On-Pad-Explosions, Testen und Sicherheit

Auf den heutigen Blog komme ich, weil ich gerade für die Website einen Artikel über alles was beim Starship Testflug schieflief schreibe. Ich habe dazu nach Videos des Starts aus anderen Perspektiven gesucht und bin über dieses hier gestolpert. Der Autor meint ernsthaft, das der Teststart erfolgreich war, weil die Rakete den Tower passiert hat. Blendet dazu bei 1:24 sogar eine „Daumen Hoch“ Grafik ein. Das Video erschien vor drei Tagen, also als längst klar war das die Rakete Verwüstungen trotz „erfolgreichem“ Start angerichtet hat. Da ist also jemand immer noch der 100 Prozent Musk Meinung, alles wäre ganz toll gewesen.

Ich habe das als Aufhänger genommen, um einige Themen zu behandeln. Zuerst mal ein Randthema das mit dem Teststart nichts zu tun hat, das sind „On the Pad Explosions“. Das sind in der Regel nicht Explosionen beim Start. Das liegt daran, wie heute Starts durchgeführt wurden. Die frühen Starts waren die von Militärraketen als erster Stufe. Die hoben ab, sobald der Schub die Erdbeschleunigung kompensieren kann. Nun zeigen sich Probleme mit den Triebwerken sehr oft schon beim Hochlaufen. Das am meisten gefürchtete Phänomen ist das einer Verbrennungsinstabilität. Dabei verläuft die Verbrennung nicht laminar sondern turbulent. Als Folge schwankt der Druck in der Brennkammer. Das kann eine Feedbackschleife auslösen. Das geht in etwa so. Nehmen wir an der Brennkammerdruck sinkt kurzfristig ab, dann wird die Turbopumpe die ja ausgelegt ist, gegen einen Druck der Brennkammer Treibstoff einzuspritzen mehr Treibstoff einspritzen, der führt dann zu einem raschen Ansteigen des Brennkammerdrucks, der dann dazu führt das die Pumpe wieder weniger Treibstoff einspritzt, der Druck also abfällt und zwar tiefer als er anfangs war. Es schaukelt sich innerhalb eines Sekundenbruchteils eine Welle aus sich immer stärker schwankenden Drücken auf, die schließlich dazu führen das etwas am Triebwerk kaputtgeht, meistens die Turbopumpe, weil die schnell drehende Rotorblätter hat und dann bei ihr schnell die Drehzahlen in Bereiche wandern wo sich die Blätter ablösen und mit ihrer kinetischen Energie das Gehäuse durchschlagen.

Ich habe für das Buch „Das Mercury Programm“ die frühen Fehlstarts in den USA recherchiert, bei denen die Rakete abhob, es aber nicht über die Länge des Startturms schaffte. Das sind sicher nicht alle, aber es ist in der Liste doch auffällig, das die meisten davon in der frühen Phase der Raumfahrt angesiedelt sind. Die eigentlichen „On-Pad-Explosions“ sind aber welche, bei denen die Rakete gar nicht abgehoben hat. Jonathan McDowell hat eine sogleich Liste gepflegt die ich hier mal verkürzt wiedergebe:

Startnummer	Datum	Rakete	Trägernummer	Nutzlast	Alternativname	Bemerkung	Spaceport	Launchpad
1959-E01	1959 Jan 21	Thor Agena A	160/1019	Discoverer 0	–	TAG000	V	75-3-4
1959-E02	1959 Sep 24 1512	Atlas C Able	9C	Static Test	Able IVA	–	CC	LC12
1960-E01	1960 Oct 24 1545	R-16	LD1-3T	8K64 LKI	MGCh 8F17	Nedelin disaster	NIIP-5	LC41/3
1963-E01	1963 Jul 10 1003:25	Vostok 8A92	E 15000- 04	–	Zenit-2 No. 12	–	NIIP-5	LC1
1963-E02	1963 Oct 24	R-9A	–	8K75	Fuelling accident	–	NIIP-5	LC70/11?
1966-E01	1966 Mar 15 2200	R-36O 8K69	U 22502-03L	OGCh No. 03L	OGCh No. 03L	8K69-O LKI-I-3a	NIIP-5	LC67/21
1968-E01	1968 Jul 15	Proton-K/D	–	–	–	–	NIIP-5	LC81/24?
1973-E01	1973 Jun 26 0122	Kosmos 11K65M	Yu47121-16	–	Tselina-OM	–	NIIP-53	LC132/1
1980-E01	1980 Mar 18 1601	Vostok 8A92M	78055	-330	–	–	–	NIIP-53
1980-E02	1980 Sep 19 0800	Titan II	–	–	–	–	LROCK	374-7
2003-E01	2003 Aug 22 1630?	VLS-1	V03	SATEC/UNOSAT	–	–	ALCA	VLS
2015-E01	2015 Nov 13 1720	VS-40M	V03	SARA Suborbital 1	–	–	ALCA	UL?
2016-E01	2016 Sep	1 1307	FT3	029/B1028?	Amos 6	Amos 6	–	CC
2019-E01	2019 Aug 29 0658	Safir	–	–	–	–	SEM	–

