Nachlese zum zweiten Teststart des Spaßships

Heute eine kleine Analyse zum letzten Fehlstart des Spaßships, der immerhin besser lief als der erste. Alle Angaben sind vorläufig und beruhen auf dem offiziellen Startvideo.

In der Kurzzusammenfassung:

• Die Kombination hob ab, die braune Wolke, aus evaporiertem Gestein bleib aus. Das heißt das Flammenunterdrückungssystem war ausreichend groß dimensioniert.
• Alle Triebwerke bei SuperHeavy und Spaßship funktionieren – beim letzteren zumindest bis 8 Minuten nach dem Start.
• Die Stufentrennung klappte.
• Das Spaßship startete und arbeitete bis 8 Minuten nach dem Start und einer Geschwindigkeit von 6,7 km/s. (geplant: 8 Minuten 33 s).
• Beide Stufen explodierten. Die Superheavy nach einer Kehrtwende und das Spaßship 4 Sekunden nach Abschalten der Triebwerke.

Etwas detaillierter

Das SpassX nun seit Jahrzehnten für andere Raumfahrtunternehmen geltende Standards zur Reduktion der Auswirkungen des Starts umsetzt ist löblich, aber wie immer bei SpassX geschieht das erst, nachdem etwas passiert ist. Dazu passt auch die Meldung, dass die Zahl der Arbeitsunfälle bei SpassX höher ist als Industrieweit in der US-Raumfahrtindustrie. Reuters hat hier Zahlen zusammengetragen, SpassX meldet anscheinend nicht systematisch, doch für 2022 gibt es von fünf der sechs SpassX-Standorte Zahlen und die liegen bei Hawthone (1,8), McGregeor (2,7) und Browsnville (4,8) deutlich über dem Durchschnitt der Industrie von 0,8 Unfällen pro Jahr und 1000 Arbeiter. Cape Canaveral und Redmond liegen mit 0,9 und 0,8 im Industriedurchschnitt. Auch hier wird man wohl erst SpassX auf die Finger klopfen müssen, damit sie mehr für die Sicherheit ihrer Arbeiter tun.

Das alle Triebwerke arbeiten ist essenziell. Zwar gibt es Verlautbarungen von SpassX und Elon Mux, das zwei Triebwerke bei der SuperHeavy ausfallen können, weil sie Schubüberschuss haben, das ist aber nur eine Seite der Medaille. Denn dieselben Triebwerke sind ja im Spaßship verbaut und ist ein Ausfall eines Raptors beim Spaßship statistisch so wahrscheinlich, dass damit gerechnet wird und man durch Schubüberschuss diesen Fall abfängt, dann ist es bei sechs Triebwerken in dem Spaßship ebenfals wahrscheinlich (mit 6/33 = 18 Prozent der Wahrscheinlichkeit für die SuperHeavy) das es zu einem Ausfall kommt und hier wäre ein Ausfall fatal und würde den Verlust der Mission bedeuten. Nun schalteten sich nach dem Video alle sechs Triebwerke des Spaßships Sekunden vor der Explosion ab, ich vermute aber das war eine gesteuerte Aktion und nicht ein spontaner Ausfall, da jedes Triebwerk ja eigene Leitungen zum Tank hat und unabhängig vom anderen ist.

Nebenbei bermekt: da schon geplant ist 500 t mehr Treibstoff zuzuladen und die Tanks zu verlängern (nach einem Dokument an die FAA( bleibt es auch nicht beim hohen Schubüberschuss bei der SuperHeavy.

Die Stufentrennung klappte und das hat wohl die Kommentatoren am meisten überrascht und erfreut. Das verwundert mich, denn eigentlich ist diese Technik viel einfacher als die kalte Trennung, die SpassX seit Jahren bei der Falcon 9 und Heavy durchführt. Das ist auch der Grund, warum die Sowjets jahrzehntelang sie einsetzten. Mehr verwundert mich, das man das System, das man über Jahre entwickelt hat und das beim ersten Testflug nicht funktionierte, komplett begrub und in den letzten Monaten ein komplett neues System entwickelte (daher wohl auch die Begeisterung). Das erste System muss so verkorkst gewesen sein, dass man gar keine Mühe mehr aufwenden wollte, es zum Funktionieren zu bringen. SpassX typisch werden nun Vorteile der heißen Trennung betont und die Vorteile des alten Systems totgeschwiegen. Die hatte es nämlich durchaus und das zeigt die Explosion der Superheavy kurz nach der Trennung. Beim alten System war eine Rotation vorhergesehen (wir erinnern uns: die Kombination machte minutenlang Loopings) die beide Teile trannt und gleichzeitig die SuperHeavy durch Rotation auf den Rückkehrkurs bringt. Gerade bei diesem nun nachgeholten Flip explodierte sie aber diesmal.

