Die Falcon 9 – eine Nachlese (2)

So und hier folgt der zweite Teil der Nachbetrachtung der Falcon 9, er schließt an den ersten Teil von gestern an. Den ganzen Artikel gibt es auch auf der Website.

Nutzlastverkleidung

Ein einziges System wurde beim Übergang von der ersten zur heutigen Version kleiner: Die Nutzlastverkleidung wurde von 15,24 auf 13,9 m verkürzt. Sie reicht aus für Kommunikationssatelliten in GTO-Bahnen, ebenso wie die meisten kommerziellen Starts in den LEO, da dort selten die maximal mögliche Nutzlast der Falcon 9 ausgeschöpft wird. Wäre dies der Fall, so wäre sie zu klein. Bei Abbildungen der Starlink-Satelliten vor der Verkleidung wird deutlich, dass sie auch hier an die Grenze gekommen ist. Das schränkt, weil die Verkleidung dieselbe ist, den Einsatz der Falcon Heavy ein. Das dürfte auch der Grund sein, warum SpaceX keine Falcon Heavy für Starlink-Transporte einsetzt, obwohl man so dreimal schwererer Nutzlasten transportieren könnte, aber man hat eben nicht den Platz dafür.

Nach Elon Musk macht die Verkleidung aus CFK 10 Prozent des Startpreises aus – das ist viel für eine Verkleidung. Es gab daher auch eine Klage von SpaceX gegen ULA, dass ihre Vertragsfirma Oerlikon Contraves, die die Nutzlastverkleidungen für Atlas V, Vulcan, Ariane 1–6 und die Vega fertigt, auch Aufträge von SpaceX annehmen dürfen sollte. Offensichtlich sind diese Verkleidungen entweder besser oder billiger als die selbst produzierten.

Die Verkürzung der Nutzlastverkleidung ist ein weiterer Hinweis, dass die Rakete nicht mehr weiter verlängert werden kann. Auf sie wirken aerodynamische Kräfte beim Aufstieg ein, und vor allem bei dem langen Erststufentank sind diese dann wohl so groß, dass man bei einer weiteren Verlängerung die Tanks versteifen müsste, was die Leermasse wohl mehr erhöht als den Nutzen durch mehr Treibstoff.

Es gab Versuche, die Verkleidung zu bergen, was auch gelang, doch nach einigen Versuchen hat man dies wieder eingestellt. Die hohen Kosten der CFK-Verkleidung sind vielleicht ein Grund, warum Elon Musk beim Starship auf den viel billigeren Edelstahl setzt.

Treibstoffe

Bei den ersten Starts gab SpaceX noch die Treibstoffzuladung bekannt, bei dem aktuellen Modell ist sie nur aus der Brennzeit, dem Schub und dem spezifischen Impuls berechenbar. Man kommt mit den Werten auf der Website auf 114.080 kg bei der zweiten Stufe und 437.975 kg bei der ersten – mithin mehr, als die Rakete wiegt (551.055 kg Treibstoff versus 549.054 kg für die ganze Rakete). Allerdings können die Triebwerke, die drosselbar sind, dieses Feature zum Ende der Brennzeit nutzen, und die Angabe ist daher zu hoch.

Bei den letzten Versionen wurde dann noch unterkühlte Flüssigkeiten getankt. Jede Substanz wird dichter, wenn die Temperatur sinkt, da sich die Moleküle dann weniger stark bewegen. Kerosin ist ein Substanzgemisch; ab −20 Grad Celsius fallen die ersten Wachse aus. Das darf nicht geschehen, sonst blockieren sie Leitungen oder schädigen Turbopumpen, wie dies beim Starship passiert(e). Komplexer ist es beim flüssigen Sauerstoff. Wie jedes verflüssigte Gas hat er bei der Produktion eine Temperatur knapp unter dem Siedepunkt von 90 K. Bei 51 K gefriert er. Weiter abkühlen kann man ihn direkt nur mit verflüssigten Gasen mit einem noch niedrigeren Siedepunkt, das sind Stickstoff, Wasserstoff und Helium. Das wäre aber sehr teuer. Stattdessen nutzt man eine Eigenschaft jeder Flüssigkeit aus: Es verdampft ständig Sauerstoff; zum Verdampfen braucht er Energie, die er der Umgebung – und das ist vor allem der restliche Sauerstoff – entzieht. Dieser flüssige Sauerstoff kühlt dadurch ab. Saugt man nun den verdampfenden Sauerstoff ab und forciert so das Verdampfen und ersetzt den Verlust durch frischen Sauerstoff, den man unten in die Tanks einbringt, so kann man ihn abkühlen.

