Die 2024-er April SpaceX Nachlese

Es gibt wieder neues von meiner Lieblingsraumfahrtfirma. Eigentlich nur von Elon Musk, denn das meiste was interessant ist stammt ja von ihm und seinen Auftritten bei Starbase. Nachdem es etwas Kritik an meinem bisherigen Format der Nachlese gab, in der ich Fakten und meine Meinung dazu vermischt habe, gliedere ich dies in mehrere Teile. Zuerst die reinen Fakten, dann eine Einordnung der Fakten in die Realität und zuletzt meine Meinung dazu. Ich nehme die Kritik als Gütekriterium für meine Blogleser, denn zumindest im Pro-SpaceX Bereich ist dieses Vermischen von Fakten und Meinung und sehr oft völlig unpassenden vergleichen ja gang und gäbe, aber das sind ja meist US-Bürger und ich halte jetzt nicht sehr viel vom Bildungsniveau der US-Bürger.

Die Fakten

Ich schreibe zuerst mal auf, was Musk so gesagt hat, also die reinen Fakten.

Es wird – wenn es nach ihm geht – bald einen vierten Start des Starships geben, in etwa vier Wochen, das deckt sich mit Äußerungen von Shotwell die einen Start Anfang Mai ankündigte. Offen ist wann sie eine FAA-Genehmigung bekommen, doch da der letzte Start in den Bereichen für die die FAA zuständig ist keine Probleme hatte denke ich wird dies nicht den Start aufhalten.

Ziel ist es diesmal, beide Stufen heil bis zur Meereshöhe zu bringen, wenngleich sie nicht heil landen werden. Aber sie sollten eben nicht, wie dies beim letzten Start der Fall war, vorher explodieren. Bei der Superheavy soll diese eine virtuelle Landung an einem virtuellen Tower durchführen, also so tun als wäre einer da. Glückt dies, so beziffert Musk die Chance, das man dieses Jahr noch eine Superheavy mit den „Mechzilla“ genanten Armen an der Starbase birgt mit 80 bis 90 Prozent. Schon beim fünften Flug soll – wenn die virtuelle Landung klappt – die echte Bergung beim Mechzilla erprobt werden.

Deutlich schwieriger sieht Musk die Bergung des Starships an. Es soll mindestens zwei erfolgreiche „kontrollierte Wasserungen“ geben bevor die Firma daran geht das Starship wiederzuverwenden. Musk will keinen Regen an Bruchstücken über Mexiko und den USA. Verständlich, denn das würde erneut die FAA auf den Plan rufen und seine Pläne deutlich verzögern. So rechnet er erst nächsten Jahr mit einer Bergung des Starships.

Das zeigt auch das dieser iterative Prozess nicht schneller ist als der normale. Wir erinnern und – das Space Shuttle startete mit drei Jahren Verspätung neun Jahre nach dem Beginn der Entwicklung. Die Entwicklung des Starships begann offiziell 2016, würde 2025 die erste Wiwderverwendung des Starships anstehen, so sind das auch neun Jahre. Und dieses ist nicht bemannt wie das Space Shuttle. Der erste bemannte Einsatz im Rahmen des Artemis Programms ist ja inzwischen auf 2027 gerutscht, der sollte nach den ursprünglichen Plänen ja auch noch dieses Jahr stattfinden.

SpaceX hat derzeit vier Starships/Superheavy für Testflüge und will die Produktion hochfahren. Sechs weitere Starship/Superheavy Exemplare sollen dieses Jahr gebaut werden.

Ab nächstem Jahr soll eine „gigantische“ Fabrik bei Starbase entstehen, um noch mehr Vehikel zu bauen. Ebenso wird es neue Startbasen geben. Mitte nächstes Jahr rechnet er mit der Verfügbarkeit eines Startturms beim Cape Canaveral. Auch bei der Starbase gibt es einen neuen Startturm. Von der Starbase aus sollen die Teststarts stattfinden, die meisten operationellen Starts aber vom Cape aus.