Die Drehung musste nun nachgeholt werden und das ging ziemlich schief. Nach der Trennung dreht sich die Superheavy, nutzt dazu erst 13 Triebwerke, dann immer weniger, zeitweise über einige Sekunden sechs Triebwerke, dann werden auch die abgeschaltet und nur kurz nach Brennschluss des letzten Triebwerks (etwa 1-2 Sekunden) explodiert die Stufe. Die erneute Zündung findet bei 2:50 statt, das letzte Triebwrk geht bei 3:18 aus. Das ist vorzeitig, gemäß Flugplan sollte die Superheavy bei 2:53 zünden und bis 3:47 gehen. Die nachfolgende Explosion ist so schnell, das ich von einer Aktivierung des Selbstzerstörungssystem ausgehe. Ein Feuer im Bereich der Triebwerke wäre vorher zu sehen gewesen und eine Explosion geht nur, wenn, die Struktur zwischen beiden Tanks durchtrennt wird und sich dann LOX und LNG vermischen können, das bewirkt eigentlich in so kurzer Zeit nur eine Sprengladung.

Bei dem Versagen des Spaßships nach ziemlich genau 8 Minuten wissen wir aber, dass hier das Selbstzerstörungssystem aktiv war, da der Ingenieur von SpassX das gesagt hat, auch wenn er direkt nach dem Start die Ursache noch nicht kannte. Das dies der Fall ist dafür spricht auch das die sechs Triebwerke vorher aus gingen also abgeschaltet wurden.

Nun komme ich zum spekulativen Teil, warum jeweils das Selbstzerstörungssystem aktiv wurde. Beim Spaßship denke ich ist es eine Kurabweichung. Die Abaschaltung der Triebwerke war 33 Sekunden vor Brennschluss und das Spaßship war in nur 148 km Höhe. Normal wäre bei einem Vehikel mit so hohem Schub in beiden Stufen, das es längst in der Orbithähe ist und dort parallel zur Erdoberfläche beschleunigt. Das ist die energetisch günstigste Variante.

Bei der Explosion der Superheavy kann man nur spekulieren. Nach dem Video und den taten die eingeblendet sind, neigt sich das nach unten, ist zumindest horizontal nach der Grafik im unteren Balken. Dann ist es aber praktisch nicht möglich ,dass Treibstoff zu den Triebwerken gelangt, denn der Tank ist ja weitestgehend leer, das würde auch das vorherige Ausgehen der Triebwerke erklären. Nach der vorher publizierten Grafik des Aufstiegs sollte das Flip-Manöver vor dem Boost-Back sein, es war aber offensichtlich noch nicht beendet als die Abbremsung begann (erkennbar an der starken Geschwindigkeitsabnahme), das heißt die SuperHeavy hat ihre Orientierung verloren und wurde deswegen gesprengt.

Schön wäre es, wenn es eine Aufstiegsgrafik wie bei Arianespace geben würde, da sieht man mit einem Blick, ob die Rakete auf Kurs ist. Umgekehrt könnte Arianespace eine Rocketcam einbauen, bringt viel für die Öffentlichkeitsarbeit. Ohne Vergleich der Soll- mit Istbahn kann amn so leider nur spekulieren. Aber ich denke das ist so gewünscht.

In der Realität dauerte die Stufentrennung jedenfalls deutlich länger als die drei Sekunden die vorher publiziert wurden. Duc Lo Nguyen fiel auf, das die Geschwindigkeit recht niedrig bei der Trennung ist, etwa 5650 km/h oder 1.570 m/s. Das ist in der Tat ungewöhnlich. Man kann leicht ausrechnen, dass ein Spaßship mit 100 t Fracht dann gerade noch (ohne Gravitationsverluste) einen Orbit erreicht, wenn die Raptors die Wunsch-Spezifischen-Impulse erreichen, sonst aber auch nicht. So könnte auch einfach bei 8 Minuten der Treibstoff ausgegangen sein.

