Die Aufklärung des Aprilscherzes

So, nun komme ich wieder mal zu einem Blog. Derzeit arbeite ich noch fleißig an der Aufstiegssimulation, nun vor allem im Pflegen der alten Daten. Rund 200 Träger wollen schließlich ergänzt werden. Anscheinend hat es keiner gemerkt: Der letzte Blog war ein Aprilscherz. Natürlich würde unsere Regierung nie auf seinen so einfachen Vorschlag kommen. Mit Infrastruktur wie funktionierenden Stromleitungen vom windreichen Norden in den Süden, Hochgeschwindigkeitsdatennetzen, Bahnverbindungen oder Fahrradwegen tut sich die BRD (und ich meine hier nicht nur die Bundesregierung, sondern auch Länder und Kommunen) schwer. Nur der Autobahnbau scheint zu funktionieren. Kein Wunder, wenn das Verkehrsministerium von der CSU geleitet wird. Da hat BMW seine Finger im Spiel und die leitenden Parteimitglieder bauen ja auch gerne betrunken Unfälle.

Ich halte das Szenario aber nicht für unrealistisch. Es wäre eine schnelle und unkomplizierte Lösung und wahrscheinlich in Wirklichkeit billiger: OneWeb will nach eigenen Abgaben 3,5 Milliarden Dollar in die Phase 1 (720 Satelliten) investieren, da müsste man für das Privileg ein Land exklusiv versorgen zu können, das selbst, wenn ich den Satelliten-Foodprint nehme, nur 1/700 der Fläche abdeckt für weitaus weniger als die genannte Summe zu erhalten sein. Dabei liegen ja schon derzeit 5 von 10 Milliarden Euro für den Kabelausbau im Verkehrsministerium rum – die wurden wegen bürokratischer Hürden nie abgerufen.

Ob die Kapazität ausreicht ist natürlich die Frage. Ein Satellit deckt 1.080 x 1.080 km ab bei 7,5 bis 10 GBit/s. Das monatliche Datenvolumen beträgt 10 bis 150 GByte. Die Beurteilung ist schwer, weil das sehr vom persönlichen Verhalten abhängt. Ich schaue viel heruntergeladene Dinge aus den Mediatheken an und komme auf rund 100 GB/Monat. Ich würde als minimale Datenrate die für Streaming von Full-HD-Fernsehen nötige Datenrate ansetzen. Das sind 6 Mbit/s. Dann würde ein Satellit etwa 1.500 Personen versorgen können. Bei der Bahnhöhe wäre Deutschland im Empfangsbereich von etwa 9 Satelliten das wären dann etwa 14.000 Personen. Nicht viel für die ganze BRD und die Zahl kommt sicher zusammen. So verwundert nicht das Oneweb schon an eine zweite Generation denkt. Allerdings hat Oneweb im letzten Oktober die Stufe zwei angekündigt mit weiteren Satelliten mit noch höherer Datenrate die dann 100-mal mehr Kapazität hat. Das dürfte dann ausreichen. Doch das kommt erst ab 2022 mit einer vollen Ausbaustufe 2027 und die Regierung hat ja schon für 2025 für jeden 25 Mbit/s versprochen.

So, nachdem die ersten Absätze rum sind und die typischen SpaceX-Leser (die nur auftauchen, wenn SpaceX erwähnt wird) sicher die Lust verloren haben, zum Hauptthema, der 3-Monatsnachlese zu SpaceX.

Einen Monat nach dem Jungfernflug der Falcon Heavy gibt genügend Material, um wieder eine Nachlese zu machen. Ich habe zuerst versucht anhand des SpaceX Veröffentlichung zum Start, die Nutzlast zu errechnen. Doch aufgrund des variablen Schubs der ersten Stufe (bei der Zweiten wird man angesichts des Roadsters nicht den Schub herunterfahren haben) ist das schwierig.

Ich habe mir daher JSR hinzugenommen. Die ersten Stufen können wir mal vergessen, ohne Schublevelangabe ist da nichts sauber berechenbar und beide Stufen wurden ja mit Resttreibstoff abgetrennt.

