Nicht ganz so optimal…

Nach der Ukrainekrise im Frühjahr (bzw. sie dauert ja noch an) hat man sich ja in den USA Gedanken um die Abhängigkeit von Russland gemacht. Das ging los mit Äußerungen von Politikern, man werde keine RD-180 liefern. Nun würde ich das nicht auf die Goldwaage legen. Denn Putin hat auch zig andere Embargos ausgesprochen, die nicht kamen, wobei das RD-180 Embargo nur von einer „unteren Charge“ kam. Zu der Zeit hat Russland auch angekündigt, man werde aus der ISS aussteigen, davon ist heute auch keine Rede mehr.

Meiner Ansicht nach sollte man solche Äußerungen nicht auf die Goldwaage legen. So ein Säbelrasseln gibt es andauernd. Vor allem geht es ja um ein Geschäft und wenn man eines in den letzten Jahrzehnten gelernt hat ist das die Wirtschaft weder Moral noch Politik kennt und wo es was zu verdienen gibt werden Geschäfte gemacht.

Doch bei den USA, die egal wie sie sparen müssen, gleich ein Crashprogramm ins Leben rufen wenn es um die Nationale Sicherheit geht (sprich Satelliten des Militärs nicht gestartet werden können) fiel das auf fruchtbaren Boden. Da schaltet man dort erst mal die Logik ab. Weder wären die USA am Boden, wenn mal einige Jahre keine Satelliten starten würden, denn sie sind nur ein Baustein in einer Verteidigungs- (heute eher: Angriffs-)Strategie noch wäre es gleichbedeutend mit einem Grounding, denn es gibt immer noch die Delta 4, es würde zwar nach Boeings Angaben einige Jahre dauernd die Produktion zu steigern, aber sie könnte die Starts der Atlas mitübernehmen.

Nun hat sich die Politik entschieden, einen Ersatz für das RD-180 zu entwickeln. Vor einigen Tagen hat ULA mit Blue Origin einen Abschluss gemacht: Man wird das BE-4 Triebwerk einsetzen, das gerade entwickelt wird. Zeit das mal zu untersuchen.

Was wäre der „ideale“ RD-180 Ersatz? Es wäre ein Triebwerk mit demselben Schub und denselben Treibstoffen. Es sollte zwei Brennkammern haben. Das ergibt sich aus der Auslegung der Atlas, sonst bräuchte man Verniertriebwerke in der ersten Stufe. Als Nebeneffekt könnte man es bei zwei Brennkammern oder zwei Triebwerken auch in der Antares einsetzen, die derzeit zwei Triebwerke mit etwa dem halben Schub einsetzt. So gesehen ist die Auslegung des BE-4 als Einkammertriebwerk und die Nutzung von zwei Triebwerken eine Möglichkeit.

Ansonsten passt es aber nicht. Da ist zum einen der Schub: Das RD-180 hat einen Schub von 3.830 kN, das BE-4 einen von 2.400 kN, zwei Triebwerke also einen von 4.800 kN, leider nicht spezifiziert ob Sea Level oder Vakuum. Aber selbst wenn es Vakuum ist (RD-180: 4.152 kN) ist er deutlich höher als beim RD-180. Ist zu großer Schub ein Nachteil? Ja wenn die Umstände gegen einen hohen Schub sprechen. Auf der Atlas V Grundstufe sitzt eine relativ kleine Centaur Stufe von 23 t Masse und eine Nutzlast von maximal 12 t. Das bedeutet, kurz vor Brennschluss der ersten Stufe wiegt die Rakete weniger als 60 t. Bei 4152 kN Schub ergäbe das eine Spitzenbeschleunigung von über 7 g. Daher wird das RD-180 im Schub reduziert. Das BE-4 müsste noch stärker im Schub heruntergefahren werden, wenn man das 5,5 g Level nicht überschreiten will auf 50%. Das BE-4 muss also die Fähigkeit zur Schubreduktion besitzen.

