Die GTO Nutzlast der Falcon 9

Nun steht ja mit einwöchiger Verspätung der Start von SES 8 an. An dieser Stelle daher zuerst noch eine Nachlese zu dem letzten Start. Genaueres von der Erststufe und ob man was geborgen hat und wenn ja wie viel und wie ganz gibt es nicht, geschweige den Bilder. Die gibt es nur im Erfolgsfall. Immerhin hat SpaceX nun eine Erklärung für das ausbleibende Zünden des Merlin im Vakuum präsentiert worden. Der Treibstoff (Kerosin) sei in den Leitungen zumindest teilweise festgefroren und das hat das Abschalten verursacht. Die Ursache ist der kalte Sauerstoff der zum Unterkühlen der Leitungen geführt hat. Das wäre am Boden durch die wärmende Atmosphäre nicht vorgekommen. Nun wolle man isolieren.

Andere Raumfahrtfirmen isolieren immer ihre Leitungen, auch für am Boden gezündete Stufen, schließlich müssen die Leitungen an der Außenseite oder durch einen Tank geführt werden und die Flüssigkeit darin ist dann immer zu kalt oder zu warm je nachdem wie man die Tanks angeordnet hat.

Etwas mysteriös bleiben auch die 12 Objekte neben der Stufe in der Umlaufbahn. Das soll Isolationsmaterial sein. Die Frage ist, warum Isolationsmaterial erst im Orbit freigesetzt wird (gibt es bei keiner anderen mir bekannten Stufe) und ob das freigesetzte Isolationsmaterial nicht ursächlich mit einer nicht wiederzündenden Stufe, die nicht isoliert ist, zusammenhängt. Da einige Teile schon wieder verglüht sind müssen sie ein relativ hohes Flächen/Gewichtsverhältnis haben. Von den freigesetzten Nutzlasten, besonders von Cassiope hat man seitdem nichts mehr gehört.

Nett ist auch das im aktuellen Launchkit die Brennzeiten nur in Minuten angegeben sind. Ach das erinnert mich doch an CRS-2. Nachdem im Launchkit von CRS-1 die Brennzeit auf die Sekunde genau war ein ein Triebwerk ausfiel, hat man beim CRS-2 einfach die Brennzeit nur noch in Minuten angegeben. Egal wie man zu SpaceX steht, sie haben definitiv den höchsten Unterhaltungsfaktor in der Raumfahrtindustrie.

Doch kommen wir zum heutigen Hauptthema, der GTO-Nutzlast der Falcon 9, und zwar diesmal auf Basis der offiziellen Werte. Sie nach der Website beträgt 4.850 kg. Doch das ist die Nutzlast in einen Standard GTO mit einer Bahnneigung von 28,8 Grad. Relevant ist aber heute die GTO-Nutzlast mit 0 Grad Inklination. Diese bieten Arianespace und Sealaunch aufgrund geographischer Vorteile, ILS gibt sich mit komplizierten Korrekturen Mühe diesen „Ariane-kompatiblen“ GTO zu erreichen. Für einen Satellitenbetreiber ist das nicht unwichtig, denn der Geschwindigkeitsunterschied zu einem GTO mit einer Bahnneigung von 28,8 Grad (Cape Canaveral ohne Inklinationsabbau) beträgt über 370 m/s, was bei einem Typischen Energieaufwand für das Station-Keeping, also Beibehaltung der Orbit-Position von 50 m/s rund 7 Jahren Betriebsdauer entspricht.

SES-8 wiegt nach dem offiziellen Launchkit  3.138 kg, also weitaus weniger als die maximale Nutzlast von 4.850 kg. Trotzdem hat sich SES alle Reserven zusichern lassen, einen Bergungsversuch wird es also nicht geben. Das verwundert doch, ist die Nutzlast nicht mal 2/3 der angegebenen Maximalnutzlast. Nun der Orbit liefert einen Aufschluss: Es wird ein 295 x 80.000 x 20,75 Grad GTO sein. Die Falcon 9 wird erst mal eine Parkbahn einschlagen und nach 26 Minuten wird bei einer zweiten Zündung dann das Apogäum angehoben und die Inklination abgesenkt. Etwas verwirrt hat mich das relativ hohe Perigäum. Energetisch sinnvoll ist ein niedriges Perigäum. Manche Träger erreichen nur hohe Perigäen, vor allem wenn die Stufen lange Brennzeiten haben wie dies bei der Ariane 5 ES der Fall war, aber auch bei der Delta 2. Die Falcon 9 hätte ich da nicht einsortiert. Aber das könnte eine Erklärung sein. Ein zweite Grund kann das Anheben des Perigäums durch eine lange Betriebszeit der Oberstufe sein, doch angesichts deren hohen Schubs sollte auch das nicht vorkommen.