Die zweite Stufe platzierte nach 5:16 (316 s) Betriebszeit den Roadster in einen 185 km hohen kreisförmigen Orbit. 30 s Betrieb reichten aus um den Orbit auf 185 x 6931 zu erhöhen. Der hat einen Geschwindigkeitsunterschied von 1230 m/s. Das reicht aus, um die Masse zum Zündungszeitpunkt zu berechnen. Bei einem spezifischen Impuls von 3413 m/s und einem Schub von 934 kN kommt man auf 8210 kg verbrauchten Treibstoff und dann über Lösung der Gleichung:

3413 m/s * ln(x/(x - 8210 kg)) = 1230 m/s

auf eine Startmasse von 27192 kg. Das ist schon mal erstaunlich wenig. Es bleiben nach SpaceX Webseite bei 369 s Brennzeit der gesamten Oberstufe beim Start noch 23 s Brennzeit, das entspricht bei 27,132 t Startmasse 14,5 t Endmasse. Damit erreicht man aber keinen Fluchtkurs. Also auch hier: Schubreduktion, sodass die Daten nicht berechenbar sind. Immerhin: Das minimale Schublevel beträgt 40 %, damit ist wenigstens die minimale Startmasse berechenbar zu 10.852 kg. Wahrscheinlich hat man daher relativ große Vorräte an Resttreibstoff in den ersten Stufen gelassen, denn 27 bis 10 t Erdorbitmasse (mit dritter Stufe) liegt ja nicht gerade bei den versprochenen 63 t. Dafür spricht auch der Orbit von 0,99 x 1.71 AE. Der Orbit hat einen sonnenfernsten Punkt in 256,4 Millionen km Entfernung, also leicht außerhalb des Mars. Bei nur 1250 kg Nutzlast ist das nicht gerade das was man erwartet, wenn die Webseite 13 t zum Mars und 4 t zum Pluto angibt. Kurzum: Man kann anhand des Starts keine Nutzlast ermitteln.

Aber es gibt ja sonst noch Neuigkeiten. Die BFR soll schon nächstes Jahr erste kleine Testflüge, also noch wie bei der Falcon 9 Abheben und Schweben absolvieren. Aber 2022 geht’s ja dann zum Mars. Schließlich muss man die Menschheit dort vor dem dritten Weltkrieg retten. Ja ehrlich, das ist Musks Intention. Was der gute Mann vergisst: Er baut nur die Vehikel. Mit Vehikeln alleine baut man weder eine Kolonie, noch löst man damit die Sinnfrage, die Musk offensichtlich fremd ist. Ein Vergleich, der sich anbietet, ist unsere Antarktis. Sie ist leichter bewohnbar als der Mars. Die Temperaturen sind höher, die Luft ist atembar. Es gibt genügend Wasser vor Ort. Im Vergleich zum Mars ist die Antarktis ein Paradies. Man sollte also davon ausgehen, dass man sicher zuerst die Antarktis besiedelt bevor man zum Mars aufbricht. Die Vehikel um zur Antarktis zu kommen gibt es seit rund 1500. Damals passierte Magellan die Antarktis, als er Chile umrundete. Er hätte mit den Schiffen auch dort landen können. Magellan ist aber nicht Musk. Er hat sich wohl gedacht: „Was soll ich auf dem Eispanzer?“. Bis heute haben wir keine Besiedelung der Antarktis, nur wissenschaftliche Forschungsstation und ab und an Touristen. So wird es wohl auch beim Mars sein, wenn man mal wirklich zu ihm aufbricht. Übrigens würden wohl auch Siedler in der Antarktis den dritten Weltkrieg überleben.

Nichts hat Musk dagegen über sein Starlink Projekt gesagt, obwohl das nun sicher viele interessiert hätte. Anders als die BFR wäre das etwas, was vielen nützt und sich auch viele leisten könnten. Ebenso hört man nichts mehr von dem bemannten Falcon Heavy Flug zum Mond. Das scheint so etwas Grundlegendes bei SpaceX zu sein: Immer wenn etwas in die konkrete Nähe rückt oder der Termin näher rückt, zu dem die Mission nach der Ankündigung starten sollte, dann schweigt SpaceX oder stellt ein. So ging es schon der Red Drago, Falcon 1e und etlichen anderen Projekten. Dabei ist die BFR ja keine Alternative für die Mondmission der Dragon. Sie ist Jahre von der Umsetzung entfernt und die zweite Stufe, die auch bemannt sein kann soll zwar LEO erreichen, aber bei angegebener 85 t Trockenmasse und 150 t LEO-Nutzlast gelangt sie nicht bis auf eine Mondbahn. Zumal der Hitzeschutzschild dann erheblich höheren Belastungen ausgesetzt ist. Wer also eine Mondmission bucht, kann nicht auf eine BFR verschoben werden. Für Marsmissionen sind daher auftankbare Tankstufen vorgesehen.