Wie schon angedeutet, wird das Starship weiter entwickelt. Das Raptor wird im Schub von 230 über 280 auf 330 t gesteigert. Ein Starship mit diesen Triebwerken, „Starship V2“ wird seinen Angaben nach 100 t Nutzlast erreichen wenn es voll weiterverwendbar ist. Ein um 25 m verlängertes Starship 3 dann sogar 200 t Nutzlast bei voller Wiederverwendung.

Dabei wird das Starship noch kostengünstiger, er vergleicht die Kosten mit SpaceX erster Rakete, der Falcon 1 die 10 Millionen Dollar pro Flug kostete, das Starship wird einmal nur 2 bis 3 Millionen Dollar kosten.

Ebenfalls etwas spät ist nun klar geworden, warum die Superheavy beim zweiten testflug explodierte. Schuld daran soll eine verstopfte Sauerstoffleitung gewesen sein. Neues über die Vorkommnisse beim letzten Testflug gab es dagegen nicht.

Weiterhin will SpaceX 100 Satelliten einer früheren Generation deorbitieren. Das alleine ist keine große Meldung, es zeigt aber, das offensichtlich die Lebensdauer von 5 Jahren hier ernst zu nehmen ist: Die ersten Testsatelliten wurden am 24. Mai 2019 gestartet, die ersten operationellen Satelliten am 11. November 2019. So passt das gezielte Deorbitieren wegen „Starlink team identified a common issue in this small population of satellites that could increase the probability of failure in the future“ zu einer Lebensdauer von 5 Jahren. Wie meist bei SpaceX erfährt man also nicht mal einen allgemeinen Grund dafür. Im Paper steht auch, das 17 Satelliten derzeit nicht mehr kontrollierbar sind und schon vor dem Deorbitieren waren nur 5400 der 5800 gestarteten Satelliten aktiv.

Die Fakten eingeordnet

In diesem Teil geht es nun um eine kritische Würdigung der Fakten, bevor ich im dritten Teil meinen Senf dazu gebe. Der Plan mit den Zielen sieht für mich vernünftig aus. Klar ist das man erst mal beide Vehikel heil bis zur Wasseroberfläche bringen muss bevor man an die Bergung geht. Das war bei der Falcon 9 genauso, deren erste Bergung sich jüngst vor sieben Jahren – sechs Jahre nach dem Erstflug jährte.

Sehr verwirrend finde ich die Angaben über Starttürme und die gigantische Fabrik die entstehen soll.

Also wenn man für die Testflüge zwei Starttürme in der Starbase braucht, aber für die operationellen Flüge nur einen, dann ist das schon verwirrend. Entwicklungsflüge hat jede Rakete, aber sie enden und die meisten Flüge während der Einsatzdauer sind dann operationelle Flüge, dann steigt auch die Startfrequenz an, denn man muss zwischen den Flügen ja nichts mehr ändern. Sollte es dann nicht gerade anders herum sein, das man am Cape zwei Starttürme hat?

Noch verwirrender ist, dass man an der Starbase eine gigantische Fabrik baut, während die meisten Starts dann vom Cape Canaveral aus stattfinden. Da der Durchmesser des Vehikels zu groß ist um es über Land zu transportieren, wird es jetzt ja am Startplatz zusammengebaut. Sollte man dann die die gigantische Fabrik nicht am Cape bauen, wo dann nach dem Abschluss aller Tests alle Starts stattfinden?