Der zweite Nachteil ist die Wahl des Treibstoffs: Das BE-4 arbeitet mit LOX/Methan. Methan ist zwar ein Kohlenwasserstoff, aber die Dichte ist weniger als halb so groß und es ist kryogen. Das bedeutet, dass Lockheed die Atlas umbauen muss. Der Methantank wird doppelt so groß wie der Kerosintank werden und er muss isoliert werden. Da das Triebwerk schubstärker ist, bietet es sich auch an, die Stufe gleich zu verlängern. Eventuell setzt man die seit einem Jahrzehnt geplante „gemeinsame“ Oberstufe für Atlas und Delta auch um, wenn man schon dabei ist. Es läuft aber mit neuem Triebwerk, neun Tanks auf einer neue Grundstufe raus. Besser wäre ein einfacher Ersatz gewesen.

So scheidet sie auch als Ersatz für die NK-33 bei der Antares aus. Hier wird noch etwas weniger Schub benötigt (3630 kN im Vakuum), es ist also noch überdimensionierter. Daher sucht Orbital/ATK nun ja auch nach einem russischen Ersatz – offenbar hat man dort noch nicht die Abhängigkeitsparanoia.

Mich würde ja nicht wundern. wenn man dann noch auf die Idee kommt, auch eine Atlas-Version mit einem Triebwerk zu bauen. Mit 2.400 kN hätte das Triebwerk in etwa den Schub der alten Atlas G/H. Einer Überschlagrechnung nach würde die Nutzlast fast auf Atlas 401 Niveau liegen (durch den höheren Spezifischen Impuls, etwa 9800 kg in LEO und 4000 kg in GTO bei einer 146,6 / 11 t schweren Erststufe mit einem spezifischen Impuls von 3700. (das ist etwas weniger als von SpaceX für das Raptor reklamiert, bei konventionelleren 3600 m/s wären es immer noch 9.300 / 3.800 kg.

Insgesamt finde ich die Wahl als nicht so glücklich. Man spart vielleicht bei der Entwicklung bei Blue Origin das Triebwerk schon entwickelt, muss dafür an zahlreichen anderen Stellen investieren und verzichtet auf eine Synergie mit der Antares. Wichtig scheint vor allem zu sein, dass man das Triebwerk möglichst rasch hat, egal was das an Folgekosten verursacht. Ein Erststart ist derzeit für 2019 geplant. Die Air Force hat auch bestätigt das ein Deplacement „as soon as practiable“ sein sollte. Dem musste sich alles unterordnen.

25 thoughts on “Nicht ganz so optimal…

  1. Man muss das Global sehen. Dank SpaceX ist in den USA (unter anderem auch dem DoD) Methan als Treibstoff sehr stark im kommen (auch wenn ich den Nutzen anzweifle). Offenbar möchte ULA vermeiden, das man hier in Zukunft ins Hintertreffen gerät.

    Grundsätzlich lässt sich sagen: Wenn das neue Triebwerk einsatzbereit ist, sind die EELV-Träger schon seit 15 Jahren im Einsatz. Durchaus ein passender Zeitpunkt, um mal etwas neues zu entwickeln. Da ja jetzt auch SpaceX als Backup zur Verfügung steht, muss ULA nicht mehr 2 verschiedene Träger betreiben. Man darf auf das Jahresende gespannt sein, wenn ULA Details bekannt geben will. Ich vermute mal, das man dann die Delta 4 außer Dienst nehmen will und nur noch einen Träger betreiben will, den neuen Methan-Träger (Atlas 6???).

    Das Konzept dürfte weitestgehend dem der EELVs entsprechen, Booster zur Leistungssteigerung bzw für die Heavy-Version 3 parallele Grundstufen, dazu die schon erwähnte neue gemeinsame Oberstufe. Schafft man es, ein paar Kunden auf dem freien Markt zu finden und auf eine vernünftige Startrate zu kommen, könnten die bisher sehr teuren EELVs durchaus deutlich im Preis runtergehen und vielleicht auch auf dem kommerziellen Markt wieder eine Rolle spielen.

