Die Mär von den explosiven Feststoffboostern

Den heutigen Artikel habe ich schon am 24.1. verfasst. Da aber völlig egal ist was ich schreibe, weil die Leute ja sowieso wild kommentieren und das Thema des Blogs ignorieren kann ich ihn genauso gut aus der Schublade holen.

In einem Interview hat sich Musk mal wieder über Ares/Orion und Falcon 9/Dragon geäußert. Seiner Meinung nach sind die letzten viel zuverlässiger, weil sie früher zur Verfügung stehen und die Ares I und Orion noch nicht mal im design fertig seien. Ob das stimmt sei mal dahin gestellt. Zu dem Interview gäbe es eine Menge zu diskutieren, so ob eine Rakete und eine Kapsel die noch nicht erprobt wurden, auf unerprobter Technik basieren und von einer Firma entwickelt werden, die keinerlei Erfahrungen in der Raumfahrt hat aber 4 Jahre vor Orion/Ares zur Verfügung stehen unbedingt besser ist als dieser Entwurf der auf erprobten, aber in dieser Konstellation noch nicht eingesetzter Hardware basiert. Angesichts der Probleme bei der Falcon 1 und Verzögerungen auch bei anderen völlig neu entwickelten Raketen, wenn es Probleme gab, würde ich den Zeitfaktor nicht sehr hoch bewerten.

Aber in einem zeigt Musk, dass man als CEO nix verstehen muss: Er hält die Shuttle-SRB für „dangerous“ weil „7 astronauts lost their life“. Aha. Und wie ist das passiert?

Mal eine kleine Aufklärung. Erstens: Können Feststoffbooster explodieren?

Einfache Antwort: Nein sie können nicht. Der Treibstoff ist fest, er brennt von der Oberfläche ab. Und dies tut er auch nur bei hohem Druck, nimmt dieser ab, so verlöscht die Flamme. (So wurde vorgeschlagen Feststoffbooster gezielt abzuschalten indem man im oberen Bereich Löcher sprengt, wenn die gewünschte Endgeschwindigkeit erreicht ist.)

Wenn eine Dichtung versagt, dann tritt an der Stelle lediglich eine Stichflamme aus. Sie verringert durch Druckabfall den Schub und bewirkt einen seitlichen Schub mehr aber auch nicht. Also wenn man nichts macht, so weicht die Rakete dann vom Kurs ab. Problematisch kann es werden, wenn (wie bei allen eingesetzten Raketen) daneben eine Stufe mit flüssigem Treibstoff ist und die Flamme dann den Tank durchschweißt. Dann kann es in der Tat eine Explosion geben, wie es bei der Challenger auch der Fall war. Doch selbst danach flogen die SRB weiter – ihre Gehäuse überstanden die Explosion des Tanks schadlos. Kein Wunder. Bei der Ariane 5 ist es z.B. 8,1 mm dicker Stahl.

Doch das ist bei der Ares nicht von belang. Natürlich gibt es andere Möglichkeiten für Fehler bei einem Feststoffbooster. 1998 scheiterte ein Titan 4 Start weil die Düse des Boosters nicht mehr den Befehlen gehorchte – sie werden heute mechanisch oder hydraulisch bewegt. Doch derartige Probleme kann es auch bei Triebwerken geben, die flüssige Treibstoffe verbrennen. In einem solchen Fall kann aber der Fluchtturm ausgelöst werden.

Wenn es einen gegeben hätte, dann wäre er wohl auch bei Challenger ausgelöst worden, denn schon vor der Explosion nach 72,2 Sekunden gab es Indizien. Nach 60 Sekunden sank der Druck im SRB, nach 65 Sekunden fingen die SSME an die Schubasymmetrie auszugleichen. Eine entsprechende Logik die diese Zustände erkennt und warnt hätte also 12 bzw. 7 Sekunden vor der Explosion schon auslösen können. So sind meiner Meinung nach auch SRB in Kombination mit einer Hauptstufe mit LOX/LH2 oder LOX/Kerosin sicher.

Sie sind vor allem zuverlässiger. Ich bin kein Statistiker und lasse mich gerne eines besseren belehren, aber ich kann mich an nur fünf Verluste erinnern an denen Feststoffbooster beteiligt waren. Ein Fehlstart einer Delta 2, 1996 und vier Verluste von Titan 34/4. In allen Fällen wo die Rakete explodierte war dies durch das Sicherheitssystem ausgelöst worden, meistens bevor jemand am Boden das Problem überhaupt mitbekommt – das Sicherheitssystem hätte anstatt der Sprengung auch den Fluchtturm auslösen können. Das sind fünf Starts von 140 Titan und rund 250 Delta Starts, bei denen immer zwei Booster (Titan) oder sogar 3-9 Booster (Delta) zum Einsatz kamen. Dazu könnte man noch die Ariane 5 und Atlas 2AS und H-2 Starts rechnen. Zusammen sicher um die 450 Starts mit 5 Verlusten, also rund 99 % Zuverlässigkeit.

