Explodiert eine Rakete, wenn man auf sie schießt?

Die Verschwörungstheorie um die Explosion der Falcon 1 am 1.9.2016 beinhaltet ja auch die Möglichkeit der Sabotage. Dazu unten mehr. Nun gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie man den Start sabotieren kann. Eine Möglichkeit der Sabotage, die ins Spiel gebracht wurde, war die von jemand der auf die Rakete schießt. Bevorzugterweise natürlich ein ULA-Angestellter. Wie immer bei Verschwörungstheorien haben die Leute die so was ins Spiel bringen keine Ahnung. Damit das sich ändert, der heutige Blog.

Basiswissen Verbrennungen

Fangen wir mal ganz fundamental an. Damit etwas verbrennt, braucht man drei Dinge:

  • Einen Verbrennungsträger, in diesem Fall das flüssige Kerosin
  • Einen Oxidator, im täglichen Leben ist das eine Sauerstoff liefernde Substanz, das muss aber nicht so sein, so könnte man auch Kerosin mit Fluor oder Chlor verbrennen. In unserem Falle ist es flüssiger Sauerstoff.
  • Energie die dazu ausreicht. die Reaktion anzufangen.

Das tägliche Leben zeigt, das dem so ist. So entzündet sich Kerosin an der Luft nicht spontan, weil die Energie der Temperatur der Luft nicht ausreicht, die Reaktion zu starten. Der Chemiker spricht von einer Aktivierungsenergie. Wie wichtig diese ist, kann jeder mal selbst ausprobieren. Man braucht dazu ein Glas, etwas Heizöl oder Diesel und ein Streichholz. Man fülle das Glas halb mit Diesel, zündet das Streichholz an und lasse es in das Glas fallen. Es wird ausgehen und das Diesel brennt nicht. Warum? Eigentlich brennt bei flüssigen Erdölprodukten die Gasphase. Die heiße Gasphase bringt aus einer Flüssigkeit durch die Hitze die Moleküle zum Verdampfen und das hält die Verbrennung aufrecht. Ist der Siedepunkt hoch genug, so befinden sich zu wenige Moleküle in der Gasphase. Kommt das Streichholz in die Flüssigkeit, so kann es genügend Moleküle aus der Oberfläche freisetzen, doch sobald es untergeht, fehlt der Sauerstoff. Der Versuch ist daher etwas tricky. Wenn das Holz stark brennt oder zu langsam abgesenkt wird, reicht die Wärme aus, genügend Diesel in die Gasphase zu überführen und dann kann man doch einen Brand auslösen.

Mit Brennspiritus oder Benzin ist es dagegen so, dass aufgrund des niedrigeren Siedepunktes sich über der Flüssigkeit eine Gasphase aus Luft und verdampftem Benzin befindet und die entzündet sich sofort bei Kontakt mit der Flamme.

Leider hat Kerosin den Siedepunkt von Heizöl oder Diesel. Nach den NASA-Spezifikationen wird es bei 185 bis 273 °C aus der Destillation gewonnen. Heizöl wird bei 170 bis 370°C destilliert. Der Flammpunkt liegt bei 45°C.

Ein zweiter Punkt, den ich oben schon angedeutet habe, ist, dass man auch die Komponenten mischen muss. Wenn etwas nur an der Oberfläche brennt, z.b. weil der Verbrennungsträger fest ist, so brennt ein Block sehr langsam (Beispiel: Kohlenbrikett). Ist die Oberfläche sehr groß, so ist die Verbrennung heftiger und kann zur Explosion (eine extrem schnelle Verbrennung) führen. Das ist z.B. bei Kohlestaub der Fall. Durch die größere Oberfläche verbrennt ein erstes Teilchen schneller, gibt mehr Energie an die Luft ab, die wärmere Luft kann dann schneller mit weiteren Nachbarteichen reagieren, die dann noch mehr Energie freisetzen. Das ist dann eine Kettenreaktion, nur nicht mit Uran und Plutonium, sondern Kohle. Praktisch jeden oxidierbaren Stoff kann man explodieren lassen, wenn man ihn fein genug verteilt. So gibt es neben Kohlestaubexplosionen auch Mehlstaubexplosionen. Selbst Eisen kann man explodieren lassen, wenn man es fein verteilt. In milderer Form sieht man das bei den Wunderkerzen – die Funken, die da abgehen, sind feine Eisenpartikel, die zu Rost oxidiert werden.

