Die Falcon 9 Bergung – Teil 1

Heute wieder mal etwas über SpaceX, Anders als sonst im Blog ein Fachartikel, den es auch in der Website gibt. Ich trenne das ja strikt, was allerdings viele nicht kapieren. Ich habe nun zwei Tage gebraucht um aus Informationen die es verstreut im Netz gibt meist in Form von Interviews, alte Aufsätze zu aktualisieren und zu ergänzen. Ich frage mich ob ich mir das weiterhin antun soll. Immer mehr Propaganda, immer weniger echte Veröffentlichungen. Nichts mehr wie früher als Sprengsel von AIAA oder NASA Konferenzen veröffentlicht, der Users Guide der Falcon 9 ist auch verschwunden. Die Informationslage beschränkt sich auf Twittermeldungen des großen Vorsitzenden Elon Musk. Nicht mal ihr Demo Presskit ist fehlerfrei. Tabellenwerte und Werte im Text stimmen nicht überein. Wenn ich im Geiste überschlage was ich an Zeit an diese Aufschneiderfirma vergeudet habe, da hätte ich ein ganzes Buch verfassen können.

Heute nun ein Aufsatz über die Bergung, was man darüber weiß und was kritisch ist. Da er etwas länger ist, kommt morgen der zweite Teil.



Nachdem SpaceX beim Jungfernflug am 29.9.2013 der Falcon 9 einen erneuten Versuch machte, die erste Stufe zu bergen, wird es Zeit sich erneut mit dem Thema zu befassen. Fassen wir aber zuerst mal zusammen, was es bisher an Versuchen gab.

Bisherige Tests der Bergung

Bei der Falcon 1 wurde von der Firma noch eine vollständige Wiederverwendbarkeit der Rakete als wichtiges Ziel angegeben. Damals war auch die Rede von der Bergung der zweiten Stufe, es wurde aber nicht angegangen. Die erste Stufe sollte bisher bei 5 Flügen geborgen werden.

  • Beim ersten Start schaltete die Stufe vorzeitig ab, eine Bergung erfolgte daher nicht.
  • Beim zweiten Start wurde ein Versuch unternommen. Gefunden konnte die Stufe nicht werden. Ein GPS Empfänger der die Position angeben sollte war defekt und wurde ausgebaut und nicht ausgewechselt. Die Stufe sollte nur mit Lichtern und Stroboskopsignalen gefunden werden. Da der GPS Empfänger auch die Signale für die Auslösung der Fallschirme liefert war die Stufe wahrscheinlich ungebremst aufgeschlagen.
  • Beim dritten Flug klappte die Bergung erneut nicht. Es gab eine Kollision beider Stufen nach der Trennung. Bei der ersten Stufe wurde durch die Flamme der zweiten Stufe, die schon zündete, die Fallschirme am Heck der ersten Stufe zerstört. Darauf folgte eine Plasmaexplosion, welche das Heck der zweiten Stufe zerstörte.
  • Beim vierten Flug wurde die Stufe zerstört, genaue Angaben gab es nicht.
  • Beim fünften Flug wurde keine Bergung mehr versucht..
  • Es folgte dann die Bergung der Falcon 9 Erststufe. Auch diese war beim Jungfernflug ein Fehlschlag, Es kam nach Aussage von Ken Bowersox, damals bei SpaceX angestellt (inzwischen hat er die Firma verlasen) am Boden nur ein Trümmerregen an. Nach Elon Musks Aussagen wurde die Stufe beim Wiedereintritt „gekocht“. Sie scheint also den Belastungen nicht standgehalten zu haben.
  • Die folgenden Flüge der Falcon 9 v1.0 versuchten keine Bergung mehr. Elon Musk bezeichnete in einem Interview nach dem zweiten Flug aber die Wiederverwendung als essentiell, sollte sie nicht gelingen so wäre SpaceX gescheitert, selbst wenn sie geschäftlichen Erfolg hätten.
  • Der Jungfernflug der Falcon 9 V1.1 war dann der bisher letzte Versuch. Diesmal sollte anders als bisher drei Triebwerke der ersten Stufe erneut gezündet werden, die Triebwerke verursachten eine Rotation, die den Treibstoff an die Wand drückte und die nicht von den Rollachsentriebwerken kompensiert wurde. Die Stufe schlug hart auf dem Wasser auf und zerbrach. Einige Stücke sollen geborgen worden sein. Schon im Vorfeld wurde der Erfolg mit nur 10 bis 20% angegeben.