Der Effekt ist aber klein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Flüssigkeiten beträgt 0,83–0,87×10⁻³ K^-1 bei Kerosin und 0,9–0,93×10⁻³ K^-1 bei Sauerstoff. Maximal um 40 K kann man beide Substanzen abkühlen. Wenn man das Mischungsverhältnis nicht verändert, so begrenzt der niedrigere Wert für Kerosin die Temperaturspanne. Doch selbst bei 40 K Unterschied kann man so nur maximal 3,4 Prozent mehr Treibstoff zuladen. Genutzt wird eine Abkühlung des Sauerstoff sauf -207 ° Celsius und des Kerosin auf -7 ° Celsius. Das entspricht etwa 2,5 Prozent mehr Zuladung. Die Technik ist kein Feature, sondern eher das Eingeständnis, dass man die Rakete nicht mehr verlängern kann und so auf diesen Trick zurückgreifen muss, anstatt die Tanks weiter zu verlängern. Die Technologie von unterkühlten Treibstoffen wird eher selten eingesetzt, bekannt ist zum Beispiel der geplante Einsatz bei der sowjetischen N-1, die in der ersten Version auch weit unter der geplanten Nutzlast lag.

Die Falcon 9 nach SpaceX-Angaben

Nimmt man die offiziellen Angaben für Schub, spezifischen Impuls und Abmessungen und die Strukturfaktoren von 30 und (nahezu 25, ich setze hier 24 an), so kann man die Rakete, wie sie wäre, rekonstruieren, und diese habe ich in meine Aufstiegssimulation eingespeist, die sehr akkurat ist und die Nutzlasten auf 1 % genau berechnen kann. Und – nicht sonderlich überraschend – kommt tatsächlich die Nutzlast heraus, die SpaceX reklamiert: Ich errechne 8.200 kg in den GTO. Ich vermute, so war dies geplant, aber das war vor den Bergungsversuchen.

Bei diesen kamen die ersten Raketen in Bruchteilen zurück zur Erde. SpaceX hat wohl keine Computersimulation durchgeführt und die Kräfte, die entstehen, wenn eine Rakete mit dünnen Tankwänden mit Mach 8 bis 10 auf die Atmosphäre trifft, unterschätzt. Danach muss man wohl die Struktur massiv verstärkt haben, was zusätzliche Leermasse addiert. Zusätzlich führt die Falcon 9 ein Bremsmanöver durch, sonst würde sich die Haut aus Aluminiumlegierungen zu stark erhitzen und an Festigkeit verlieren. Bei der Superheavy mit Edelstahl als Werkstoff und höherem Schmelzpunkt ist diese Abbremsung nicht nötig.

Die echten Nutzlasten sind aus einer Präsentation von Königsmann bekannt, sie betragen für einen GTO-Orbit mit einem Δv von 1.800 m/s:

• 3.500 kg bei einer Rückkehr zum Startplatz
• 5.500 kg bei einer Landung auf dem Dronenschiff
• 6.500 kg, wenn die Erststufe verloren geht

Für die Falcon Heavy gilt:

• 8.000 kg, wenn die Booster an Land landen, die Zentralstufe auf dem Dronenschiff
• 10.000 kg, wenn alle Booster auf Dronenschiffen landen
• 15.000 kg, wenn alle Booster verloren gehen