Ich habe mal berechnet, wie viel Treibstoff das Spaßship in den 159 Sekunden beim angegebenen Schub und spezifischen Impuls verbraucht und komme mit den offiziellen Werten auf 3551 t, das heilt der Treibstoff (maximal 3600 t) muss fast vollständig verbaucht worden sein, kaum Reserven für eine Landung. Dann ist die Geschwindigkeit bei der Trennung wirklich sehr gering, ich komme bei einer normalen Mission mit 100 t Fracht auf etwa 2,6 km/s bei Brennschluss und das mit Verlusten.

Beim Spaßship gäbe es, wenn die ganzen 1200 t Treibstoff verbraucht werden eine Brenndauer von 377 s, geplant waren 352 Sekunden, das verwundert nun noch mehr, denn wenn die Stufe etwa 1 km/s langsamer bei der Trennung ist als nach der Simulation (nach der Ziolkowski-Gleichung die Verluste nicht berücksichtigt, sollte sie bei 100 t Nutzlast sogar 4 km/s bei der Stufentrennung schnell sein), dann sollte der Treibstoff des Spaßships eigentlich fast komplett verbraucht werden und die Brenndauer bei der Maximalbrenndauer liegen. Aber das führt wieder auf das grundlegende Problem bei SpassX zurück: alle Daten verändern sich, und zudem ist die Nutzlast unbekannt. Das spielt bei der zweiten Stufe eine bedeutende Rolle. Die 24 s Unterschied zur Maximalbrenndauer entsprechen übrigens rund 77 t Nutzlast, also wenn diesmal die Instrumente nicht wahnsinnig viel wiegen wird es nichts mit der geplanten Nutzlast.

Zusammenfassend:

Ein Schritt weiter, ich vermute beim nächsten oder übernächsten Start erreichen sie einen Orbit. Aber selbst dann ist noch ein langer Weg bis zur Wiederverwendbarkeit. Ich erinnere nur mal daran, wie viele Versuche sie bei der Falcon 9 dafür brauchten. Beim Spaßship betreten sie dabei neue Regionen, während sie bei der Superheavy auf die Erfahrungen der Falcon 9 aufbauen können.

Deutlich schwärzer sehe ich bei der Betankungstechnologie. Dafür müssen sie diese nicht nur erst mal entwickeln, sie müssen dafür auch eine schnelle Startrate hinbekommen (die NASA geht von zwei Startplätzen aus, derzeit gibt es nur einen) von einem Start alle sechs Tage. Davon sind sie noch weit entfernt und auch bei der Falcon 9 dauerte es Jahre diese Startrate hinzubekommen. Da sie diese Betankungstechnologie aber nur für den Artemis Auftrag brauchen und der schon gut abbezahlt ist und weitere Anschlussaufträge fraglich sind, kann es leicht sein, dass der große Vorsitzende Elon Mux zu dem Schluss kommt, es lohnt sich finanziell nicht und die Betankung einstellt. Verdienen will er ja mit Starlink und dafür benötigt er sie nicht.

Nachlese zum zweiten Teststart

Heute eine kleine Analyse zum letzten Fehlstart des Spaßships, der immerhin besser lief als der erste. Alle Angaben sind vorläufig und beruhen auf dem offiziellen Startvideo.

In der Kurzzusammenfassung:

• Die Kombination hob ab, die braune Wolke, aus evaporiertem Gestein bleib aus. Das heißt das Flammenunterdrückungssystem war ausreichend groß dimensioniert.
• Alle Triebwerke bei SuperHeavy und Spaßship funktionieren – beim letzteren zumindest bis 8 Minuten nach dem Start.
• Die Stufentrennung klappte.
• Das Spaßship startete und arbeitete bis 8 Minuten nach dem Start und einer Geschwindigkeit von 6,7 km/s. (geplant: 8 Minuten 33 s).
• Beide Stufen explodierten. Die Superheavy nach einer Kehrtwende und das Spaßship 4 Sekunden nach Abschalten der Triebwerke.