Parallel dazu gibt es Tests einer ersten Stufe mit Landebeinen unter dem Namen Grasshopper. In mehreren Flügen erreichte die Stufe bei einem senkrechten Start bis zu 300 m Höhe und landete dann wieder. Bei diesen Tests wird nur ein Triebwerk eingesetzt. Weitere Flüge bis in größere Höhen sind geplant.

Nun die bisher veröffentlichten Details zur Wiederverwendung:

Die Falcon 1 sollte im Meer niedergehen, abgebremst durch Fallschirme. Bei der Falcon 9 ist eine Landung auf ausgefahrenen Landebeinen auf festem Boden geplant. Nach Musks Angaben sollte sie zum CCAF (Cape Canaveral Air Force Station) zurückfliegen. Dazu muss sie abbremsen um nicht bei der Landung zu zerschellen, was durch ihre eigenen Triebwerke erfolgt.

Eventuell wird auch hier eine Wasserung als Alternative geplant, da Musk auch Angaben zum Nutzlastverlust bei einer Wasserung macht. (15% bei Land sind es 30%). Dagegen beziffert er die Kostenersparnis nur auf 25%. Die Produktionskosten der ersten Stufe machen dagegen 75% der Rakete aus. Daraus kann man ableiten, dass die Wiederverwendung und/oder die Startvorbereitung mit hohen Kosten verbunden ist.

Eine Beurteilung des Konzepts

Falcon 9 "v1,1" JungfernflugNun die Details zur Rakete, die wichtig für die Beurteilung sind.

Leermassen der Stufen wurden nicht veröffentlicht. Die NASA nennt für die alte Version, die 60% kleiner war 17,67 t Leermasse für die erste Stufe, davon entfallen 7,755 t auf den Triebwerksblock. Diese Stufe überlebte aber einen Wiedereintritt nicht. Skaliert man nur die Masse der Tanks (9,15 t) hoch so kommt man auf 23,615 t Leermasse bei einer analogen Falcon 9 „v1.1“ mit derselben strukturellen Stärke. Die Beine und vor allem der Fakt, dass die Stufe anders als die er ersten Version den Wiedereintritt überleben muss dürften das Gewicht ansteigen lassen, wenn eine Bergung erwünscht ist. Alleine die Landebeine sollen 2,1 t Gewicht addieren.

Der Schub eines Merlin 1D beträgt am Boden 654 kN, es ist auf minimal 70% Schub regulierbar, das sind noch 457 kN, ausreichend um 46 t in der Schwebe zu halten.

150 s nach dem Start, 30 Sekunden vor Brennschluss der ersten Stufe ist die Rakete in 90 km Höhe und Mach 10 schnell. Das sind 3300 m/s. In den verbleibenden 30 Sekunden wird sie selbst bei maximaler Senkung des Schubs auf 3900 m/s kommen. Das ist auch passend zu den Berechnungen die eine Endgeschwindigkeit von 4100 m/s bei einer GTO Nutzlast prognostizieren,