  2. Hi Bernd,

    Ist zwar nicht relevant zum artikel aber ich frag mail trotzdem:
    Was glauben Sie ist die mission von Boeing’s X-37b?
    Wozu wirdsie benutzt?
    VG aus usa

  3. Tja, jetzt hats geknallt und die Antaras hat sich in einen Feuerball verwandelt. Vermutlich hat ein NK-33 versagt…

    Bin gespannt wie das jetzt weiter geht, aber die Zeit russischer Triebwerke in USA wird jetzt noch schneller zu Ende gehen.

  4. BADABOOM… Orbital macht einen auf Kerbal. Die Firma tut mir Leid, das Launchpad sieht ganz mitgenommen aus, das wird mindestens Monate dauern, bis da wieder was starten kann – und Schade um die ganzen Experimente, die an Bord waren, insbesondere auch das erste Arkyd-Teleskop.

    Aber ich kann es mir jetzt doch nicht verkneifen: Soviel zum Thema „Orbital macht alles besser als SpaceX“ und „Eine verlässliche Rakete zu bauen, die eine Kapsel zur ISS fliegt, ist nicht weiter schwierig“…

  5. Hallo,

    wenn es jetzt auch noch zu einer Anomalie beim nächsten SpaceX Start kommt wird die ISS Besatzung bestimmt reduziert werden müssen. Ist eine erhöhung der Progressflüge möglich?

  6. Wirklich ärgerlich für Orbital, zeigt wenigstens dass nicht nur die Russen späktakuläre Explosionen können, normale Raketenstarts sind doch irgendwann langweilig. 🙂
    Es ist etwas erstaunlich dass es Orbital statt Space X erwischt hat, wo letztere Firma doch so viele Beinaheausfälle hatte. Man muss Musk aber lassen, dass bis jertzt mit der Falcon 9 die Primärmissionen alle erfüllt wurden.

  7. OSC hat mit der Taurus Rakete auch eine bescheidene Erfolgsquote gehabt. 1/3 Totalausfall.
    Bei der Antares (Vormals Taurus) liegt die Fehlerquote nun bei 20%.
    Statistisch gesehen wäre ein Ausfall einer Falcon 9 aber auch bald fällig.

  8. Ob ein Ausfall einer Rakete „fällig“ ist hängt von ihrer Tendenz ab, auszufallen – und die ist prinzipiell unbekannt, insbesondere so lange es noch keinen Unfall gegeben hat. Für Antares haben wir nun einen ersten Schätzwert, ca. 20%, das ist ziemlich schlecht (schlechter als die Proton…) aber die Statistik ist mit n=5 auch sehr schwach. Für die Falcon 9 haben wir keinen Wert, weil sie eben noch nie wirklich (derart) versagt hat. Man kann das dann so abschätzen, dass man sich vorstellt, dass der jeweils nächste Start schiefgehen würde: dann wäre es (gegenwärtig) 1 Totalausfall pro 14 Starts (13 bisher), also ca. 7% als Obergrenze der Ausfalltendenz für die Falcon 9, aber mit deutlich besserer Statistik als bei Orbital (n=14). Die Wahrscheinlichkeit, dass die Falcon 9 bei einer angenommenen Ausfalltendenz durch 13 erfolgreiche Starts gehen würde, dürfte sehr klein sein. Insofern kann man durchaus sagen, dass Musk die verlässlichere Rakete gebaut hat.

    Die Idee, alte russische Triebwerke zu recyceln war vielleicht doch nicht die beste…

  9. Die EnginOut Möglichkeit hat man deshalb machen müssen, weil die Ausfallwahrscheinlichkeit der Triebwerke hoch ist. Einen Triebwerksausfall haben wir bereits erlebt.