Selbst Kundige werden nur die wenigsten Starts auf dem Schirm haben. Ich tippe drauf das die meisten noch was mit dem Nedelin Desaster was anfangen können. SpaceX Fans, die dies nicht erst seit einigen Jahren sind, auch noch die Explosion mit Amos 6 und wer noch was mit der Explosion der VLS anfangen kann, dürfte schon zu den Fortgeschrittenen zählen obwohl diese Katastrophe nach dem, Nedelindesaster die meisten Tote in der Raumfahrt verursachte.

Tote gab es bei einigen Explosionen, weil in diesen Fällen an der Rakete gearbeitet wurde, das ist der Unterschied zu einer Explosion nach Zündung der Triebwerke, wenn alle Arbeiter in sicherer Entfernung sind.

Zurück zum Thema. Warum ist das Passieren des Startturms eigentlich kein Kriterium für den Erfolg? Weil es seit den Sechzigern eine neue Herangehensweise gibt. Eine Rakete startet nicht, wenn sie den Nennschub erreicht hat, sondern sie wird festgehalten bis die Triebwerke auf korrekte Funktion geprüft wurden. Das dauert nicht lange, da diese Verbrennungsinstabilitäten sehr schnell auftreten, praktisch mit der Zündung. Treten sie auf so kann man die Triebwerke abschalten und die Rakete hebt nicht ab. Bei der Saturn V gab es dazu den „OK-Distributor“. Er bestand aus Sensoren an jedem Triebwerk, die den Druck in der Treibstoffleitung maßen und leicht unterschiedliche Auslöseschwellen hatten. Sobald sich zwei der drei Schalter schlossen, wurde das Triebwerk abgeschaltet. Zum einen durch Schließen des Hauptventils am Triebwerk und zum Zweiten, als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, durch Schließen des Vorventils in der zugehörigen Kerosinleitung. So wurde es sicher abgeschaltet, gleichzeitig bekam der Computer dieses Signal und schaltete alle anderen Triebwerke ab. Es gab bei jeder Raketenfamilie solche Abbrüche in der letzten Sekunde. Sie verhindern das ein Triebwerk praktisch nach dem Start explodiert und die Rakete auf die Rampe zurückfällt. Die russischen NK-Triebwerke haben so was offensichtlich nicht, denn sowohl eine N-1 wie auch eine Antares mit diesen Triebwerken hob ab um dann nach wenigen Sekunden einen Triebwerksausfall zu haben und die Rakete stürzte auf die Startrampe und explodierte.

Aber es ist sonst Standard und auch bei der Falcon 9 von SpaceX ist es mindestens zweimal vorgekommen, das ein Start in letzter Sekunde abgebrochen wurde. So verwundert es mich das Elon Musk dieses merkwürdige Kriterium des Passieren des Startturms nimmt. Dazu passt auch, dass die Rakete vom Start weg vom Startturm wegneigt. Normal ist das sie senkrecht aufsteigt, außer man kann eben die Funktion der Triebwerke nicht nach der Zündung mehr anhalten. Die Ares X, ein Testflug eines SRB Boosters, war so ein Fall wo sich die Rakete gleich wegbewegte denn Feststofftriebwerke sind nicht abschaltbar.

Die Lösung für diesen Widerspruch ist für mich relativ einfach, man muss sich nur den Starttisch ansehen. Sehr ihr irgendwo da ein System mit dem man eine Rakete festhalten kann? Ich sehe keines. Wird bei 370 t Gewicht des Starttisches auch problematisch. Vielleicht ist das alles beim Start zerstört worden, aber auch das sollte nicht sein. Wo ist das System das ein Rakete mit einem Schub von 7.500 t fixieren kann damit sie nicht abhebt? Meine Deutung: es gibt keines. Wenn ich aber die Triebwerke praktisch nicht anhalten kann, nach dem sie mal laufen und die Rakete abhebt wenn sie genügend Schub haben, dann ist auch klar, warum Musk hofft das sie nicht vor Passieren des Towers explodiert und warum man sie schon mit ausgefallenen Triebwerken starten lässt – das früheste Bild das ich fand, zeigt schon bei T+2 Sekunden zwei ausgefallene Triebwerke.

