Wenn ein Vorhaben zum Dogma wird

Hand aufs Herz, woran haben Sie gedacht als sie die Überschrift lasen? Also mir fallen da so Dinge ein wie der Kommunismus, aka „Real existierender Sozialismus“, der ausging die Arbeiter aus der „Knute des Kapitals“ zu befreien und alles wird besser und damit endete das am Schluss es hieß „Die Partei hat immer recht“. Wobei „die Partei“ ja nun nicht alle Parteimitglieder sind, die demokratisch die Meinung zusammen bilden, sondern nur ein kleiner Führungszirkel oder oft auch nur eine Person.

Ich muss auch an die Inquisition denken, die mal startete die Reformation zu bremsen und „Ketzer“ in die Kirche zurückführen sollte. Sie wandelte sich zu einer Verfolgung von allen „Andersartigen“ aus und förderte das Denunziantentum. Schließlich ging es gar nicht mehr um Ketzer sondern darum „Seelen zu reinigen“ die vom Teufel  besessen oder zumindest vergiftet waren. Das führte zur Hexenverfolgung. Den Teufel hat niemand habhaft werden können, doch alle wussten, das es ihn gibt und der eine oder andere hat ihn auch gesehen. Eine Historikerin verglich das mal mit unserem Wlan – wir können es auch nicht sehen, aber wir wissen das es es gibt.

Kurzum: wenn man etwas verbissen betreibt, selbst wenn es mal gut ist, dann wird es oft zum Dogma und meistens schlecht.

Dogma 100% Wiederverwendung

Doch es geht heute nicht um gesellschaftliche Strömungen sondern etwas anderes. SpaceX hat nun nach der ersten Wiederverwendung einer Stufe angekündigt auch die Oberstufe bergen zu wollen. Außerdem kann man nun die Einsparungen doch genau beziffern, auch wenn das einige bezweifeln. Aber zuerst einmal zum ersten.

Musk: “fairly confident we can reuse (the) upper stage, too, by late next year to get to 100%” . Ach ja die Muskträume. Wenn man schon für die Falcon Heavy, die 18 Monate nach der Ankündigung fliegen sollte, 48 Monate mehr braucht, würde ich mal drauf tippen, das man das nicht in eineinhalb Jahren erreicht. Ich würde sogar draufwetten, aber ich habe ja schon eine wette laufen und ich glaube das nicht mal SpaceX Fanboys der Aussage noch glauben. Gwynne war auch der Meinung man brächte 5 Jahre dafür. “ Gwynne Shotwell said at last August’s Conference on Small Satellites at Utah State University that it could take five years to field a reusable upper stage “ – Verlust an Realität ist ja auch ein Kennzeichen eines Dogmas. Aber beschäftigen wir uns mit der Technik.

Die erste Stufe wird bei Wiederverwendung nach SpaceX Angaben (bei Seebergung) bei 8000 km/h abgetrennt. Bei der Oberstufe sind es bei einer erdnahen Umlaufbahn 28.000 km/h und bei einer Standard-GTO-Bahn fast 37.000 km/h. Das bedeutet das die Anforderungen deutlich höher sind. In jedem Falle reicht eine Isolation, wie bei der ersten Stufe, nicht aus. Den Grafiken zufolge will man mit dem Kopfende zuerst in die Atmosphäre eintreten. Diesen Teil wird man mit einem Hitzeschutzschild versehen müssen. Bei Exomars wiegt der Schutzschild von 2,4 m Durchmesser 80 kg. Doch Exomars tritt mit nur der halben Geschwindigkeit in die Marsatmosphäre ein. Nimmt man die doppelte Masse für den Schild an und skaliert man auf den Durchmesser von 3,66 m. so bedeutet das ein Zusatzgewicht von 360 kg. Wahrscheinlich mehr, denn man benötigt auch eine Basis in die man die Platten anbringen kann. Einfach so auf die Oberhaut aufkleben geht bei den Belastungen nicht. Üblich ist ein Wabengewebe als Basis. Mit den Vertiefungen gibt es die Möglichkeit, die Platten zu fixieren. Aber auch der Rest wird mit – wenn auch nicht so hochtemperaturfestem Gewebe überzogen werden müssen, um eine Erhitzung des Metalls zu verringern. Das dürfte dieses zwar überleben, aber es könnten sich so Spannungen, Risse oder Materialermüdungen bilden und die will man sicher verhindern. Bei Exomars wiegen die Platten der Backshell (für niedrige Temperaturen) 20 kg bei rund 4,5 m² Fläche. Bei der Zylinderfläche der Oberstufe (3,66 x 9,00 m) sind das 460 kg. Zusammen also (ohne verstärkte Struktur für den Hitzeschutzschild sind das schon 820 kg.

