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Die Falcon 1e

Einleitung

Die Falcon ist eines der Projekte welche versuchen, privat eine Trägerrakete zu entwickeln. Die von Milliardär Elon Musk gegründete Firma SpaceX entwickelt vier Trägerraketen, die Falcon I und 1e und die größeren Falcon 9 und 9 Heavy. Wie bei der Kistler-Rakete liegt ein Schlüssel für den niedrigen Startpreis in der Wiederverwendbarkeit.

Die Website von SpaceX und die Veröffentlichungen von Elon Musk sind zwar recht kurzweilig zu lesen, sind jedoch was den Informationsgehalt angeht für ein kommerzielles Unternehmen eine Zumutung: Wesentliche Daten der Raketen wie Abmessungen und Massen sind nicht zu finden und müssen mühsam aus anderen Daten rekonstruiert werden. Den einzigen brauchbaren Launch Guide für die Falcon 1 hat die Firma für zwei Jahre von der Website genommen. Darüber hinaus fluktuieren sie recht stark, wobei der Trend immer weiter nach oben geht: 50 % mehr Nutzlast innerhalb eines Jahres sprechen weniger für eine wahnsinnig schnelle Hardwareentwicklung, als vielmehr für mangelnde technische Kompetenz und Planung. Leider vermisse ich im Netz eine kritische Auseinandersetzung mit dem Konzept. Niemand scheint sich auch darüber Gedanken zu machen, wie die angegebenen Nutzlasten und Preise erreicht werden sollen und niemandem fällt auf, dass sie laufend korrigiert werden. Dieser Aufsatz ist daher sehr kritisch und setzt sich auch bewusst mit Halbwahrheiten, die SpaceX/Elon Musk publizieren, auseinander.

SpaceX wurde im Juni 2002 von Elon Musk gegründet, nachdem er Paypal im Oktober 2002 für 1,5 Milliarden Dollar verkauft hatte. Dieses Bezahlsystem hatte er mit entwickelt und war zu diesem Zeitpunkt mit 11,7 % an Paypal beteiligt. Der Erlös erlaubt es ihm, die Entwicklung der Falcon zu finanzieren. Sein privates Vermögen wird auf 328 Millionen Dollar geschätzt.

Falcon 1e

Die Entwicklung der Falcon 9 hat zu einer „erweiterten“ Version der Falcon 1 geführt. Sie wird das schubgesteigerte Triebwerk Merlin 1C der Falcon 9 und eine überarbeitete Version des Kestrel-Triebwerks, das Kestrel 2, verwenden. Zuerst ging SpaceX von 469 kN Schub beim Merlin 1C aus. Das hätte es erlaubt, eine 38.555 kg schwere Rakete mit einer Nutzlastkapazität von 670 kg zu starten. Die erste Stufe war nach diesen Planungen um 15 Fuß länger und 4.500 kg schwerer als bei einer Falcon 1. Im Jahr 2007 wurde für diese Version der Falcon 1e ein Startpreis von 8,5 Millionen Dollar genannt. Die verlängerte erste Stufe hätte 15.586 kg LOX und 7.159 kg RP-1 aufgenommen.

Jedoch wird für die endgültige Falcon 9 („Block II“-Design) das Merlin 1C durch eine Erhöhung der Turbopumpenleistung um 25 % auf einen Startschub von 556 kN gebracht. Der höhere Schub erlaubt es, eine noch schwerere erste Stufe anzutreiben. So wurden die Pläne revidiert und die erste Stufe wiegt nun fast doppelt so viel wie bei der Falcon 1. Die Nutzlast der Falcon 1e steigt auf 1.010 kg bei einem Startgewicht von 46.670 kg.

Die zweite Stufe wurde nicht verändert. Der geringe Schub des Kestrel lässt keine Verlängerung der Stufe zu, da sie schon jetzt bei der Zündung bis zu 5.700 kg wiegt. Bei 30,7 kN Schub entspricht dies einer Beschleunigung von 5,3 m/s² – unterhalb der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s². Würde die Stufe bedeutend schwerer, so reicht der Schub nicht mehr aus, um einen Orbit zu erreichen. Bei beiden Stufen wird Helium zur Druckbeaufschlagung verwendet, bei der ersten Stufe sind es 16,5 kg und bei der zweiten 9,8 kg. Der Wert ist proportional höher, da der Innendruck höher ist und das Kestreltriebwerk nur druckgefördert ist. Die zweite Stufe kann maximal 2.694 kg LOX und 1.142 kg RP-1 aufnehmen.

Neu ist eine größere Verkleidung, welche nun den gleichen Durchmesser wie der Rest der Rakete von 1,70 m hat und eine Länge von 4,40 m aufweist. Deren Gewicht ist durch Verbundwerkstoffe statt Aluminiumlegierungen trotzdem geringer und liegt bei 136 kg statt 157 kg wie bei der Falcon 1.

