Zweite Nachlese zum Teststart

Ich habe mich weiter mit dem zweiten Teststart beschäftigt und will nun mich in diesem Teil mit dem Treibstoffverbrauch und der Frage, ob Raptor 1 oder Raptor 2 Triebwerke eingesetzt wurden beschäftigen. Dieser Teil schließt an die erste Kurzbetrachtung und eine Detailbetrachtung der Stufentrennung an.

Treibstoffprognose

Man kann den Resttreibstoff erahnen, wenn man die beiden Balken unten auswertet. Wie schon beim Fehlen einer Grafik, an der man erkennen kann ob die Rakete auf Kurs ist, ist der Balken als Indikator suboptimal, erinnert mich irgendwie an das Computerspiel „Elite“ aus den Achtzigern.

Ich habe das mal zu drei Zeitpunkten mithilfe des Bildschirmlineals der Powertoys gemacht und zwar nur für den Treibstoff im Unterschuss (immer LOX):

Zeitpunkt	Resttreibstoff %
MECO SuperHeavy	11 %
SuperHeavy vor der Explosion	7,2 %
Starship vor der Explosion	5,4 % LOX 7 % CH4

Nachdem ich mal bei einem Falcon 9 Start nachschaute, ob die Geschwindigkeit bei SpaceX mit oder ohne Erdumdrehung ist und sich herausstellte, dass sie ohne Erdumdrehung ist fehlen dem Starship noch 1083 m/s für einen Orbit. Es gehen 1200 t Treibstoff in die Tanks des Starships, davon sind noch 5,4 % und 7 % übrig also 69 t. Bei einer Leermasse von 120 t und keiner Zuladung und einem gemittelten spezifischen Impuls von 3644 m/s (Vakuum und Bodentriebwerke arbeiten gleichzeitig) läge die Endmasse im 200 km Orbit bei 140 t, davon wären aber, aber wenn die Abnahme so bleibt, nur 5 t nutzbar. Nicht sehr viel und das ist ohne Nutzlast gerechnet und mit den Wunsch-SP (sowohl das DLR wie ich kommen bei Einsatz von Simulationstools wie CEA2 / RPA) darauf das diese Impulse physikalisch nicht erreichbar sind).

Ebenso hat die SuperHeavy 3,8 Prozent des Treibtsoff zwiscxhen MECO und Abschalten der Triebwerke verbraucht um die Geschwindigkeit von 5662 auf 3818 km/h zu reduzieren. Nimmt man an, dass sie 1.600 km/h erreichen muss, so müsste der Resttreibstoff auf 2,7 Prozent sinken – reichlich wenig, denn da steht noch ein Abbremsungs- und Landeburn an.

So wie ich das sehe, haben die Triebwerke mehr Treibstoff verbraucht als geplant, was kein Wunder ist, wenn man physikalisch nicht erreichbare spezifische Impulse als Basis für die eigenen Berechnungen nimmt. Die Vakuumimpulse kann SpaceX nicht bestimmen, da es dafür keinen Teststand für diesen Schub auch nicht bei der NASA gibt.

Was ich auch sehr seltsam finde, ist der Unterschied beim Starship zwischen LOX und Methan. Es ist normal, das ein Treibstoff im Überschuss vorhanden ist und dies ist logischerweise das Methan, da wenn der Sauerstoff ausgeht und dann nur noch Methan durch das Fördersystem und die Brennkammer gepumpt wird reduktive Bedingungen herrschen, während bei LOX es oxidative Bedienungen sind, bei denen z.B. die Brennkammer mit ihren hohen Temperaturen verbrennen würde. Aber kurz vor Brennschluss 1,6 Prozent unverbrauchter Sauerstoff? Das sind, wenn diese Menge bis zjm Schluss übrig bleibt 15 t und entsprechend sinkt die Nutzlast ab.