Die gigantische Fabrik ist ein weiteres Rätsel. Als Ziel soll ja das Gespann vollständig wiederverwendbar sein. Derzeit kann man sechs Paare pro Jahr bauen. Gehe ich davon aus, dass nach einigen Fehlschlägen die Wiederverwendung erreicht wird, dann brauche ich kaum noch Ersatz. Wieder der Vergleich mit dem Space Shuttle. Die NASA hat das ganze Programm über 30 Jahre mit sechs Orbitern durchgeführt. Zwei gingen verloren, das war eine Verlustquote von einem Orbiter auf 67,5 Flüge. Selbst wenn SpaceX erheblich schlechter wäre und eine Kombination alle zehn Flüge verliert, könnte sie mit sechs neuen Vehikeln ein Vielfaches der derzeitigen Nutzlast der Falcon 9 transportieren. Zumindest bei der Superheavy sollte ein Verlust selten sein, ist das Flugregime doch dasselbe wie bei der Falcon 9. Noch paradoxer wird dies wenn man sich vergegenwärtigt, dass das Starship nach Musks Angaben tausende Mal fliegen soll. Selbst wenn sie nur 20-malige Wiederverwendung erreichen, wie bei der Falcon 9, dann könnten sie mit sechs Vehikeln pro Jahr 120 Flüge durchführen – mehr Flüge als die Falcon 9 pro Jahr absolviert, bei der (proklamierten) fünffachen Nutzlast.

Kurz: ich sehe keinen Sinn für eine gigantische Fabrik, außer man rechnet mit entweder das die Wiederverwendung erst in einigen Jahren klappt und man bis dahin viele Fluggeräte braucht oder man so viele Fluggeräte braucht, weil man so viele Flüge durchführt. Das dürfte aber bei nur einem operativen Startturm am Cape wohl kaum möglich sein.

Das SpaceX den Start extrem verbilligt, hat Musk mehrfach versprochen. Schon bei der Falcon 9 versprach er einen Start für 0,3 Prozent des damaligen Listenpreises von 60 Millionen Dollar, wenn die Wiederverwendung klappt. Das ist bisher nicht so. Eine Summe von 2 bis 3 Millionen Dollar liegt in der Region, die alleine der Treibstoff, das sind rund 5.000 t bei einem Flug kostet. Es fällt mir schwer daran zu glauben, denn es gibt ja Erfahrungen mit der Flacon 9 und Heavy. Die Falcon 9 spart – da differieren die Angaben, zu 60 bis 75 % der Herstellungskosten bei einer Bergung ein. Bei der Falcon Heavy ist der Prozentsatz noch höher, weil drei Erststufen geborgen werden und so kostet sie auch nur 50 Prozent mehr. Beim Starship werden dann noch die restlichen etwa 20 Prozent der Kosten eingespart, aber es wiegt auch dreimal mehr als eine Falcon Heavy. Die Startpreise sollten daher in einer ähnlichen Region liegen und nicht um den Faktor 30 bis 50 niedriger.

Das nun 100 Satelliten der ersten Generation einen gemeinsamen Fehler haben und deorbitiert werden müssen, lässt darauf schließen weil es sich ja um eine Serienproduktion handelt das noch mehr betroffen sind. In jedem Falle scheint zusammen mit der Tatsache das von den 5.800 Satelliten 5.400 aktiv sind, wohl tatsächlich die Lebensdauer von 5 Jahren ernst zu nehmen ist. Wer sich bei der Raumfahrt auskennt weiß, das solche Lebensdauer oft konservativ gerechnet sind, Satelliten in der Regel länger arbeiten. Wenn die 5 Jahre gelten, dann dürfte SpaceX mit der Falcon 9 niemals mehr Satelliten operativ halten können, als die fünffache jährliche Startrate und die betrug 2023 insgesamt 1.984, mal 5 also rund 10.000 Satelliten. Damit ist auch klar, warum die Firma das Starship braucht.