Aber wundert das einen? Elon Musk hat mal geschrieben. Er hätte SpaceX gegründet, weil er eine Raumsonde zum Mars schicken wollte und selbst russische Träger dafür zu teuer gewesen seien. Ich kam kürzlich drauf und fragte mich: „Warum schickt Musk dann einen Roadster ins All, anstatt eine Raumsonde?“ Eine kleine Suche beim Trajectory Browser der NASA liefert zwischen dem 14.2.2016 und 2.4.2016 17 Startmöglichkeiten. Und in der Zeit gab es auch einen Start von SpaceX, am 4.3.2015 den von SES-9. Man nutzte den Start für einen Landeversuch, der aber missglückte. Bei den hohen Reserven, die so einer erforder, /siehe unten) wäre es bei 5,271 t Nutzlast einfacher gewesen, keine Bergung durchzuführen und eine kleine Raumsonde zum Mars zu transportieren. Nun ja, das ist natürlich ein Flug für einen Kunden. Aber die Falcon Heavy soll ja 2,9 t zum Pluto transportieren. Dafür braucht man mindestens das C3 für einen Jupitervorbeiflug also rund 86 km²/s². Ich habe mit Ipto_ocs für den 6.2.2018 die energieärmste Bahn zum Mars suchen lassen. Das ist weit vor dem Startfenster aber mit einem C₃ von 30,7 km²/s² (der Tesla hatte 12 km²/s²) würde eine Raumsonde am 23.12.2108 den Mars passieren. Das wäre locker möglich gewesen, selbst neben dem Roadster. Die nächste Chance gibt es im Juni, wenn die STP-Mission ansteht. Die ist so leicht das man auch dann ohne Problem eine Raumsonde starten kann, und Juni ist nahe am Startfenster zum Mars, das sich am 8.5.2018 öffnet. Am 1.6.2018 gestartet würde man nur noch ein C₃ von 15,5 km²/s² aufbringen, um den Mars am 15.4.2019 zu erreichen. Das wäre locker bei den kleinen Minisatelliten möglich.

Also Gelegenheiten gibt es genügend. Aber keine Raumsonde, stattdessen Pläne, die man wieder einstellt, Red Dragons, Mars Kolonien etc. Es ist ein System. Sobald etwas, was Musk ankündigt, umsetzbar erscheint, wird es totgeschwiegen oder eingestellt, schon vorher wurde was noch utopischeres angekündigt. Es geht los mit einer Raumsonde zum Mars. Als dann diese durch die ersten Falcon 9 transportierbar wäre, deswegen hat er die Raketen ja angeblich mal entwickelt, kommt der Plan für die Red Dragon, die aber die Heavy Variante braucht. Kurz bevor die fliegt, wird die Red Dragon eingestellt und nun die BFR für Marskolonien angekündigt. Ich vermute wenn wirklich ab 2022 (Musks Zeitplan!) erste Flüge zum Mars der BFR anstehen dann wird auch das eingestampft und wieder was angekündigt. Wahrscheinlich die Kolonisierung von Europa oder Titan.

Zeiten, Projekte, das alles ist ja bei SpaceX im Fluss. Nehmen wir mal folgende Grafik:

Man schaue mal rechts auf die schon existierenden Träger. Die Falcon 9 steht da bei etwa 16 t und die Falcon Heavy bei 30 t. Auf der Website sind es aber 22,8 t und 63,8 t Nutzlast. Die Differenz ist wohl die Bergung. Das sind bis zu 50 % Abzug und davon hat der Kunde nicht mal was. Es gibt ja wie bereits bekannt keine Rabatte bei geflogenen Stufen. Erinnert mich irgendwie an DSL-Lockangebote, bei denen man auch nie die Datenrate erhält, die versprochen wird. Dabei kann man die Daten durchaus anzweifeln. Bisher war der schwerste Satellit 6,7 t schwer. Hispasat der nicht mal einen Standard-GTO, sondern einen Sub-GTO (287 x 22.255 km x 27,0 Grad) erreicht wog nicht mal 6,1 t. Es gab keinen Landungsversuch. Wie passt das zu den 8,2 t Nutzlast bei SpaceX Website? Gar nicht. Es sind utopische Angaben.