Etwas detaillierter

Das SpassX nun seit Jahrzehnten für andere Raumfahrtunternehmen geltende Standards zur Reduktion der Auswirkungen des Starts umsetzt ist löblich, aber wie immer bei SpassX geschieht das erst, nachdem etwas passiert ist. Dazu passt auch die Meldung, dass die Zahl der Arbeitsunfälle bei SpassX höher ist als Industrieweit in der US-Raumfahrtindustrie. Reuters hat hier Zahlen zusammengetragen, SpassX meldet anscheinend nicht systematisch, doch für 2022 gibt es von fünf der sechs SpassX-Standorte Zahlen und die liegen bei Hawthone (1,8), McGregeor (2,7) und Browsnville (4,8) deutlich über dem Durchschnitt der Industrie von 0,8 Unfällen pro Jahr und 1000 Arbeiter. Cape Canaveral und Redmond liegen mit 0,9 und 0,8 im Industriedurchschnitt. Auch hier wird man wohl erst SpassX auf die Finger klopfen müssen, damit sie mehr für die Sicherheit ihrer Arbeiter tun.

Das alle Triebwerke arbeiten ist essenziell. Zwar gibt es Verlautbarungen von SpassX und Elon Mux, das zwei Triebwerke bei der SuperHeavy ausfallen können, weil sie Schubüberschuss haben, das ist aber nur eine Seite der Medaille. Denn dieselben Triebwerke sind ja im Spaßship verbaut und ist ein Ausfall eines Raptors beim Spaßship statistisch so wahrscheinlich, dass damit gerechnet wird und man durch Schubüberschuss diesen Fall abfängt, dann ist es bei sechs Triebwerken in dem Spaßship ebenfals wahrscheinlich (mit 6/33 = 18 Prozent der Wahrscheinlichkeit für die SuperHeavy) das es zu einem Ausfall kommt und hier wäre ein Ausfall fatal und würde den Verlust der Mission bedeuten. Nun schalteten sich nach dem Video alle sechs Triebwerke des Spaßships Sekunden vor der Explosion ab, ich vermute aber das war eine gesteuerte Aktion und nicht ein spontaner Ausfall, da jedes Triebwerk ja eigene Leitungen zum Tank hat und unabhängig vom anderen ist.

Nebenbei bermekt: da schon geplant ist 500 t mehr Treibstoff zuzuladen und die Tanks zu verlängern (nach einem Dokument an die FAA( bleibt es auch nicht beim hohen Schubüberschuss bei der SuperHeavy.

Die Stufentrennung klappte und das hat wohl die Kommentatoren am meisten überrascht und erfreut. Das verwundert mich, denn eigentlich ist diese Technik viel einfacher als die kalte Trennung, die SpassX seit Jahren bei der Falcon 9 und Heavy durchführt. Das ist auch der Grund, warum die Sowjets jahrzehntelang sie einsetzten. Mehr verwundert mich, das man das System, das man über Jahre entwickelt hat und das beim ersten Testflug nicht funktionierte, komplett begrub und in den letzten Monaten ein komplett neues System entwickelte (daher wohl auch die Begeisterung). Das erste System muss so verkorkst gewesen sein, dass man gar keine Mühe mehr aufwenden wollte, es zum Funktionieren zu bringen. SpassX typisch werden nun Vorteile der heißen Trennung betont und die Vorteile des alten Systems totgeschwiegen. Die hatte es nämlich durchaus und das zeigt die Explosion der Superheavy kurz nach der Trennung. Beim alten System war eine Rotation vorhergesehen (wir erinnern uns: die Kombination machte minutenlang Loopings) die beide Teile trannt und gleichzeitig die SuperHeavy durch Rotation auf den Rückkehrkurs bringt. Gerade bei diesem nun nachgeholten Flip explodierte sie aber diesmal.

