Landlandung
Die Falcon 9 kann auf einem Dronenschiff und an Land landen. Die Unterschiede in der erreichten Nutzlast sind, wie man in der obigen Tabelle sieht, bei den verschiedenen Landeregimes deutlich. Das wird klar, wenn sich man die Bahnregimes für die beiden Landungen anschaut. Eine Falcon 9 für eine Seelandung hat nach der Stufentrennung zuerst einen 20 bis 30 s Burn von drei Triebwerken. Sie senken die Geschwindigkeit stark ab. Eine Erkenntnis nach den ersten Bergungsversuchen der Falcon 9 war, das die Struktur den Eintritt mit Hyperschallgeschwindigkeit in die dichtere Atmosphäre nicht übersteht. 20 Sekunden Betriebszeit klingen nach wenig, verbrauchen aber rund 18 t Treibstoff, fast so viel wie die Stufe leer selbst wiegt und bremsen sie um rund 1,4 km/s ab. Danach wird die erste Stufe aerodynamisch abgebremst und erreicht maximal eine Spitzengeschwindigkeit beim freien Fall von 600 bis 800 km/h. Diese Restgeschwindigkeit wird dann direkt vor der Landung mit einem einzigen Triebwerk abgebaut, was dann nochmals etwas Treibstoff kostet, aber viel weniger als die erste Abbremsung.
Dieser Treibstoff der für die Landung benötigt wird, steht für die Beschleunigung der Oberstufe nicht zur Verfügung und geht vom allgemeinen Treibstoff ab. Das SpaceX Users Manual für die Falcon 9 gibt Brennzeiten von 154 bzw. 156 Sekunden für typische LEO/GTO Missionen an, während SpaceX als Brennzeit der ersten Stufe auf der Website 162 Sekunden angibt, das sind also 6 bis 8 Sekunden Unterschied – klingt nach wenig, sind bei den Daten für Schub und spezifischem Impuls aber 17 bis 22 t Treibstoff und damit in etwa genauso viel wie die Stufe wiegt.
Bei der Landlandung, das sieht man in der Tabelle, sind die Nutzlasteinbussen noch größer. Bei der Falcon 9 sinkt die GTO Nutzlast von 5,5 auf 3,5 t. Eine Landladung der Zentralstufe ist bei der Falcon Havy gar nicht erst vorgesehen. Der SuperBooster soll aber immer an Land landen. Was die Rakete bei einer Landlandung machen muss, ist ihre Bewegung umkehren. Die Falcon und das Starship starten wie jede Rakete senkrecht und neigt sich dann langsam in die Horizontale. Bei Stufentrennung ist die horizontale Komponente der Geschwindigkeit noch nicht sehr stark, sie reicht aus, dass die Rakete eine Parabel durchfliegt mit einer Gipfelhöhe von etwa 70 km und landet – das differiert je nach Nutzlast – etwa 260 bis 370 km vom Startort entfernt. Diese Strecke legt die Stufe in etwa 7 Minuten zurück, was einer mittleren Geschwindigkeit von etwa 1 km/s entspricht.
Diese Geschwindigkeit muss die Falcon 9 bei einer Landlandung zuerst vernichten und dann noch weitere Geschwindigkeit in der Gegenrichtung aufbauen, damit sie den Startort wieder erreicht. Das führt zur drastischen Reduzierung der Nutzlast bei der Falcon 9. Bei der Falcon Heavy ist die Einbuße bei den beiden Boostern geringer, weil die Stufentrennung bei geringerer Geschwindigkeit stattfindet, die Zentralstufe hat schließlich bei der Trennung noch jede Menge Treibstoff. Beim letzten Start arbeitete sie noch 90 Sekunden weiter.
Als zweistufiges Gefährt ist der Superbooster eher mit der Falcon 9 vergleichbar. Es ist klar, dass jedes Kilogramm das der Superbooster schwerer wird noch mehr Treibstoff nötig macht, zuerst um die Bahn umzudrehen und dann um abzubremsen. Das ist, wenn man eine genaue Berechnung macht, mehr Treibstoff als die Stufe selbst wiegt, das bedeutet eine Massenerhöhung der Stufe. Bei de Crewed Dragon Starts der Falcon, wo die Nutzlast nur noch 12,5 t anstatt der reklamierten 22,8 t liegt reicht es bei der Falcon 9 schon nicht mehr für eine Landlandung. Die mit etwa 10 t Startmasse leichtere Transportvariante der Dragon kann noch an Land landen. Wir haben hier also eine Reduktion der maximalen Startmasse auf etwa die Hälfte. Entsprechend ist auch beim Starship die Orbitmasse (nun von Starship leer und Nutzlast) nur etwa die Hälfte eines Nicht-Wiederverwendbaren Gefährts.
