Warum arbeitet SpaceX nicht auch an einer kleineren Version von Starship?

Es gibt mehrere zwingende technische und gestalterische Gründe, warum ein größeres Raumschiff sinnvoll ist, und mehrere Gründe, warum die Herstellung eines Mini-Raumschiffs speziell für SpaceX (und ihre Vision) keinen Sinn macht.

In erster Linie hat Elon Musk deutlich gemacht, dass sein Ziel für das Unternehmen und die Zukunft nicht darin besteht, billige Satellitenstartmöglichkeiten bereitzustellen, sondern Menschen auf den Mars zu bringen. Der Bau einer minderwertigen Version des Raumschiffs ist nicht auf dem „kritischen Weg“, Menschen für Elon auf den Mars zu bringen. SpaceX ist in hohem Maße das Unternehmen von Elon Musk und folgt seiner Vision.

Abgesehen davon, hier sind ein paar andere Gründe, warum SpaceX möglicherweise kein Mini-Raumschiff bauen möchte (obwohl ein Mini-Raumschiff für einige Hersteller sinnvoll sein könnte):

• Größere Raketen können in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch effizienter sein, da die Trockenmasse einen kleineren Teil der gesamten Raketenmasse ausmachen kann. Wenn beispielsweise Ihr Flugcomputer und Ihr Avioniksystem 100 kg wiegen, hätte dies einen großen Einfluss auf eine Rakete, die nur 1000 kg zu LEO heben kann. Wenn Ihre Rakete 100.000 kg auf einmal tragen kann, wird der 100-kg-Flugcomputer plötzlich viel weniger von der gesamten Trockenmasse und somit ist Ihre Rakete effizienter.

• Groß bauen gegen klein bauen. Eines der Dinge, die im aktuellen Design-/Baufortschritt von Starship "revolutionär" sind, ist, dass es auf einem Feld im Freien zusammengeschweißt wird. SpaceX glaubt, dass man bei einer großen Rakete mit lockereren Toleranzen davonkommen kann, was wiederum Geld spart. Zum Beispiel war der Sea Dragon-Vorschlag für den Zusammenbau in einer Werft konzipiert und hatte eine enorme Tragfähigkeit zu sehr niedrigen Kosten. Starship ist ähnlich. Wenn ein Mini-Raumschiff gebaut würde, wären wahrscheinlich engere Toleranzen und kleinere, genauere Teile erforderlich. Wirklich, das läuft wieder auf meinen ersten Punkt hinaus. Wenn Sie eine kleine Rakete bauen, hat jede Schweißnaht, jeder Bolzen und jeder Draht einen größeren Einfluss auf die Effizienz einer leichteren, kleineren Rakete.

• SpaceX glaubt, dass ein Design ähnlich dem der beiden Raumschiffe, die derzeit als Prototypen entwickelt werden, funktionieren wird. Wenn sie stattdessen das, was sie bisher entwickelt haben, verschrotten und ein Mini-Raumschiff bauen würden, müssten sie im Wesentlichen wieder bei Null anfangen. Das Design einer Rakete ist so komplex, dass man sie nicht einfach in der Größe verändern und hinterher ein funktionales Design haben kann. SpaceX hat diese Lektion bei der Entwicklung von Falcon Heavy auf die harte Tour gelernt. Ursprünglich hatte Elon gedacht, dass es nur „drei Booster zusammenschnüren“ würde, aber am Ende musste SpaceX den zentralen Kern fast vollständig von Grund auf neu entwickeln.

• SpaceX hat eine begrenzte Anzahl von Mitarbeitern und Geld. Wenn sie sich entschieden, gleichzeitig an einem Raumschiff und einem Mini-Raumschiff zu arbeiten, würde sich das Tempo bei beiden Projekten halbieren, wenn nicht sogar noch mehr. Elon hat erklärt, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit für ihn von entscheidender Bedeutung ist, und die Verwässerung seiner Ingenieure mit zusätzlichen Projekten bedeutet, dass der Bau von Starship länger dauert.