    SpaceX ist auf Kosten optimiert, und die EngineOut Kapazizät hat zu einer teuren überdimesionierung geführt. Da das aber eine wirtschaftliche Entscheidung war, müssen die Kosten hierfür günstiger sein als das Risiko für Totalaufälle welches hierdurch kompensiert wird. Also geht man dort von einer hohen Ausfallwahrscheinlichkeit eines Triebwerks aus.

    Fällt aber ein Triebwerk früher im Flug aus, oder fällt das Triebwerk der Zweiten Stufe aus, oder kommt es zu einem Doppelfehler, so wird es einen Totalausfall geben.

  10. Ich würde nicht sagen, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit der Triebwerke bei der Falcon 9 hoch ist. In 13 Flügen = 130 Triebwerk-Flüge ist gerade mal eines ausgefallen -> eine Ausfallwahrscheinlichkeit von weniger als 1%, bei guter Statistik (n=130). Bei der Antares ist es auf 5 Flügen mit je 2 Triebwerke = 10 Triebwerk-Flüge = 10% (bei nicht so guter Statistik, n=10).

    Engine-out-Kapazität ist einfach ein geplantes Sicherheits-Feature, weil Triebwerksausfälle bei allen Raketen grundsätzlich nie ausgeschlossen werden können – siehe Antares gestern Nacht. Die Chance, dass bei einer Ausfallwahrcheinlichkeit von <1% gleich zwei Triebwerke auf der ersten Stufe ausfallen, ist sehr gering (99%) weil das Triebwerk der Oberstufe ausfällt.

    Musk’s Ansatz der notwendigen Engine-Out-Kapazität ist durch diese zwei Unfälle (verlorenes Triebwerk bei der Falcon 9 vs. verlorenes Triebwerk bei der Antares) gerade spektakulär bestätitgt worden: Im Fall von SpaceX hat die Rakete ihr Ziel erreicht, im Fall von Orbital nicht. Von einer „teuren Überdimensionierung“ kann nur schon deshalb nicht die Rede sein, weil der SpaceX-Lieferservice zur ISS deutlich günstiger ist für die NASA (bei gleichem Umfang) als jener von Orbital.

  11. Hö? Irgendwie hat das Skript einen Teil meines Kommentars geschluckt. Das sollte – vorsichtshalber ohne Klammern – heissen: Die Chance, dass gleich zwei Triebwerke auf der ersten Stufe ausfallen, ist sehr gering, 99%.

  12. Die Fähigkeit, einen Triebwerksausfall aufzufangen, hätte der Falcon 9 in diesem Fall aber nicht geholfen. Fällt bei einer Falcon 9 6 Sekunden nach dem Start ein Triebwerk aus, dann endet das genau so wie der Antares-Flug gestern. Erst nach über 40 Sekunden könnte eine Falcon 9 einen Triebwerksausfall verkraften. Zudem darf man nicht vergessen, das ein Triebwerksausfall direkt nach dem Start wegen der höheren Anzahl an Triebwerken bei der Falcon 9 statistisch 4,5 mal wahrscheinlicher ist als bei der Antares.

    Dennoch bin ich kein Fan der Antares. Die Triebwerke sind 40 Jahre alt, die erste Stufe ist aus der Ukraine und als Oberstufe nimmt man Feststoff… Eine optimale Rakete sieht für mich anders aus. Warum muss man unbedingt einen neuen Träger entwickeln, wenn man für das gleiche Geld eine Delta 2 mit der gleichen Nutzlast hätte bekommen können? Als OSC 2008 den Auftrag bekommen hat, war die Delta 2 noch in Produktion. Hätte ULA die Produktion der Delta 2 auf kleiner Stufe fortgeführt (für 4 – 6 Starts pro Jahr) so wäre zwar die Delta 2 teurer geworden, aber man hätte sich die über 500 Mio für die Entwicklung der Antares und den Bau der Startrampe sparen können.