Das klingt nach wenig und wie schon gesagt, es ist eine optimistische Schätzung, wie Musk selbst andeutet muss man dafür die Stufe umdesignen, was man auch letztes Jahr noch vorhatte, bevor Musk den Marstransporter zum wichtigsten Ziel erklärte. Der ist nun nach einigen Monaten (und ohne Aussicht das Trump Musks Marspläne finanziert) nicht mehr so wichtig. (Musk tweeted last July that was “really tempting to redesign (the) upper stage for return,” but that it was probably best to focus on the development of a more powerful rocket the company intends to use for human expeditions to Mars.) Alle Zitate aus dem zuerst verlinkten Spaceflight Now Artikel. Kurzum: ich rechne damit, dass die Stufe  deutlich schwerer wird. Derzeit hat sie nach Musks Angaben ein Strukturverhältnis von „nahezu 25“ Nehmen wir mal 24 an, den Treibstoff kann man berechnen da spezifischer Impuls (348 s), Schub (934 kN) und Brennzeit (369 s) angegeben sind. Man kommt auf 108.650 kg und damit auf eine Leermasse von etwa 4.724 kg. Wir wissen, das bei der Bergung der ersten Stufe diese die Nutzlast um mindestens 15% absenkt. Der Grund liegt im Treibstoff den man braucht um zu landen. Weniger Treibstoff wird es bei der Oberstufe nicht sein. Die Abschätzung ist aber schwierig, ich will trotzdem ein paar Zahlen in den Ring werfen:

Modelliert man eine Nutzlasteinbuße von 15% bei gleicher Endgeschwindigkeit mit dem  Strukturfaktor von 30, der für die Stufe angegeben wird so müsste bei gleicher Endgeschwindigkeit die Stufe bei Seebergung mit 38,2 anstatt 17,2 t Leergewicht abgetrennt werden. Selbst SpaceX gibt an das die Stufe vor der Landung noch 67.000 lbs = 30.400 kg wiegt. Das lässt entweder auf noch größere Reserven bei der Landung schließen, oder man den Strukturfaktor von 30 nicht erreicht. Wenn zugunsten von SpaceX annehme, das die Stufe nach der Landung noch 24 t wiegt (von 30,4 t gehen noch etwas ab, da die Angabe 10 s vor der Landung ist und sie zu dem Zeitpunkt noch 320 km/h schnell ist) dann entspricht das 47 t bei Abtrennung und 15 % weniger Nutzlast, also fast 100% mehr. Das verbietet sich für die Oberstufe, die Nutzlast wurde dann bei GTO Missionen ins negative gehen, Selbst wenn ich keinen Treibstoff für das Erreichen des Landeortes sondern nur für die Endphase der Abbremsung vorsehe, bin ich bei 13% mehr Gewicht, dazu käme, wie man an den Abbildungen sieht noch Tanks und Triebwerke – es ist ein neues System, das Merlintriebwerk ist gar nicht mehr zu sehen, was wundert, weil an der ersten Abbildung erkennbar ist das der Zwischenstufenadapter der es verbergen könnte schon abgetrennt ist. Er verbleibt auch normalerweise bei der Erststufe, da es dumm wäre den schweren Adapter weiter als nötig ins All zu bringen. Kurzum: das wird eine neue Stufe, vielleicht mit einem einziehbaren Triebwerk oder zumindest einer ausfahrbaren Düse. Leichter wird sie so aber auch nicht.

Zurück zum Bremssystem: Nehme ich nur Treibstoff, dazu Tanks und Triebwerke und die Landebeine so würde ich im absolut günstigsten Fall würde ich mit mindestens 20 % mehr Masse rechnen, das wären dann weitere 1.110 kg addiert.