• Der Smallsat-Launch-Markt heizt sich auf. Mehrere Unternehmen, insbesondere Rocket Labs, konzentrieren sich darauf, kleine Satelliten in den Orbit zu schicken. SpaceX setzt darauf, dass die Nachfrage nach Masse, die in den Weltraum geschickt wird, nicht mangeln wird, und dann spielt es keine Rolle, wie groß die Rakete ist, die hochgeht, da sie in der Lage sein werden, jede Rakete mit Nutzlasten zu füllen. Selbst dann sind die Startkosten von 2 Millionen US-Dollar so niedrig, dass Starship selbst dann noch einen Gewinn erzielen würde, wenn es größtenteils leer fliegt.

Nachtrag: In den Kommentaren wurden mehrere Bedenken geäußert:

• Der Bau eines Mini-Raumschiffs wäre billiger als ein Raumschiff in voller Größe

  • Da widerspreche ich nicht. Wenn Sie bei Null anfangen würden, wäre der Bau eines Raumschiffs im Maßstab 1:8 wahrscheinlich billiger als eins in voller Größe.
  • SpaceX hat im Laufe der Jahre bereits viel Geld und Entwicklungszeit in ITS/BFR/Starship gesteckt. Diese Bemühungen, an einer minderwertigen Rakete zu arbeiten, einfach auf Eis zu legen, würde als Geldverschwendung angesehen.
  • Es wäre zwar billiger, aber ich glaube nicht, dass es wesentlich billiger wäre . Die großen Kosten sind die Raptor-Motoren, da sie sehr komplex sind und ein revolutionäres Design haben. Dennoch waren alle Starship-Prototypen, die wir bisher gesehen haben (Starhopper und der späte MK1), nicht mit dem vollen Kompliment an Motoren ausgestattet. Starhopper hatte nur einen und der MK1 wurde nur kurz mit drei Motoren getestet.
  • Starship und der Superheavy Booster sind zwei verschiedene Schiffe. Starship ist so konzipiert, dass es mit drei Sea-Level-Raptor-Triebwerken und drei vakuumoptimierten Triebwerken für Redundanz ausgestattet werden kann. In ein Mini-Raumschiff würde nur ein einziger Raptor-Motor passen, was nicht effizient wäre und nicht die Redundanz bieten würde, die mehrere Motoren ermöglichen. Ein völlig neuer Methalox-Motor in Merlin-Größe müsste entwickelt werden, was einfach nicht passieren wird, wenn SpaceX den funktionierenden Raptor in Produktion hat.

