen, etc. Die Instandhaltung so eines komplexen Systems ist nicht billig, und auch nicht per se billiger als der Inspektionsaufwand der robusten und relativ einfachen Shuttle-SRB.

Du übersiehst, das die Shuttle Booster mit knapp 100 km/h im Atlantik wassern. Dank ihrer 1 cm dicken Edelstahlhülle überstehen das die Booster zwar, müssen danach aber für das Wiederbefüllen eh komplett auseinander genommen und neu zusammengesetzt werden. Ein Flüssigkeits - Booster, der sanft landet, muss dagegen bei weitem nicht so gründlich überprüft werden. Zudem kommt er nicht mit Salzwasser in Berührung.

Man hatte früher schon bei der Entwicklung des Shuttles Flüssigkeits - Booster mit dem F-1 Triebwerk erwogen. Das F-1 Triebwerk hätte man dabei ca 10 mal verwenden können (Energija Booster glaube ich waren ähnlich geplant). Um die Entwicklungskosten zu senken hat man sich dann allerdings für Feststoffbooster entschieden.

Ich denke mal, aktuell ist man sich noch nicht sicher, ob und wie das kostengünstig gelingt. Immerhin reduziert sich auch die Nutzlast durch die Bergungssysteme recht deutlich. Daher hat man nicht gleich eine Entwicklung angestoßen, sondern vergiebt erst mal Studienaufträge, wie die gestellten Forderungen am besten umzusetzen sind. Der Einsatz ist ja nicht sofort, sondern frühestens in 15 Jahren bei einem EELV Nachfolger geplant. Zeit genug, um die Grundlagen zu entwickeln und später bei Bedarf auch die Technik.

Ich gehe schon davon aus, das es sich lohnt. Schon das Triebwerk kostet zwischen 15 und 20 Millionen Dollar und es sit durchaus in der Lage, nicht nur einen Flug, sondern 5 - 10  (entsprechend konstruierte Triebwerke sogar noch mehr) Flüge zu absolvieren. Selbst wenn das Prüfen der Stufe halb so viel wie eine neue Stufe kostet, so lohnt sich das durchaus. Man braucht zwar mehr Treibstoff, aber Treibstoff ist bei einem Träger immer das billigste.

Wichtig ist nur, das die Stufe auf Land und möglichst sanft landet. Landet die Stufe im Salzwasser, wird die Wiederverwendung weitaus schwieriger und aufwendiger.

Ich denke, dass Schillrich das keineswegs übersehen hat. Der Mann kennt sich schließlich ganz gut mit der Materie aus. Aber wie er schon bemerkt hat, benötigt eine selbsttätig landende Raketenstufe komplexe Systeme wie Hydraulik, Fahrwerk, Avionik, Flugführungssysteme und Steuerflächen. Die sind beim Raketenstart hohen Belastungen ausgesetzt und müssen nach der Landung gewartet werden, was eine Menge Geld kostet. Außerdem fügen sie zusätzliches Gewicht hinzu und verbrauchen damit mehr Treibstoff. Die Sache mit Treibstoff und Gewicht sollte für Raketeningenieure eine einfache Rechenaufgabe sein, aber der Verschleiß und die Wartung samt daraus resultierenden Kosten wollen sorgfältig abgeschätzt sein.

Aber wie er schon bemerkt hat, benötigt eine selbsttätig landende Raketenstufe komplexe Systeme wie Hydraulik, Fahrwerk, Avionik, Flugführungssysteme und Steuerflächen. Die sind beim Raketenstart hohen Belastungen ausgesetzt und müssen nach der Landung gewartet werden, was eine Menge Geld kostet.

Wenn ich mir die Rahmenbedingungen ansehe (max Belastung 7 g), dann werden diese Komponenten nicht stärker belastet als bei einem Kampfflugzeug wie der F-15. Da es mit Belastungen in diesem bereich recht gute Erfahrungen gibt, denke ich, das sich die Kosten noch im Rahmen halten werden.

Klar wird die Wartung teurer als bei einem normalen Flügzeug, aber ich denke schon, das es günstiger wird als eine Neuanfertigung der Stufe. Ab sich das allerdings in Relation zu allem Kosten (zb eingerechnete Entwicklungskosten) lohnt, kann man heute noch nicht einschätzen. Dafür sind ja derartige Entwicklungsaufträge da. Das man es entwickelt, bedeutet nicht, das man es auch tatsächlich einsetzt. Sollte es aber funktionieren, so dürfte es eine gute Chance sein, die Kosten für einen Start etwas zu verringern.

aber ich denke schon, das es günstiger wird als eine Neuanfertigung der Stufe.

Das ist ja grade die Krux.