Die Einbuße bei der Falcon Heavy ist noch größer, weil ihre Umsetzung sich als nicht so einfach entpuppte. Damit man die Booster so anbringen konnte, dass diese den Belastungen beim Start standhielten, musste die Zentralstufe massiv verstärkt werden, was das Gewicht nach Musk um mehrere Tonnen erhöhte. Die Umsetzung war so schwierig, dass Musk die Rakete einstellen wollte, doch Gwen Shotwell konnte dies verhindern. Die Falcon Heavy fliegt zwar selten, ist aber wichtig für das Portfolio, vor allem für Aufträge seitens des DoD und der NASA. Das dieses „Upgrade“ mehr als das Zusammenfassen von drei Stufen war, zeigt auch das die Falcon Heavy erst fünf Jahre nach der Falcon 9 ihren Jungfernflug hatte, geplant war das sie ein Jahr nach der kleineren Schwester ihren Einstand hat.

Aus dem gleichen Grund hat man das angekündigte Cross-Feeding – also das Verbinden der Treibstoffleitungen der drei Stufen, sodass zuerst der Treibstoff der beiden Seitenbooster verbraucht wird – aufgegeben. Das hätte mehrere Vorteile gehabt. Zum einen sinkt deren Brennzeit um ein Drittel, was die Gravitationsverluste reduziert; dann ist die Beschleunigung größer, da das zentrale Triebwerk nicht heruntergefahren werden muss, sonst hätte es mit den Seitenboostern Brennschluss, und zuletzt sorgt die kürzere Brennzeit dafür, dass der Brennschluss näher am Startort stattfindet und man weniger Treibstoff für die Landung braucht.

Bisher wurde keine Zentralstufe der Falcon Heavy erfolgreich geborgen. Bei 11 Missionen gab es 19 Bergungen, würde man alle Stufen bergen so wären es 33. Auch von der Wiederverwendung her ist diese Version auch nicht ideal, was schon ein Vorgeschmack auf die Probleme beim Starship lieferte. Für eine Reihe von Orbits kann man die reale Performance der Raketen bei der NASA-Performance-Website einsehen. Für einen Mars-Transferorbit (c3 von 16 km²/s²) liefert sie für die Falcon Heavy 4.340 kg bei Bergung und 10.975 kg bei Bergung, SpaceX reklamiert 16.800 kg.

Die Wiederverwendung und Bergung

Auch wenn SpaceX dies betont, ist die Bergung an sich nichts Komplexes. Sie stellt keine technische Herausforderung dar, sondern eine wirtschaftliche. Sowohl bei der Landung auf dem Dronenschiff, wie auch an Land wird die Stufe vor der Landung abgebremst, um die aerodynamischen Kräfte zu reduzieren. Bei der Landlandung muss der Weg zum Startort zusätzlich zurückgelegt werden, was weiteren Treibstoff kostet. Bei der Landung selbst wird die verbliebene Restgeschwindigkeit durch ein einzelnes Triebwerk vernichtet. Der Treibstoff steht nicht für den Aufstieg zur Verfügung und dies senkt die Nutzlast.

Die punktgenaue Landung sieht beeindruckend aus, beruht aber auf der heute möglichen Positionsbestimmung mit GPS auf wenige Zentimeter genau und Computern die im Bruchteil einer Sekunde die nötigen Korrekturen berechnen können. Eine ähnliche Technik nutzen auch Landwirte, die ihre Maschinen unbemannt nur durch GPS durch die Felder steuern und dabei weder Grenzen verletzen noch neben dem Unkraut auch das Gemüse entfernen.

Es ist ja nicht so, dass man Wiederverwendung schon vor der Falcon 9 nicht untersucht hätte. In allen Fällen war es so, dass sie technisch möglich war, aber es nicht wirtschaftlich gewesen wäre. Neben den Kosten für die Bergung kommen weitere für eine Inspektion hinzu. Die aufwendige Wartung war auch der Grund, warum das Space Shuttle, das ja schon 30 Jahre vor der Falcon 9 die Wiederverwendung durchführte, nicht billiger als eine Trägerrakete war. Auch von ULA hört man seit Jahren nichts mehr von der geplanten Bergung der Triebwerke der ersten Stufe, die bei Entwicklungsbeginn der Vulcan angekündigt wurde.