• Ein Mini-Raumschiff könnte schneller iteriert werden

  • Vielleicht, aber weder das Mini-Raumschiff noch das Raumschiff sind kleine Desktop- oder Garagenbauprojekte. Während die Arbeit mit kleineren Komponenten einfacher wäre, wären für beides immer noch Kräne und schweres Gerät erforderlich.
  • Die Arbeit, die mit der tatsächlichen Größe der Rakete verbunden ist, nimmt nicht viel von der gesamten Montagezeit ein. Ja, das Zusammenschweißen einer größeren Rakete dauert länger als das einer kleinen, aber die Installation von Avionik, Sensoren, Motoren, Kabeln und das Schreiben von Software würde nicht plötzlich schneller werden, wenn die Rakete physisch kleiner wäre.
• Mini-Starship könnte günstige Starts bieten, während Starship entwickelt wird
  • Raumschiffe (oder Mini-Raumschiffe) sind keine SSTO-Fahrzeuge. Beide erfordern die zusätzliche Entwicklung des Superheavy-Boosters. Es gibt auch keinen Grund, warum SpaceX den Betrieb der Falcon 9-Serie einstellen sollte. Sie haben viele Raketen mit vielen Wiederverwendungszyklen übrig, und trotz der nicht wiederverwendbaren zweiten Stufe kann Falcon 9 den Preis jedes anderen Startanbieters leicht unterbieten. Bis die Rakete Vulcan oder Ariane 6 in Betrieb genommen wird, muss SpaceX nicht einmal seine Preise (und Gewinnspannen) senken, damit Falcon 9 der billigste Anbieter ist.
• Überzeugungen, dass das Hochskalieren des Mini-Raumschiffs zu einem großen Raumschiff einfach wäre oder viele während der Entwicklung geteilt werden könnten
  • Ich bin mir nicht ganz sicher, woher dieser Glaube kommt. In der Engineering-Welt kann man etwas nicht einfach hochskalieren und erwarten, dass es funktioniert. Nehmen Sie zum Beispiel die Cessna 172, das meistgebaute Flugzeug aller Zeiten. Warum sehen größere Flugzeuge nicht einfach aus wie die Cessna, sondern größer? Denn einfach ein noch so fantastisches Design hochzuskalieren, macht nicht immer Sinn.
  • Die Teile der Entwicklung, die geteilt werden könnten, rechtfertigen nicht den Bau einer völlig neuen Rakete. Die Motoren sind bereits gebaut und bauen Kraftstofftanks, und die eigentliche Struktur ist per se nicht einfach , aber im Vergleich zur Entwicklung eines FFSC-Motors ziemlich einfach. Aerodynamik und Flugsteuerung würden auch in einem Mini-Raumschiff und vielleicht Hitzeschild-Technologie untersucht und wären übertragbar, aber SpaceX glaubt eindeutig nicht, dass dies kosteneffektiv wäre
• SpaceX könnte mit Mini-Starship auf dem Smallsat-Markt Gewinne einfahren
  • Nur weil sich der Smallsat-Markt aufheizt, heißt das noch lange nicht, dass größere Satelliten irgendwohin gehen. Besonders mit Starlink schadet SpaceX nicht für Bargeld oder Startverträge. Der Umgang mit Smallsat-Starts, bei denen jeder Satellit nur etwa 50.000 zahlt, ist nicht der Bereich, in dem SpaceX Gewinne sieht.

Es wurde darüber gesprochen , die zweite Stufe von Falcon 9 zu modifizieren, um sie im November 2018 vollständig wiederverwendbar zu machen. Die Idee war, dass eine wiederverwendbare zweite Stufe verwendet werden würde, um Starship-Technologien zu testen. Diese Bemühungen wurden 10 Tage später aufgegeben , um die Entwicklung des aktuellen Raumschiffdesigns aus rostfreiem Stahl zu beschleunigen.

Die superschwere/Raumschiff-Architektur soll die Erforschung und Ausbeutung des Weltraums jenseits des einfachen erdnahen Orbits erleichtern, was einen größeren Booster und ein größeres Raumschiff erfordert. Da die Entwicklungskosten tendenziell die Material-, Herstellungs- und Kraftstoffkosten übersteigen; Es ist sinnvoller, ein einziges großes Fahrzeug zu bauen, das viele Aufgaben erledigen kann, als zwei Fahrzeuge für separate Missionen.

Ähnlich wie ein kleines Flugzeug nicht wirklich Menschen um die Welt befördern kann, aber ein größeres Flugzeug kann es, stellt sich heraus, dass es Herausforderungen bei der Herstellung wirklich kleiner Raketen gibt. Diese werden vergrößert, wenn Sie die vollständige Wiederverwendbarkeit berücksichtigen. Es stellt sich heraus, dass Starship das kleinste Raumschiff ist, das für ein vollständig wiederverwendbares Raumschiff sinnvoll ist. Ein paar Dinge zu beachten.

Der Druck der Tanks muss etwa gleich bleiben. Die Stärke eines Panzers hängt ziemlich stark von der Dicke des Panzers ab, daher erhalten Sie mit einer größeren Rakete für das Gewicht viel mehr gespeicherten Treibstoff.

Raketentriebwerke haben ein maximales Verhältnis von Schub zu Gewicht, wenn sie größer sind. Starship soll Missionen in den Orbit unterstützen, selbst wenn einige Raketen versagen. Die Größe kommt ziemlich genau wieder auf Starship-Größe.