Praktische Anwendung

Diese Erkenntnis hat sich aber schon vor 100 Jahren nicht durchgesetzt. Damals bombardierten die Deutschen mit Zeppelinen London. Man sollte nun meinen, diese riesigen, langsamen, mit Wasserstoff gefüllten Luftschiffe, müsste man leicht abschießen können. Doch die britischen Jäger schossen mit ihren Maschinengewehren auf die Zeppeline und denen machte das nichts aus! Was passierte? Die Kugeln rissen viele kleine Löcher in die Hülle, Wasserstoff trat nun aus, entzündete sich aber nicht, da die Aktivierungsenergie nicht erreicht wurde. Langfristig führte das natürlich dazu das die Zeppeline an Höhe verloren, aber meistens konnten sie noch nach Hause fliegen.

Dann setzten die Briten Leuchtspurgeschosse ein, die nach ihrer Logik mit der Flamme den Wasserstoff entzünden müssten. Tja, aber nur an der Grenzschicht, und da sie erst ein Loch schlagen mussten, gab es noch keine gemischte Wasserstoff-Luftatmosphäre, die man entzünden konnte. Sobald die Kugeln aber die Hülle passiert hatten, gingen sie aus, weil die reduzierende Wasserstoffatmosphäre die Verbrennung stoppte (Gegenstück zum Versuch mit dem Streichholz). Schließlich lud man die Maschinengewehre abwechselnd mit Patronen mit Aufschlagszünder und Leuchtspurmunition. Damit klappte es: die erste Patrone sprengte ein größeres Loch in die Hülle, Wasserstoff konnte austreten und sich mit der Luft vermischen, die nächste entzündete dann das Gemisch.

Da offensichtlich das englische Militär schon nicht Chemie über dem Hauptschulniveau beherrscht (die Gesetze kann man schon damals) verwundert es nicht, das heute viele nicht weiter sind und auf so dumme Ideen, wie dem Schuss auf die Falcon 9 kommen. Richtige Sabotage geht aber anders.

Was passiert, wenn man mit einem Gewehr auf eine Falcon 9 schießt?

Es gibt zwei Möglichkeiten. Die Kugel kann auf den LOX-Tank treffen oder den Kerosintank. Das Resultat ist in beiden Fällen das gleiche. Es gibt ein Loch und die jeweilige Komponente tritt aus. Es fehlt jeweils die andere Komponente bzw. Kerosin, das sich an der Luft entzünden würde, ist so schwer entflammbar, das es nur durch die Hitze des Einschlags sich nicht entzündet. Beim Sauerstoff kann es an der Kontraktstelle zur Oxidation des Aluminiums kommen, doch bei flüssigem Sauerstoff kommt auch diese Reaktion zum Stillstand. Nebenbemerkung: Erhitzt man Aluminium stark, so kann es brennen. Normalerweise brennt Aluminium nicht, weil es durch eine dünne Oxidschicht geschützt ist. Erreicht man den Erweichungspunkt, so geht diese Schicht in das Aluminium über und es brennt. So verlor die britische Armee das Kriegsschiff Sheffield beim Falklandkrieg, als eine Exocet-Rakete das Schiff nicht versenkte, aber die Aufbauten aus Aluminium in Brandt setzte. Man sieht: die britische Armee kennt sich nicht gut in Chemie aus.

So verwundert es nicht, dass bei Mercury-Redstone 1 die Rakete nur kurz abhob und dann noch mit vollen Tanks auf der Startrampe stand, aber um einen Fallschirm der Mercurykapsel bereichert, der sie durch den Wind umwerfen konnte, einer der Lösungsvorschläge war mit einem Gewehr Löcher in die Rakete zu schießen. Der Vorschlag ist sicher nicht besonders intelligent, aber man war sich zumindest soweit sicher, dass der Mann dann nicht eine Explosion auslöste.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten mit einem Schuss eine Explosion auszulösen. Das erste ist, dass man einen absoluten Glückstreffer hat und der Schuss genau durch den Zwischenboden geht und dieser dann durch den Druckunterschied kollabiert und beide Stoffe sich vermischen und der Schuss die Explosion auslöst. Der zweite ist, dass man auf den Kerosintank schießt und dabei ein Geschoss hat, das sowohl ein Loch in die Hülle sprengt (mit Aufschlagszünder) wie eine Sprengladung beinhaltet, die dann etwas zeitverzögert zündet. Das könnte beim Aufschlag etwas Kerosin beim Einschlag fein verteilen und dann entzündet die zweite Sprengung es. Ich weiß nicht, ob es so was gibt, doch das sehe ich als einzige Möglichkeit wenn man sich auf dieses Szenario der Sabotage einlässt.