Energetisch hat ein Satellit auf diesem Orbit eine Geschwindigkeit von 10.531,3 m/s. Die Inklinationsänderung, die parallel durchgeführt wird, addiert weitere Geschwindigkeit. Ausgehend von einer 295 km Kreisbahn sind dies 3056 m/s. Ein GTO-Orbit ohne Inklinationsabbau hat nur ein ΔV von 2427,3 m/s. Das sind also 628 m/s mehr. Er ist mit einem Geschwindigkeitsbedarf für den Satelliten um den GEO zu erreichen von 1511,1 m/s, vergleichbar mit dem Energiebedarf denn ein Satellit mit einer Inklination von 9,3 Grad haben würde. Bei der bisherigen Rekordnutzlast der Ariane 5 V212 mit 10317 kg lag er mit 1490,5 m/s Differenz nochmals etwas niedriger. Die meisten Ariane 5 Orbits sind bei kleinerer Nutzlast sogar noch besser (kleinere Inklination).

Die Frage ist: hat die Falcon 9 noch Reserven zusätzlich zu SES-8? Da man nun Schub, spezifischen Impuls und Brennzeit der Oberstufe (801 kN,375 s 342s*g) kennt kann man deren Treibstoff zu 89.530 kg berechnen. Setzt man eine realistische Trockenmasse von 5 t an, so bedeuten die 628,7 m/s mehr eine Reduktion der Nutzlast von 4,85 auf 3.167 t, sofern die Leistung nur von der Oberstufe aufgebracht wird (eine bei nur 1,5 t geringerer Startmasse, nicht mal 0,3%, realistische Annahme). Das ist verdammt nah an den 3,138 t von SES-8.

Warum die starke Abnahme? Nun es ist die Kombination eines mittelenergetischen Treibstoffes (Nutzlast nimmt bei höheren Geschwindigkeiten schneller ab, als bei einer hochenergetischen Kombination) und einer nur zweistufigen Rakete. Da die Gesamtnutzlast für den Orbit aus der Leermasse und dem Satelliten besteht und nur der letztere leichter werden kann, nimmt die Nutzlast für SSGTO rasch ab. Hier machen 628 m/s eine Reduktion von 9.850 auf 8.167 Gesamtnutzlast also 17%. Der Satellit wird aber um 24,3% leichter. Rechnet man extrem leichte 4 t als Leermasse, so wird’s etwas besser (3.39 t),

Was folgt daraus? Nun primär das in der derzeitigen Version die Falcon 9 nicht die große Konkurrenz ist, als die sie SpaceX anpreist. Sie kann nur leichte Satelliten starten und inzwischen kann auch die Proton zwei 3 t Satelliten zusammen starten. Dann fällt der Preisvorteil weg (für die Proton wurden bei den letzten Starts 104 bis 120 Millionen Dollar genannt, halbiert ist das genauso viel wie die Falcon 9 kostet). Die zweite Möglichkeit ist das ein Anbieter sich darauf einlasst. Das er freiwillig die Lebensdauer seines Satelliten halbiert wird wohl nicht vorkommen, also wird er wohl die Treibstofftanks vergrößern. Das wäre auch der technisch bessere Weg. Wenn der Satellit im Apogäum die Inklination abbaut, so kostet ihn das weitaus weniger Treibstoff als die Rakete. Damit könnte man 4,4+ t in einen Ariane 5 kompatiblen Orbit bringen.