Problemfall Starship
Das Starship ist anders als die zweite Stufe der Falcon 9 wiederverwendbar. Bisher gab es nur eine Wiederverwendung eines größeren, nicht kompakten Körpers (mit den schon lange geborgenen Raumkapseln, die mehrere Tonnen bei nur wenigen Kubikmetern Volumen wiegen, kann man das Starship nicht vergleichen. Das war das Space Shuttle das trocken 78 t wog bei einer Länge von 37 m und einem mittleren Rumpfdurchmesser von 5,2 m. Das Starship hat einen Durchmesser von 9 m und ist 50 m lang und wiegt 120 t. Hat also eine erheblich größere Rumpffläche. Nun sind die beiden Gefährte nicht direkt vergleichbar, dass Shuttle hat relativ große Tragfächern das Starship kleine, aber eines haben beide gemeinsam: ein Hitzeschutzschild muss sie vor dem Plasma, das beim Wiedereintritt entsteht schützen. Alleine die Rumpffläche des Starships ist 2,3-mal größer als die des Space Shuttles und bei dem machten Gewichtssteigerungen des Hitzeschutzschildes auch einen guten Teil des Gewichtsanstiegs aus.
Hier kann auf SpaceX noch einiges an Überraschung kommen. Das von Musk ursprünglich ausgedachte System einer regenerativen Kühlung entpuppte sich ja als nicht machbar, nun bedecken Hitzeschutzkacheln das Starship. Ob sie den Belastungen gerecht werden, das werden erst die Flüge zeigen. Nach den bisherigen Erfahrungen mit Tests bei SpaceX – sowohl der Bergung von Falcon 9 wie auch den ersten Tests der Landung des Starship – habe ich die Vermutung, dass man überoptimistische Vorstellungen hat, die zur Havarie führen und dann nachbessert, was das Trockengewicht erhöht.
Die Erhöhung des Trockengewichts hat einen zweiten Effekt. Das Starship braucht Treibstoff um den Orbit zu verlassen und dann zu Landen. Nach meiner Schätzung zusammen etwa 15 Prozent des Trockengewichts. Das ist aus der Brennphase bei den Landeversuchen und bekannten Δv für den Wiedereintritt bei existierenden Gefährten ableitbar.
Steigt das Trockengewicht, so sinkt die Nutzlast um diese 15 Prozent zusätzlichen Treibstoff zusätzlich ab. Ebenso steigt der Treibstoffbedarf bei höheren Bahnen, weil nun eine höhere Geschwindigkeit benötigt wird um den Orbit zu verlassen, das heißt beim Starship sinkt die Nutzlast für höhere Bahnen viel schneller an, als bei „normalen“ Raketen.
Das ist deswegen problematisch, weil die Nutzlast 100 t bei einem Trockengewicht von 120 t und einer Startmasse von 1.320 t liegt. Würde das Trockengewicht um nur 20 t steigen, was an dem Strukturfaktor kaum was ändert – er sinkt von 11 auf 9,6. So fallen noch weitere 3 t für den Treibstoff an, das heißt die Nutzlast sinkt von 100 auf 77 t, während es an der Startmasse überhaupt nichts ändert. Bei der Falcon 9 ist die zweite Stufe bei LEO Missionen leicht, sie wiegt etwa ein Drittel der Gesamtmasse. Beim Starship macht die Trockenmasse des Starships mit Landetreibstoff dagegen 58 Prozent der Gesamtmasse aus. Das bedeutet, dass die Nutzlast eines Starships sehr rasch sinken kann wenn dieses nur leicht schwerer wird.
Spezifischer Impuls
Musk reklamiert wie immer für die Raptors enorm hohe spezifisch Impulse. Vergleiche mit existierenden Raketentriebwerken sind schwer, weil es nur wenige Methantriebwerke (geplant oder im Entwurf) mit postulierten Daten gibt, aber das Mira-F Oberstufen der Vega wird einen spezifischen Impuls von 3.570 m/s haben, bei einem geringeren Brennkammerdruck und für das Prometheus mit gleichem Antriebsprinzip wie das Raptor waren 3.530 m/s angedacht, da erscheinen 3.727 m/s des Raptors schon sehr hoch. Erreicht wurden bisher in kurzen Zündungen (7 s) maximal 3.679 m/s. Der Unterschied klingt nach wenig, aber er macht bei einer typischen Gesamtgeschwindigkeit von 9.600 m/s vom Boden bis zum Orbit (mit Verlusten) 126 m/s aus, was beim Starship einer Nutzlastabnahme um 28 t entspricht. Da der Effekt auch bei dem benötigen Treibstoff für die Landungen zuschlägt dürfte in der Praxis der Effekt, erreicht man die Zielwerte nicht, eher noch größer sein.
