Da SpaceX schon die tausendmalige Wiederverwendung ihrer Falcon 9 plant und immer verrücktere Pläne für die Zukunft hat, hier mal eine kleine Erinnerung, was sie bisher bei ihren Starts erreicht haben.
24.3.2006: Falcon 1 erster Start
Fast unmittelbar nach dem Start brach ein Feuer im Heck der Rakete aus, das nach 25 Sekunden zu einem Druckverlust in den Leitungen führte. Dieses führte nach 29 Sekunden zum Abschalten der Triebwerke. Man vermutete zuerst, dass die thermische Isolation der ersten Stufe dafür verantwortlich ist. Es war auf den Startvideos zu sehen wie Sie von der Rakete abgetrennt wurde. Doch dies soll nach Elon Musk nicht die Ursache gewesen sein. Alle Systeme sollen nominal funktioniert haben bis das Feuer ausbrach.
Am 7.4.2006 gab Elon Musk eine erste Beurteilung des Fehlers heraus. Ursache war ein Techniker der am Tag vorher an der Avionik gearbeitet hatte und dabei eine kleine Kraftstoffleitung nicht wieder fest angezogen hatte, nachdem er sie entfernt hatte um an die Avionik zu kommen. Dies soll einem der Techniker mit der meisten Erfahrung passiert sein. 4 Minuten vor dem Start gab es schon ein Leck, das man hätte „entdecken können, wenn man auf den richtigen Datenstrom schaut“. 25 Sekunden nach dem Start beschädigte das Feuer das Heliumdrucksystem. Als Folge sank der Tankdruck ab und das Merlin Triebwerk wurde automatisch abgeschaltet. Die Rakete schlug etwa 1 Kilometer vom Startplatz in einem Riff auf.
Elon Musk sprach von einem Teilerfolg. Eine weitere Untersuchung der ersten Stufe ergab dann als endgültige Ursache eine Korrosion der Verbindung zwischen den Tankleitungen, durch das Triebstoff austrat und sich entzündete. Warum der Druckverlust schon vor dem Start nicht bemerkt wurde (es gibt deit Jahrzehnten Computerprogramme welche jeden Parameter überwachen können und automatisch den Countdown abbrechen können) wurde nue erklärt.
20.3.2007: Falcon 1 zweiter, Start
Die erste Stufe arbeitete einwandfrei, ebenso klappte nach 3 Minuten die Abtrennung der ersten von der zweiten Stufe und die Zündung derer im Vakuum. Nach den Bildern der Kamera an Bord der Rakete hat die erste Stufe aber die zweite Stufe touchiert.
Nach 4 Minuten 10 Minuten sah man auf den Life Bildern einer Fernsehkamera an Bord der zweiten Stufe immer stärkere Oszillationen. Die Triebwerksdüse wurde schließlich unterschiedlich heiß und erhitzte sich. Diese Schwankungen der Rollachse waren es, die schließlich zum Verlust des Funkkontaktes führten. Schon vorher hatte ein Sicherheitsmechanismus das Kestrel Triebwerk abgeschaltet. Die Rollbewegung führt zu einem Ansammeln des Treibstoffs an der Tankaußenseite und damit zu einem Abreisen des Treibstoffflusses. Elon Musk sprach von einer 90% Qualifikation der Rakete in einer ersten Stellungnahme, korrigierte diesen Wert dann auf 95+% in der offiziellen Verlautbarung an die Presse nach oben. Die Nutzlast eine Falcon 1 wurde nun herunter korrigiert auf 1270 Pfund (576 kg). (Vorher 670 kg)
Auch klappte nicht die Bergung der ersten Stufe. Ein GPS Empfänger war defekt und man startete mit ihm und verließ sich auf Stroboskop Lampen und optische Signale von der Stufe. Als das Bergungsschiff am Zielort ankam war aber von der Stufe nichts zu finden. Einen genauen Aufschlagsort konnte man mangels GPS Empfänger nicht bestimmen.
Am 13.7.2007 veröffentlichte SpaceX eine Kurzfassung des Berichts an die DARPA. Die teilweise für den Ausfall verantwortlichen Fehler wurden verharmlosend „Anomalien“ genannt: (Ein Ausdruck den SpaceX gerne benutzt).