Der Startpreis wurde 2008 angehoben auf 9,1 Millionen Dollar (Preisbasis Januar 2008). Im Jahre 2009 erfolgte eine weitere Anhebung des Startpreises auf 11 Millionen Dollar, bei einer gleichzeitigen Reduktion der Nutzlast auf 900 kg. Ein Start soll neun bis zwölf Monate nach Order einer Falcon 1e möglich sein. Zwei Starts der Rakete sind für 2010 und 2011 von Kwajalein aus geplant.

Es war geplant, die Falcon 1e im Jahr 2010, nach der Falcon 9, ihren Erststart absolvieren zu lassen. Dieser sollte, anders als die ersten Falcon 1, keine kommerzielle Nutzlast transportieren.

Bis 2014 soll sie 18 Satelliten des Typs ORBCOMM M2M in niedrige Umlaufbahnen transportieren. Der erste Start soll im Herbst 2010 erfolgen. Um wie viele Starts es sich handelt wurde nicht verlautbart. Doch da ein Orbcomm M2M-Satellit nur 92 Pfund (42 kg) wiegt ist es wahrscheinlich, dass mehrere dieser Satelliten auf einmal gestartet werden. Die Bahnhöhe beträgt rund 800 km. Eine Kosmos 3M mit vergleichbarer Nutzlast transportierte 2008 fünf dieser Satelliten als Sekundärnutzlast neben einer Hauptnutzlast in den Orbit. Theoretisch würden zwei Falcon 1e-Flüge ausreihen, um die Satelliten in den Orbit. Da so viele aber nicht in die Nutzlasthülle passen, werden es wahrscheinlich mehr Starts sein

Nachdem SpaceX nun die Falcon Heavy-Entwicklung aufgenommen hat, gab die Firma im Februar 2011 bekannt, die Falcon 1e-Entwicklung zu drosseln. Der für 2011 angekündigte Jungfernflug von Kwajalain aus ist aus dem Launchmanifest verschwunden und der erste Start dieser Version ist nun für 2014 geplant. Die ersten ORBCOMM-Satelliten werden als Sekundärnutzlast mit einem der beiden ausstehenden COTS-Demonstrationsflügen mit Falcon 9 ins All befördert werden.

Offen ist, wie sich die Ankündigung der Falcon Heavy auf die Falcon 1e auswirkt. Bisher war geplant, dass Falcon 1e und Falcon 9 beide das "Block II"-Design des Merlin 1C mit 556 kN Vakuumschub einsetzen sollen. Da die Falcon 1e die zweite Stufe der Falcon 1 unverändert übernimmt und nur die erste Stufe verlängert, ist schon beim Block II vor Brennschluss der ersten Stufe die Beschleunigung sehr hoch und liegt bei 67 m/s² bei Maximalnutzlast. Das für die Falcon Heavy, bzw. ohne die Booster für die folgenden Versionen der Falcon 9, vorgesehene Triebwerk wird schon einen Bodenschub von 627 kN aufweisen, d.h. im Vakuum wird dieser dann etwa 680 kN betragen. Die Spitzenbeschleunigung würde dann bei Maximalnutzlast 81 m/s² betragen, doppelt so hoch wie bei anderen Typen.

Auch das spricht gegen die Falcon 1e. Es macht nur wenig Sinn, extra für diese Rakete eine Triebwerkslinie in der Produktion zu lassen. Eventuell wird die Falcon 1e genauso schnell wie die Falcon 1 eingestellt werden. Inzwischen wurde dies auch offiziell verlautbart. Ende 2011 will SpaceX erneut prüfen, ob es genügend Nachfrage gibt, um die Serie zu bauen. Wenn nicht, dann wird die Falcon 1e genauso eingestellt wie die Falcon 5. Kleine Satelliten sollen dann als Sekundärnutzlaten der Falcon 9 gestartet werden. Zumindest für einen Teil der ORBCOMM-Satelliten ist dies schon geplant.

Falcon 1 und 1e Vergleich

Falcon 1e (2007)

Startmasse: 38.555 kg
Länge: 26,82 m
Durchmesser: 1,70 m
Nutzlast:
670 kg in eine 28,5 Grad geneigte Bahn in 200 km Höhe
580 kg in einen ISS-Orbit (400 km Höhe, 51,6 Grad Inklination)
400 kg in einen sonnensynchronen 800 km hohen Orbit

Startpreis: 8,5 Millionen Dollar

Stufe 1:
Startmasse: 33.120 kg
Leermasse: 1.815 kg
1 Triebwerk Merlin 1C mit 455 kN Boden- und 513 kN Vakuumschub (556 kN)
spezifischer Impuls: 2.560 m/s in Meereshöhe und 2.941 m/s im Vakuum
Brennzeit: 169 sec.