Nebenbei, wenn in 320 Sekunden 93 % bzw. 94,6 % des Treibstoffs verbraucht wurden, reicht die Restmenge nicht mehr für die 29 Sekunden Restbrennzeit, auch so wäre wohl kein Orbit erreicht worden. Da das Schwappen von Treibstoff um so stärker wird, je weniger vorhanden ist wäre das auch ein Abschaltgrund – etwas ähnliches passierte z.B. beim zweiten Ariane 5 Teststart bei dem das Apogäum dann zu niedrig lag. Und wir wissen ja von der Falcon 1, bei der das auch beim zweiten Teststart so war, das SpaceX erst etwas gegen das Treibstoffschwappen macht, wenn es zu einem Fehlstart führt.

Raptor 1 oder 2?

Der Treibstoffverbrauch leitet mich zu einer anderen Frage über. Oben kam ich ja zum Schluss, das SpaceX Raptor 2 eingebaut hat. Allerdings ist hier das Video nicht sehr genau und Blogleser meinen die Anzeigen von Video und Telemetrie sind nicht synchron. Das Raptor 1 hat einen Brennkammerdruck von 250 Bar, das Raptor 2 einen von 300 Bar. Entsprechend verändert sich der Schub und der Treibstoffverbrauch. Das Raptor 1 hat einen Schub von 1.700 kN / 1.814 kN (Sealevel/Vakuum) für die SuperHeavy und von 1.900 kN beim Starship, beim Raptor 2 liegen der Schub bei Sealevel bei 2.251 kN.

Nimmt man die Anzeige im Video als eine Prozentanzeige so kann man folgendes ableiten:

• In 159 Sekunden wurden 89 % des Treibstoffs der SuperHeavy verbraucht
• In 319 Sekunden wurden 94,6 % des LOX und 93 % des Methans des Starships verbraucht.

Nimmt man die offiziellen Angaben für den spezifischen Impuls (beim Starship gemittelt über die Triebwerke mit kurzen und langen Düsen), so ergibt folgender Verbrauch in diesem Intervall:

• Superheavy: 2.740 t bei Raptor 1, 3566 t bei Raptor 2
• Starship: 1056 t bei Raptor 1, 1.343 t bei Raptor 2

Klar ist das der Treibstoffverbrauch bei Raptor 2 bei vollem Schub höher ist als die Größe der Tanks (1.200 t beim Starship 3.400 bis 3.500 t bei der Superheavy) und in beiden Fällen war ja noch Treibstoff in den Tanks. Damit kann dieser Start nicht mit dem vollen Schub von Raptor 2 erfolgt sein.

Ich habe dann den Start mit den Daten des Raptors und den angegebenen Brennzeiten modelliert und anders als bei der Verwendung von Raptor 2 passt nun auch die Trenngeschwindigkeit (nach Telemetrie 1574 m/s, nach Simulation 1.617 m/s). Bei Brennschluss muss dann die SuperHeavy eine Masse von 821 t haben und das Starship eine von 226 t. Die 11 Prozent Resttreibstoff entsprechen 374 bis 385 t, mit der 200 t wiegenden Stfue kommt man so auf ~ 580 t. Das liegt noch deutlich unter den 821 t. Beim Starship passt es aber zu der Leermasse von 120 t und 100 t Ballast als Nutzlastersatz.

Es gibt natürlich noch Einflüsse auf das Ergebnis. So können die Triebwerke gedrosselt werden. Das würde ich bei der SuperHeavy ausschließen, denn mit 11 % Resttreibstoff wiegt es bei MECO maximal 484 t, dazu kommen 1.420 t beim Starship. Selbst beim höheren Schub des Raptor 2 liegt die Beschleunigung bei maximal 38,6 m/s, deutlich unter der Genze von 5 bis 6 g bei der beid er Falcon 9 eine Schubreduktion erfolgt. Auch beim Starship sind es bei Abschaltung der Triebwerke (mit 100 t Ballast) maximal 47 m/s.

Die für mich wahrscheinlichste Erklärung ist, dass wahrscheinlich Raptor 2 verwendet wurden, aber mit reduziertem Brennkammerdruck und damit reduziertem Treibstoffverbrauch. Für das Starship würde ein Schub der ziemlich genau zwischen dem Raptor 1 und 2 liegt, entsprechend 275 Bar Brennkammerdruck die Resttreibstoffmenge gut erklären.

