{"id":18396,"date":"2025-09-19T00:10:02","date_gmt":"2025-09-18T22:10:02","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=18396"},"modified":"2025-09-18T12:03:05","modified_gmt":"2025-09-18T10:03:05","slug":"die-falcon-9-eine-nachlese-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2025\/09\/19\/die-falcon-9-eine-nachlese-2\/","title":{"rendered":"Die Falcon 9 \u2013 eine Nachlese (2)"},"content":{"rendered":"
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So und hier folgt der zweite Teil der Nachbetrachtung der Falcon 9, er schließt an den ersten Teil von gestern an<\/a>. Den ganzen Artikel gibt es auch auf der Website<\/a>.<\/p>\n

Nutzlastverkleidung<\/h3>\n

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.<\/p>\n

Nach Elon Musk macht die Verkleidung aus CFK 10 Prozent des Startpreises aus \u2013 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\u20136 und die Vega fertigt, auch Aufträge von SpaceX annehmen dürfen sollte. Offensichtlich sind diese Verkleidungen entweder besser oder billiger als die selbst produzierten.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

Treibstoffe<\/h3>\n

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 \u2013 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.<\/p>\n

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 \u221220 Grad Celsius fallen die ersten Wachse aus<\/a>. 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 \u2013 und das ist vor allem der restliche Sauerstoff \u2013 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.<\/p>\n

Der Effekt ist aber klein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Flüssigkeiten beträgt 0,83\u20130,87\u00d710\u207b\u00b3 K-1<\/sup> bei Kerosin<\/a> und 0,9\u20130,93\u00d710\u207b\u00b3 K-1<\/sup> bei Sauerstoff<\/a>. 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 \u00b0 Celsius und des Kerosin auf -7 \u00b0 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<\/a>, die in der ersten Version auch weit unter der geplanten Nutzlast lag.<\/p>\n

Die Falcon 9 nach SpaceX-Angaben<\/h3>\n

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 \u2013 nicht sonderlich überraschend \u2013 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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

Die echten Nutzlasten sind aus einer Präsentation von Königsmann bekannt, sie betragen für einen GTO-Orbit mit einem \u0394v von 1.800 m\/s:<\/p>\n