Stufe 2:
Startmasse: 4.581 kg
Leermasse: 544  kg
1 Triebwerk Kestrel 2 mit 31,1 kN Vakuumschub
spezifischer Impuls: 3.206 m/s
Brennzeit: 418 sec.

Nutzlastverkleidung:
Durchmesser: 1,70 m
Länge: 3,81 m
Masse: 136 kg

Falcon 1e (2009)

Startmasse: 46.670 kg
Länge: 27,40 m
Durchmesser: 1,70 m
Nutzlast:
900 kg in eine 9,1 Grad geneigte Bahn in 200 km Höhe
(1.010 kg auf den SpaceX-Webseiten,
900 kg nach Information auf der "Small Satellite Conference")
430 kg in einen sonnensynchronen 800 km hohen Orbit

Startpreis: 11 Millionen Dollar

Stufe 1:
Startmasse: 42.030 kg
Leermasse: 2.577 kg
1 Triebwerk Merlin 1C mit 513 kN Boden- und 556 kN Vakuumschub
(spezifischer Impuls: 2.560 m/s in Meereshöhe und 2.981 m/s im Vakuum)
Brennzeit: 169 sec.

Stufe 2:
Startmasse: 4.581 kg
Leermasse: 544  kg
1 Triebwerk Kestrel 2 mit 31,1 kN Vakuumschub
spezifischer Impuls: 3.206 m/s
Brennzeit: 418 sec.

Nutzlastverkleidung:
Durchmesser: 1,70 m
Länge 3,81 m
Masse: 136 kg

 

Falcon 1 Performance 1Performance der Falcon 1/1e

SpaceX gibt folgende Daten für die Genauigkeit des erreichten Orbits an:

Diese Ungenauigkeiten für Inklination und Orbithöhe sind für eine Rakete mit flüssigem Treibstoff relativ hoch. Dasselbe gilt für die Belastungen durch den hohen Schub. Üblicherweise werden Satelliten auf 5,5 g Spitzenbeschleunigung, die bei anderen kommerziellen Trägern nicht überschritten werden, ausgelegt.

Die beiden Diagramme zeigen hier die erwartete Performance der Flacon 1 und 1e (August 2008). Die maximale Nutzlast ist für 9 Grad Inklination angegeben. Die meisten Satellitentransporte von kleineren Satelliten gehen jedoch in sonnensynchrone 500-800 km hohe Bahnen (98-108 ° Bahnneigung). Für diese Bahnen geht die Nutzlast einer Falcon auf den Bruchteil des Maximalwertes zurück: 150-170 kg bei einer Falcon 1 und 560-620 kg bei einer Falcon 1e.

Die folgende Tabelle informiert über die Leistungen anderer Konkurrenten der Falcon 1.

Träger Falcon 1 Falcon 1e Pegasus XL Taurus Athena 2 Rockot Start Vega
Startpreis 7,9 Mill. $ 11 Mill. $ 13,5 Mill. $ 24 Mill. $ 24 Mill. $ 13,4 Mill.$ 7,5 Mill. € 30 Mill $
Nutzlast (98 °, 600 km-Orbit) 170 kg 430 kg 240 kg 810 kg 1.195 kg 1.200 kg 400 kg 1.500 kg
Preis pro Kilogramm 46.400 $ 25.700 $ 56.250 $ 29.600 $ 20.100 $ 11.200 $ 18.750 $ 26.000 $

Die Falcon 1e ist billiger als die anderen kleineren US-Trägerraketen, allerdings haben diese in den letzten Jahren kaum noch Starts absolviert. Sie kann aber nicht mit den russischen Trägern und auch nicht mit der europäischen Vega konkurrieren. Das zeigt, dass nicht so viel vom Anspruch, "Preisbrecher" zu sein, übrig blieb.

Die Falcon 1 ist durch den Rückgang der Nutzlast sogar der teuerste hier aufgeführte Träger. Verantwortlich dafür ist wohl die zweite Stufe. Zwei Stufen sind schon recht wenig, wenn man einen sonnensynchronen Orbit erreichen will. Wenn allerdings die zweite Stufe auch noch während der Entwicklung von 412 auf 544 kg Leergewicht zulegt, dann fehlen diese 132 kg eben bei der Nutzlast und diese fällt entsprechend geringer aus.