Die Hitzeabschirmung ist etwas kniffliger, aber ich glaube, es gibt eine ähnliche Mindestmasse, die erforderlich ist, um wirklich effektiv zu sein. Im Wesentlichen muss es die Energie des Raumfahrzeugs aufnehmen und abführen. Bei einem größeren Raumfahrzeug ist das Dichte-pro-Fläche-Verhältnis geringer, was eine effektivere Verlangsamung ermöglicht und auch weniger Wärmeabschirmung erforderlich macht.

Schließlich gab es einen ähnlichen Gedankengang bei Falcon 1 vs Falcon 9. Es stellt sich heraus, dass viele der Kosten eines Starts fest sind, die Fluganalyse, die Analyse gekoppelter Lasten usw. müssen alle durchgeführt werden, unabhängig davon, ob Sie einen einzelnen kleinen haben Satellit oder ein riesiger. Durch die Konzentration auf eine größere Last können diese Kosten minimiert werden.

Fazit ist, dass es für ein Raumschiff mit den Zielen von Starship weitaus effizienter ist, sich nur auf ein Raumschiff zu konzentrieren, das ungefähr die Größe von Starship hat. Robert Zubrin erwähnte dies sogar kürzlich bei einem Treffen der Mars Society.

Die einfache Antwort ist, wie bereits von anderen gesagt, dass kleine Raketen nicht mit Musks Zielen übereinstimmen, Menschen auf den Mars zu bringen.

Darüber hinaus hat Spacex bereits einen kleinen (OK, mittelgroßen) Launcher in Form von Falcon 9. Sie behaupten, dass Starship + Falcon Superheavy in der Lage sein wird, ihn zu unterbieten.

Eine Möglichkeit, die ich nicht außer Acht lassen würde (falls Spacex in Zukunft diesen Weg einschlagen sollte), besteht darin, die obere Stufe von Starship ohne Booster zu verwenden, um Nutzlasten mit suborbitalen Geschwindigkeiten zu starten. Eine Nutzlast würde dann eine eigene Kicker-Stufe benötigen, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Spacex hat sein Erde-zu-Erde-Passagierprogramm bereits auf eines ohne Booster umgestellt, sodass die Verwendung der oberen Stufe von Starship ohne Booster keine völlig neue Idee ist.

Die Kicker-Bühne könnte eine einfache Feststoffrakete oder eine wiederverwendbare Bühne sein - was auch immer in Zukunft entschieden wird. Ich möchte anmerken, dass Spacex, wenn Falcon 9 in den Ruhestand geht, mehrere hundert überschüssige Merlin-Motoren haben wird, die in einer entbehrlichen Kicker-Phase ein letztes Mal verwendet werden könnten.

Spacex hat sich für das obere Ende des Marktes entschieden, mit sehr wenigen Konkurrenten, die alle entbehrlich sind: SLS (wird voraussichtlich bald fertig sein) und Long March 9 und Yenissei (wird voraussichtlich Ende der 2020er Jahre fertig sein).

Sie haben das überfüllte untere Ende des Marktes gemieden. Wenn einer der derzeitigen Akteure auf diesem Markt groß genug wird, um mit Spacex zu konkurrieren, werden sie es vielleicht in 20 Jahren bereuen. Aber es gibt noch keine Anzeichen dafür, dass dies geschieht. Ich würde es Spacex nicht verübeln, später ein kleineres Startsystem zu entwickeln – aber es würde auf opportunistische Weise auf der Grundlage des Starship-Programms geschehen.

Spacex hat ein Spinoff-Projekt, das nicht direkt auf das Ziel ausgerichtet ist, zum Mars zu gelangen, und im typischen Musk-Stil ist es einzigartig: das Starlink-Satellitenkonstellationsprojekt. Ausgründungen wie diese sind offensichtlich ein notwendiger Weg, um Gelder zu beschaffen.