So ähnlich macht man es auch bei den Stunts, wenn Autos in Brand geraten oder explodieren. Dafür wird Kerosin mit einer kleinen Sprengladung zerstäubt und dabei entzündet. Wenn man versucht Benzintanks durch Schüsse zu entflammen klappt das meist nicht. Nur wenn der Tank fast leer ist, sodass sich über ihm ein Benzin-Luftgemisch gebildet hat, klappt es. Bei Autounfällen kann ein Benzintank trotzdem explodieren. Dann meistens, weil er durch ein Feuer erhitzt wurde und dann irgendwann die Tankwand reißt und die Benzindämpfe sich dann an dem Feuer entzünden. Doch so wie das im Film läuft (mir fällt spontan die Serie A-Team aus den Achtzigern ein, wo haufenweise Autos explodierten) wo ein Auto einen Schuss bekommt oder eine Klippe runter fällt und dann ohne, dass es vorher ein Feuer gab, explodiert, das gibt es in Wirklichkeit nicht.

Kurzum: Ich halte zumindest das „Schuss mit einem Gewehr“-Szenario für unwahrscheinlich. Andere Möglichkeiten der Sabotage werden aber sicher auch untersucht.

Neues von Musk und Shotwell und der Sabotage

Das leitet mich über zu den Neuigkeiten zu dem Vorfall. Es gibt zwei neuere Statements von Shotwell und Musk. Musk erklärt die Explosion mit der Bildung von festem Sauerstoff auf den CFK-Hüllen der Heliumflaschen:

“It might have been formation of solid oxygen in the carbon over-wrap of one of the [helium] bottles in the upper stage tanks,” according to an excerpt of Musk’s remarks. “If it was liquid, it would have been squeezed out. But under pressure it could have ignited with the carbon. This is the leading theory right now, but it is subject to confirmation.”

Wenn eine Heliumflasche undicht wird, dann setzte sie enorm viel Gas frei. Das dient normalerweise dazu, den Tank auf Betriebsdruck zu halten (typisch 1-3 bar). Nur ist zu dem Zeitpunkt der Tank noch weitestgehend voll. Man füllt sie meist zu über 99%, also erzeugt das Gas nicht mehr 1-3, sondern 100-300 bar Druck. Der Druck bringt dann den LOX-Tank zum Platzen und findet das beim Zwischenboden statt, so durchmischen sich LOX und Kerosin, Reibung an den Metallteilen bei dem Brechen kann die Mischung entzünden. Die Explosion einer Heliumflasche ist daher ein Szenario, das auch die schnelle Reaktion erklären könnte. Ein Experte hält im obigen Artikel dies auch für wahrscheinlich, bietet aber auch andere Erklärungen an. Composite-Flaschen gibt es schon lange im Raketengeschäft, doch meistens nicht wie bei SpaceX im Tank. Bei der Ariane 5 hängen sie jeweils am Schubgerüst. Bei der Zenit in den Stufenadaptern oder Zwischentankräumen. Mit unterkühlten Treibstoffen kann sich natürlich auch eher fester Sauerstoff bilden. Der Experte kommt übrigens auch zum selben Schluss, wie ich, das die Heliumflasche auch die Ursache beim letzten Fehlstart sein könnte. Damals hat man ja die Strebe verantwortlich gemacht – vielleicht ist die Strebe aber auch erst gebrochen, als die Heliumflasche explodierte, man hat also Ursache und Wirkung vertauscht.

Bei Shotwell ist das nicht ganz so deutlich, aber auch etwas anders:

„I don’t think it’s a design issue with the bottle. I think it probably is more focused on the operations, which is one of the reasons we believe we can get back to flight so quickly.“

We believe that the composite over-wrapped pressure vessel [the helium bottle], known as a COPv, let go in the tank. What caused it, the exact reason it let go, we’re still investigating. I don’t believe it was a ground system cause, but we’re still looking at the data.“

Hier soll die Flasche also „in den Tank geraten sein“, etwas mysteriös, denn sie ist ja schon im Tank. Wie sollte sie sich bei einer stehenden Rakete losreisen?

Beide haben die Möglichkeit der Sabotage nicht ausgeschlossen, halten sie aber für unwahrscheinlich.

Was mich mehr erstaunt hat, ist die Aussage des Sprechers von SpaceX zu Musk:

„A spokesman for Hawthorne, California-based SpaceX on Oct. 14 declined to confirm or deny that the statements, published anonymously online, conformed exactly to what Musk said.