Nachdem lange Zeit es gar keine Neuigkeiten über die Falcon 1e gab, verschwand sie 2012 ohne Abkündigung von der Website und teilt damit das Schicksal anderer SpaceX Projekte wie der Falcon 5 und Falcon 9 Block II. 2012 wurde ein Orbcomm-Satellit als Sekundärnutzlast beim ersten CRS-Flug befördert. Er ging verloren, nachdem ein Triebwerk in der Erststufe ausfiel und die veränderte Bahn mehr Treibstoff erforderte. 18 weitere Orbcomm sollen in zwei dezidierten Falcon 9 Starts gestartet werden.

Links

SpaceX

© der Bilder: SpaceX

Büchertipps

Von mir gibt es mehrere Bücher zum Thema Trägerraketen. Zum einen zwei Werke über alle Trägerraketen der Welt und zum Zweiten Bücher über die europäische Trägerraketenentwicklung.

Mein bisher umfassendstes Werk ist ein zweibändiges Lexikon über Trägerraketen mit 700 bzw. 600 Seiten Umfang. In ein Buch passten schlichtweg nicht alle Träger in ihren Subversionen so gibt es einen Band nur für US-Träger, einen zweiten für "internationale" Trägerraketen, sprich alle anderen Nationen. Beide Bände haben denselben Aufbau:

Nach einem einleitenden Kapitel über die Arbeitsweise von Raketen kommt ein einführendes Kapitel über die Raumfahrtbestrebungen des Landes und der Weltraumbahnhöfe, bei den USA ist dies natürlich nun eines. Danach kommen die Träger geordnet nach Familien mit gleicher Technologie in der historischen Entwicklung. Zuerst wird die Technologie und Entwicklungsgeschichte beim ersten Exemplar einer Familie beschrieben, dann folgt bei den einzelnen Mitgliedern nur noch die Veränderungen dieses Modells und dessen Einsatz.

Ich habe soweit möglich technische Daten zum schnelleren Nachschlagen in Tabellen ausgelagert, Querschnittsdiagramme, Grafiken über den Einsatz und bei den US-Trägerraketen auch komplette Startlisten komplettieren dann jedes Kapitel. Dazu gibt es von jedem Träger ein Startfoto.

In jedem Buch stecken so über 100 Subtypen, was den Umfang bei dieser ausführlichen Besprechung auf 600 Seiten (internationale Trägerraketen) bzw. 700 Seiten (US-Trägerraketen getrieben hat). Ich denke sie sind mit 34,99 und 39,99 Euro für den gebotenen Inhalt trotzdem sehr günstig.

Speziell mit der Geschichte der Trägerraketenentwicklung in Europa beschäftigt sich das zweibändige Werk Europäische Trägerraketen 1+2. Band 1 (Europäische Trägerraketen 1: Von der Diamant zur Ariane 4) behandelt die nationalen Trägerprogramme (Black Arrow und Diamant), das OTRAG-Projekt, die glücklose Europa-Rakete und die Ariane 1-4. Band 2: die aktuellen Projekte Ariane 5 und Vega. Sowie die Weiterentwicklungen Ariane 6 und Vega C. Beide Bücher sind voll mit technischen Daten, Details zur Entwicklungsgeschichte und zu den Trägern. Diese Bücher sind gedacht für Personen, die wirklich alles über die Träger wissen wollen. Der nur an allgemeinen Infos interessierte, wird mit dem Buch internationale Trägerraketen besser fahren das sich auf die wichtigen Daten beschränkt.

Es gibt von den europäischen Trägerraketen, da die Programme weitestgehend unabhängig voneinander sind, auch die Möglichkeit, sich nur über einen Träger zu informieren so gibt es die gleiche Information auch in vier Einzelbänden:

Auf einen eigenen Band für Ariane 5 und 6 habe ich verzichtet, weil dieser nur wenig billiger als Band 2 der europäischen Trägerraketen wäre, da Ariane 5+6 rund 2/3 des Buches ausmachen.

Meine Bücher sind alle in Schwarz-Weiss. Das hat vor allem Kostengründe. Bei BOD kostet jede Farbseite 10 ct Aufpreis. Es gibt jedoch ein Buch, das für Einsteiger gedacht ist und jeden Trägertyp nur auf zwei Seiten, davon eine Seite mit einem meist farbigen Foto abhandelt: Fotosafari durch den Raketenwald. Es ist weniger für den typischen Leser meiner Webseite gerichtet, die ja auch in die Tiefe geht, als vielmehr für Einsteiger und als Geschenk um andere mit der Raumfahrt zu infizieren.

Sie erhalten alle meine Bücher über den Buchhandel (allerdings nur auf Bestellung), aber auch auf Buchshops wie Amazon, Libri, Buecher.de und ITunes. Sie können die Bücher aber auch direkt bei BOD bestellen.

Mehr über diese Bücher und weitere des Autors zum Themenkreis Raumfahrt, finden sie auf der Website Raumfahrtbucher.de.




© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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