Im Moment sind Starship und der Superheavy-Booster beide offen gestaltet. Der aktuelle Plan sieht 35 Motoren auf der 1. Stufe, 6 auf der 2. Stufe, 150 Tonnen Nutzlast für den Aufstieg zum LEO, Trockenmasse 85 Tonnen, Nutzlast für die Rückkehr zur Erde 50 Tonnen vor.

All dies könnte sich während der Raketenentwicklung ändern, aufgrund technologischer Herausforderungen, aber auch Geld, das SpaceX während des Entwicklungsprozesses zur Verfügung stehen wird.

Sie ändern das Starship-Design bereits viele Male (Anzahl der Flossen, TPS-Typen, Design der Beine) und könnten es nach den ersten Testflügen ständig ändern. Am Ende können sie mit einer viel kleineren, mittleren Version von Starship mit weniger Motoren, weniger Nutzlast für LEO und geringerer Bruttomasse abschließen. Zum Beispiel 20,30 t für LEO Starship/Superheavy mit insgesamt nur 15 Raptors, aber vielleicht 20,30 t für LEO Nutzlast, aber immer noch mit 30-40 Raptors insgesamt. Es hängt davon ab, was für niedrigstmögliche Kosten pro Kilogramm für LEO, GTO optimal wäre, was das Hauptziel sein wird.

Die Zahl von 2 Millionen pro Flug ist nur < angestrebtes Ziel > und sollte nicht als Tatsache angesehen werden.

Zum Beispiel will die ESA Arianespace mit der Einweg-Ariane 6 (Nutzlast 20 t bis LEO, 10 t bis GTO) die gleichen Kosten pro Kilogramm wie F9R erreichen, das sind etwa 5000 $ pro Kilogramm bis LEO (mehr als das Doppelte bis GTO) und mit dem nächsten Ariane-Programm, das könnte das potenziell wiederverwendbare LOX/Methan-Triebwerk Prometheus verwenden, die Ariane-6-Kosten pro Kilogramm weiter um den Faktor zwei verbessern. Aber das ist natürlich noch nicht gegeben.

Gleiches gilt nicht dafür, dass Starship/Superheavy die Kosten pro Kilogramm für LEO oder GTO besser sein werden als für F9R, da die Wiederverwendung der zweiten Stufe viel schwieriger ist als die der 1. Stufe (sowohl technisch als auch wirtschaftlich) und keine Rakete mit massiver Größe von Starship/Superheavy ( es wird 3-5 mal Saturn 5) mal gebaut haben, geschweige denn versuchen wiederverwendet zu werden.

Die Raketen Falcon Heavy und Falcon 9 würden ausreichen. Falcon Heavy wird nach Starship immer noch die zweitstärkste und leistungsfähigste Trägerrakete auf der Erde sein, selbst wenn man alle anderen Raketen in der Entwicklung berücksichtigt. So weit ist SpaceX voraus.

Ich denke, es gibt eine sichere Wette, dass die NASA bestrebt ist, den Einsatz von Falcon-Raketen nach Musks erklärtem Rücktritt fortzusetzen. Sie werden getestet, erprobt und noch leistungsfähiger sein als die Vulcan-Rakete von ULA oder die New Glenn-Rakete von Blue Origin. Die NASA ist im Kennedy Space Center verankert und SpaceX hat Einrichtungen in der Nähe. Die beiden Organisationen haben während der Falcon-Entwicklung intensiv zusammengearbeitet. Ich sehe nicht, dass Falcon verschwindet, wenn die NASA es nicht will. Starship mag billiger sein, aber es ist derzeit nur geplant, von Boca Chica aus zu starten. Wichtig zu beachten ist, dass Falcon 9 immer noch billiger sein wird als jede andere Trägerrakete, und es könnte für die NASA tatsächlich sinnvoll sein, einen „ausgewogeneren“ (nicht bankrotten Wettbewerb) Ansatz zu wählen, um ihre traditionelle Ausrichtung, ULA, relevant zu halten.