Die Angaben sind ein weiterer Punkt. Es gibt so viele Angaben, wo man als Erfahrener seine Zweifel haben. Nehmen wir mal das Merlin. Wikipedia führt ein Schub/Gewichtsverhältnis von 179,2. Also große Nebenstromtriebwerke wie das F-1 (und in der Schub-Liga spielt das Merlin nicht mit) kommen auf 80:1. Russische Hauptstromtriebwerke, die mit sehr hohen Brennkammerdrucken arbeiten und dadurch kleine Düsen haben auf 100 bis 120. Und hier haben wir ein Nebenstromtriebwerk mit einem hohen, aber nicht zu hohen Druck mit 180 zu 1? Mehr noch. Das erste Merlin 1C wog 522 kg bei 347 kN Schub. Das aktuelle 470 kg bei 914 kN Schub. Glaubt ihr das? Ich glaube das nicht. Die Brennkammer ist das schwerste am Triebwerk und die muss massiver werden, wenn der Druck ansteigt. Das diktiert die Physik. Ein größeres Triebwerk kann im Verhältnis zum Gewicht mehr Schub entwickeln (der Schub/Gewichtskoeffizient steigt an), aber nicht weniger wiegen, ebenso wenig wie ein dreimal leistungsfähiges Düsentriebwerk oder ein Schiffsdiesel weniger wiegt als die einfache Version.

Was Ähnliches findet man bei den spezifischen Impulsen. Brennkammerdruck, Expansionsverhältnis und LOX/RP-Verhältnis sind bekannt. Mit dem NASA-Programm FCEA kommt man auch fast genau auf die SpaceX Angaben (3421 / 3142 vs 3413 / 3050 m/s nach SpaceX-Angaben). Allerdings bezieht sich die Angabe auf den Hauptstrom. Die Merlins sind aber Nebenstromtriebwerke. Beim F-1 betrug der Anteil an Treibstoff, der im Gasgenerator für den Turbinenantrieb verbrannt wurde, 3 %. Das liegt in der Mitte des in der Literatur genannten 2 bis 5 %. Das F-1 arbeitete bei 69 Bar. Der Verbrauch steigt mit Brennkammerdruck überproportional an. Das Merlin wird also bei mindestens 97,5/69 * 3 % = 4,6 % liegen (günstige proportionale Abschätzung). Wenn man den spezifischen Impuls nur als den der Brennkammer definiert so kommt man auf die angegebene Werte. Doch in der Realität sind es eben 95,4 % * Wert + 4,6 % * Null, das sind bei der Oberstufe dann noch 3256 m/s – ein für ein LOX/RP-1 Triebwerk nach Nebenstromverfahren realistischer Wert. Das SpaceX etwas andere Vorstellungen von Werten hat wissen wir ja. Als Musk die Falcon 9 Heavy ankündigte, gab er als Hinweis, dass 27 Triebwerke problemlos zusammenarbeiten können die Sojus an, die habe ja auch 32 Triebwerke. Aaaah große Musk-Raketenmathematik. Er zählt einfach die sichtbaren Düsen zusammen. Es sind aber nur fünf Triebwerke, an denen vier große und zwei bzw. vier kleine Brennkammern hängen. Weiteres Beispiel: Als die erste Falcon 9 startete, wurde der „nahezu kreisförmige Orbit“ gelobt. Als ein Journalist sagte das nach NORAD-Bahnvermessungen es 13 % Unterschied zwischen Perigäum und Apogäum gäbe wurde die Angabe flugs nicht auf die Höhe über die Erdoberfläche bezogen, sondern vom Erdkern aus. Zahlen sind dehnbar, bei SpaceX sind sie aus Gummi.