Eine Nachlese zum Starts wird es erst in einigen Tagen geben. Ich habe ab Mittwoch wieder bei einem Kunden zu tun, und da der Termin schon längere Zeit grob feststand (hat sich nochmals um zwei Tage verschoben) füllen den Michael K und Niels, die wie ich sehe schon Blogs für die ganze Woche online gestellt haben. So könnte das dauernd sein….

23 thoughts on “Die GTO Nutzlast der Falcon 9

  1. Man sollte meinen, dass ein Satellitenbetreiber, das Risiko eines Fehlstarts gering halten will. Schließlich verdient ein Satellit erst dann Geld, wenn er in der gewünschten Umlaufbahn angekommen ist. Noch schwerer dürfte das Risiko auf der Versicherung lasten, die im Verlustfall den Schaden ersetzen muss. Doch deren Gebühren dürften bei einem Neueinsteiger wie space-X wohl auch entsprechend hoch sein. Also gibt es einen Grund, hier der erste sein zu wollen? Ein Preisnachlass allein wäre wohl ein zweifelhaftes Argument.

  2. Also dass SES einen ziemlichen Rabatt bekommt ist relativ klar. Die Motivation dürfte es sein, den Markt zu beleben, so nach dem Motto: wenn ein neuer Anbieter da ist sinken die Preise. Das kommt in diesem Bericht auch relativ gut raus:
    http://www.spacenews.com/article/launch-report/38325spacex-customer-ses-gung-ho-on-eve-of-falcons-maiden-commercial-satellite
    Bei der Versicherung gab es anfangs Bedenken, weil die Wiederzündung beim Jungfernflug nicht klappte. Seitdem gab es keine weiteren Aussagen seitens der Versicherung. SES scheint durch Einsicht in die Unterlagen überzeugt zu sein, dass der Fehler nicht mehr vorkommt.
    Davon unberührt ist aber das bisher bei fast (mit einer Ausnahme: COTS 2/3) jedem SpaceX Flug etwas nicht richtig funktionierte oder die Orbitparameter stark abwichen. In Insiderkreisen wird spekuliert, das SES mit einem für das Unternehmen nicht so wertvollen Satelliten (SES-8 ist eher klein und mit 200 Millionen Dollar inklusive Start versicherter summe auch recht preisweert) einfach mal „experimentiert“.

  3. Einmal Probleme mit einem Sauerstoffventil, zweimal ist der Computer gar nicht hochgefahren. Wusste icht das die so schlaue Computer haben, dass sie gar nicht erst starten wollen….
    Nun worken sie auf der „anomaly“. Frühester nächster Starttermin am Donnerstag.

    Nett ist auch die SpaceX Paranoia: der Webcast war um 30 s zeit verzögert, dann kann man bei explodierenden Triebwerken mal schnell die Kamera wechseln…. Ist fast wie in China oder beim Besuch von Schmidt in der DDR.

  4. Zu dem 295 km Perigäum: So genau, wie SpaceX bisher die Orbits getroffen hat, würde ich auch ein paar Dutzend Kilometer zwischen einem vernünftigen Minimum, mit dem man im Fall eines gestrandeten Satelliten noch planen kann, ohne, dass der Satellit gleich wieder verglüht (also 250 km) und der Vorgabe an SpaceX (hier nun 295 km) arbeiten 😉

    Eingefrorener Treibstoff ist schon ein dummer Fehler, war wohl deren erster Flug mit Wiederstart nach einer längeren Freiflugphase. Das Problem kann man natürlich auch anders herum haben, der Sauerstoff darf auch nicht zu schnell verdampfen. Aber so arbeitet SpaceX hoffentlich einen dummen Fehler nach dem anderen ab und hat dann irgendwann einen verlässlichen Launcher.