Die Drehung musste nun nachgeholt werden und das ging ziemlich schief. Nach der Trennung dreht sich die Superheavy, nutzt dazu erst 13 Triebwerke, dann immer weniger, zeitweise über einige Sekunden sechs Triebwerke, dann werden auch die abgeschaltet und nur kurz nach Brennschluss des letzten Triebwerks (etwa 1-2 Sekunden) explodiert die Stufe. Die erneute Zündung findet bei 2:50 statt, das letzte Triebwrk geht bei 3:18 aus. Das ist vorzeitig, gemäß Flugplan sollte die Superheavy bei 2:53 zünden und bis 3:47 gehen. Die nachfolgende Explosion ist so schnell, das ich von einer Aktivierung des Selbstzerstörungssystem ausgehe. Ein Feuer im Bereich der Triebwerke wäre vorher zu sehen gewesen und eine Explosion geht nur, wenn, die Struktur zwischen beiden Tanks durchtrennt wird und sich dann LOX und LNG vermischen können, das bewirkt eigentlich in so kurzer Zeit nur eine Sprengladung.

Bei dem Versagen des Spaßships nach ziemlich genau 8 Minuten wissen wir aber, dass hier das Selbstzerstörungssystem aktiv war, da der Ingenieur von SpassX das gesagt hat, auch wenn er direkt nach dem Start die Ursache noch nicht kannte. Das dies der Fall ist dafür spricht auch das die sechs Triebwerke vorher aus gingen also abgeschaltet wurden.

Nun komme ich zum spekulativen Teil, warum jeweils das Selbstzerstörungssystem aktiv wurde. Beim Spaßship denke ich ist es eine Kurabweichung. Die Abaschaltung der Triebwerke war 33 Sekunden vor Brennschluss und das Spaßship war in nur 148 km Höhe. Normal wäre bei einem Vehikel mit so hohem Schub in beiden Stufen, das es längst in der Orbithähe ist und dort parallel zur Erdoberfläche beschleunigt. Das ist die energetisch günstigste Variante.

Bei der Explosion der Superheavy kann man nur spekulieren. Nach dem Video und den taten die eingeblendet sind, neigt sich das nach unten, ist zumindest horizontal nach der Grafik im unteren Balken. Dann ist es aber praktisch nicht möglich ,dass Treibstoff zu den Triebwerken gelangt, denn der Tank ist ja weitestgehend leer, das würde auch das vorherige Ausgehen der Triebwerke erklären. Nach der vorher publizierten Grafik des Aufstiegs sollte das Flip-Manöver vor dem Boost-Back sein, es war aber offensichtlich noch nicht beendet als die Abbremsung begann (erkennbar an der starken Geschwindigkeitsabnahme), das heißt die SuperHeavy hat ihre Orientierung verloren und wurde deswegen gesprengt.

Schön wäre es, wenn es eine Aufstiegsgrafik wie bei Arianespace geben würde, da sieht man mit einem Blick, ob die Rakete auf Kurs ist. Umgekehrt könnte Arianespace eine Rocketcam einbauen, bringt viel für die Öffentlichkeitsarbeit. Ohne Vergleich der Soll- mit Istbahn kann amn so leider nur spekulieren. Aber ich denke das ist so gewünscht.

In der Realität dauerte die Stufentrennung jedenfalls deutlich länger als die drei Sekunden die vorher publiziert wurden. Duc Lo Nguyen fiel auf, das die Geschwindigkeit recht niedrig bei der Trennung ist, etwa 5650 km/h oder 1.570 m/s. Das ist in der Tat ungewöhnlich. Man kann leicht ausrechnen, dass ein Spaßship mit 100 t Fracht dann gerade noch (ohne Gravitationsverluste) einen Orbit erreicht, wenn die Raptors die Wunsch-Spezifischen-Impulse erreichen, sonst aber auch nicht. So könnte auch einfach bei 8 Minuten der Treibstoff ausgegangen sein.

Ich habe mal berechnet, wie viel Treibstoff das Spaßship in den 159 Sekunden beim angegebenen Schub und spezifischen Impuls verbraucht und komme mit den offiziellen Werten auf 3551 t, das heilt der Treibstoff (maximal 3600 t) muss fast vollständig verbaucht worden sein, kaum Reserven für eine Landung. Dann ist die Geschwindigkeit bei der Trennung wirklich sehr gering, ich komme bei einer normalen Mission mit 100 t Fracht auf etwa 2,6 km/s bei Brennschluss und das mit Verlusten.