Zuletzt muss die Stufe deorbitiert werden. Ich vermute man wird nicht dafür das Merlin 1D nehmen, weil dies je nach Mission, erst Stunden nach dem Start der Fall ist und bis dahin könnte der flüssige Sauerstoff schon verdampft sein. Zudem hat man ja für die Landung schon Triebwerke an Bord. 100 m/s Abbremsung müssten es schon sein, das ist in etwa das was bei bemannten Missionen so anfällt wenn Shuttles zur Erde zurückkehrten. Addiert bei einem spezifischen Impuls von 3200 m/s nochmals 240 kg., Zählt man alles zusammen dann ist man bei knapp 2.170 kg oder 46 % der Masse der Oberstufe. Die Grafik ist übrigens trügerisch. Nach Aussagen von Musk soll die Stufe meistens auf See landen. Sofern SpaceX nicht eine Ausnahmegenehmigung von der FAA bekommt wird die Stufe bei der Landung kaum Land überfliegen dürfen, was bei den GTO-Bahnen der Fall wäre. Bei SSO-Bahnen könnte man auf dem Land aufsetzen.

Nutzlasteinbuße

Der springende Punkt: Bei der Oberstufe geht jedes Kilogramm mehr direkt von der Nutzlast ab. Sie sinkt also um 2.170 kg und das unabhängig von der Höhe des Orbits. Das bedeutet: wenn jetzt bei Seebergung noch ein 5,5 t schwerer Satellit in den GTO transportiert wird, dann werden es bei Oberstufenbergung nur noch 3,33 t sein. Das ist happig. Bei LEO oder SSO Missionen ist es nicht so schlimm. Die Maximalnutzlast von 22,8 t würde durch Seebergung der ersten Stufe auf 19,38 t sinken und bei Bergung der zweiten Stufe dann auf 17,2 t – immer noch mehr als genug, außer vielleicht für einige Spionagesatelliten des NRO. Bei SSO mit etwa 16 t Nutzlast würde die Nutzlast dann auf noch auf 13,8 t sinken. Gerade bei den häufigen Transporten in den GTO lohnt es sich nicht, denn die Nutzlast wird viel zu stark abgesenkt. Ich wage die Prognose das wir die Oberstufenbergung, wenn sie mal tatsächlich routinemäßig eingeführt wir vor allem bei Falcon Heavy und Falcon 9 LEO//SO Starts sehen werden.

Ich gebe zu vieles ist spekulativ, so passen z.B. nicht die Abtrenngeschwindigkeiten die SpaceX angibt mit den Nutzlasteinbußen von 15 oder 30 % überein (bei 8,2 t Maximalnutzlast in den GTO und fehlender Bergung bei 5,6 t (Echostar 23) aber Bergung bei 5,27 t (SES 10) stimmt aber auch die Nutzlasteinbuße von 15 % nicht. Es sind mindestens 23 %. So sind alle meine Angaben sehr optimistisch. Ich bin beim Berechnen auch ein bisschen verwirrt gewesen, weil einfach verschiedene SpaceX Angaben auf verschiedenen Seiten nicht zusammenpassen, so Nuttzlasteinbuße mit Abtrenngeschwindigkeiten der ersten Stufe, postulierten Strukturfaktoren der ersten Stufe und angegebenen Landegewichten. Daher basieren meine Schätzungen weniger auf SpaceX Angaben als vielmehr auf Minimalnotwendigkeiten abgeleitet aus anderen Projekten.

Realistisch würde ich aufgrund dieser Tatsache auf deutlich mehr als 2,2 Nutzlasteinbuße tippen. Ich sage übrigens nicht, das es nicht klappen könnte. Die Shuttles hat man schließlich auch heil gelandet. So was muss man ja extra betonen weil von sogenannten SpaceX Fanboys gerne postfaktische Äußerungen oder alternative Wahrheiten verbreitet werden, sprich Dinge behaupten die ich nie geschrieben habe.

Finanzielle Betrachtungen

Finanziell werden die Einsparungen immer geringer und da bin ich beim nächsten Thema. Den Kosten. Für die erste Stufe hat man das jetzt beziffert. Es sei „It was substantially less than half” the cost of new first stage“.Da diese nun noch 70 % der Herstellungskosten ausmacht (es waren mal 80%, aber die neue Nutzlastverkleidung kostet ja alleine schon 6 Millionen, was 10% sind) betragen die Einsparungen bei den Herstellungskosten etwa >=35 %. Die Herstellungskosten sind aber nicht die Startkosten. Die Rakete musszusammengebaut werden, die Nutzlast integriert, es gibt einen Probecountdown und den Start, der von Bahnstationen der NASA und USAF verfolgt wird und der Treibstoff ist auch zu zahlen. Bei anderen Trägern macht dies 20 bis 25 % des Gesamtpreises aus, was wahrscheinlich aber auch den Gewinn und Fixkosten für die Verwaltung, Marketing etc. enthält. SpaceX mag flexibler sein und billiger, aber sie müssen anders als Arianespace ja auch Miete für die Startanlagen und die Benutzung von Services der USAF zahlen und mehr Gewinn müssen sie auch machen, schließlich wollen sie ja Neuentwicklungen wie Falcon Heavy oder Prestigeprojekte wie die Red Dragon auch noch finanzieren.