Im folgenden bin ich von nur 3300 m/s ausgegangen, da die es Verluste gibt und Elon Musk in einem anderen Interview von Mach 10 als Abtrenngeschwindigkeit spricht, was wahrscheinlicher ist. Die erste Frage ist, wo die Stufe niedergehen würde, wenn man nichts tun würde. Dazu muss man den genauen Geschwindigkeitsvektor kennen, der unbekannt ist, doch gibt es plausible Abschätzungen. Die Stufe muss eine vertikale Geschwindigkeit aufweisen, damit sie weiter aufsteigt und mindestens die Orbithöhe erreicht und eine horizontale komponente, sonst würde sie nicht in eine Umlaufbahn zu gelangen. Nimmt man eine Geschwindigkeit in der vertikalen von 1500 m/s an (das reicht aus um 196 km Höhe ausgehend von 90 km Höhe zu erreichen) so beträgt die horizontale Geschwindigkeit 2949 m/s. Wie weit fliegt die stufe damit – weit, sehr weit. Man kann eine Flugzeit von rund 370 s errechnen, damit müsste die Stufe auf einer Ebene rund 1.100 km weit fliegen. Da die Erde gekrümmt ist, eher noch weiter. Die Shuttle SRB werden bei nur 1285 m/s abgetrennt, fliegen schon 250 km weit, die Ariane 5 Booster bei 2028 m/s Abtrennungsgeschwindigkeit fliegen 450 km weit. Die Weite steigt quadratisch an, dazu kommt, dass mit fortschreitendem Flug die Rakete sich mehr in die Horizontale neigt, wodurch die Weite ansteigt.

Betrachten wir die Landung auf Land. Hier ist das erste Problem, dass man diese Geschwindigkeit abbauen muss. Die Atmosphäre als Bremse scheidet aus. Bei Brennschluss ist die Rakete schon über der Atmosphäre. Sie tritt erst wieder in sie ein, wenn sie schon den größten Teil der Strecke zurückgelegt hat. Wenn sie nach 1000 km Entfernung wieder eintritt ist sie zwar verlangsamt, aber eben auch 1000 km vom Startort entfernt. Man kann leicht nachweisen, dass man die gleiche Geschwindigkeit aufbauen muss um zum Startort zurückzukehren. Das zeigt auch der Vergleich mit dem Space Shuttle. Der Abortmode „Return to Launchsite“ war nur möglich bis zu einer Geschwindigkeit von 2253 m/s. Danach reichte der Treibstoff nicht aus, den Shuttle zu drehen und zum Startplatz zurückzukehren. Das sind über 1000 m/s weniger als die Abtrennungsgeschwindigkeit der Falcon 9.

Das nächste Problem ist es, die Stufe heil herunterzubringen. Bisher klappte das nicht. Es sind nicht die Belastungen, sondern die Verteilung der Kräfte, die von denen beim Aufstieg abweichen. Bei der Ariane 1 wurde das Bergen der ersten Stufe untersucht und nach den Computersimulationen sah es auch gut aus, bis die DLR in einem Hochgeschwindigkeitswindkanal es auch praktisch simulierte und feststellte, dass die Rakete durch die Belastungen leicht anfing sich zu überschlagen, was das Aus für das Vorhaben war

Die Ariane 1 Erststufe bestand aus Edelstahl und war relativ massiv (Voll/Leermasse = 11:1). Die Falcon 9 Erststufe besteht aus einer Aluminium-Lithiumlegierung die sehr leicht ist (Voll/Leermasse = 16:1 bei der Falcon 9 „v1.0“, für die Booster der Heavy werden sogar 30:1 angegeben). Ich halte es für unwahrscheinlich, dass es ohne strukturelle Verstärkung geht. Bei der Baikal die ebenfalls eine wiederverwendbare Stufe einsetzt ist diese um 50% schwerer als die normale Stufe.