Höhere Umlaufbahnen
Je höher der Geschwindigkeitsbedarf ist, desto empfindlicher reagiert das Gespann auf Masseänderungen oder Änderungen des spezifischen Impulses. Schon wer einen Taschenrechner hat, kann leicht nachprüfen, das die von SpaceX genannte Nutzlast von 21 t in den GTO bei 120 t Leermasse, 100 t Nutzlast für den LEO und dem Geschwindigkeitsunterschied von 2428 m/s beim idealen spezifische Impuls von 3737 m/s nicht möglich ist – wohl wieder eine Wunschzahl von Elon Musk. Das Starship müsste auf rund 60 t Masse sinken damit es bei 100 t LEO Nutzlast noch 21 t GTO Nutzlast hat.
Die Lösung von SpaceX ist Auftanken. Doch auch das hat Grenzen. Am empfindlichsten ist das Lunar Starship, da der Gesamtgeschwindigkeitsaufwand bei ihm extrem ist. Anders als bei Apollo entsorgt man keine Stufen bei einer Mondmission. Dort gingen S-IVB, Lunar Lander Abstiegsstufe und Lunar Lander Aufstiegsstufe verloren. Mit den Geschwindigkeitsanforderungen des Lunar Moduls von Apollo für Landung und Rückstart, das habe ich schon mal berechnet, reicht nicht mal ein voll betanktes Starship aus, um zu landen und wieder zum Lunar Gateway zurückzukehren. Ein Jahr später hat das auch SpaceX gemerkt, die NASA war wohl unfähig eine einfache Berechnung vor Auftragsvergabe durchzuführen und nun wird zuerst einmal das Starship nur landen, aber nicht mehr zurückkehren. Das ist Prinzip Hoffnung: Hoffen darauf das man die Masse des Starships senken kann, sonst klappt das Konzept nicht. Nun ja bei der Falcon 9 wurde aber das Designziel schon verfehlt und die ist im Verglich zum Starship technisch viel einfacher. Ob das Auftanken überhaupt funktioniert, ist eine ganze andere Frage, es ist in jedem Falle nicht vergleichbar mit bisherigen Tankvorgängen z.B. bei der ISS mit lagerfähigen Treibstoffen in Drucktanks bei denen das Umranken nicht viel anders als der Betrieb eines Triebwerks ist.
Ich habe bisher ja immer SpaceX Wetten gemacht, die meisten habe ich gewonnen, der Artikel führt mich zu meiner neuesten Wette, diesmal mit Laufdauer „unendlich“:
Wetten das SpaceX nie ein Starship auf dem Mond landen und zurück zum Gateway fliegen wird wenn es maximal einmal voll im Orbit betankt werden darf?
Der letzte Satz ist nötig weil man natürlich wenn man es zuerst voll tankt, danach einen Teil des Treibstoffs verbraucht und eine elliptische Erdumlaufbahn einschlägt und dann nochmals betankt schlussendlich doch mit einem 120 t Starship die Mondmission durchführen kann. Ich glaube aber eher das es dazu nie kommen wird, es wäre nicht das erste NASA-Projekt das wieder eingestellt wird.
Vor dem Jungfernflug
Wie immer gibt es bei SpaceX eine große Geheimniskrämerei. Was man weiß ist das der erste Flug keinen vollständigen Orbit durchführt, sondern das Starshipsin einer Landezone bei Hawaii niedergeht und eine Bergung nicht vorgesehen ist. Wahrscheinlich ist man bei SpaceX schon froh wenn die erste Stufe funktioniert – die 33 Triebwerke konnte man nie zusammen testen, es gibt keinen Teststand für diesen Schub. Schon bei einem kurzen Hochlaufen gab es ja eine Explosion unter den Triebwerken. Bis auch die Landung des Starships funktioniert vergeht auch noch Zeit – beim Space Shuttle war der Hitzeschutzschild immer ein Problemfall. Selbst für die letzte Phase des Fluges, also das Drehen vor der Landung benötigte SpaceX mehrere Versuche. Gestern hat nun SpaceX die Kombination probe betankt. Auch hier wenige Details nur eine Zahl – es sollen 4,5 Millionen Kilogramm Treibstoff sein – wäre es nach Musks Angaben aber vollbetankt so wären es 4,6 Millionen Kilogramm. Die Differenz ist zu groß für den üblicherweise nicht genutzten Raum. Wahrscheinlich sind aber die Zahlen gerundet – entweder Musks nach oben oder die Treibstoffmenge nach unten.
Mal sehen wann der Flug erfolgt und wie er verläuft.