Viele Startkosten sind unabhängig von der Raketengröße. Es ist zum Beispiel nicht billiger, die Flugbahn für eine kleinere Rakete freizugeben. Es dauert auch viel länger, 10 Starts statt eines großen Starts durchzuführen, und die Raumfahrt ist voll von Fällen, in denen Sie nur begrenzte Startmöglichkeiten haben. Ein größeres Fahrzeug hat einen höheren Durchsatz und niedrigere Kosten pro kg.

Kleinere Fahrzeuge sind schwieriger wiederzuverwenden. SpaceX erwog, die zweite Stufe der Falcon 9 wiederzuverwenden, aber die Nutzlaststrafe wäre schwerwiegend gewesen. Square-Cube-Skalierung bedeutet, dass Dinge wie TPS ungefähr mit der Oberfläche des Fahrzeugs skaliert werden, nicht mit seiner Masse, und Probleme mit der Dicke bedeuten, dass viele Teile eines kleineren Fahrzeugs nicht so leicht sind, wie es optimal wäre, weil sie zu klein und zerbrechlich wären. Teile der Außenhaut von Starship werden nur 3 mm dick sein. Skalieren Sie es auf die Größe von Falcon 9 und die Haut wird nur etwa 1 mm dick sein. Dies wäre schwer zu schweißen und leicht zu beschädigen ... selbst ein kleiner Kratzer könnte es stark schwächen ... und Sie müssten wahrscheinlich die Struktur unter Druck setzen, um sich selbst und alles, was daran befestigt ist, zu stützen. Ähnliche Probleme beeinträchtigen auch die Fähigkeit, viele Ladungen effizient zu transportieren.

Schließlich soll Starship bei seinen ersten Missionen nicht 100 Menschen zum Mond oder Mars befördern. Es wird eine viel kleinere Anzahl von Menschen zusammen mit reichlich Vorräten und Ausrüstung befördern. Die Größe des Fahrzeugs bedeutet ein enormes Massenbudget für zusätzliche Vorräte, redundante Luftschleusen und Aufzüge, eine spezielle medizinische Einrichtung und so weiter. Eine Alternative mit minimaler Masse wäre zwangsläufig viel weniger gut ausgestattet und in der Lage, unerwartete Probleme zu bewältigen.

Warum nicht beide?

Sie haben richtig erkannt, dass es zwei Größenvorteile gibt – den ersten in der Produktion (je mehr wir produzieren, desto billiger wird es) und den zweiten in der Nutzlast pro Flug (je mehr wir transportieren, desto billiger ist es).

Das Problem ist, dass Sie glauben, das Raumschiff versucht, das Zweite auf Kosten des Ersten zu tun. Das ist nicht richtig. Starship tut beides – es soll große Mengen an Fracht im Grunde überall hin transportieren UND dies in großem Maßstab, wobei viele Einheiten produziert werden.

Der Bau von 100 Raumschiffen/Jahr wird in 10 Jahren auf 1000 oder 100 Megatonnen/Jahr oder vielleicht etwa 100.000 Menschen pro Erd-Mars-Orbitalsynchronisation

https://twitter.com/elonmusk/status/1217990326867988480 (Danke @Robyn für die Quelle!)

Ich stelle es mir gerne wie die 747 vor – groß, ehrgeizig und doch ein alltägliches Arbeitstier.

Wenn sie etwas zum Mars schicken, scheinen die Weltraumagenturen zu warten, bis der Mars die nächste Entfernung zur Erde erreicht hat.

von: https://en.wikipedia.org/wiki/Launch_window

Das Senden einer Mission anstelle von Dutzenden würde auch zusätzliche Startplätze eröffnen, da das bevorzugte Startfenster begrenzt ist.

Das Verhältnis von Gesamtmasse zu Treibstoffmasse wird besser, je größer der Kraftstofftank ist, daher liefert ein größerer Tank mehr Delta-V.

(Dh der Tank hat weniger Trockenmasse pro Treibmittelmenge, die er aufnehmen kann, je größer er ist).

Der Grund dafür ist, dass das Volumen eines Zylinders oder einer Kugel ungefähr mit dem Quadrat ihres Radius skaliert, während ihre Oberfläche nur proportional zu ihrem Radius zunimmt. (Das ist auch der Grund, warum Elefanten so große Ohren haben – sie müssen irgendwie ihre Körperoberfläche vergrößern, um ihr riesiges Körpervolumen abzukühlen.)

Betrachten wir die Tsiolkovsky-Raketengleichung

wir können sehen, dass das delta-v vom Verhältnis der Gesamtmasse m0 zur Treibstoffmasse mf abhängt , also ergibt eine geringere Trockenmasse ein größeres delta-v (wenn wir die Effizienz des Raketentriebwerks gleich halten).

Nehmen wir einige Zahlen von https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=50049.0 , um zu sehen, wie diese Skalierung funktioniert. Laut diesem Forumseintrag hat Starship einen Durchmesser von 9 Metern und verwendet Stahl mit einer Dicke von 3,97 mm und einer Dichte von 7907 kg/m³.