Ich keine keine existierende Rakete mit flüssigen Treibstoffen mit einer solchen Bilanz.

Man kann die Argumentation aber auch umdrehen. Es gibt ja neben dem LOC Risiko (Loss of Crew) auch das LOM Risiko (Loss of Mission) – also die Mission muss abgebrochen werden. Dieses Risiko dürfte bei der Falcon 9 erheblich größer sein. Nehmen wir an flüssige Triebwerke haben ein Ausfallrisiko von 2 %. Das ist ein guter Wert für eine neue Rakete. Bei den SRB beträgt (aus Erfahrung) das LOM Risiko 1:260. Dazu kommt noch eines von 1:50 für die Oberstufe macht zusammen eines von 2,4 %.

Bei der Falcon 9 sieht es so aus: 9 x 1/50 für die erste Stufe und 1/50 für die zweite. Macht zusammen eines von 19,64 %. Uh das ist wohl achtmal größer. Nun verspricht SpaceX ja „Engine-Out capability“. Will meinen, wenn ein Triebwerk ausfällt reichen die anderen noch aus um den Orbit zu erreichen. Nur verbrauchen sie dann durch den Schubabfall und den asynchronen Schub mehr Treibstoff. Ich habe in den SpaceX Unterlagen nichts gefunden das auf eine solche vorgesehene Reserve hindeutet. Gerade bei den Cargomissionen kostet das auch viel Nutzlast, denn von den 8,7 der Dragon sind ja nur 2,5 t Fracht. Wenn jetzt 2 t Treibstoffreserve veranschlagt werden, dann geht die Fracht schnell mal auf 0 runter. Daher denke ich nicht, dass dies berücksichtigt wird. Bei keinem anderen Träger mit vielen Triebwerken gibt es solche Reserven. Es gab sie auch bei der Saturn V nicht. Apollo 13 hatte echt Glück: Es fiel das zentrale Triebwerk der S-II aus, als schon viel Treibstoff verbraucht war und so auch der Schubvektor nicht beeinflusst war – und Apollo 13 war 3 t leichter als die Maximalnutzlast für den LTO Orbit.

Auch bei STS-51F fiel ein SSME nach 345 (von 480 Sekunden) Brennzeit aus. Der verringerte Schub führte zu einer unplanmäßig niedrigen Bahn, die nur erreicht wurde, weil der Orbiter nur eine Nutzlast von 15 (anstatt 27 t Maximalnutzlast) aufwies. Das zeigt recht deutlich, dass „Engine out capability“ alleine nichts nützt. Es gibt auch Beispiele wo ein Triebwerk ausfiel und das nicht kompensiert werden konnte, so bei Ariane 4 V-35, als kurz nach dem Start ein Triebwerk ausfiel und die Rakete den asymmetrischen Schub nicht abfangen konnte und schließlich nach 101 Sekunden durch die steigende aerodynamische Belastung auseinanderbrach.

Man könnte es aber auch sehr konkret sehen und so hat es das ASAP wohl gesehen, dessen Einschätzung Musk nicht passt: Die Shuttle SRB fliegen seit STS-51L ohne Probleme. Der Fehlschlag bei STS-51L ist eine Kombination von Designmängeln (Die O-Ringe der Feststoffboosterdichtungen können unter bestimmten Temperaturen nicht schnell genug beim Start in die Höhle zurückweichen um die Verbindung dicht zu machen) und Schlamperei (obwohl man von dem Mangel wusste dürfte die Challenger bei niedrigen Außentemperaturen starten). Die Fehlerursache ist aber behoben.

Das J-2S hat 273 Tests mit 30800 Sekunden Brennzeit hinter sich – vor der erbeuten Qualifikation als J-2X. SpaceX hat genau 4! Tests der Falcon 9 Erststufe durchgeführt. Ja das überzeugt. Ein Triebwerk mit vier Tests ist natürlich viel besser als eines mit 273….

Aber das Constellation eingestellt wird, dürfte der neue Konkurrent auch ein anderer sein: Ich denke nun wird Planetspace erneut in den Ring steigen, geht es nun doch um weitere Aufträge. Vielleicht bieten auch Boeing und Lockheed getrennt erneut, denn die Beförderung von Personen ist ja viel lukrativer als die von Fracht.