Die Raptoren und der Sinn von Teststarts

Nachdem ich mich schon mit dem Flug des „Superbbosters“ beschäftigt habe, möchte ich mich heute mal mit den Raptoren und ihrem Testprogramm beschäftigen.

Zuerst mal das wichtigste, nämlich eine nüchterne Betrachtung dieses Teststarts, ohne sich von irgendwelche SpaceX-Propaganda beeindrucken zu lassen. Ich verwende aber trotzdem die offiziellen SpaceX Zahlen, einfach weil es keine anderen gibt. Sie stammen von der englischsprachigen Wikipedia.

• Es war ein normaler Raketenstart. Eine Bergung war nicht geplant.
• Die Größe des Gefährts spielt keine Rolle. Das kritische an jeder Rakete sind die Triebwerke. Sie liefern den Schub sie sind die Hauptausfalluhrsache Nummer 1.
• Ein Triebwerk kann eine hohes Risiko bedeuten, wenn es völlig neu und ungetestet ist.
• Der eigentliche Zweck eines Teststarts ist es Dinge zu finden die man bei Bodentests nicht finden kann. So vibriert dort die Rakete viel weniger, es treten keine aerodynamische Kräfte auf und das Verhalten von Triebwerken ist im Vakuum ein anderes als auf Meereshöhe.

Die Triebwerkszahl

Die SpaceX Propaganda hebt hervor das der Superbooster mit 33 Triebwerken startet, mehr als jede andere Rakete die bisher flog. Gerne auch mit dem Verweis, das die N-1 mit 30 Triebwerken scheiterte. Natürlich erwähnt SpaceX nicht das die Falcon Heavy, also das eigene Modell mit 27 Triebwerken schon fünfmal erfolgreich startete.

Im Technikjargon der Raumfahrt ist jedes Triebwerk ein „Single Point of Failure“. Es kann also ausfallen und ein Ausfall kann die vollständige Mission scheitern lassen. Daher haben moderne Raketentriebwerke eine hohe Zuverlässigkeit. Die rechnerische Zuverlässigkeit – ich mache hier keine Seitendiskussion auf, dass man diese praktisch nicht überprüfen kann – vieler US-Triebwerke liegt bei 0,998, das Vulcain 1 wurde mit 0,9946 konzipiert. Selbst wenn man diesen niedrigeren Wert des Vulcain nimmt so ist es rechnerisch zu 83,6 Prozent wahrscheinlich, das kein Triebwerk bei 33 Triebwerk ausfällt wenn diese dieselbe Zuverlässigkeit haben.

Normal ist das eine Rakete pro Stufe ein oder zwei Triebwerke einsetzt. Es gibt aber auch Typen mit mehr Triebwerken. Die Ariane 4 konnte bis zu acht Triebwerke einsetzen, die Saturn I und Saturn IB ebenfalls. Das ist eine vernünftige Zahl bei der die Zuverlässigkeit der Gesamtrakete immer noch hoch genug ist. Bei Ariane 4 war die Zuverlässigkeit der Triebwerke die einzige Absicherung gegen ein Scheitern der Mission.

Engine Out capability

Bei den Saturn gab es zusätzlich die Fähigkeit der engine-out capability, Darunter versteht man die Fähigkeit einen Triebwerksausfall abzufedern. Diese besteht aus mehreren Aspekten:

• Es muss der Schubverlust eines Triebwerks kompensierbar sein. In der frühen Missionsphase kann ein Schubverlust zu einem zu geringen Ansteigen oder sogar dem Abstürzen der Rakete (wenn die Erdbeschleunigung unterschritten wird) führen. In der späteren Phase kann die Rakete zwar weiter beschleunigen, aber benötigt für das Erreichen der Zielgeschwindigkeit und Höhe mehr Treibstoff. Dieser Treibstoff muss als Reserve vorhanden sein. Was da passieren kann wenn man nur wenige Triebwerke hat zeigt dieses Video eines Astra Rocket Starts, die Rakete schwebt praktisch bis sie durch Treibstoffverbrauch so leicht ist das sie an Höhe gewinnt.
• Es muss der Schubvektor aufrecht erhalten bleiben. Wenn ein Triebwerk ausfällt, so verändert sich die Symmetrie des Schubs. Raketentriebwerke sind schwenkbar, allerdings nicht immer (die mittleren Triebwerke der Saturn I und Saturn V und N-1 waren es nicht) allerdings nur um wenige Grad. Bei der Saturn galt als Szenario nicht nur der Wegfall des Schubs, sondern auch der Fall das ein Triebwerk nicht mehr steuerbar ist, also weiter arbeitet aber in einem falschen Winkel ausgerichtet. Das zu kompensieren erfordert eine wesentlich höheren Schwenkbereich als bei einem Abschalten.

