Die Falcon 9 Bergung Teil 2

So, wie versprochen heute der zweite Teil über die Bergung und Wiederverwendung der Falcon 9. Morgen gehts dann weiter mit den SSME (über die es weitaus mehr Informationen als über alle Projekte von SpaceX gibt. Na ja die NASA, Rocketdyne und Boeing haben auch nichts zu verbergen.

Bergung der zweiten Stufe

In einem späteren Ausbau soll die zweite Stufe auch geborgen werden. Hier ist das Flugprofil ein anderes. Diese Stufe braucht selbst für eine Landung auf dem Land nur wenig Treibstoff. Sie braucht nur so viel um den Orbit abzubremsen und wieder in die Atmosphäre einzutreten. Diesen Eintritt muss sie ohne größere Übertragung von Hitze und Druck überstehen. Sie landet dann wie die erste Stufe auf Landebeinen nahe des Startortes.

Doch es gibt hier andere Probleme. Das erste ist das sich die Erde unter dem Orbit dreht. In Vielfachen von 12 Stunden (der Orbit führt ja einmal um die Erde herum, das bedeutet er kreuzt z.B. beim Start den 0 und 180 Längengrad bei einem Umlauf. Nach 12 Stunden hat sich die Erde um die Hälfte einer 460 Grad Drehung gedreht und der 180 Längengrad liegt unter dem Orbit, der raumfest ist) passiert die Stufe den Startort. Das bedeutet dass der Treibstoff über 12 Stunden nicht verdampft, was vor allem beim flüchtigen Sauerstoff ein Problem ist. Das macht eine Isolierung der Stufe nötig. Elon Musk spricht sogar von 24 Stunden bis zur Rückkehr. Während erdnahe Bahnen so beschaffen sind, dass der erdnächste Punkt so liegt dass man dann abbremsen kann ist dies bei GTO-Bahnen nicht der Fall. Hier beträgt die Umlaufdauer 10 h 30 Minuten. Nach 21 Stunden sind also zwei Bahnen durchlaufen. Die 3 Stunden Unterschied bedeuten entweder, dass die Abbremsung erst in 19.000 km Höhe erfolgt, was sehr viel Treibstoff kostet oder die Landung 3 Stunden (nach zwei Umläufen) bzw. eineinhalb Stunden (bei einem Durchlauf) vor Erreichen des optimalen Zeitpunktes erfolgen muss. Bei einer Neigung von 27 Grad wie sie GTO-Bahnen vom Cape aus haben, entspricht dies einem Landeort 2230 km westlich von Cape Canaveral oder 4460 km westlich. Das sind 22,5 bzw. 45 Längengrade. Der erste Ort liegt über Mexiko, südlich von Tucson Arizona, das erreichbar scheint, doch dazu müsste die Inklination um 5,5 Grad erhöht werden oder die Stufe die Fähigkeit haben rund 500 km in der Atmosphäre zu gleiten. Das erste kostet Treibstoff (über 150 m/s Geschwindigkeitsänderung wenn dies im Apogäum erfolgt), das zweite macht Flügel nötig. Der zweite Punkt liegt mitten auf dem Pazifik, etwa zwei Drittel der Distanz zwischen der kalifornischen Küste und Hawaii.

In sonnensynchronen Bahnen muss man mehr Abbremsen, als bei geostationären und LEO Bahnen, da das Perigäum höher liegt. Bei einem niedrigen Perigäum in 200 km Höhe wie bei einer ISS-Transferbahn oder GTO Bahn muss die Geschwindigkeit um 150 m/s erniedrigt werden, bei einer  200 x 400 km ISS Transferbahn sind es 80 m/s, bei einer 800 km hohen SSO Bahn aber 700 m/s.

Dazu kommt der Hitzeschutzschild. Sinnvollerweise wird man nicht die ganze Stufe damit belegen. Videos zeigen, dass nur das der Bug belegt ist, also dort wo der Adapter zum Satelliten ist (der natürlich vorher abgetrennt werden muss. Da der Schwerpunkt bei den Triebwerken liegt wird man die Stufe aber während des Abstiegs stabilisieren müssen, damit sie sich nicht dreht, was weiteren Treibstoff kostet. Basierend auf dem Hitzeschutzschild von Curiosity, der aus demselben Material PICA (von der NASA entwickelt) besteht und der Eintrittsgeschwindigkeit sollte der Hitzeschutzschild etwa 380 kg Masse addieren, was recht wenig ist, das lässt es zu auch noch einen Teil hinter dem Heck zu isolieren zu dem auch Plasma gelangen kann. Vermieden muss ein Erhitzen des Sauerstoffs, der schob bei -183°C siedet und in den gasförmigen Zustand übergeht.