  13. @Mario: Möglich, dass der Triebwerksausfall in den ersten 40 Sekunden nicht zu verkraften wäre, davon höre ich zum ersten Mal (hast du eine Quelle dafür?). Aber der Triebwerksausfall ist bei der Falcon 9 sicher nicht 4.5 Mal wahrscheinlicher als bei der Antares – dass würde nur dann gelten dann wenn die Triebwerke der Falcon 9 und der Antares mit exakt derselben Wahrscheinlichkeit kaputt gehen. Und das wiederum ist äusserst unwahrscheinlich angesichts der heutigen Datenlage (1/130 kaputt vs. 1/10 kaputt).

    Ich vermute, die Antares ist einfach deutlich günstiger als die Delta II. So viel günstiger, dass sich die Entwicklung und der Bau der Startrampe gelohnt haben.

  14. @Bynaus:
    Du meinst wohl, die Chance ist gering, kleiner 1%. 99% Ausfallwahrscheinlichkeit wäre ja furchtbar!

    Derzeit lässt SpaceX laut Wikipedia eine schwimmende Plattform zusammenschweißen, auf der die Unterstufe nach erfolgter Mission landen soll. Das wäre ein großer Schritt nach vorne für SpaceX, denn dadurch muss die Unterstufe „nur“ ausreichend Geschwindigkeit abbauen, um ohne Selbstzerlegung wiedereinzutreten, und nicht auch noch Extra-Schub für den Rückflug aufbringen muss!

    Im Zusammenspiel mit der Engine-Out-Capability ergibt sich nun folgendes Bild: Funktioniert die Unterstufe nominal, kann sie landen. Kommt es zu einem Triebwerksausfall, muss sie länger brennen. Dadurch steigen die Gravitationsverlste, die Stufe hat u.U. dann nicht mehr genügend Resttreibstoff für das Landemanöver. Dann wird die Unterstufe geopfert, aber die Mission gerettet.

    Zum Unfall der Antares: Wir wissen noch nicht, was war, und Triebwerksausfall ist nur eines von mehreren möglichen Szenarien, wenn auch sicher kein ganz unwahrscheinliches.

  15. Eine schwimmende Plattform bringt dafür noch zusätzliche Probleme: Auf offener See schaukelt die nicht gerade wenig. Da besteht die Gefahr, daß so ein langes dünnes Teil spätestens nach dem Aufsetzen umkippt. Und das wäre recht schlecht für eine Wiederverwendung.

  16. Das Problem der schaukelnden Plattform sollte kleiner sein als es im ersten Augenblick den Anschein erweckt. Erstens ist wird die Plattform für die Landung sicherlich durch Meerwasser als Ballast beschwert werden. Das macht sie sehr unanfällig gegen den Seegang, da damit der Impuls der Wellen im Vergleich zur Masse der Plattform sehr gering und auch die Abstände der Wellen im Vergleich zur Baugröße sehr klein sind. Zweitens liegt der Schwerpunkt der Stufe sehr niedrig, da sie leer sein wird. Der Hauptteil der Masse – Triebwerke, Turbopumpen, Leitung und die Beine natürlich – befinden sich ja unten.

    So oder so, hoffentlich ist die Plattform ordentlich mit HD-Kameras gepflastert und liefert endlich mal spektakuläre Bilder… 😉

  17. @ Bynaus

    Lies dir mal den entsprechenden Artikel im Grundlagenteil von Bernds Seite durch. Alternativ kann man das auch selbst errechnen. Unmittelbar beim Start ist die Falcon 9 zu schwer und hat zu wenig Schub, um den Ausfall auch nur eines Triebwerks zu verkraften. Die 4,5 mal sind rein statistisch nach der Anzahl der Triebwerke, ohne Berücksichtigung der Technik und des Alters der Triebwerke.