Beim Spaßship gäbe es, wenn die ganzen 1200 t Treibstoff verbraucht werden eine Brenndauer von 377 s, geplant waren 352 Sekunden, das verwundert nun noch mehr, denn wenn die Stufe etwa 1 km/s langsamer bei der Trennung ist als nach der Simulation (nach der Ziolkowski-Gleichung die Verluste nicht berücksichtigt, sollte sie bei 100 t Nutzlast sogar 4 km/s bei der Stufentrennung schnell sein), dann sollte der Treibstoff des Spaßships eigentlich fast komplett verbraucht werden und die Brenndauer bei der Maximalbrenndauer liegen. Aber das führt wieder auf das grundlegende Problem bei SpassX zurück: alle Daten verändern sich, und zudem ist die Nutzlast unbekannt. Das spielt bei der zweiten Stufe eine bedeutende Rolle. Die 24 s Unterschied zur Maximalbrenndauer entsprechen übrigens rund 77 t Nutzlast, also wenn diesmal die Instrumente nicht wahnsinnig viel wiegen wird es nichts mit der geplanten Nutzlast.

Zusammenfassend:

Ein Schritt weiter, ich vermute beim nächsten oder übernächsten Start erreichen sie einen Orbit. Aber selbst dann ist noch ein langer Weg bis zur Wiederverwendbarkeit. Ich erinnere nur mal daran, wie viele Versuche sie bei der Falcon 9 dafür brauchten. Beim Spaßship betreten sie dabei neue Regionen, während sie bei der Superheavy auf die Erfahrungen der Falcon 9 aufbauen können.

Deutlich schwärzer sehe ich bei der Betankungstechnologie. Dafür müssen sie diese nicht nur erst mal entwickeln, sie müssen dafür auch eine schnelle Startrate hinbekommen (die NASA geht von zwei Startplätzen aus, derzeit gibt es nur einen) von einem Start alle sechs Tage. Davon sind sie noch weit entfernt und auch bei der Falcon 9 dauerte es Jahre diese Startrate hinzubekommen. Da sie diese Betankungstechnologie aber nur für den Artemis Auftrag brauchen und der schon gut abbezahlt ist und weitere Anschlussaufträge fraglich sind, kann es leicht sein, dass der große Vorsitzende Elon Mux zu dem Schluss kommt, es lohnt sich finanziell nicht und die Betankung einstellt. Verdienen will er ja mit Starlink und dafür benötigt er sie nicht.

Edit:

Beim Schwimmen (Sport regt ja das Denken an) kam ich noch auf eine Lösung für die Überprüfung der niedrige Geschwindigkeit bei der Stufentrennung. Die Rakete braucht 10 Sekunden um den Starttower zu passieren und hat dann eine Geschwindigkeit von 124 km/h. Nach 2 Sekunden sollte sie abheben. Der Starttower ist 145 m hoch. Nach s=1/2at² kann man die Beschleunigung zu 4,5 m/s² berechnen. Nach v=a*t kommt man bei 124 km/h nach 8 Sekunden auf a=4,3 m/s². Beides liegt innerhalb der Fehlergrenzen (Zeitangabe auf 1 Sekunde genau) nahe beisammen. Als erstes kann man durch Addition von g = 9,81 m/s zum Mittelwert beider Werte (4,4 m/s²) den Schub bei 5.100 t Masse auf 72.420 kN berechnen oder 2194 kN pro Triebwerk, was innerhalb fer Fehlergrenzen zu den 230 t (2256 kN) Schub des Raptor 2 passt (300 bar).

Damit wird die niedrige Geschwindigkeit zum Brennschluss der Superheavy noch rätselhafter. Ich dachte kurzzeitig daran eine Erklärung wäre, das man noch Raptor 1 hat mit niedrigerem Schub, das würde die Gravitationsverluste deutlich anheben. So aber ergibt sich das die Stufe eigentlich – je nach Gewicht der Nutzlast zwischen 2,65 und 2,85 km/s bei der Trennung schnell sein sollte, davon noch etwa 0,4 km/s für die Erddrehung abgezogen ist man bei 2,25 bis 2,45, also deutlich mehr als beobachtet.

Ebenso sollte bei meiner Simulation für eine 200 km Kreisbahn das Spaßship schon in 200 km Höhe sein. Das spricht für eine Sprengung aufgrund der Bahnabweichung. Immerhin hat das FTS diesmal zweimal funktioniert.