- Die Trennung der Verbindungsleitung der Sauerstoffversorgung zur Stufe 2 beim Start versagte. Ein Ventil verhinderte eine Leckage und den Verlust von Sauerstoff (der zu einer Explosion hätte führen können)
- Die LOX Anschlussleitungen und elektrischen Anschlüsse der ersten Stufe wurden nach der Abtrennung stark beschädigt und teilweise zerbrachen die Stecker. Dies hat allerdings keinerlei Auswirkungen auf den Flug.
- Stufe 1 Performance: Zum einen hatte man dem Bordcomputer eine falsche Tabelle für die Mixtur übergeben. Diese war zu mager am Boden und zu reich in der Höhe – resultierend in einem Verlust an Performance. Zweitens sank der Tankdruck am Ende der Betriebszeit unter dem Nominalwert und es kam zu Kavität in der Turbopumpe mit der Folge von erhöhten Gravitationsverlusten. Als Folge beider Effekte war die Bahn zu niedrig und die Trenngeschwindigkeit zu gering.
- Die Druckbeaufschlagung für die zweite Stufe arbeitete nicht. Dies hätte zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch am Ende des Betriebs der zweiten Stufe resultiert. Wäre diese nicht vorher ausgefallen, hätte dies ausgereicht, das die Stufe keinen Orbit erreicht hätte.
- Kontakt des Kestrel Triebwerks der zweiten Stufe mit dem Stufenadapter der ersten Stufe. Dies soll eine kombinierte Folge von erhöhter Rotationrate der Rakete vor der Trennung und erhöhten aerodynamischen Kräften die auf die zweite Stufe einwirken gewesen sein. Das Trennungssystem funktionierte einwandfrei. Man erwartet für das Merlin 1C eine größere Höhe bei der Trennung (geringere aerodynamische Kräfte) und einen geringeren Restschub (Erststufe bewegt sich nicht so stark auf die Zweitstufe zu).
- Abtrennung der Nutzlastverkleidung: Von den redundanten Zündern, die das Band durchtrennten, zündete zuerst nur einer, der zweite sprang dann ein und durchtrennte das Band schließlich doch.
- Ausfall der Oberstufe: Nach 90 Sekunden begannen durch schwappenden Treibstoff in den sich leerenden Oberstufentanks zuerst in Nick- und Gierachse Bewegungen aufzutreten. Nach 30 Sekunden kam dann noch ein Rollmoment dazu, dass sehr bald die begrenzte Möglichkeiten der Rollsteuerung überforderte, der Treibstofffluss zum Kestrel Triebwerk riss ab und es schaltete sich automatisch ab. Ursache waren fehlende Prallbleche in der Oberstufe, die man nach den bisherigen Simulationen nicht für nötig hielt. Die folgenden Flüge werden Prallbleche enthalten, so wie sie schon jetzt in der ersten Stufe vorhanden sind.
- Erststufenbergung: Telemetrie wurde von der ersten Stufe erhalten bis sie in 50 km Höhe am Horizont verschwand. Da sich die Fallschirme erst in 4 km Höhe öffneten und man die Stufe nicht fand weiß man nicht ob das Fallschirmsystem funktionierte. Der GPS Empfänger der die Position angeben sollte funktionierte nicht. Er soll zukünftig dreifach redundant vorhanden sein. Da man die aerodynamische Abbremsung nicht berücksichtigt hatte, war das Bergungsschiff 20 Meilen vom Landeort entfernt und brauchte zu lange die Stelle zu erreichen.
Fassen wir zusammen: Ein in der Raketentechnik in jedem anderen Träger übliches System zum Verhindern von Treibstoffschwappen und den Folgen für die Instabilität eines Triebwerks wird erst eingebaut, wenn ein Fehlstart es notwendig macht. Besonders markiert habe ich den Absatz über die Stufentrennung. Daran zu erkennen ist, das man bewusst auf Retroraketen verzichtet, um die beiden Stufen auf Distanz zu bringen und eine abzubremsen oder eine zweite zu beschleunigen, wie jeder andere Träger, der weltweit verfügbar ist, dies tut. Stattdessen separiert man die Stufen mit Federn und hofft, das die zweite Stufe nicht aerodynamisch abgebremst wird oder die erste Stufe hat noch einen gewissen Restschub (wie er normal ist, bei einem 1000 °C heißen Triebwerk, bei dem die Treibstoffreste oder das Druckgas noch expandiert werden). Das ist Raketenbau nach dem „Prinzip Hoffnung“ – Dies sollte sich noch bitter rächen….