Also 20% Gewinn+Startkosten halte ich für angemessen, dann bleiben von 62,8 Millionen noch 50,24 Millionen für die Herstellung übrig. Davon spart man nun 35-40 % ein, das sind dann Einsparungen in der Größenordnung 17,6 bis 20 Millionen Dollar, also ein Viertel bis ein Drittel der Startkosten. Dafür sinkt die Nutzlast um 15 bzw. 30 % ab je nach Bergung was die Crux ist. Es lohnt sich immer dann wenn man die Nutzlast nicht voll ausnutzt, weshalb ich die Bergung der ersten Stufe als SpaceX-Booster-Alternative ansehe: woanders passt man die Rakete durch Booster wechselnden Nutzlasten an bei SpaceX verwendet man bei leichten Nutzlasten die erste Stufe nochmals.

Bei der Oberstufe können dann vielleicht von noch die Hälfte von 20% der Herstellungskosten eingespart werden wenn sie gelingt. Bei etwas über 50 Millionen Dollar geschätzten Herstellungskosten also rund 5-6 Millionen Dollar. Dabei setze ich voraus das die Wiederverwendung wie bei der ersten Stufe knapp die Hälfte der neuen Stufe kostet. Das korreliert mit noch massiveren Nutzlasteinbußen. Da halte ich die Bergung der Nutzlasthülle für vielversprechender – die kostet immerhin 6 Millionen Dollar, das ist die Hälfte er Oberstufe und ihre Bergung kostet kaum Nutzlast. Selbst wenn man noch etwas Treibstoff und Triebwerke zum Landen braucht, senken die bei dem geringen Gewicht der Hälften und der frühen Abtrennung kaum die Nutzlast ab. was mich vielmehr wundert ist das die Nutzlastverkleidung 6 Millionen Dollar kosten soll. Die Verkleidung der Ariane 5, die größer ist, kostet 5 Millionen und vor allem hat Ariane ja eine Fertigung die teurer ist weil die Hersteller in ganz Europa sitzen. Die Verkleidung stammt z.B. von Ruag Space aus der Schweiz. für die Kosteneinsparung wird die Firma bei der Atlas nun eine Fabrik in den USA eröffnen (sie fertigt auch die 5 m Verkleidung der Atlas). Nun ist SpaceX bei einem so „langweiligen“ Teil wie einer Nutzlastverkleidung teurer als Ariane, vor allem in Hinblick auf die kleinere Verkleidung und kleinere Nutzlast doch seltsam: Die Verkleidung macht 9,6% des SpaceX-Startpreises aus, aber nur 2,8% der Ariane 5.. Passt irgendwie nicht zum hippen Unternehmen das als Preisbrecher antritt.

Fazit

Die Bergung der Oberstufe mag sich lohnen wenn die Nutzlast immer noch transportiert werden kann. Die Einsparung ist jedoch noch geringer als bei der ersten Stufe und dem stehen hohe Ausgaben gegenüber. Bei der Bergung der ersten Stufe hat SpaceX nach eigenen Angaben 1 Milliarde Dollar investiert. Nun müssten sie die Oberstufen umkonstruieren und man kann sicher mit vielen Versuchen rechnen, bis dies klappt. Das alles für die Reduktion der Startkosten um maximal 10 %, eher 8 %? Schon bei der ersten Stufe kann man über die Sinnhaftigkeit streiten. Wenn man den höheren Prozentsatz, also 20 Millionen Dollar pro Start einspart, den Kunden wie schon berichtet 10% Rabatt einräumt, dann bleiben noch 14 Millionen Dollar Gewinn pro Bergung übrig. Da braucht man mehr als 70 Starts bis man nur die 1 Milliarde Investitionen wieder herein bekommt. Dann sollen die Preise um 30%si nken, was dann auch ziemlich genau den 20 Millionen Einsparungen die ich errechnet habe entspricht, auch wenn das einige nicht glauben.