Stellen wir uns der Einfachheit halber vor, dass der Methantank ein einfacher Stahlzylinder ohne interne Stützstreben, Schwappschutzbleche, Schotte usw. ist. Wenn der Methantank ein 16,5 Meter hoher Zylinder mit einem Durchmesser von 9 Metern ist, ergibt dies eine Oberfläche von :

r = 4,5m h = 16,5m

A = 2πrh+2πr^2

A = 466,52 + 127,23 = 593,75 m²

und ein Volumen von:

V = πr^2h

V = 1049,86 m³

Die Stahlhaut des Tanks hat eine Masse von

M = 593,75 m² x 0,00397 m x 7907 kg/m³ = 18638,28 kg

Um Treibmittel in einem Zylinder mit 9 Metern Durchmesser zu halten, benötigen wir also 18638,28 kg / 1049,86 m³ = 17,75 kg Stahl pro m³ Treibmittel

Für Starship 2 wurden Tanks mit 18 Meter Durchmesser vorgeschlagen.

r = 9 mh = 16,5 m

A = 933,05 + 508,93 = 1441,99 m²

V = 4198,74 m³

Die Stahlhaut des 18-Meter-Tanks hat eine Masse von

M = 1441,99 m² x 0,00397 m x 7907 kg/m³ = 45265 kg

Um Treibmittel in einem Zylinder mit 18 Metern Durchmesser zu fassen, benötigen wir nur 45265 kg / 4198,74 m³ = 10,78 kg Stahl pro m³ Treibmittel

Beachten Sie, dass die Oberfläche des größeren Tanks nicht einmal dreimal so groß ist wie die des kleineren Tanks, während sein Volumen viermal größer ist.

Um zum Mars zu fliegen, wird viel Fracht benötigt.

Elons Plan ist es, vor jeder bemannten Mission zwei Raumschiffe mit Fracht zum Mars zu schicken. (Er war in dieser Hinsicht ungewöhnlich konsequent, wenn man bedenkt, wie sehr er normalerweise seine Meinung ändert.) Selbst für Elon (geschweige denn für die NASA) ist dies eine Mindestsicherheitsanforderung. Ich würde sehen wollen, wie die Treibmittelfabrik in Betrieb ist und mindestens eines dieser Raumschiffe für den Rückflug betankt wird, bevor ich in Betracht ziehe, Menschen dorthin zu schicken.

Starship benötigt 1200 Tonnen Treibstoff. Bei 2 Jahren zwischen den Startfenstern und der Annahme, dass die Sonne die Hälfte der Zeit auf den Mars scheint, bedeutet dies, dass bei Tageslicht 38 Gramm Treibmittel pro Sekunde erzeugt werden. Das hört sich vielleicht nicht viel an, erfordert aber etwa 600 kW elektrische Leistung. Eine Solaranlage dieser Größe wäre 6000 m2 auf der Erde (mehr auf dem Mars) und könnte alle 2 Raumschiffe selbst füllen. Sie werden sagen, dass Sie mit einem kleineren Schiff weniger Solarzellen benötigen würden. Aber bei der Größe des vorgeschlagenen Raumschiffs wird ein Mini-Atomreaktor (ähnlich denen, die auf Atom-U-Booten zu finden sind) zu einer praktikablen Option (obwohl Sie Elon im Moment nie sprechen hören werden).

Und was werden die Menschen tun, wenn sie zum Mars kommen? Ich würde schätzen, dass die erste Crew aus etwa 10 sehr mutigen Leuten bestehen wird, nicht aus 100, da das Risiko zu hoch ist. Aber wenn sie gehen, können Sie darauf wetten, dass es Pläne gibt, dass sie dort erwerbstätig sind, wenn sie dort ankommen. Alle Arten von Erkundungen und Experimenten durchführen sowie Lebensräume für die nächste Gruppe von Marsforschern bauen. Mehrere hundert Tonnen Fracht, um eine 10-köpfige Besatzung für eine Mission von mehreren Jahren zu beschäftigen (und glücklich zu machen), scheint überhaupt nicht zu viel zu sein.

2 Raumschiffe bedeuten nicht 2 Starts

Das gesamte Starship to Mars-Konzept basiert auf der Betankung im erdnahen Orbit. Es wird ungefähr 6 bis 8 Starts pro Raumschiff dauern, um die ersten 2 Frachtschiffe vollständig zu betanken. Sie sehen sich also eine Kampagne mit 12 bis 16 Starts an, nur um die 2 vorauseilenden Raumschiffe voller Fracht zu schicken. Auf diese 2-Jahres-Schicht würde eine weitere Kampagne mit 12 bis 16 Starts folgen, um 2 weitere Raumschiffe mit einer Besatzung zu schicken (wie ich oben sagte, wahrscheinlich nur 10 Personen plus eine Ladung Fracht). Alles in allem sind das 24 bis 32 Starts zu machen das Beste aus einer 10-Personen-Mission.

Starship ist im Vergleich zu seiner Konkurrenz nicht so groß

Während Elons Ziel darin besteht, zum Mars zu fliegen, besteht die Möglichkeit, Geld zu verdienen, um dorthin zu gelangen, darin, Starship als Arbeitstieranbieter für Erdumlaufmissionen zu nutzen. Der ursprüngliche Plan einer Rakete mit 12 Meter Durchmesser war meiner Meinung nach übertrieben. Aber das Raumschiff, das derzeit entwickelt wird, hat eine sehr ähnliche Kapazität wie LEO, die SLS der USA, Chinas Long March 9 und Russlands Jenissei, so dass klar ist, dass andere glauben, dass eine Rakete dieser Größe (sogar eine Verbrauchsrakete) in absehbarer Zeit benötigt wird.