3.8.2008: Falcon 1, dritter Start
Der Start der dritten Falcon 1 – diesmal erstmals mit dem Merlin 1C Triebwerk in der ersten Stufe – schlug am 3.8.2008 ebenfalls fehl. Die Stufentrennung versagte nach zweieinhalb Minuten Flug. Die Life Webcast Übertragung wurde auch wenige Sekunden vor der Stufentrennung abgebrochen. Ob dies technisch mit dem Ausfall in Zusammenhang steht, wurde nicht bekannt gegeben.
Drei Tage später gab es dann eine genauere Erläuterung des Verlustes: Die Stufentrennung klappte, doch die erste Stufe kollidierte dann durch den Restschub von etwa 1 % des Nominalschubs mit der zweiten. Die Stufentrennung erfolgte nach Musks Angaben zu schnell, 1.5 Sekunden nach dem Ausbrennen der ersten Stufe. Bei dem regenerativ gekühlten Merlin 1C wäre das zu kurz gewesen, während bei dem Ablativ gekühlten Merlin 1 es kein Problem sein. Das sei ein Designfehler der leicht zu korrigieren sei. Die Falcon, so erfuhr man bei dieser Gelegenheit verwendet keine Retroraketen welche die erste Stufe abbremsen (oder die zweite beschleunigen), sondern ein hydraulisches System. Dessen Fähigkeit einen Impuls zu übertragen ist natürlich geringer als eine kleinen Rakete, die daher bei anderen Trägern eingesetzt wird. (Zumindest allen die der Autor kennt).
Was Elon Musk verschweigt: Schon beim zweiten Flug kollidierte die zweite Stufe mit dem Stufenadapter. Das Problem ist so gesehen nicht so neu und damals ging man von einem geringeren Restschub des Merlin 1C aus. Keine der beiden Stufen konnte geborgen werden. Bei der zweiten war dies nicht vorgesehen und bei der ersten wurde durch die Flamme der zweiten Stufe, die in zu geringer Entfernung zündete, die Fallschirme am Heck der ersten Stufe zerstört. Darauffolgte eine Plasmaexplosion welche das Heck der zweiten Stufe zerstörte. Damit ist auch beim dritten Start die dritte Erststufe verloren gegangen. SpaceX korrigierte duie Nutzlast erneut nach unten auf 420 kg.
28,9,2008: Falcon 1, vierter Start
Nach 2 Monaten fand dann der vierte Testflug statt, nun mit einer reinen Satellitenattrappe aus 170 kg Aluminium. Am 28.9.2008 fand dann der eigentliche Start statt, der auch erfolgreich verlief, inklusive einer späteren Zirkularisierung der Bahn die anfangs in 328 x 650 km Höhe lag durch eine Wiederzündung der zweiten Stufe. Der Satellit erreicht dann eine nahezu kreisförmige Bahn von 644 km Höhe.
Zwei Anomalien gab es dennoch zu berichten. Das erste war eine zu geringe Leistung der Rakete, denn ein höherer Orbit war geplant (330 x 686 km Höhe) und zum zweiten, dass die erste Stufe erneut nicht geborgen werden konnte. Sie wurde offensichtlich beim Wiedereintritt zerstört. Eine eingehendere Vermessung der Bahn durch die Radar Antennen des US Verteidigungsministerium ergab eine endgültige Bahn von 621 x 643 km Höhe mit einer Bahnneigung von 9.3 Grad. Die zweite Stufe hat dagegen ihren Treibstoff von 3.900 kg (1.200 kg Kerosin und 2.700 kg LOX) vollständig verbraucht. Die Daten lassen nun erstmals eine Berechnung der maximalen Nutzlast zu. Ich erhalte eine Nutzlast von 349 kg bei der derzeitigen Konfiguration. Das ist noch von den 420 kg entfernt allerdings ist damit zu rechnen, dass diese Rakete wahrscheinlich über größere Reserven verfügte und zusätzliches Equipment installiert wurde um mehr Daten zu erhalten (die Kamera und die Sender wiegen z.B. auch einige Kilos extra).