Nach der Abbremsung ähnelt die Landung der Erststufe, mit dem kleinen Unterschied, dass das Schub/Gewichtsverhältnis noch ungünstiger ist. Das bedeutet der Impuls ist noch stärker. Selbst bei er einer sehr schweren Oberstufe wird der Schub des Triebwerks mindestens eine Beschleunigung von 50 m/s ergeben. Man muss also noch mehr als bei der erststufe auf dem Punkt abbremsen. Eine Zehntelsekunde zu spät und die Stufe landet mit 18 km/h zu hoher Geschwindigkeit (entspricht einem Fall aus 1,25 m Höhe), eine Zehntelsekunde zu früh und die Stufe erreicht nur 5 m Höhe und hebt dann wieder ab.

Gemäß Elon Musk soll die Bergung der zweiten Stufe weitere 10% Nutzlast kosten (40%), das ist allerdings ein Wert ohne Nutzlastangabe. Da die Oberstufe mit in den Orbit gelangt und der Treibstoffbedarf wie oben erläutert vom Orbit abhängig ist. Es ist anzunehmen, dass dies der Wert für einen LEO ist. Das entspricht 1315 kg Zusatzmasse. Bei polaren Orbits dürften es schon weitere 1300 kg sein wegen des höheren Treibstoffverbrauchs. Gelichzeitig sinkt die Nutzlast für polare Orbits ab und dürfte bei der nicht wiederverwendbaren Version nur noch 9000 kg betragen. Das bedeutet sie sinkt hier um insgesamt 2600 kg oder 19% ab. Bei GTO Bahnen braucht man nur wenig mehr Treibstoff, etwa 150 kg. Doch da hier die „normale“ Nutzlast nur 4850 kg beträgt wäre hier eine Einbuße von 1450 kg schon 30% weniger Nutzlast. Entscheidender ist, dass es kaum noch so leichte Satelliten (3,4 t) mehr gibt. Daher dürfte die Option der Bergung der Zweitstufe eher sinn bei der Falcon Heavy machen.

Da irhe Kosten nur weniger als 25% der Rakete betragen, zum Nutzlastverlust auch Kosten für den Hitzeschutzschild, Bergung und Inspektion / Erneuerung von Teilen kommen, ist der wirtschaftliche Nutzen eher zweifelhaft.

Grasshopper

Grasshopper wird in zwei Stufen die Bergung erproben. In der derzeitigen Form (Grasshopper 1.0) verwendet er nicht mal das Merkin 1D Triebwerk und die verlängerte Stufe. Hier ist die Treibstoffzuladung so gewählt, dass bei Schubreduktion ein Schub/Gewichtsverhältnis von 1 unterschreitet. Das ist bei der Stufe nicht so, dort wird es immer größer als 1 sein. Damit ähnelt die Landung von Grasshopper 1.0 nicht sehr der späteren Landung.

Das senkrechte Aufsteigen und Schweben ist zwar schön anzusehen und spektakulär, aber technisch sehr einfach zu realisieren. Für eine weiche Landung braucht man nur Daten über Höhe und Geschwindigkeit. Wenn man aus der Luft kommt können diese Daten Radar und Beschleunigungsmesser liefern. Eine moderne Variante wäre GPS, das Geschwindigkeits und Höhendaten liefert. Wenn man wie Grasshopper vom Boden startet braucht man nur Beschleunigungsmesser, da man über die Integration der Beschleunigung die Höhe ermitteln kann.  Das sinken mit einer konstanten Geschwindigkeit erfolgt nun so, dass man den Schub einfach so über eine Feedbacksteuerung steuert, dass die Beschleunigung auf einen festgelegten konstanten Wert abnimmt. Das Schweben das die Beschleunigung 0 beträgt. Dazu braucht man keine ausgeklügelte Tehnik, dieses Prinzip setzten schon die Surveyor Mondsonden, die beiden Viking Lander, Phoenix und Curiosity ein. Die Surveyors starteten 1967 und bewerkstelligten das mit einfachen analoigen Feedbacksystemen.