Eine gesunde Fließbandfertigung der Booster ist relativ Kosteneffektiv. Teuer wird es, wenn man wenig produziert. Also hätte man höhere Kosten: Die Fertigung wird komplizierter (teurer), die Stückzahl kleiner (teurer) und es kommen Entwicklungskosten der ganzen Aeronautik zusammen (am teuersten).

Am besten käme man weg, wenn man sich bei den Boostern auf einen Standard einigt den später eine mögliche Ariane-6 und andere zukünftige Entwicklungen auch mit einhält. So bekäme man hohe Stückzahlen. Dabei würde es sich auch für Konkurrenzfirmen lohnen welche anzubieten und wir bekommen einen Markt, der die Preise weiter senkt.


Halte ich für sinnvoller als einer Trägerrakete ein weiteres System einzubauen, was versagen kann...


Gruß, Klaus

Ich halte es da ein wenig mit Koroljow: Kompliziert bauen kann jeder ...

Die Stufenstruktur hat einen relativ geringen Anteil an den Kosten, die Triebwerke machen es. Es gibt ja auch Konzepte die Triebwerke sicher zurückkehren zu lassen. Aber was man auf der einen Seite gewinnt, verliert man auf der anderen: Man benötigt keine rückkehrfähige Gesamtstufe mehr, dafür aber ein ebenso komplexes trennbares Stufendesign.

Aber da ist die Grundfrage: Hilft die Flucht in die Komplexität wirklich?

Ich halte es da ein wenig mit Koroljow: Kompliziert bauen kann jeder ...

Was uns zur Frage bringt: Wer findet ein einfaches Rückkehrsystem? Zumindest für einen Triebwerksblock mit geringer Geschwindigkeit sollte ein Fallschirmsystem machbar sein, dass relativ einfach aufgebaut ist. Da könnte man vielleicht auch noch mit einem Hubschrauber in der Luft einfangen, um nicht im Wasser landen zu müssen. (Mil 26 kann 20t heben, das dürfte reichen, selbst für einen Zenit-Antriebsblock )

mfg websquid

Na ich meinte das nicht auf ein einfaches Bergesystem bezogen, sondern generell ob Bergung sinnvoll ist, oder doch die klassische Wegwerfrakete.

Und meine Antwort darauf ist, dass Bergung dann sinnvoll sein kann, wenn sie einfach durchgeführt werden kann. Ich hab dich schon verstanden, Daniel

Wobei begrenzte Wiederverwendung wohl am sinnvollsten ist. Aktuelle Triebwerke können relativ problemlos zehnmal eingesetzt werden, doch für mehr Einsätze müsste man wohl neue Technik entwickeln.

mfg websquid

Aktuelle Triebwerke können relativ problemlos zehnmal eingesetzt werden, doch für mehr Einsätze müsste man wohl neue Technik entwickeln.

Zehnmal sollte genügen. Einerseits spart man Kosten, andererseits sind es dann noch keine Einzelanfertigungen, außerdem muss man das Teil bei häufigerer Anwendung immer wieder überprüfen, ob es auch beim 37.Mal noch hält

http://news.discovery.com/space/air-force-reusable-rockets.html

Ein schöner Link dazu

Auch wenn die NASA chronisch unterfinanziert ist, das Militär hat Geld.
Und wenn die daran arbeiten, wird die Technik nach der Fertigstellung wohl auch der NASA zur Verfügung gestellt werden??

interessant,

nur, drei 1,5 Mio $ Studien und ein 28,5 Mio Vertrag für einen  Prototyp würde ich jetzt noch nicht als das große Geld ansehen.

Naja, ich freue mich nur, dass das Geld nicht von der NASA weggeht und ihr trotzdem zu Gute kommen könnte.

Und mein Eindruck von militärischen Projekten ist, dass diese um einiges schwerer Abzuwürgen sind als zivile, auch wenn sie Kosten überschreiten...

Eigentlich führt die Air Force nur Ideen weiter, die aus NASA-Projekten kommen. Eigentlich ist es aber auch kein Wunder, dass die Air Force dies tut, denn im Gegensatz zur NASA (vom Ares-Desaster mal abgesehen) sind die die einzigen, die in der letzten Zeit staatlicherseits eigene Raketen entwickelt haben. Aber die paar Kröten werden auch nicht reichen für ein komplettes System. Man wird sehen, ob da jetzt was sinnvolles bei rauskommt, das man mittelfristig weiterentwickeln kann.

mfg websquid

Eigentlich führt die Air Force nur Ideen weiter, die aus NASA-Projekten kommen. Eigentlich ist es aber auch kein Wunder, dass die Air Force dies tut, denn im Gegensatz zur NASA (vom Ares-Desaster mal abgesehen) sind die die einzigen, die in der letzten Zeit staatlicherseits eigene Raketen entwickelt haben.

Welche Rakete(n) meinst du denn konkret?

Ich mein das EELV-Programm (Delta IV und Atlas V)