Diese Daten wurden dann auch von SpaceX bestätigt: Die zweite Zündung diente nicht zum Zirkularisieren der Bahn (dies sei nur Zufall gewesen). Sinn war es den Treibstoff bis auf nicht nutzbare Reste in der Größenordnung von 45 kg zu verbrauchen um eine Performanceabschätzung zu machen. Vergleicht man nun aber die beförderte Nutzlast mit den Angaben von SpaceX in Diagrammen für diesen Orbit, so ergibt sich eine Differenz von -70 kg. Damit liegt die Nutzlast der Falcon 1 bei nur 350 kg.
14.7.2009: Falcon 1, fünfter Start
Nach einem Jahr fand der erste Start einer bezahlten Nutzlast statt. Dies war der mailayische Satellit Razaksat. Nach SpaceX Angaben verlief der Start erfolgreich in den vorgesehen kreisförmigen Orbit von 685 km Höhe. Wörtliches Zitat: „We nailed the orbit to well within target parameters…pretty much a bullseye.“.
Eine Vermessung des NORAD ergab einen Orbit von 666 x 687 x 8.9°. Geplant waren: 685 km kreisförmig, 9,0 Grad. Vergleicht man dies mit den Vorgaben des Users Guide so resultiert folgende Tabelle:
| Parameter | Abweichung vierter Start | Abweichung fünfter Start | maximal nach Users Guide |
|---|---|---|---|
| Perigäum | 2 km | 19 km | 5 km |
| Apogäum | 36 km | 2 km | 15 km |
| Inklination | 0,3 Grad | 0,1 Grad | 0,1 grad |
Legt man die Daten des Users Guide zugrunde, die auch rechtlich bindend sind (als zugesicherte Eigenschaften der Rakete), so erreichte keiner der beiden letzten Starts den geplanten Orbit und diese müssen daher als Teilerfolge eingestuft werden.
14.7.2009: Falcon 9, erster Start
Die erste Stufe funktionierte nach den Videos einwandfrei, wenn mann davon absieht, dass sie direkt nach dem Start sich um 90 Grad innerhalb einer Sekunde drehte und so fast mit dem Startturm kollidierte. Beim Betrieb der zweiten Stufe waren zwei helle Stellen auf der Düse erkennbar, eventuell durch das Gasgeneratorgas verursacht, dass auf die Düsenverlängerung trifft und dort nachverbrennt. In der letzten Minute fing die Stufe dann auch stark an zu rollen und neigte sich der Erde zu. Brennschluss der zweiten Stufe soll nach 578 s gewesen sein. Nutzlast war ein Konus mit den Abmessungen der Dragonkapsel. Vermessungen der Luftwaffe ergaben einen 235 x 273 km Orbit mit 34,51 Grad Bahnneigung. Während die Bahnneigung korrekt ist, war der Orbit deutlich elliptischer als geplant. (250 km kreisförmig). Es ist mit Sicherheit nicht für Kunden akzeptabel, die einen Satelliten in einer stabilen räumlichen Ausrichtung und in einem bestimmten Orbit ausgesetzt haben wollen.
Das Rotieren direkt nach dem Start soll durch die Abgase der Gasgeneratoren und die zurückgeworfenen Gase der Triebwerke verursacht worden sein. Als gravierender stufte Ken Bowersox in einem Interview das Rollen der zweiten Stufe ein. Diesmal hätte es noch nicht das erreichen des Orbits beeinflusst, doch das könnte auch anders sein. Es könnte auch ein unerwünschter Orbit resultieren oder dass ein solcher nicht erreicht wird.
Bowersox bestätigte, dass die erste Stufe den Wiedereintritt nicht überstand. Das nicht nur das Fallschirmsystem versagte sondern die stufe in Stücke zerlegt wurde bevor sie überhaupt die dichtere Atmosphäre erreichte wäre an den Trümmern zu erkennen. SpaceX würde nun daran arbeiten bei den den nächsten Starts den Schutz zu verbessern und wenn dies auch nicht ausreicht würde man die Bergung aufgeben und das Fallschirmsystem weglassen.