Modellierung

Hier eine Modellierung die so angelegt ist, dass die Restmasse der Superheavy mit den Anzeige im Video übereinstimmt. Beim Starship nahm ich wie oben erläutert einen Schub zwischen dem Raptor 1 und 2 entsprechend 275 Bar Brennkammerdruck an. Gegencheck: Nach dieser Modellierung ergeben sich folgende Eckdaten:

	Modell	Real
Max-Q Zeitpunkt	88 s	52 s
Geschwindigkeit MECO SuperHeavy	1.834 m/s	1.572 m/s
Höhe MECO	62,7 km	67 km
Geschwindigkeit bei 8:03	6040 m/s	6.695 m/s
Höhe 8:03	197,6 km	148,4 km
MECO Starship	533,7 s	513 s

Relativ deutlich sind die Unterschiede beim Starship. Es gibt dafür zwei mögliche Ursachen – ich habe so modelliert das Ballast an Bord ist (140 t), senkt man diesen auf 70 t ab, so sinkt der Zeitpunkt von MECO auf 513 s. In jedem Falle ist, was ich schon bei der ersten Modellierung sagte, die Bahnhöhe zu niedrig, was für eine Unterperformance spricht.

Die Abweichungen bei der Superheavy ergeben sich daraus, dass mein Programm die energetisch günstigste Bahn für die maximale Nutzlast berechnet. Bei der Wiederverwendung ist aber wichtiger, das der Geschwindigkeitsaufwand für die Landung minimal ist, weshalb das Gefährt eine steilere Bahn (höherer Trennpunkt, aber niedrigere Geschwindigkeit) fährt. Daher ist auch MAX-Q weitaus früher. Hier die Modellierung mit 140 t Ballast:

Rakete: Super Heavy / Starship ITF2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
5.060.000	140.000	7.819	0	2,77	160,00	180,00	180,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
61.253	29	90	0	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	1	3.600.000	585.000	3.492	61253,0	65394,0	161,00	0,00
2	1	1.320.000	120.000	3.585	10558,4	11534,0	373,00	161,00

 

Rakete: Super Heavy / Starship ITF2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
5.060.000	140.000	7.819	0	2,77	160,00	180,00	180,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
61.253	29	90	0	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	1	3.600.000	585.000	3.492	61253,0	65394,0	161,00	0,00
2	1	1.320.000	120.000	3.585	10558,4	11534,0	373,00	161,00

 

Simulationsvorgaben

Azimuth	Geografische Breite	Höhe	Startgeschwindigkeit	Startwinkel	Winkel konstant
90,0 Grad	28,8 Grad	10 m	0 m/s	90 Grad	5,0 s
Abbruch wenn ZielPeri und ZielApo überschritten
	Perigäum	Apogäum	Sattelhöhe
Vorgabe	180 km	180 km	160 km
Real	180 km	182 km	160 km
Inklination:	Maximalhöhe	Letzte Höhe	Nutzlast	Maximalnutzlast	Dauer
27,9 Grad	202 km	185 km	140.000 kg	140.884 kg	533,7 s
Umlenkpunkte	Nr. 1	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4
Zeitpunkt	100,0 s	300,0 s	483,0 s	600,0 s
Winkel	53,5 Grad	19,6 Grad	-6,4 Grad	-23,0 Grad

Wichtige Aufstiegspunkte

Bezeichnung	Zeitpunkt	Höhe:	Dist:	v(x):	v(y):	v(z):	v:	Peri:	Apo:	a:
Start	0,0 s	0,01 km	0,0 km	0 m/s	0 m/s	0 m/s	0 m/s	-6378 km	-6378 km	2,3 m/s
Rollprogramm	5,0 s	0,04 km	0,0 km	0 m/s	12 m/s	0 m/s	12 m/s	-6370 km	0 km	2,5 m/s
Winkelvorgabe	100,0 s	19,31 km	0,1 km	500 m/s	459 m/s	0 m/s	678 m/s	-6333 km	25 km	10,7 m/s
Brennschluss 1	161,0 s	62,75 km	1,3 km	1534 m/s	1009 m/s	0 m/s	1836 m/s	-6166 km	101 km	22,4 m/s
Winkelvorgabe	483,0 s	197,62 km	262,7 km	5537 m/s	-1077 m/s	0 m/s	5640 m/s	-3560 km	184 km	18,0 m/s
Sim End	533,7 s	185,29 km	448,2 km	7164 m/s	-1857 m/s	0 m/s	7401 m/s	180 km	182 km	35,0 m/s