Das Hauptproblem ist aber, dass durch die Wiederverwendung die Produktionszahlen sinken. Dann kommt man rasch an eine Grenze, wo die Belegschaft nichts zu tun hat, aber als qualifiziertes Personal nicht entlassen werden kann, ohne dass Erfahrung verloren geht. Eine US-Firma hat eine Chance, auf genügend hohe Starts zu kommen, selbst wenn man durch die Bergung weniger Erststufen produziert, da DoD, NRO und NASA zusammen mehr Starts benötigen als der Rest der Welt (ohne China) und so auf die benötigten Stückzahlen kommt. Durch die Starlink-Starts, die inzwischen die meisten Starts ausmachen, ist dies erst recht gegeben. Der Aufbau der Falcon 9 – identischer Durchmesser der stufen, gleiche Triebwerke in beiden Stufen – sorgt zudem für Synergien, so hat man selbst wenn man weniger Erststufen produziert durch die immer noch benötigten Oberstufen einen hohen Bedarf an Merlins und Tanksegmenten. Die meisten anderen Träger setzen in beiden Stufen dagegen unterschiedliche Triebwerke und meist auch andere Treibstoffe ein.

Seltsamerweise ist die Falcon 9 seit der Einführung nicht billiger geworden. Elon Musk versprach eine Reduktion, wenn die Wiederverwendung klappt, des Startpreises auf 5 bis 6 Millionen Dollar. Aber stattdessen stieg er von 59 auf 69,5 Millionen Dollar. Veröffentlichte Startpreise der NASA und des DoD liegen nochmals deutlich höher. Real ist ein Falcon 9-Start nicht preiswerter als bei anderen Launch-Service-Providern, nachdem diese ihre Fertigung verbessert haben und neue Modelle herausbrachten (Vulcan, Ariane 6). Der Hauptvorteil von SpaceX ist nicht der Startpreis, sondern die Flexibilität, die sich daraus ergibt, dass durch die hohe Startfrequenz immer Träger zur Verfügung stehen, um kurzfristig Aufträge anzunehmen.

Falcon 9 vs. Starship

Seit April 2023 erfolgen nun die Testflüge des Starships; derzeit sind zehn erfolgt. Kein einziger erreichte einen Orbit. Nur ein- bis zweimal gelang das weiche Landen eines Starships. Ein Starship wurde sogar am Boden zerstört. Dazu kommen weitere Prototypen, die nicht einmal eine suborbitale Bahn erreichten. Gebaut wurden bisher 37 Starships und 17 Superheavy-Erststufen.

SpaceX hat in den letzten Jahren die meisten Starts weltweit durchgeführt, 2024 sogar mehr als alle anderen Länder und Firmen zusammen. Die Firma sollte durch die vielen Starts über eine enorm hohe Expertise verfügen. Warum scheitert sie beim Starship?

Bei der Falcon 9 war SpaceX noch klein und vergab viele Aufträge an andere Firmen. Diese mussten Komponenten wie Turbopumpen bauen, die auf Jahrzehnten technischer Expertise basieren, denn die Falcon 9 ist größtenteils Technik der Sechzigerjahre. Das ist, wie wenn man Porsche beauftragt, den Motor des VW-Käfers nachzubauen.

Beim Starship entwickelt SpaceX selbst. Meiner persönlichen Meinung nach hat SpaceX zwar gelernt, die Designs, die Drittfirmen entwickelten, zu kopieren und zu verbessern, aber sie haben bisher eben nichts selbst entwickelt. Die fehlende Kompetenz zeigt sich in den skurrilen Ursachen der Fehlschläge der Tests. Es ist auch ein Unterschied, eine Rakete zu fertigen oder sie zu konstruieren. Wie bei anderen Gütern, z. B. Autos, braucht man für das Fertigen nur Facharbeiter, für die Konstruktion dagegen Ingenieure, die Erfahrung haben und nicht frisch von der Hochschule kommen. Das erklärt meiner Ansicht nach die bisher eher schlechte Bilanz der Testflüge.