Auch die Super Heavy ist verdammt schwer

Zur Leermasse der Super Heavy gibt es ebenfalls keine Zahlen, aber es scheint, dass der Name von SpaceX gut gewählt wurde – und er ist kein Kompliment. Die aktuelle Super Heavy mit 3.650 Tonnen Treibstoff hat noch kein Landemanöver demonstriert, aber die letzte Version hatte 3.250 Tonnen Treibstoffkapazität und nutzte drei Triebwerke zur Landung. Das deutet, aus ähnlichem Grund wie beim Starship, auf ein Leergewicht von rund 300 Tonnen oder mehr hin.

Die Falcon 9 wöge von ihren 385 Tonnen Treibstoff, hochskaliert auf 3.250 Tonnen Treibstoff, nur 215 Tonnen – oder 240 Tonnen in der Größe der neuen Super Heavy. Dabei gilt, dass Raketenstufen in den meisten Fällen mit minimalem Zusatzgewicht verlängert werden können, insofern dafür keine zusätzlichen oder schwereren Triebwerke oder andere Bauteile eingebaut werden müssen. Die erste Stufe der Falcon 9 ist aber bereits so lang und dünn, dass sie wegen der immer größeren Biegemomente nicht mehr verlängert werden kann.

Trotz der relativ hohen Leermasse handelt es sich bei der Super Heavy – in Anbetracht der komplexen internen Konstruktion, der geringen Länge, der großen Belastungen bei den Manövern und der Verwendung von Stahl statt Aluminium oder Kohlefaser – um eine akzeptable Konstruktion. Falls sich nichts Wesentliches geändert hat, ist die Leermasse am ehesten mit den seit 1957 fliegenden ersten Stufen der russischen Sojus vergleichbar.

Wilde Manöver führen zu hoher Masse

Ein hohes Leergewicht ist aber besonders bei einem Rückkehrmanöver mit Raketentriebwerken schlecht, weil es ein extremes Manöver mit sehr hohem Treibstoffverbrauch ist. Der hängt hauptsächlich von der erreichten Geschwindigkeit und der Leermasse der Raketenstufe ab.

Die vermutlich über 300 Tonnen Leermasse der Super Heavy müssen zuerst bis zur Abtrennung des Starship gegen die ständig wirkende Erdanziehungskraft auf etwa 55 km Höhe und knapp 6.000 km/h beschleunigt werden. Anschließend muss die Vorwärtsbewegung (etwa 5.400 km/h) gestoppt und um etwa 1.000 km/h in die Gegenrichtung beschleunigt werden. Außerdem muss die Flugbahn auf eine Gipfelhöhe von 95 km angehoben werden. Zusammen ist das eine zusätzliche Geschwindigkeitsänderung, ein delta-V, von wenigstens 1.800 m/s.

Dabei sind Verluste während des wilden Umkehrmanövers und die restliche Luftreibung nicht berücksichtigt. Ein großer Teil der zusätzlichen Leermasse der Stufe dürfte den hohen Kräften während der schnellen Wende geschuldet sein, die auch die Länge und mögliche Kapazität ihrer Treibstofftanks begrenzt. Sie wird durchgeführt, weil sich die Raketenstufe mit jeder Sekunde zusätzlicher Flugzeit um weitere 1,5 km vom Startturm entfernt.

Große Raketenstufen haben große Probleme beim Wiedereintritt

Die Falcon 9 trennt bei ähnlichen Manövern, wie nach Starts des Dragon-Raumschiffs, ihre Oberstufe in 90 km Höhe mit rund 6.300 km/h ab. Sie fliegt dann in einem höheren Bogen mit 135 km maximaler Höhe und etwa 1.500 km/h Geschwindigkeit zurück. Die Super Heavy muss deshalb beim Wiedereintritt wesentlich weniger Energie abbauen als die Falcon 9 und kann auf ein Bremsmanöver verzichten. Allerdings hat die aktuelle Super Heavy dieses Manöver noch nie bis zu einer weichen Landung im Wasser, geschweige denn am Turm, überstanden.

Wegen der sehr unterschiedlichen Verhältnisse ist schwer zu beurteilen, welchen Belastungen die Super Heavy tatsächlich beim Wiedereintritt ausgesetzt ist und vor allem, welche Belastungen sie aushalten könnte. Denn einerseits hat sie von Anfang an weniger Geschwindigkeit als die Falcon 9, andererseits ist es eine wesentlich größere und schwere Raketenstufe mit im Verhältnis kleinerer Oberfläche.

Mit 9 m Durchmesser hat die Super Heavy nur die sechsfache Querschnittsfläche der Falcon 9 mit 3,66 m Durchmesser, aber ungefähr die zwölffache Leermasse. Dadurch wird sie von der Atmosphäre weniger abgebremst. Sie hat eine höhere Fallgeschwindigkeit und tritt damit in Luft mit größerer Dichte ein, wo ihre kinetische Energie in kürzerer Zeit von der ohnehin vergleichsweise kleineren Fläche abgebaut wird. Für eine vergleichbare Flächenbelastung bräuchte die Super Heavy etwa 12,5 m Durchmesser. (Ja, wer das weiterspinnt, kommt auf die Idee der fliegenden Untertassen.)

Super Heavy verbrennt hunderte Tonnen auf dem Rückweg

Der fast senkrechte Fall nach unten ist dabei der schlimmstmögliche Fall. Die Falcon 9 tritt für Landungen auf dem Schiff hingegen im flachen Winkel in die Atmosphäre ein und wird dabei durch ihre Triebwerke von 8.000 km/h auf rund 5.300 km/h abgebremst. Sie hält diese Geschwindigkeit von 47 bis 34 km Flughöhe und wird dann von zunehmender Luftreibung abgebremst. Deshalb kann die Falcon 9 mit nur rund 25 Prozent Verlust ihrer maximalen Nutzlast (oder knapp 20 Prozent Masse im Orbit) wiederverwendet werden.

Die Landung erfolgt bei der Super Heavy, zumindest bei der alten Generation, mit einer Restgeschwindigkeit von knapp über 300 m/s und dauert 27 s. Zusammen mit Gravitations- und Manöververlusten, sowie Effizienzverlusten durch gedrosselte Triebwerke, entspricht das dem Treibstoffverbrauch eines delta-V von weiteren 600 m/s auf Meereshöhe mit 327 s Effizienz.

Zusammen mit den wenigstens 1.800 m/s für das Umkehrmanöver im Vakuum benötigt die Super Heavy, von der Abtrennung des Starships bis zur Landung, wenigstens 1,1 Tonnen Treibstoff pro Tonne Leermasse – also beispielsweise 330 Tonnen Treibstoff, falls sie leer 300 Tonnen wiegt. Beide Annahmen sind optimistisch und als eine untere Grenze zu verstehen, wahrscheinlich liegen die Masse und der Treibstoffverbrauch durch Verluste beim Abtrenn- und Wendemanöver höher.

Nun können alle geschätzten Zahlen zusammengenommen und auf Plausibilität überprüft werden.

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