Mögliche Umsetzung der Konzepte

Nun kommen wir zur Wasserung / Landung. Da Fallschirme nicht mehr vorgesehen sind, muss die Stufe vor dem Aufschlag abgebremst werden. Da der Schub eines Merlin 1D höher ist als die Leermasse der derzeitigen Stufe (geschätzt auf 25,6 t, Schub reicht aus 46,6 t in der Schwebe zu halten) scheidet eine langsame Abbremsung also ein Sinken mit langsamer Geschwindigkeit aus. Vielmehr wird die am Schluss mit etwa 500-800 km/h (abhängig von Winkel und genauer Form) fallende Stufe kurz über dem Erdboden abrupt abgebremst werden. Das muss so getimed sein, dass sie vor Berührung des Erdbodens eine geringe Geschwindigkeit hat. Zu früh und sie hebt wieder ab, zu spät und sie trifft mit hoher Geschwindigkeit auf. Das ist jedoch technisch kein Problem. Die Brennzeit ist berechenbar wenn man Geschwindigkeit und Höhe kennt. Daten die man durch GPS oder ein Radargerät erhält. Die Versuche mit dem Grasshopper bilden dieses Szenario nicht ab, da dieser so schwer ist, dass die Stufe schweben oder langsam sinken kann. Damit muss er ein Gewicht haben, das in der Größenordnung des schubs liegt, also rund 45 t, was 20 t mehr als derzeit sind.

Bei der Wasserung ist dies alles. Sie hätte eine Nutzlasteinbuße von 15%. Danach kann man die Masse der Stufe bei Abtrennung berechnen. Ich komme wenn sich Elon Musk auf LEO Orbits bezieht auf 42.000 kg und 36.500 kg wenn es GTO Orbits sind (die Differenz kommt dadurch zustande, dass bei höherer Geschwindigkeit die erste Stufe mehr Geschwindigkeit erreichen muss, was ihre Leermasse absenken lässt). Beide sind kleiner als der minimale Schubbereich des Merlin 1D. Das beim Versuch drei Triebwerke zündeten lässt darauf schleißen, das SpaceX die Taktik den Schubimpulses zum rechten Zeitpunkt anstrebt. Der Treibstoffvorrat ist dann auch relativ klein. um 800 km/h auf 0 abzubremsen braucht man beim Impuls nur einen Treibstoffanteil von 7% der Masse, und 800 km/h sind schon ein hoher Schätzwert. Damit erscheint die Wasserung plausibel. Die höhere Masse korrespondiert mit dem was man von der Baikal gegenüber dem Angara URM kennt.

Offen sind natürlich andere Punkte. So müssen vor der Wasserung alle Ventile geschlossen sein, damit die Tanks nicht voll Wasser laufen. Auch dürfen diese nicht beschädigt werden. Meerwasser ist durch den hohen Natriumchloridgehalt sehr korrosiv (als man die Sojus in Französisch Guyana startet waren umfangreiche Investitionen nötig um eine Korrosion der Stufen durch die Luft die ebenfalls Meersalz und Feuchtigkeit enthält zu verhindern). Ob dies negative Auswirkungen auf das Triebwerk hat, das zumindest in der Brennkammer noch mehrere Hundert Grad Celsius heiß ist, werden wohl erst Versuche zeigen.

Schwieriger sieht es bei der Landung auf Land aus. Zwar ist hier der Nutzlastverlust größer (30%), was 49 t (GTO) / 63 t (LEO) Abtrennmasse entsprecht. Damit verringert sich natürlich auch die Geschwindigkeit. Sie sinkt im optimistischeren Fall (LEO) Umlaufbahn um 1000 m/s. So müssen nur noch 1,8 km/s (horizontal, gesamt 2,3 km/s) vernichtet werden und 2,3 km/s aufgebaut werde um den Startort wieder zu erreichen. Geht man von 21 t Treibstoff (Differenz zu 42 t bei der Wasserung) aus, so reicht dies aus die Stufe um 1232 m/s zu beschleunigen. Das reicht nicht aus um zum Startplatz zurückzukehren. Das die Abschätzung des Abtrenngewichtes in der richtigen Größe ist, bestätigt auch Musk in einem Interview mit Popular Mechanics, wo er von Mach 6 (2,1 km/s) anstatt Mach 10 (3,3 km/s) bei der normalen Falcon 9 spricht.