    Bernds Rechnung bezüglich der tatsächlichen Nutzlasten sind interessant. Für GTO-Missionen wäre es also extrem nützlich, eine dritte Stufe zu haben, ob nun Booster beim Start (die „Falcon Heavy“ lässt grüßen) oder so was die Centaur als eigene Oberstufe. Die Centaur in der Version für die Delta 3 (19 t Vollmasse, 2,5 t leer) würde sicher gut passen und die GTO-Kapazität aufgrund der geringeren Leermasse der obersten Stufe und aufgrund des energetischeren Treibstoffs erheblich steigern, und die SSGTO-Kapazitäten erst recht. Das gilt selbst dann, wenn man die Unterstufe nicht mehr ganz voll betankt. Nur die Planungen, mittelfristig die ganze Rakete wiederzuverwenden, sind dann für die Katz‘, da zumindest die dann mittlere Stufe keinen Orbit mehr erreicht und nach Brennschluss relativ schnell wiedereintritt.

    Kai

  5. Es scheinen nicht die Computer gewesen zu sein. Ich bin nur drauf gekommen weil in dem Audiostream zu hören war „flight computer did not startet“. Es scheinen aber drei verschiedene Gründe, der letze schwankende Temperaturangaben im lox tank gewesen zu sein. Das alles erfährt man natürlich nicht von der spaceX Website, dort steht nur
    „Scrubbed for today, Falcon 9’s next launch attempt targeting Thursday 5:38pm EST“
    und beim Video war auch nur von „Anomaly“ die Rede (von was auch sonst?).
    SpaceX verbreitet diese Nachrichten über Twittermeldungen vom Chef oder Mails an handverlesene Journalisten.
    Derweil hat sich Musk drüber aufgeregt, dass er am Dienstag und Mittwoch nicht starten dürfte, weil die FAA wegen des hohen Flugverkehrs vor Thanksgiving den Luftraum nicht freigab. Als ob er da alleine wäre. Nur einmal, 1959 startete vom Cape um Thanksgiving eine Rakete.

    Hätte die Rakete nicht drei Fehler in einem Countdown, dann müsste er sich nicht aufregen, also umgekehrt wird ein Schuh drauss

    Inzwischen urde er erneut auf unbestimmte Zeit verschoben, weil die Triebwerke zu langsam Schub aufbauten.

  6. Tja, gestern wars ja knapp, Triebwerke zündeten, wurden aber bei T 2 Sec wieder abgeschalten bevor die Rakete sich bewegt. Es gab dann nochmal einen Countdown, der wurde aber bei T-48 sec gestoppt.

    Laut den Kommentatoren von SpaceX bei deren livecast ist es übrigens als Erfolg zu verbuchen das die Sicherheitssysteme immer funktionierten und jetzt nach immerhin schon fünf Abbrüchen die Rakete und die Nutzlast immer noch heile ist…

  7. @Gerry. Das liegt ja daran, daß die Falcon eben ein Arbeitspferd ist, und kein hochgezüchteter Gaul, wie alle anderen Raketen. Die hält sowas eben spielend aus 🙂

  8. Heute Abend will mans wieder versuchen. An den zwei Startversuchstagen bisher gab es insgesamt schon fünf abgebrochene Countdowns, wobei einmal sogar schon die Triebwerke zündeten. Spannung pur…

    @Anja
    Ein Arbeitspferd was momentan aber etwas lähmt 😉

    @Bernd
    So hat man seitens SpaceX genug Zeit zu reagieren sollte es doch noch knallen oder ne andere Anomalie auftreten. Damit nicht erst nachträglich das Youtubevideo bearbeitet werden muss wie damals bei CRS-1….

    Aber ich drück ihnen jetzt schon die Daumen das es heute endlich klappt, waren nun schon genug Verzögerungen und Abbrüche.

  9. Laut „http://spacelivecast.de/“ startet die Falcon 9 am Dienstag, den 3.12. um 23:15 Uhr.
    Und wenn es (wieder) nicht klappt, dann eben an einem anderen Tag.

  10. Jetzt ist SES-8 endlich oben. Scheint diesmal problemlos geklappt zu haben. Thaicom wartet auch schon am Cape, bin gespannt ob der auch noch dieses Jahr rausgeht, ich glaub eher nicht.