Real muss sich der Start danach messen lassen, was geplant war, sprich was man bei der FAA als Mission eingereicht hat. Wäre es schon ein Erfolg, dass die Rakete überhaupt abhebt, hätte man sich nicht die Mühe machen müssen noch ein Starship mit Triebwerken drauf zu packen, denn ob es jemals zur Stufentrennung kommt wäre bei dieser niedrigen Erwartungshaltung ja fraglich.

Mich erinnert das an den Fußball. Ich interessiere mich nicht dafür, aber er kommt in den Nachrichten vor dem Wetter. Trainer oder Spieler werden ja immer vor einem Spiel gefragt, wie sie meinen das es ausgehen würde. Da wird dann auch tiefgestapelt soweit es geht, aber natürlich geht keine Mannschaft ins Spiel mit dem Ziel das sie auf keinen Fall gewinnen will. Denn dann könnte sie ja auch 90 Minuten lang den Ball zwischen den einzelnen Spielern hin und her schubsen. Da fällt mir das Spiel Deutschland-Österreich 1982 in Gijon ein, da kann man das gut beobachten. Nur glaube ich wird sich kein Fussballfan mit diesem Minimalziel zufriedengeben. Spacex Fans jubeln dann aber schon.

Was in dem Zusammenhang gerne übersehen wird. SpaceX ist kein Newcomer mehr. Die Firma hat über 200 Raketen gestartet, mehr als viele andere Nationen wie Indien oder Japan in ihrer ganzen Geschichte. Wenn der Videoblogger daher einen US-Neuling als Vergleich nennt, ist das falsch, denn natürlich gewinnt man Erfahrung mit jedem Start. Ich will hier mal zwei Beispiel anführen, die europäische Trägerraketenentwicklung und die der Saturn. In Europa begann man bei der Europa-Rakete zuerst nur mit Tests der ersten Stufen, dann der ersten und zweiten und erst zum Schluss mit allen drei, aber noch ohne wertvolle Nutzlast, sondern einer Testnutzlast. Das ist genau die Vorgehensweise, die man macht wenn man wenig Erfahrungen hat. So ist die erste Stufe qualifiziert, wenn die zweite getestet wird. Ein Fehlstart kostet weniger und eine neue Rakete ist schneller startbereit. So wurden damals alle Raketen getestet. Bei der Ariane 1 hatte man schon mehr Erfahrungen und fing gleich mit drei arbeitenden Stufen an, allerdings zuerst auch nur mit Messkörpern und Ballast als Nutzlast. Bei Ariane 4 war der Jungfernflug dann schon ein regulärer Start, aber verbilligt verkauft und bei Ariane 5 traute man sich schon den Start von teuren Forschungssatelliten beim Jungfernflug zu.

Ähnliches sehen wir bei der Saturn. Die ersten Saturn I Tests waren nur die der Erststufe, dann kamen die Tests mit erster und zweiter Stufe aber mit Ballast dran, ab dem siebten Start dann ein Mockup einer Apollokapsel, aber eben nur die Hülle nicht das funktionsfähige Raumschiff. Danach startete man drei Pegasussatelliten, einfache Satelliten die den Einschlag von Mikrometeoriten maßen.

Bei der Saturn IB und Saturn V hatte man dann schon so viel Erfahrung, dass diese Starts gleich mit allen funktionierenden Stufen und funktionsfähigen Raumschiffen erfolgten. SpaceX macht es dagegen gerade anders herum: Die Falcon 1 startete mit einem von der USAF bezahlten Start und Satelliten der USAF, die Falcon 9 dann nur mit einem Massemodell der Dragon und das Starship dann ganz ohne Nutzlast. Also die Ansprüche werden immer geringer.