dort angekommen muss man punktgenau landen. Es gibt wenig Spielraum, weil Raketentriebwerke ihren Oxydator mitführen und so viel Treibstoff verbrauchen und ohne Flügel man keinen Auftrieb nutzen kann. Bei nur drei Merlin 1D die arbeiten (siehe Bergungsversuch) ergibt sich ein Treibstoffverbrauch von 706 kg pro Sekunde bei 100 % Schub. Aus diesem Grunde wurden von anderen Organisationen vor allem der Einsatz von Düsen- oder Turbofantriebwerken für die Rückkehr untersucht, die etwa zehnmal weniger Treibstoff brauchen, wenn eine geflügelte Stufe eingesetzt wird. allerdings addieren Flügel und Triebwerke auch Gewicht.

Links:

http://shitelonsays.com/transcript/spacex-press-conference-september-29-2013-2013-09-29
http://www.popularmechanics.com/science/space/rockets/elon-musk-on-spacexs-reusable-rocket-plans-6653023

SpaceX

 

5 thoughts on “Die Falcon 9 Bergung – Teil 1

  1. Bergung und Wiedervewendbarkeit ist ja etwas prinzipiell begrüssenswertes, allerdings steckte bislang immer der Teufel im Detail:
    – Space Shuttle Booster: Der Hauptvorteil von Feststoffraketen ggü Flüssigtreibstoffen liegt darin, dass der Raketenmotor im Prinzip aus einem Stahlrohr besteht (in neueren Ausführungen auch CFK), und somit ohne teure Turbopumpen etc. auskommt. Entsprechend gering ist das Sparpotential, zumal da der Treibstoff oftmals teurer ist!
    – Space Shuttle Orbiter: Die Anforderungen für eine 55-malige Wiederverwendbarkeit waren nicht erfüllbar, aber haben die Kosten enorm in die Höhe getrieben!
    – Energija: Laut einem Artikel, den ich Ende 80er Jahre gelesen habe, wurden die Triebwerke der Energija Rakete als „wiederverwendbar“ bezeichnet, auch wenn das „wie oft“ nicht erwähnt wurde. Dies wurde niemals in der Praxis gezeigt, wäre aber eine Antwort auf die Frage, weshalb die Rakete ein derart ungünstiges Voll/leermasseverhältnis aufweist, verglichen mît Saturn 5 und Space Shuttle)

    Meine Idee dazu wäre (ich habe leider –oder zum Glück — nicht so viel Geld wie Elon Musk und kann daher nicht „meine eigene Firma dazu“ gründen), nur die Triebwerke wieder – oder weiterzuverwenden, indem man die Tanks als Airbag oder Knaurschzone verwendet. Möglicherweise wäre dazu ein Gitterleitwerk oder anderer aerodynascher Widerstand erforderlich, um die Startstufe nach Brennschluss zu stabilisieren, damit sie Kopfüber in die Atmosphäre eintritt.

    Ist dies eine Schnapsidee, oder könnte dies eventuell funktionieren?

  2. Interessante Idee, aber die Umsetzung könnte schwierig werden. Eine Röhre bzw. der Tank ist dann besonders stabil, wenn er an den Enden verschlossen ist. Beim Aufprall wird aber das eine Ende als erstes zerstört, wodurch auch der restliche Tank schnell kollabieren könnte. Zudem entweicht der Innendruck, der den Tank mit stabilisiert. Wenn man Pech hat, dann ist auf Höhe der Triebwerke/des Schubgerüsts noch nicht alle Geschwindigkeit abgebaut und sie gehen kaputt. Wenn man aber Schubgerüst und Treibwerke schockfest baut, sollte das Problem u lösen sein.

  3. Ich hatte die Idee so verstanden, dass der Tank zur finalen Abbremsung bei einer Fallschirmlandung dienen soll. Wenn der Fallschirm bei den Triebwerken befestigt ist, so kann der Tank schon als erstes aufschlagen.

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