  18. @Mario: Ich denke, wenn schon, bezog sich das auf eine frühere Version der Falcon 9. Die Info auf der Seite ist ohnehin veraltet („Bisherige Starts: 1“). Der Schub eines Merlin 1D auf Meereshöhe beträgt 654 kN, 8 davon (sagen wir, das Triebwerk fällt unmittelbar nach dem Start aus) entwickeln also einen Schub von 5232 kN. Die Startmasse der vollgetankten Falcon 9 1.1 beträgt 505 Tonnen, das heisst, auch mit 8 Merlin 1D hast du noch genügend Schub (ca. 533 Tonnen) um die Falcon 9 zu beschleunigen.

    Wie gesagt, der Faktor 4.5 stimmt nur dann, wenn in beiden Fällen die gleichen Triebwerke verwendet werden. Die Erfahrung hat nun gezeigt, dass die Merlin viel zuverlässiger sind als die AJ-26.

  19. Man geht in der Praxis davon aus, daß beim Start ein Schubüberschuß von mindestens 20% vorhanden sein muß, weil sonst der Treibstoff fast im Stand verkokelt wird. Und wenn nicht gerade das mittlere Triebwerk ausfällt, muß auch noch das gegenüberliegende abgeschaltet werden. Dann wird der Schub geringer als das Gewicht und die Rakete setzt wieder auf. (mal vorsichtig ausgedrückt)

  20. @Elendsoft: Das müsste man wohl nachrechnen. Die Rakete wird ja „im Stand“ sehr schnell leichter, damit steigt auch die Beschleunigung bzw. der Schubüberschuss.

    Beim Octoweb musst du das gegenüberliegende Triebwerk nicht ausschalten: es reicht, wenn die restlichen Triebwerke korrigierend ausgerichtet werden. Da geht natürlich auch etwas Schub in Beschleunigungsrichtung verloren, aber da sich die Rakete beim Aufstieg ja eh zur Seite legen muss (dh, der Schub muss über eine gewisse Zeit ohnehin asymetrisch ausfallen), kann man das sicher softwareseitig optimieren.

    Wie gesagt: ich schliesse nicht aus, dass es immer noch ein Zeitfenster gibt, in dem ein Triebwerksausfall problematisch wäre. Da man das Merlin 1D auf bis zu 70% drosseln kann, also sogar UNTER den Schub der nötig ist, um die Rakete im Stand zu halten, könnte man sich auch vorstellen, dass man bei einem Triebwerksverlust unmittelbar beim Start die Rakete im Stehen so viel Treibstoff verbrennen lässt, bis man damit wieder sanft aufsetzen kann (evtl. muss man zwischendurch noch weitere Triebwerke abschalten wenn die Rakete zu leicht wird). Dann wäre die Mission zwar nicht erfüllt, aber auch nicht verloren. Ich wäre überrascht, wenn man das bei SpaceX nicht wenigstens als Möglichkeit studieren würde.

  21. Größere Mengen Treibstoff auf der Startplattform zu verbrennen ist schon aus dem Grund eine Schnapsidee wein in dieser Zeit enorme Kräfte einwirken und eine entsprechende thermische Belastung zu verkraften ist. Die Startrampe ist danach Schrott…und die Rakete dürfte es auch nicht kangecaushslten im eigenen Abgasstrahl zu stehen

  22. Das Problem bei geringem Schubüberschuß: Die Gravitationsverluste steigen stark an, und dann reicht der Treibstoff nicht mehr aus, um die geplante (oder überhaupt eine) Umlaufbahn zu erreichen. Um das im Notfall ausgleichen zu können, müßte die Nutzlast deutlich verringert werden. Keine gute Idee, wenn man die Preise der Konkurrenz unterbieten will.

  23. @Elendsoft: eben, aber ob die Gravitationsverluste zu jedem Zeitpunkt (T 0 bis T 40?) hinnehmbar sind, ist eine andere Frage, das müsste man rechnen. Wenn nicht, dann gibt es bei der Falcon 9 mit ihren drosselbaren Triebwerken immer noch die (vorerst nur theoretische) Möglichkeit, die Rakete wieder zu landen. Landebeine hat sie ja.

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