Es gäbe noch mehr zu berichten. So das die Falcon Heavy zwar mit 22,8 t GTO gelistet ist. Die Preisangabe aber nur für 8 t GTO, bei der Falcon 9 für 5,5 t GTO. Will heißen: Wiederverwendung senkt in einem Fall die Nutzlast um ein Drittel, im zweiten Fall sogar um 60 %. Kein Wunder, das keine andere Firma das Konzept übernimmt. Inzwischen habe ich die Falcon 9 auch durch meine Aufstiegssimulation gejagt. Die bestätigt meine Vermutungen: Hätte SpaceX tatsächlich die angegebenen Werte (Strukturfaktor erste Stfue 30, zweite 24, spezifischer Impuls 3050 / 3413 m/s) erreicht, dann würde nicht nur Hispasat in einen GTO gelangen, nein die Rakete hätte sogar eine GTO-Nutzlast von 9400 kg nicht 8200. Mit den auf reale Werte zurechtgestutzten Werten (2980 / 3256 m/s) sind es dagegen die 8200 kg und mit auch etwas höheren Strukturfaktoren kommt man auf die 6,7 t die bisher kein Satellit (ohne Bergung der Stufe) überschritt.

Doch es gibt für SpaceX auch gute Nachrichten: Das Launchmanifest ist geschrumpft. Es weist heute 41 Missionen aus. Vor einem Jahr waren es 38. Das sieht zuerst nach einer Steigerung aus. Doch von den neuen Buchungen entfallen 11 auf CRS-Flüge und zwei Mannschaftstransporte, die von der NASA im Block Jahre vor dem Start gebucht wurden, also nicht von Kunden, die zeitnah ihre Nutzlasten gestartet haben. „Kommerzielle Starts“ haben abgenommen von 31 auf 26. Die Anführungszeichen stehen, weil wir seit letztem Jahr wissen, das, wenn da der Name einer US-Raumfahrtfirma steht, das ein beauftragter Start für das DOD oder NRO ist. Warum ist das positiv? Nun die FCC hat nun SpaceX ihre Lizenz für Starlink gegeben, aber mit der Auflage ihre Konstellation zu 50 % in 6 Jahren fertigzustellen. Die Konstellation umfasst 4425 Satelliten, zwei sind im Orbit. Das bedeutet, SpaceX muss 2211 Satelliten in 6 Jahren starten. Eigentlich kein Problem. Schon im August 2011 kündigte Musk an, man werde „soon“ 400 Triebwerke pro Jahr fertigen. Das ist nun 7 Jahre her. Insgesamt also, wenn man Musk glaubt, genügend Triebwerke für 280 Raketen, gestartet hat SpaceX erst rund 60. Die Raketen gäbe es ja (nach Musk) und jedes Jahr verdoppelt man ja die Startrate, da ist das schnell erledigt … Ja, wenn die Angaben stimmen würden. Aber wenn sich das Launchmanifest weiter so leert, haben sie auch ohne steigende Startraten die Kapazität frei. SpaceX sieht das anders. 2200 Satelliten in 6 Jahren zu starten, wäre „impractical“. Passt irgendwie nicht zu den Vorstellungen von Ersatz von Interkontinentalflügen durch Raketen ab 2022. SpaceX selbst plante nur 1.600 Satelliten in dem Zeitraum.

Bei 400 khg Masse (für die beiden Prototypen) wären das je nach Orbithöhe zwischen 50 und 63 Starts, also rund 8-10 zusätzlich pro Jahr. Also genauso viele wie man alleine im letzten Jahr an kommerziellen Starts verloren hat. Bei 30 Starts pro Jahr haben sie ja in 1,5 Jahren alle Starts ihres Launch Manifests abgewickelt und dann die Kapazitäten frei. Setzt natürlich voraus, das sie auch an dem System arbeiten und es nicht nur ankündigen ….

Bei anderen Organisationen hat SpaceX natürlich andere Zeitvorstellungen. So musste beim letzten Start das Video abgeschaltet werden weil nach einem neuen Gesetz jedes Kamerasystem, das die Erde abbildet, auch eine Videokamera, von der NOAA lizenziert werden muss. Der Antrag für eine Lizenz ging vier! Tage vor dem Start ein. Die NOAA hat trotzdem innerhalb von drei Tagen eine Lizenz erteilt, die aber nicht das Streamen einschloss. Ich finde das schnell, SpaceX sollte sich mal eine Scheibe von der schnellen Reaktion abschneiden.

Inzwischen hat ein unabhängiges NASA-Paneel auch den Verlust der CRS-Mission 2015 als Designfehler bei dem Druckbehälter und nicht wie SpaceX immer sachte ein Herstellungsfehler eingestuft (hier der Report).