Spacex reklamiert die engine-out Capability für die Falcon 9 und Heavy und hat der Superbooster diese Fähigkeit, so sind mehr Triebwerke kein Nachteil, denn dann gilt:

• Der Ausfall eines Triebwerks ist zwar sehr wahrscheinlich, der von zwei oder mehr Triebwerken aber sehr unwahrscheinlich. Bei einer Zuverlässigkeit von 0,9946 ist es nur zu 1,3 % wahrscheinlich das zwei Triebwerke ausfallen und zu 0,072 Prozent, das drei ausfallen.
• Der Einfluss eines Triebwerks ist viel kleiner, damit der Schubverlust und die Beeinflussung des Schubvektors. Damit benötigt man auch viel weniger Treibstoffreserven.
• Das das Starship mit 74.912 kN Schub startet, aber nur 5.000 t wiegt (wahrscheinlich ohne Nutzlast, weil der Treibstoff alleine 4.600 t wiegt) dürfte sie selbst mit 250 t Maximalnutzlast (nach „Users Manual“, keine Wiederverwendung) mit 14,27 m/s starten. Als übliche Stabilitätsgrenze für Raketenstarts gelten 1,25 g das sind 12,26 m/s. Es gibt aber auch langsamer startende Raketen wie die Saturn V oder Delta 4H. Bei dem Superbooster dürfen bei oben genanntem Schub so vier Triebwerke schon beim Start ausfallen, bei der normalen Nutzlast (100 bis 150 t) sogar fünf um auf diesen Wert zu fallen.

So gesehen hätte der Start eigentlich nicht scheitern dürfen. Allerdings, und dafür gibt es Hinweise, ist der angegebene Schub auf der Webseite nicht der den die Rakete jetzt hatte. Denn dafür hätte der Treibstoff nie bei der angegebenen Brenndauer von 2 Minuten 49 Sekunden gereicht – bei dem bei der Wikipedia genannten Treibstoffverbrauch von 650 kg/s/Triebwerk wären so 3625 t Treibstoff benötigt worden, die Tanks fassen aber nur 3.500 t. Wenn ich 3.500 t Treibstoff annehme, den spezifischen Impuls von 3231 m/s für Meereshöhe (Wikipedia-angaben) und 169 s Brenndauer komme ich auf einen Startschub von ziemlich genau 65.000 kN oder 1.969 kN pro Triebwerk. Fallen nun drei Triebwerke aus, so sinkt der Schub auf 59.093 kN was bei einem Startgewicht von 5.000 t einer Beschleunigung von 11,81 m/s entspricht und das langsame Ansteigen erklärt. Diese Rakete hatte also eine reduzierte Engine-Out Capability. Maximal zwei Triebwerke hätten ausfallen dürfen.

Warum ein Teststart?

Das interessantere nach diesen allgemeinen Ausführungen aber ist, warum die Triebwerke ausfielen. Ich lasse mal offen, ob sie für das Scheitern des ganzen Flugs in der Form verantwortlich sind – meiner Meinung nach nicht alleine, wahrscheinlich hätte man keinen Orbit erreicht, aber es gab sicher noch andere Ursachen. Wer mal im offiziellen SpaceX Webcastvideo nicht auf die Rakete schaut sondern den Balken darunter sieht nicht nur die Triebwerke die arbeiten, übrigens nicht genau, hier ein Bild auf dem man sechs ausgefallene Triebwerke ausmachen kann, in der Grafik sind es aber nur fünf, sondern auch andere Statusinformationen, so verbraucht die Rakete von Anfang an LOX und CH4 nicht in gleichem Maße, das ist nicht normal.