“We are not commenting on private conversations Elon has had,” the spokesman said in a statement. “We are continuing to make progress with the investigation and we are focused on safely and reliably returning to flight at the earliest opportunity.”“

Setzt man sich nun schon vom Firmengründer ab, der langsam peinlich für das Unternehmen wird? Was auch noch etwas verwundert ist der Optimismus, den beide haben, dass sie noch vor Jahresende (das sind nur etwas mehr als zwei Monate) wieder starten können. Beide Aussagen zeugen für mich nicht von der Überzeugung, dass sie die Ursache gefunden haben und sich auch sicher sind. Das ist ein Unterschied zu der Explosion der Falcon 9 letzten Juni. Da war man sehr schnell bei der Strebe als Ursache. Trotzdem dauerte es damals sechs Monate, bis die Falcon wieder flog. Nun hat man nach fast zwei Monaten noch nicht die Ursache gefunden, meint aber man könnte schneller wieder starten?

5 thoughts on “Explodiert eine Rakete, wenn man auf sie schießt?

  1. Ich sehe es im Detail anders. Nicht die Heliumflasche ist explodiert, sondern eine Leitung ist gebrochen, entweder durch die Bildung von Eis oder eine Überbelastung. Wenn die Flasche explodiert wäre, dann wären Teile der Flasche, vor der Explosion, aus der Stufe herausgeschleudert. Diese Teile müssten dann andere Brandspuren haben, vorausgesetzt man will sie finden!
    Was ich auch anders sehe ist: Der Sauerstofftank ist geplatzt. Aber der Sauerstoff ist zum größten Teil verpufft oder er war zu kalt gewesen und ist einfach zu Boden gefallen, im Rahmen von Sogkräfte ist erst der Kerosintank der zweiten Stufe und das der Rest des Trägers explodiert.

  2. Soweit ich COPV verstanden habe, wird dort ein Titan oder Aluminium-Liner (innerer Behälter, grenzt direkt an das gasförmige (superkritische) Helium) verwendet, um den dann in mehreren Lagen Schichten von Carbon-Fasern (oder Carbon-Faser-Bändern) gewickelt oder „gestrickt“ werden. Gewickelt – dh. den Liner in eine Drehbank einspannen und Faser darüber aufspulen – ist wohl einfacher und günstiger, aber die Homogenität in den Faser-Lagen kann dabei nicht in einem Ausmaß gewährleistet werden, dass nicht irgendwo eine Fehlstelle zwischen zwei nebeneinander liegenden Fasern auftreten kann. Die teurere Methode wäre, die innere Flasche mit Fasern zu „überweben“, d.h. ein in zwei Dimensionen sich selbst stabilisierende Lage von Carbonfasern aufzubringen. Anschließend (oder noch während des Webens / Aufspulens) werden die Fasern mit Epoxid beschichtet und ausgehärtet.

    Ein Problem habe ich schon angesprochen – mikroskopische Fehlstellen können auftreten, die erst ab einer gewissen Größe mit zerstörungsfreien Methoden erkannt werden können. Unter Umständen (Reduzierung von Sicherheitsspielraum zur Gewichts/Kostenreduktion) sind aber die potentiell katastrophalen Fehlstellen kleiner als diese Nachweisgrenze…

    Zum anderen ist es relativ bekannt, dass Metall (Liner) und Verbundwerkstoffe (und die Werkstoffe des Verbundes untereinander) deutlich unterschiedliche thermische Expansionskoeffizienten haben.

    Beim Befüllen des Heliumtanks wird man (wahrscheinlich) vorgekühltes Helium (vermutlich mit der Temperatur von bei Normaldruck siedendem Stickstoff) mit hohem Druck in den COPV einblasen. Möglicherweise jedoch ist der Heliumtank – wegen der zu erwartenden Temperatursteigerung beim raschen befüllen – bereits mit kaltem Helium gespült und vorgekühlt (nahe der Temperatur, oder punktuell vielleicht sogar unter die Temperatur wo Sauerstoff gefriert).

    Nachdem aber bei diesen Temperaturen Helium jedenfalls noch weit von der Joule-Thompson-Inversionstemperatur entfernt ist, wird es bei Expansion (Hochdruck-Helium in leeren Heliumtank) wärmer – und die innere Spannung zwischen Metall-Liner und Carbonfaser-Verbundwerkstoff wächst sicherlich.