Grasshoper 1.1 soll dann die derzeitige Erststufe einsetzen und vom SpacePort in USA der Mohave Wüste starten. Erst er wird realitätsnah die Manöver erproben und dazu auch bis in 90 km Höhe aufsteigen. Dazu gehört auch dass er nicht senkrecht aufsteigt und landet sondern auch die Neigung und vertikale Bewegung erprobt. Eine der Herausforderungen ist auch, dass die Steuerung viel feiner sein muss. Die Falcon 9 Erststufe wird bei der nicht wiederverwendbaren Version zum Brennschluss noch etwa 130 t Masse beschleunigen, bei der Landung sind es weniger als 40 t, alle Steuerbewegungen wirken sich also dreimal stärker aus und beim Flug ist keine Punktlandung gefrpdert und der Schwerpunkt liegt höher, da immer eine vollbetankte Oberstufe auf der Erststufe sitzt. Er wird wenn er Erfolg hat größere Teile des Konzepts unter realen Bedingungen erproben.

Resümee

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Wasserung technisch umsetzbar wäre, im Detail hängt das natürlich von dem Aufbau der Stufe, den anliegenden Kräften und den Belastungsgrenzen ab. Die Frage ist nur, ob es sich finanziell lohnt. Nach Musks Angaben korrespondiert dies mit einer Kostenreduktion von 25%. Zieht man die 15% Nutzlasteinbuße ab, so sind es 10% – aber nur im Mittel. Denn 15% weniger Nutzlast senkt die GTO Nutzlast auf 4,1 t ab, was den Kreis der Nutzlasten noch weiter einschränkt. Wenn sich die Angabe auf LEO bezieht, so wären es im GTO sogar nur 3,8 t. Man wird also darauf verzichten, wenn die Nutzlast zu schwer ist, was in vielen Fällen der Fall sein dürfte. Selbst wenn nicht. so ist nicht gesagt, dass sie klappt. Wenn sie klappt, hat man dann 10% der Kosten der Rakete zurückgewonnen, wenn der Kunde vom Preisnachlas partizipiert, sonst 25%.

Ob die Landung am Land möglich ist, ist unwahrscheinlicher. Der Aufwand ist höher, das Risiko größer und nach dem was die Stufe bei der Abtrennung bei 30% Nutzlasteinbuße wiegen darf erscheinen die Treibstoffvorräte zu klein. Es gibt auch keinen Spielraum für Abweichungen vom Landeplatz, der bei der Wasserung unkritisch ist. Landeellipsen für die Shuttle SRB waren 9,63 x 14,44 km groß. In diesem Gebiet gingen sie mit 99% Wahrscheinlichkeit nieder. Das bedeutet, das System muss fähig sein mit einer starken Abweichung von der Sollposition zurechtzukommen und trotzdem eine kleine Landeplattform nach einem Flug von über 1000 km zu treffen.

Wie immer bei SpaceX ist dies mangels genauer Daten reine Spekulation. Daran hat sich leider nicht viel geändert. So habe ich gestern versucht aus den Zeichnungen auf der Website die Abmessungen der Stufen zu rekonstruieren und komme auf unterschiedliche Längen bei Falcon 9 und Falcon Heavy. Die Trockenmassen sind nach wie vor unbekannt und natürlich auch wie das ganze ablaufen soll.

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

11 thoughts on “Die Falcon 9 Bergung Teil 2

  1. Bei GTO-Missionen kommt bezüglich der Bergung der Oberstufe noch erschwerend hinzu, dass in den meisten Fällen die Satelliten-Betreiber einen energetisch „Ariane-kompatiblen“ Orbit wünschen werden, bei dem die Inklination stark reduziert und/oder das Perigäum angehoben ist. Beides erhöht aber die zum Wiedereintritt und zur weichen Landung am Ausgangsort nötige Treibstoffmasse deutlich. Da die Eintrittsgeschwindigkeit höher ist, wird bei GTO-Missionen auch ein stärkerer Hitzeschutzschild als z.B. auf einer ISS-Transferbahn benötigt. Zudem gibt es bei ISS-Flügen die smarte Möglichkeit, „Dragon“ auf einer Bahn mit einem sehr niedrigen Perigäum (z.B. 120 km) auszusetzen, so dass die Oberstufe nur minimal abbremsen muss, um wiedereinzutreten. Im Gegenzug muss „Dragon“ natürlich schon kurz nach dem Start sein Orbit stabilisieren. Und die Oberstufe kommt damit natürlich nicht exakt zum Startplatz zurück, sondern muss woanders landen.