Und das leitet mich zu meinem Hauptthema über, nämlich das man sich diesen Teststart hätte schenken können. Aber auch hier zuerst mal einige Ausführungen von Grundlagenwissen. Das Raptor ist ein Triebwerk nach dem Prinzip des „staged combustion“. Davon haben die USA bisher nur eines im Einsatz, das RD-25 des Space Shuttles. Anders als dieses ist das Raptir aber ein Triebwerk bei dem der ganze Sauerstoff in einem Vorbrenner mit einem Teil des Brennstoffs verbrennt wird, beim RS-25 ist es genau umgekehrt. Das die Einführung einer neuen Technologie problemlos ist, ist nicht wahrscheinlich. Auch das RS-25 machte in der Entwicklung Probleme und verzögerte die Indienststellung des Shuttles. Parallel entwickelt Blue Origin das BE-4 mit derselben Technologie und demselben Treibstoff. Auch das hinkt in dem Terminplan hinterher. Die Vulcan die es einsetzt sollte schon längst im Einsatz sein. Russland hatte beim ersten Einsatz dieser Technologie in der Proton auch etliche Fehlstarts.

Das alleine kann aber kein Grund dafür sein das so viele Triebwerke ausfielen. Sie ist ein Grund dafür das sich ein Testprogramm verlängert, wie das bei der BE-4 oder dem RS-25 der Fall war, doch das letztere Triebwerk arbeitete bei 135 Space Shuttle und einem Artemis Start einwandfrei (einmal wurde eines vorzeitig abgeschaltet, das lag aber an einem fehlerhaften Sensor und nicht am Triebwerk).

Die Raptors sahen in den Testflügen des Starhips schon nicht gut aus, fielen aus oder verbrauchten das Methan vorzeitig,

Es ist vielmehr ein Hinweis darauf, dass diese Triebwerke nicht ausreichend getestet sind. Die Frage ist, warum?

Nun gibt es keinen Teststand in den USA bei dem alle 33 Triebwerke gleichzeitig getestet werden können. Der größte NASA-Teststand B-2 des Stennis Space Centers war mal ausgelegt für 11 Millionen lbf Schub, (49.000 kN) um eine komplette S-IC zu testen. Heute kann er bis zu 3 Millionen lbf Schub aufnehmen, das entspricht immerhin sechs Raptors. Ich konnte nicht herausfinden welchen Schub SpaceX Testeinrichtung McGregor in Texas erlaubt, aber eine Falcon 9 Erststufe kann dort getestet werden und die hat 6,810 kN Bodenschub, entsprechend drei Raptors. Rein theoretisch kann man auch die Triebwerke am Startplatz testen, indem man einen Superbooster mit Masse – die kann durchaus größer als das Starship sein, da sich die Lasten auf den oberen Abschluss im Flug mit der Maximalbeschleunigung von etwa 4 g multiplizieren – setzt und dann das Brennen abbricht bevor der Schub ausreicht das sie abhebt. Doch da ich auf dem minimalistischen „Starttisch“ keinerlei Halteklammern sehe würde ich eher nicht dazu raten.

Da ein Triebwerk ein Single Point of Failure ist, kann es aber auch alleine getestet werden und das ist problemlos bei vielen NASA-Testständen und bei SpaceX selbst möglich. Natürlich gibt es dann immer noch Unwägbarkeiten die von der gegenseitigen Beeinflussung der Triebwerke herrühren, aber das drei Triebwerke schon bei oder kurz nach der Zündung ausfallen – etwas was ja schon beim statischen Test genau desselben Boosters im November passierte – kann man so verhindern. Ja es erhebt sich die Frage, wenn schon im November zwei Triebwerke nur bei einem 7 Sekunden Test ausfallen, warum man dann trotzdem startet.

SpaceX argumentiert, dass sie die Raptors inkrementell weiter entwickeln, also diese Triebwerke nicht die sind die in der endgültigen Version des Superboosters stecken. Aber das ist doch kein Grund sie ungetestet einzusetzen und damit sind natürlich auch alle Messwerte die man mit diesen Triebwerken gewinnt nicht auf die endgültigen Triebwerke anwendbar ohne das man prüfen muss was an diesen anders ist und wie sich das auf Messwerte auswirkt. So macht der Teststart noch weniger Sinn als mit den endgültigen Triebwerken.

Die moderne N-1

Die russische Mondrakete N-1 hatte vier Starts, bei keinem kam es auch nur zum regulären Brennschluss der ersten Stufe. Warum scheiterte sie?