Und hier so, das nach 515 Sekunden MECO ist (2 Sekunden mehr, da ich auch die Hochlaufzeit bei der SuperHeavy mitgerechnet habe):

Rakete: Super Heavy / Starship ITF2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
5.000.000	80.000	7.819	0	1,60	160,00	180,00	180,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
61.253	29	90	0	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	1	3.600.000	585.000	3.492	61253,0	65394,0	161,00	0,00
2	1	1.320.000	120.000	3.585	10558,4	11534,0	373,00	161,00

 

Rakete: Super Heavy / Starship ITF2

Startmasse [kg]	Nutzlast [kg]	Geschwindigkeit [m/s]	Verluste [m/s]	Nutzlastanteil [Prozent]	Sattelpunkt [km]	Perigäum [km]	Apogäum [km]
5.000.000	80.000	7.819	0	1,60	160,00	180,00	180,00
Startschub [kN]	Geographische Breite [Grad]	Azimut [Grad]	Verkleidung [kg]	Abwurfzeitpunkt [s]	Startwinkel [Grad]	Konstant für [s]	Starthöhe [m]	Startgeschwindigkeit [m/s]
61.253	29	90	0	210	90	5	10	0
Stufe	Anzahl	Vollmasse [kg]	Leermasse [kg]	Spez. Impuls (Vakuum) [m/s]	Schub (Meereshöhe) [kN]	Schub Vakuum [kN]	Brenndauer [s]	Zündung [s]
1	1	3.600.000	585.000	3.492	61253,0	65394,0	161,00	0,00
2	1	1.320.000	120.000	3.585	10558,4	11534,0	373,00	161,00

 

Simulationsvorgaben

Azimuth	Geografische Breite	Höhe	Startgeschwindigkeit	Startwinkel	Winkel konstant
90,0 Grad	28,8 Grad	10 m	0 m/s	90 Grad	5,0 s
Abbruch wenn ZielPeri und ZielApo überschritten
	Perigäum	Apogäum	Sattelhöhe
Vorgabe	180 km	180 km	160 km
Real	181 km	206 km	160 km
Inklination:	Maximalhöhe	Letzte Höhe	Nutzlast	Maximalnutzlast	Dauer
27,9 Grad	204 km	192 km	80.000 kg	139.676 kg	515,4 s
Umlenkpunkte	Nr. 1	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4
Zeitpunkt	100,0 s	300,0 s	483,0 s	600,0 s
Winkel	49,5 Grad	20,6 Grad	-12,4 Grad	-23,0 Grad

Wichtige Aufstiegspunkte

Bezeichnung	Zeitpunkt	Höhe:	Dist:	v(x):	v(y):	v(z):	v:	Peri:	Apo:	a:
Start	0,0 s	0,01 km	0,0 km	0 m/s	0 m/s	0 m/s	0 m/s	-6378 km	-6378 km	2,5 m/s
Rollprogramm	5,0 s	0,04 km	0,0 km	0 m/s	13 m/s	0 m/s	13 m/s	-6370 km	0 km	2,7 m/s
Winkelvorgabe	100,0 s	19,72 km	0,1 km	558 m/s	455 m/s	0 m/s	721 m/s	-6327 km	26 km	11,0 m/s
Brennschluss 1	161,0 s	62,00 km	1,6 km	1681 m/s	973 m/s	0 m/s	1942 m/s	-6134 km	98 km	23,3 m/s
Winkelvorgabe	483,0 s	200,45 km	310,0 km	6050 m/s	-1259 m/s	0 m/s	6180 m/s	-2739 km	189 km	22,5 m/s
Sim End	515,4 s	192,27 km	437,7 km	7166 m/s	-1849 m/s	0 m/s	7401 m/s	181 km	206 km	35,2 m/s