    Kai

  2. Ich zweifele ja auch an der Wirtschaftlichkeit dieses ganzen Wiederverwendungsgedönses.
    Der hauptkostenfaktor ist und bleibt die Qualitätskontrolle. Ist ja nicht so, dass man die gelandete Stufe wieder betankt und dann gleich wieder losfliegt…. ich habe gewisse Zweifel, ob eine bereits belastete Stufe nicht sogar mehr Qualitätschecks benötigen würde als eine neue Stufe, insbesondere die Triebwerke. Das Merlin D ist ja anscheinend ein ziemlich hochgezüchtetes Produkt mit seitens von Space X eingestandener relativ geringer Haltbarkeit.
    Eine weitere Frage, die sich mir so stellt: Wie ist es eigentlich um die Qualitätskontrolle bei space-X generell bestellt.
    Von 6 Falcon 9 Starts hatten 4 Probleme:
    1. Start: Rotation am Starttisch um 90°, Torkeln der Oberstufe
    2. Start: Oxygen-Rich Shutdown von Triebwerken (wurde lange heruntergespielt)
    4. Start: Triebwerk zerbröselt.
    6. Start: Oberstufe Fehlfunktion bei Wiederzündung

    Space-X scheint nach dem Kölner Motto zu fliegen: Es is noch allwei jot jejange…
    aber diese „Anomalien“ sind immer ein Zeichen dafür, dass etwas nicht in Ordnung ist. Die unterschiedlichen Ursachen sind für mich ein Anzeichen für mangelhafte Qualitätskontrolle. Den Versicherern dürften jedenfalls die „Anomalien“ zusammen mit der unzureichenden Transparenz von Space X gar nicht gefallen. Hinzu kommt, dass drei der 4 Ausfälle eine GTO Mission gefährdet bzw Unmöglich gemacht hätten. (dann würde die Erfolgsbilanz etwas anders aussehen)
    Aber anstelle dass Space X manpower in das (unglamoröse) Geschäft der Qualitatssicherung steckt, wird mit dem Grashopper und anderem Zeugs an der Widerverwertbarkeit rumgespielt. Ist natürlich vom PR Standpunkt besser…
    Aber irgenwann wird halt die Werbung mit der Realität zusammenknallen…

    Mike

  3. Zum GTO: SpaceX bietet keinen ariane 5 kompatiblen GTO an. Das würde eine weitere Zündung nach mehr als 5 stunden erfordern, dann ist der Treibstoff wahrscheinlich schon verdampft. Wenn man das berücksichtigt kann man übrigens noch mal 500 kg von den 4850 kg abziehen – das macht der Mehrverbrauch an Treibstoff und die Tanks aus.

    Zu der Qualitätssicherung: Das wird allen am Wochenende deutlicher wenn ich eine tabelle mit den Qualfikationstest von Triebwerken veröffentliche, bei denen auch die Merlins enthalten sind.

    Musk will ja nach eigenen Aussagen nicht an die Börse gehen, weil er sonst wirtschaftliche Entscheidungen treffen muss, die seine Marspläne verhindern würden.

  4. Eine imo. gute kritische Zusammenfassung der Wiederverwertungsthematik.

    Die SpaceX Jünger werden währendessen immer aggressiver und nerviger. Kritische Meinungen werden nicht nur in deutschsprachigen Foren immer häufiger niedergemacht und das Überschwappen von SpaceX in Themen, die ansich nichts mit der Firma zu tun haben meheren sich auch vermehrt.

  5. Um mal bei der Realität zu bleiben: Bis Heute hat Spacex große Probleme, daß ihre Triebwerke auch nur einen Start überstehen. Da von Wiederverwendung zu sprechen, ist reine Traumtänzerei. Das Teuerste an einer Raketenstufe sind nun mal die Triebwerke, und was soll eine Wiederverwendung, wenn man ausgerechnet die nicht wiederverwenden kann?

  6. @Vineyard: Ich schau nicht in Foren nach. Man kann viel Zeit vergeuden und bekommt doch nur Meinungen. Die Identität der Leute ist nicht nachprüfbar und deren Qualifikation auch. Ich muss nur mal dran denken, dass ich mal vor Jahren drauf hingewiesen habe, dass veröffentlichte Daten zu Schub Brennzeit und spezifischem Impuls nicht zusammenpassen und dann hat man in einem der Foren den Treibstoff der ersten Stufe mit dem spezifischen Impuls der zweiten gerechnet, alle haben gejubelt und keiner den Fehler bemerkt.