• Auch bei ihr baute Russland keinen Teststand um die erste Stufe komplett zu testen, stattdessen sollte diese bei Teststarts erprobt werden.
• Auch die Triebwerke waren bei den eingesetzten Exemplare nicht die endgültigen Versionen, sondern Vorläufer der späteren Exemplare, die leistungsfähiger und vor allem zuverlässiger sein sollten.
• Trotzdem wurden diese Triebwerke nicht vor dem Einbau einzeln getestet, sondern aus einer Charge wurden zwei Triebwerke getestet, bestanden sie wurde die ganze Charge akzeptiert, ansonsten die ganze Charge verschrottet.
• Mit Triebwerksausfällen wurde gerechnet, daher hatte die N-1 einen hohen Schubüberschuss von 25 Prozent.
• Die zweite N-1 hatte so viele Triebwerksausfälle in der Startphase, das sie auf das Launchpad zurückfiel und es zerstörte.

Nun sehen wir uns mal SpaceX Superbooster an:

• Die erste Stufe wurde nie komplett getestet, nur ein kurzes Zünden unterhalb des Schubs der zum Abheben benötigt wird. Die Triebwerke sollen bei einem Teststart erprobt werden.
• Auch die Raptors sind noch nicht die endgültigen Versionen. Diese haben einen höheren Schub, höheren spezifischem Impuls und dann reichen auch 29 Triebwerke für die erste Stufe.
• Es erfolgte ebenfalls kein Einzeltest jedes Triebwerks vor dem Einbau in den Superbooster.
• Elon Musk twitterte nachdem schon beim Kurztest im November zwei Triebwerke ausfielen „enough to reach Orbit“, Also wird hier mit einem Triebwerksausfall gerechnet.
• Als Ziel des Testflugs gab Musk an, das nicht die Starbase zerstört wird.

Also die Parallelen sind für mich deutlich. Nun scheiterte die N-1 in vier Starts, was kein gutes Omen für diese Strategie ist. Es ist bekannt, warum Russland so vorging. Sie wollten vor den USA auf dem Mond landen, hinkten aber zwei Jahre im Testprogramm hinter den USA her. Hinsichtlich Triebwerkstest sogar noch mehr. Daher diese riskante Vorgehensweise. SpaceX hat keinen Zeitdruck. Es gibt lediglich einen Kunden für das Starship, den Start von Superbird-9. Der ist aber leicht genug um von einer Falcon 9 gestartet zu werden. Sie haben eine einsatzbereite Falcon 9 und Falcon Heavy. Es gibt für Bodentests mehrere gute Argumente:

• Bei einem Triebwerkstest am Boden kann man ein Triebwerk danach untersuchen, oder sogar fixen und erneut testen.
• Bei einem Testflug liefern einem Sensoren zwar Messwerte, aber daraus muss man die Ursache rekonstruieren. Ein Triebwerk kann man nach dem Test untersuchen und so die Ursache eines Fehlverhaltens direkt feststellen.
• Triebwerkstest auf einem Teststand sind viel billiger und man kann viel schneller neue Triebwerke testen – der nächste Testflug eines Starships wird es in einigen Monaten geben, Triebwerktests fanden während der Apollojahre täglich statt.

Für mich spricht viel dafür das Elon Musk einen Testflug haben wollte, es nicht erwarten konnte, er hatte den Testflug ja schon für das Frühjahr 2019 versprochen.

Fazit

Was dennoch erschreckend ist ist die Ausfallrate. Es sind mindestens sechs Triebwerke ausgefallen, vielleicht in der späten Phase, als die Rakete vom Kurs abwich, noch mehr. Die rechnerische Zuverlässigkeit eines Triebwerks ist für diese Ausfallrate ist nach Simulationen dann erschreckend gering. Eine Wahrscheinlichkeit das sechs oder weniger Triebwerke bei 33 Triebwerken mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent ausfallen, wird bei einer Zuverlässigkeit von 0,8 erreicht. Das drei Triebwerke beim Start schon ausfallen ist dann auch fast normal, denn das ist dann zu 92 Prozent wahrscheinlich. Mit so schlechten Triebwerken – hundert mal schlechter als die Designwerte des RS-25 oder RS-68 – würde ich keinen Testflug ansetzen.