  11. Nach wie vor kann ich nicht ganz verstehen, weshalb ein bahnhöchster Punkt von 80.000 km angestrebt wurde. „saving precious fuel to extend the platform’s lifetime“ heißt es auf Spaceflicht Now. Doch auf dies Idee wäre Arianespace bestimmt auch schon gekommen. Es wäre dann leichter, schwere Lasten miteinander zu verpaaren.
    Absatz 5 des vorstehenden Artikels gibt mir hier auch keine rechte Aufklärung. Eine lange Brennzeit der Oberstufe sollte doch den bahntiefsten Punkt anheben.
    Nichts desto trotz wäre es natürlich toll, wenn es Elon Musk gelingen sollte, die Gesetzmäßigkeiten von Satellitenbahnen neu zu definieren.

  12. Das macht man da man beim Start vom Cape relativ viel Abstand zum Äquator hat. Der GEO ist ja mit 0 Grad Inklination und es ist energieeffizienter wenn der Satellit selber in 80.000 km Höhe bei niedrigem Tempo diese Inklination abbaut als wenn das die Rakete selber weiter unten macht wo viel mehr deltav draufgehen würde. Die Ariane startet fast vom Äquator, da stellt sich dieses Problem nicht.

  13. Wenn das so ist, dann müsste sich das für die Proton wohl erst recht lohnen. Oder auch für andere US-Träger. Ich habe jedoch noch nicht gehört, dass geostationäre Satelliten auf so hoch reichenden Bahnen ausgesetzt werden. Es ist auch die Frage, ob unter dem Strich etwas übrigbleibt, wenn der zum Abbau der Bahnneigung erforderliche Treibstoff bis auf 80.000 km hochgetragen werden muss.

  14. Die Physik kann man nicht bescheißen, die Öffentlichkeit schon. Elon Musk bestätigt, dass die GTO Nutzlast der Falcon 9 nur bei 3500 kg liegt, also ziemlich nahe an dem was ich ausgerechnet habe. So langsam kann ich mich ja als SpaceX-Wahrheitsorakel bezeichnen…
    http://www.aviationweek.com/Blogs.aspx?plckBlogId=Blog:04ce340e-4b63-4d23-9695-d49ab661f385&plckPostId=Blog:04ce340e-4b63-4d23-9695-d49ab661f385Post:41fcfd6c-a6f2-42d5-b20b-52e31a103011

  15. Späte antwort an Peter Stohl: Bei der Proton macht man es auch so, dass man die Satelliten in ein SSGTO schießt, wenn man Reserven hat und der Satellitenbetreiber es auch will. Siehe z.B. Intelsat 22, bei dem sowohl Perigäum als auch Apogäum deutlich angehoben wurden:

    http://www.ilslaunch.com/newsroom/news-releases/media-advisory-ils-proton-launch-intelsat-22

    Warum es Arianespace nicht macht? Vielleicht aus politischen Gründen, weil man die Satelliten ja immer in Paaren hochschießt. Würde die Ariane-Oberstufe dann überschüssigen Treibstoff zur weiteren Anhebung es Apogäums einsetzen (Perigäum anheben geht nicht, da die Oberstufe nicht wiederzündbar ist), dann hätten alle Satellitenbetreiber ein Interesse, mit einem möglichst „leichtgewichtigen“ Partner zu fliegen, damit möglichst viel Treibstoffreserve bleibt, ergo möglichst viel Apogäums-Anhebung passiert. Und sofort hätte man Hauen und Stechen unter den Kunden. Also liefert man alle ins vertraglich vereinbarte Standardorbit.

    Zu Zeiten der Ariane 4 hatte Arianespace teils das Gegenteil gemacht: Bei besonders schweren Satelliten die Oberstufe bis Brennschluss betrieben, auch, wenn nicht sichergestellt war, dass der Satellit so im vereinbarten GTO ankommt, sondern das Apogäum auch etwas tiefer liegen kann. Die Satellitenbetreiber hatten dann immer genügend Treibstoff auf den Satelliten selber, um das Zielorbit zu erreichen.

    Kai

  16. @kai ssgto hat nur einen sinn wenn man die Bahnneigung redizieren muss, sonst braucht man in jedem falle mehr Treibstoff.

    Vom csg aus gibt es dagegen nie einen ssGTO. Ein subsynchonrer gto wurde auch nicht von Ariane 4 gnutzt, sondern wie der ssgto von der atlas die die Felxibilität nicht hatte.

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