    Aber wenn es Jünger sind, sollte ich vielleicht meine Bezeichnung für Musk ändern bisher ist er ja der „große Vorsitzende“ in Anlehnung an die Informationspolitik wie sehr an kommunistische Zeiten erinnert so in der Art „Die vollautomatische Sonde Cassiope hat mit dem Trägersystem Falcon einen Orbit erreicht und ihre Mission abgeschlossen. Dies ist ein weiterer Triumpf der privaten raumfahrt unter der Leitung von Genosse Musk. „. Muss ich nun vom Messias sprechen,der alle in das gelobte Land sprich auf den Mars führt? Ich hoffe Jesus hat aber bei der Bergpredigt nicht so viel gestottert.

    @Elendsoft. einfach mal in die heutige Tabelle reinschauen und die Tests und Testdauer mit anderen Triebwerken vergleichen … Zu sagen wäre, das man bei 9 Triebwerken eher ein zuverlässigeres (und besser getestetes) braucht als bei einem, weil ein Ausfall dann neunmal wahrscheinlicher ist.

  7. So lange bis der Firmenwert genügend hoch gechaukelt wird, SpaceX an die Börse geht und Kasse macht. Man sollte man überlegen, dass der Wert von SpaceX inzwischen auf 5 Milliarden Dollar geschätzt wird. Das deckt sich nicht mal mit den Aufträgen (29 Starts und 10 für die NASA, zwei zur ISS sind ja schon erfolgt). Das wären rund 3,2 Milliarden und das sind ja Umsatz nicht Reingewinn.

    Die NASA kann auf Spacex verzichten, Orbital kann ohne Probleme die Flüge übernehmen, transportier pro flug ja auch doppelt so viel Nutzlast wie SpaceX und an sonstigen Missionen hat man nur Jason-3 gebucht, der ohne Problem mit einer Taurus starten kann (oder als internationale Projekt mit einer Vega) und DSQ lagert schon seit 10 Jahren, da machen ihm ein paar Jährchen mehr auch nichts aus.

    Ich glaube nicht das die NASA einspringt wenn SpaceX Finanzprobleme hat. Dafür hat die Organisation schon genug mit einem real sinkenden Budget und teuren neuen Aufgaben (SLS) zu kämpfen.

  8. Die Foren in denen sich Space-X Fanatiker tummeln sind wirklich keine Freude mehr. Sowas unausgeglichenes, unfaires und aggresives Verhalten hab ich selten erlebt.

    Schönes Beispiel aus der jüngeren Vergangenheit: Arianespace stellt beim letzten Launch nur einen Livestream einer einzigen Kamera (vom Boden), und das noch nichtmal in HD zur Verfügung. Wird als armselig und fast schon als Frechheit tituliert. Die Bilder einer zweiten Kamera kommen nicht zusätzlich live, sondern paar Tage nach dem Start. Das zählt als „Feigheit vor dem Feind“, da man ja was zu verbergen und große Angst vor einem Fehlschlag hätte.
    Daß Space-X nur zensierte Kamerabilder, ohne jegliche Telemetriedaten hat, die versprochene Aufzeichnung der Rückführung der 1. Stufe bis heute nicht zu sehen ist, keinerlei Information wo denn jetzt der Cassiope und die anderen Payloads geblieben sind, was mit der zweiten Stufe passiert ist, interessiert keinen Menschen. Fragen in diese Richtung werden niedergebrüllt, lächerlich gemacht, als unwichtig abgetan, denn das hat man alles hinter sich gelassen und arbeitet Volldampf voraus auf die nächsten Meilensteine hin.

    Der Gipfel der Lächerlichkeit war dann die Behauptung, Space-X *dürfe* ja gar keine Daten und Informationen bereitstellen, da (a) das Geschäftsgeheimnisse seien, (b) es unpatriotisch sei diese online zu stellen, wo sie China, Rußland und Nord-Korea ablesen könnten und (c) verstieße das gegen ITAR. Dann wurde der Thread gelöscht 🙂

    Ich kenne wirklich keine Fangemeinde irgendwo auf der Welt, die sich von ihrem Idol derart versch**ssern läßt, das auch noch gut findet und aufs letzte verteidigt.

    Eigentlich schade, in ihren Anfangstagen fand ich Space-X ganz gut, mutig und interessant. Leider sind sie und ihre Jünger mittlerweile eine aufgeblähte, größenwahnsinnige, eingebildete Karikatur ihres ursprünglichen Selbst geworden.

  9. Da kann man nur noch mit einer Verschwörungstheorie kontern: Elon Musk erhält Geld von den Russen, um die amerikanische Raumfahrt lächerlich zu machen. Voll nach dem Prinzip wenn man selbst nichts packt, muß man wenigstens die Konkurrenz schlecht machen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.