Wette gewonnen

Der letzte große Einwand kommt zu den vagen Angaben zum Starship V2 und V3. Aber zuerst einmal will ich wieder einmal die erfolgreiche Einlösung einer SpaceX-Wette bekanntgeben. Im Januar des Jahres 2021, auch schon wieder drei Jahre her, wettete ich das das Starship keine 21 t GTO Nutzlast hat, damals auf Basis des „Users Guide“. Seitdem wurden von Elon Musk ja immer höhere Nutzlastangaben gepostet, 120 t, 150 t … Ich habe mich zwar auf die GTO-Nutzlast bezogenb weil die wenn man die SSO-Nutzlast des Users Guide hat, exakt berechenbar ist, während man für die LEO Nutzlast Annahmen machen muss, aber ich habe auch so die Wette gewonnen.

Wenn erst ein zukünftiges Starship „V2“ 100 t LEO Nutzlast erreichen wird – die Nutzlast beim letzten Flug kann man wie ich schon in anderen Blog erläutert habe auf 50 is 60 t abschätzen – dann schafft das jetzige Starship das keine 100 t in den LEO schafft – erst recht nicht in den SSO, der etwa 500 m/s mehr Geschwindigkeit erfordert – auch nicht die 21 t in den GTO.

Damit hae ich erneut eine Wette gewonnen. Insgesamt steht es nun 9:2. Das blamable daran: die meisten dieser SpaceX-Wetten sind eigentlich Elon-Musk-Wetten, denn es gibt Seitens SpaceX ja eine sehr rigide Informationspolitik. Fast alles erfährt man von Videos und Tweeds (oder wie das nun bei X auch heißt) von Elon Musk. Und wenn der Firmenboss so weit daneben liegt, dass man als Firmenfremder gegen ihn wetten kann und meistens gewinnt, dann ist das schon blamabel. Man stelle sich das mal bei einem deutschen DAX-Konzern vor, das der Firmenchef andauernd Unternehmensziele verlautbart, die dann nicht nur knapp, sondern deutlich verfehlt werden und dies nicht nur einmal sondern laufend. Er wäre wohl bald nicht mehr CEO und wer – weiß – das ist meine persönliche Meinung – ist das auch ein rund warum Elon Musk nicht SpaceX an die Börsen bringen will.

Starship V2 und V3

Wie schon bei der Falcon 9, bei der eine tolle Performance versprochen wurde, und die dann diese nicht erreichte (war auch schon bei der Falcon 1 so die von 670 und 420 kg Nutzlast während der Entwicklung rutschte). Soll es eine neue Version richten. Die Falcon 9 wurde von 318 auf 549 t Startmasse gesteigert, damit sie die nötige Performance hatte, und das in mindestens drei Versionen unterschiedlicher Startmasse. Beim Starship sollen es nun die V2 und V3 Versionen richten:

„Musk outlined improvements to the Raptor engine that will increase its thrust from 230 to 280 metric tons-force, and “ultimately” to more than 330 metric tons-force of thrust.

The engine improvements would support a “Starship 2” that also features a slightly longer booster and ship. That will be able to place more than 100 metric tons into orbit in a fully reusable configuration, Musk said. A future “Starship 3,” about 25 meters taller than Starship 2, would be able to place more than 200 metric tons into orbit in a fully reusable mode. He did not disclose when either Starship version would enter service.“

Also mal zum „V2“ das nur wenig schwerer sein soll und nur mehr Schub hat. Mehr Schub kann die Gravitationsverluste reduzieren, der Effekt dürfte beim Starship aber klein sein, weil dieses sowieso niedrige Gravitationsverluste hat, weil es ein hohes Schub-/Gewichtsverhältnis in beiden Stufen hat.

Das Starship V3 soll nach Musks Angaben 20 bis 30 m länger sein (hier sind es 25 m) und 10,000 t Schub haben, das sind 98.100 kN. Zu den 280 und 330 t Schub passt das nicht, denn das wären 298t Schub pro Triebwerk, aber vielleicht meint er auch den maximalen Vakuumschub, das läge dann im Bereich der Angabe.