    Leider ist nicht bekannt, wie der exakte Füllvorgang des knapp über dem Gefrierpunkt stehenden LOX und Helium genau zeitlich ablaufen… Abhängig von diesem Ablauf kann es wohl leicht passieren – zumal ja SpaceX einen extrem schnellen Füllvorgang für das tiefkalte LOX durchführt, um das 10% dichtere LOX nutzen zu können – dass durch die thermischen Spannungen (Kontraktion / Expansion) mikroskopische Fehlstellen makroskopisch werden können. Ich denke, diese Aussage läuft darauf hinaus, dass sich nun in solchen Mikrorissen (leere Helium-COPV-Behälter) – in der Verbundschicht, oder zwischen Verbundschicht und Metall-Behälter – fester Sauerstoff bilden kann.

    Sobald nun das Helium nachgefüllt wird (bei 300 bar und 55 K ist die Dichte ein mehrfaches höher als bei 300 bar und 273 K – und immer noch um etwa 30% höher als bei 77 K (Stickstoff-Siedetemperatur), kann möglicherweise fester Sauerstoff in einer Matrix aus organischem Material (Karbonfasern, Epoxid) unter starken Druck geraten.

    Organische Materialien und Flüssiger Sauerstoff sind bekannt dafür, sehr unzuverlässige Sprengstoffe zu sein (solche Gemische tendieren dazu, zu detonieren wenn man sie falsch ansieht – aus hoffentlich ausreichender Distanz).

    Zusammengefasst deutet dies (wieder) auf ein Qualitätssicherungsproblem hin – und zum anderen auf unzureichendes Verständnis der möglichen Vorgänge in einem kryogen gelagerten, aber Temperaturschwankungen unterworfenen Behälter, der vielleicht von vorneherein bereits von der Auslegung sehr knapp bemessen ist.

    Obwohl rasch befüllt wird (ca. 20 min für 65 t LOX @ 55 K), wird dabei sicher nicht der ganze COPV Behälter gleichmäßig abgekühlt – und parallel dazu wird bereits das Helium befüllt. Eine „statische“ Analyse der mechnischen Anforderungen bei den verschiedenen Temperaturen, die diese Kinetik (man lässt die Bauteile nicht ins thermische Gleichgewicht kommen, bevor eine weitere, andere Belastung auftritt) unberücksichtigt lies bei der Konstruktion kann da eine weitere Fehlerursache sein. (Wenn der Pegel des LOX steigt, treten sicherlich auch longitudenale thermische Spannungen auf – auf die ein einfach gewickelter COPV nicht ausgelegt ist. Wobei dieses Bild http://usimages.detik.com/community/media/visual/2016/09/26/7dc9a80c-56d2-4390-8282-71364c42c064.jpg auf die Verwendung von einfach gewickelten COPV hindeutet – obwohl mit mindestens zwei Lagen in longitudenaler Richtung).

  3. Kohlefasern sind Brennbar.

    Wenn es zu Einlagerung von LOX in die Fasern kommt und dort gefriert, könnte es zu Dehnungbrüchen einzelner Kohlefasern kommen.Durch hohe Belastung beim Biege- Brechvorgang könnte es zu einer sehr kurzzeitigen, punktuellen Erwärmunng kommen. Eventuell reicht das aus um die Kohlefaserverbrennung zu starten, durch den gesamten Abbrand der Kohlefaser könnte es dann auch zu einer Druckerhöhung im LOX Tank kommen und dieser ins Kerosin entlasten wodurch es dann zur großen Explosion kommt.

    Um die Verschwörungstheoretiker anzufeuern:

    Ein Schuss auf den He Tank würde nicht nur den LOX Tank zum bersten bringen, sondern das Kohlefasermaterialim LOX Tank könnte durch die kinetische Energie der Kugel auf Zündtemperatur für die Kohlestoffverbrennung liefern. Beim Aufprall der Kugel auf das Material würde dieses sich im Lox verteilen und zu einer sehr schnellen verbrennung führen. Wenn der Tanboden zum Kerosin bricht haben wir alles beisammen. Kerosin Sauerstoffgemich und ein brennendes Kohlefasergewebe.

    Sollte es wirklich möglich sein, das sich ein Kohlefaser mit LOX entzünden kann, dann sehe ich Schwarz für die Idee den ganzen Tank aus Kohlefaser herzustellen.

  4. Die Heliumflasche ist im Tank und von außen nicht zu sehen, zudem viel kleiner als die Rakete. Die Heliumflasche für Ariane 5 EPC mit einem größeren Volumen als die Oberstufe ist z.b. nur 93 cm groß.

    Die Ursache he ist aber inzwischen geklärt. Mehr dazu im morgigen Blog.

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