8.12.2010: Falcon 9, zweiter Start
Im Vorfeld gab es Probleme bei dem statischen Test der neuen Triebwerke, der erst beim dritten Anlauf wegen abweichender Parameter bei zwei Triebwerken klappte. Bei der sich anschließenden Inspektion wurden dann zwei Risse an der Düsenverlängerung aus Niob bei der zweiten Stufe entdeckt. Anstatt dies und die Ursache genauer zu untersuchen wurde einfach der Teil entfernt. Die folgenden Düsen werden wahrscheinlich auch gekürzt werden, was Performance kosten könnte. Bei anderen Trägern schließt sich hier meist eine intensive Kontrolle der Fertigung an, da dies ja nur einer von mehreren versteckten Fehlern sein kann.
Beim Start fing eine Verbindungsleine Feuer und der Startturm wirkte danach auch etwas angeschmort. Ursache soll ein nicht geschlossenes Ventil auf der Seite des Startturms gewesen sein. Bei der Rakete waren alle Ventile geschlossen und sie konnte nicht Feuer fangen.
Das Presskit zum zweiten Flug lieferte einige neue Daten. Die Brennzeit der ersten Stufe war identisch zum ersten Flug und lag bei 178 s. Diese scheint konstant zu sein. Die zweite Stufe brannte deutlich länger: 351 s anstatt 332 s beim Jungfernflug. Dabei wurden spezifischer Impuls und Schub leicht nach unten korrigiert: 411 kN und 3295 m/s. Vorher waren es 420 kN und 3366 m/s. Nutzlast war die 5.200 kg schwere Dragon Kapsel ohne Nutzlast.
Auch diesmal sollte die erste Stufe geborgen werden. SpaceX schraubte die Erwartungen aber herunter. „Volle Wiederverwendung erfordert mehrere Versuche“. Eventuell wäre man in einigen Jahren soweit eine erste Stufe zu bergen. Diesmal war das Wetter dran schuld, das nicht geborgen wurde. Die Bergungsflotte rückte diesmal nicht einmal aus.
Erreicht wurde ein Orbit von 288 × 301 km mit einer Inklination von 34,53 Grad. Geplant war ein kreisförmiger 300 km Orbit mit 34,50 Grad Inklination. Auch hier kann man die Daten mit denen des Users Guide vergleichen:
| Parameter | Abweichung erster Start | Abweichung zweiter Start | maximal nach Users Guide |
|---|---|---|---|
| Perigäum | 15 km | 12 km | 10 km |
| Apogäum | 23 km | 1 km | 10 km |
| Inklination | 0,01 Grad | 0,03 Grad | 0,1 grad |
Demnach erfüllen beide Orbits nicht die Anforderungen welche garantiert werden (wenn auch beim zweiten Flug nur knapp). Aufgrund des unvorhergesehenen Rotierens der zweiten Stufe beim Jungfernflug wäre eine kommerzielle Nutzlast verloren gewesen, da so nicht die Solarzellen beschienen werden und die Batterien bald nicht mehr ausgereicht hätten die Stromversorgung zu sichern. Aber alleine aufgrund der Vorkommnisse vor dem Start /Risse in der Düse, Brand der Leitungen des Startturms kann man den zweiten Flug nur als Teilerfolg ansehen.
Zusammenfassung
Sieben Starts, dabei drei Fehlstarts, einen unbrauchbaren Orbit (gleichbedeutend bei kommerzieller Vermarktung mit einem Fehlstart) und drei Orbits mit gravierenden Abweichungen von den Sollangaben. Dies ist die Bilanz einer Firma, die viel verspricht und bislang wenig liefert.
Die Nutzlast nahm dabei bisher immer ab. Bei der Falcon 1 offiziell von 670 auf 420 kg. Nach Berechnungen des Autors über den verbliebenen Resttreibstoff (Brennzeiten der zweietn Stufe sind bekannt) sind es sogar nochmals 70 kg weniger. Bei der Falcon 9 ist nachdem die zweite Stufe erneut zündete um ihren Resttreibstoff zu verbrennen nur eine Abschätzung möglich, da deren Trockenmasse unbekannt ist. Je nach deren Trockenmasse liegt die Maximalnutzlast der Falcon 9 für diesen Orbit bei rund 7 t (zwischen 6,5 und 7,2 t, je nach Gewicht der Stufe, je leichter sie ist um so geringer). Auch hier gibt es Indizien, dass diese Unterperformance nicht geplant war: die zweite Stufe sollte eigentlich eine fluchtbahn erreichen, es resultierte aber nur ein Apogäum in 11.000 km Höhe – da fehlen noch rund 1.600 m/s für eine Fluchtbahn.