Der springende Punkt ist aber, dass diese Nutzlast ja auch nach der Raketengrundgleichung berechenbar ist und wenn der Schub um rund ein Drittel steigt und sich sonst nichts ändert dann wird jeder der die Mathematik verstanden hat auch erkennen, das die Masse im Orbit nur um ein Drittel größer sein kann. 200 t sind aber nicht 33 Prozent mehr sondern 100 % mehr als 100 t. Das bedeutet das entweder auch diese Zahl nicht erreicht hat (wäre nichts besonderes, keine der Falcon 9 hat je die Nutzlast erreicht die auf der Webseite angegeben ist) oder dass bei diesen neuen Versionen vor allem die Leermasse des Starships enorm reduziert wird, sprich es jetzt deutlich schwerer ist als die angegebenen 120 t. Dafür spricht auch der letzte Testflug bei dem dafür das es keine Nutzlast gab, verhältnismäßig wenig Treibstoff in den Tanks verblieb.

Mein Senf

Interessant fand ich die Begründung, warum beim letzten Start die Berung der Superhevay scheiterte:

„The most likely root cause for the booster RUD was determined to be filter blockage where liquid oxygen is supplied to the engines, leading to a loss of inlet pressure in engine oxidizer turbopumps that eventually resulted in one engine failing in a way that resulted in loss of the vehicle.“.

Erinnern wir uns: der erste Teststart scheiterte weil ein Feuer ausbrach und Triebwerke ausfielen und die Kontrolle über die Rakete verloren ging. Essentiell bei einer Rakete mit 33 Triebwerken in der ersten Stufe ist das man sich gegen einen Triebwerksausfall absichert. Das hat bisher etliche Falcon 9 Missionen gerettet bei denen Triebwerke versagten. Da die Rakete Treibstoff für die Landung hatte, konnte sie auf diese Reserve zurückgreifen (die Landung der ersten Stufe scheiterte dann meistens). Wichtiger als diese Reserve ist aber, dass ein Triebwerksausfall nicht die anderen Triebwerke betrifft. Das scheint nun bei der Superheavy nicht der Fall zu sein, wenn ein einzelnes Triebwerk – egal warum es ausfällt – zum Ausfall aller Treibwerke führt. Das kann eigentlich nur passieren wenn es explodiert, ansonsten sollte nur der Schub absinken und die Schubrichtung beeinflusst sein, was aber bei 13 Triebwerken für den Boostback nicht so relevant ist. Brände durch Triebwerksausfälle gab es auch beim ersten Flug.

Das ist ein ernstes Problem. Denn wenn ein Triebwerksausfall so gravierende Folgen hat – anders als bei der Falcon 9 – dann müssen bei 33 Triebwerken diese extrem zuverlässig sein, was sie sicher nicht verbilligt, wenn es überhaupt technisch umsetzbar ist. Für mich ist auch die Begründung nicht verständlich, da ich die – für heutige Verhältnisse primitive – Abschaltregelung bei der Saturn kenne: Nach dem Treibwerksstart sprangen in den Leitungen Schalter durch den Druck in den Leitungen um. Sobald der Druck unter einen Mindestdruck fiel, das ist eine der Folge wenn schon der Eingangsdruck in die Turbopumpe abfällt, blockiert so die Treibstoffzufuhr und das Triebwerk schaltet sauber ab ohne zu explodieren. Das wurde getestet und funktioniert und das mit der Technik der Sechziger Jahre. Warum also bei SpaceX man hinter diesen technischen Standard zurückgefallen, ist insbesondere, wenn das Abschalten bei der Falcon 9 ja funktioniert ist für mich nur dadurch zu erklären, dass aus irgendeinem Grund das Wissen das man bei der Entwicklung der Falcon 9 inzwischen verloren hat.

Kein gutes Omen für ein neues Gefährt das in vielen Bereichen komplexer als eine Falcon 9 ist und bei dem man Dinge beherrschen muss die eine Falcon 9 nie können musste…