Heute ist anders als damals „Rocket Science“ ein Studienfach. Man kann es studieren und so sind bei neuen Trägern die von etablierten US-Firmen entwickelt werden, Teststarts eher die Ausnahme. Warum dann gerade bei den neuen Trägern von neu gegründeten US-Firmen so viele scheitern? Man kann nur vermuten. Ich denke es sind zwei Ursachen. Zum einen kostet qualifiziertes Personal etwas. Berufsanfänger sidn wesentlich billiger, haben aber nicht die Erfahrung. Das zweite ist, dass die Firmen um günstiger zu sein als die Konkurrenz sparen müssen. Das geht an Systemen für die Sicherheit aber auch beim Testprogramm. Normal ist das ein Triebwerk extensiv getestet wird, zuerst bei reduzierten Anforderungen wie geringerem Nennschub, dann unter Normalbedingungen und dann unter Stresszenarien. Beim Vulcain 1 waren es bis zum Jungfernflug der Ariane 5 insgesamt 86.000 Sekunden Gesamtbetriebszeit bei 19 Triebwerken, entsprechend 143 Einsätzen bei voller Brenndauer. Das Testen ging während der Testflüge noch weiter und erreichte beim dritten Start dann 127.000 Sekunden Testzeit. Dann ist ein Triebwerk auch ausgereift, die Wahrscheinlichkeit das es innerhalb von 2 Sekunden nach der Zündung ausfällt ist dann gering. Beim Superbooster 24 fielen sowohl bei einer Testzündung wie auch beim Start innerhalb der ersten 2 Sekunden jeweils zwei Triebwerke aus, was eine Wahrscheinlichkeit von 12 Prozent ist. Keine etablierte Organisation würde bei einer solchen Auftreffwahrscheinlichkeit einen Teststart ansetzen. Was wäre wenn die NASA im Dezember gesagt hätte „Wenn die Artemis 1 Mission den Startturm passiert ist alles okay“. Ein Shitstorm wäre die Folge.

SpaceX ist über zwanzig Jahre alt, sie ist eine etablierte Firma und sollte nach über 200 Starts über genügend Erfahrungen verfügen um eine Rakete zu bauen bei der nicht nach wenigen Sekunden schon sechs Triebwerke ausfallen und die dann nicht mehr steuerbar ist. Warum es trotzdem genau so kam? Ich spekuliere mal: Die Entwickler der Falcon 9 haben die Firma verlassen und woanders lukrative Posten bekommen. Sie haben bei der Falcon 9 sich das Wissen erworben die Rakete zu einem Erfolg zu bringen, das war mühsam und hat gedauert. Den laufenden Betrieb bekommt man auch ohne dieses Personal hin, nicht aber eine Neuentwickelung wie das Starship. Da fallen schon bei der Konzeption Fehler auf. Die Saturn V hatte 10 m Durchmesser und Triebwerke mit 34.000 kN Startschub. Das Starship nur 9 m Durchmesser aber 74.000 kN Startschub. Als Folge sind die Triebwerke so eng beieinander dass eine Explosion zwangsläufig umliegende Triebwerke beschädigen muss. Noch gravierender: Von den 33 Triebwerken sind nur die inneren 13 schwenkbar. Nur diese können eine Schubasymmetrie durch Triebwerksausfälle ausgleichen. Das ist etwas wenig und hat wohl nicht gereicht.

Hätte es anders kommen können? Ja. Auch wenn nicht der Superbooster als ganzes gtestet werden kann, so kann SpaceX doch jedes Triebwerk testen, sogar Gruppen. Als das Testzentrumbei McGregor eingeweiht wurde war es für 3,2 Millionen Pfund, das entspricht dem Schub von 6 Raptors ausgelegt. Da die Raptors 1.000-mal wiederverwendbar sein sollen, wäre es kein Problem gewesen jedes ausführlich zu testen bevor man es im Superbooster 24 einbaut. Das ist das mindeste was man bei dieser Konstruktion erwarten kann. Die Zeit hätte SpaceX gehabt, denn nach ihren Angaben hat die FAA den Start ja über Monate aufgehalten.

Dann ist da der Verzicht auf Systeme, die es woanders gibt, wie ein Flammenschacht und Flammenumlenk-/Dämpfungssystem. Deswegen gab es ja die enormen Beschädigungen, mich wundert nur, dass die FAA die ja angeblich durch Auflagen den Start so lange aufgehalten haben soll (wie sich herausstellte war die Rakete ja dann immer noch nicht ausgereift) die Flugaspekte, aber nicht diesen Aspekt untersuchte und erst jetzt nachdem es bis im 9 km entfernten Port Isabel Beschädigungen gab, ein Testverbot verhängte.

Während hier gespart werden muss, ersetzt SpaceX ein bewährtes System der Landung von Stufen das bei der Falcon 9 meistens funktioniert, durch ein völlig neues das erheblich abenteuerlicher klingt, nämlich das Einhaken des Superboosters am Startturm. Nur wenn man weiß, das bei Elon Musk „Coolness“ ein wichtiges Argument ist kann man das verstehen.

Es ist nun wieder die Zeit gekommen wo die Starts der Firma wieder Unterhaltungswert haben und ich wieder von „SpassX“ sprechen kann.