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Die Falcon Heavy

Einleitung

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

Dieser Artikel behandelt die Falcon Heavy. Diese Rakete baut auf der Falcon 9 auf, deren Technik in einem anderen Artikel eingehend erläutert wird. Er behandelt zuerst die historische Entwicklung und führt später in die laufende Berichterstattung über die Firma und die Falcon 9. SpaceX plante zuerst eine Falcon 9 Heavy, die als erstes besprochen wird, dann veränderte die Firma (nicht zum ersten Mal) ihre Pläne und sie arbeitet nun an einer noch größeren Version, der Falcon Heavy, welche weiter unten behandelt wird.

Falcon 9 Heavy (Angaben bis 2011)

Mit den Heavy Lift-Varianten der Falcon, die sogar die Nutzlast einer Delta 4 Heavy oder Ariane 5 erreichen, hofft SpaceX im Geschäft um geostationäre Nutzlasten und später sogar bei den Aufträgen der Initiative von Bush (Rückkehr zum Mond) mithalten zu können. Vor allem ist dies das einzige kommerzielle Marktsegment, das noch einigermaßen läuft, nachdem der Markt für kleine und mittlere Nutzlasten weitgehend eingebrochen ist und von russischen Anbietern dominiert wird. Es stellt sich aber die Frage, ob die Falcon 9 Heavy tatsächlich die Leistung hat, die man sich von ihr verspricht.

Die Falcon 9 Heavy sollte ihren Erstflug zwei Jahre nach der Falcon 9 haben. Anfangs war auch noch eine Version mit Falcon V-Erststufe gedacht. Da diese inzwischen nicht mehr verfolgt wird, gibt es nur eine Heavy-Variante.

Technisch gesehen ist die Heavy-Variante eine Falcon 9 mit zwei Falcon 9-Erststufen als Booster. Alle drei Stufen werden am Boden gezündet. 27 Triebwerke arbeiten in dieser Konfiguration parallel. Sofern nicht vorher Triebwerke abgeschaltet werden, resultiert daraus eine sehr hohe Spitzenbeschleunigung. Aufgrund der Differenz zur Falcon 9 ist zu errechnen, dass ein Booster etwa 267.250 kg beim Start wiegt.

Nachdem die Falcon Heavy lange Zeit nur als Ausbaustufe auf der SpaceX-Website auftauchte, kam im Februar 2011 Bewegung in die Entwicklung. Die Firma hat sich um einen neue EELV-Ausschreibung der USAF beworben. Derzeit hält ULA den EELV-Kontrakt (gemeinsame Vermarktung von Atlas V und Delta 4). Da SpaceX über keinen Startplatz in Vandenberg verfügt und für schwere Satelliten die Nutzlast der Falcon Heavy (früher Falcon 9 Heavy) notwendig ist, gab die USAF der Firma die Auskunft, dass sie, wenn sich dies nicht ändert, nicht an der Ausschreibung teilnehmen kann.

Nun wird SpaceX in den nächsten 2 Jahren das Launchpad SLC 4E für Starts der Falcon 9 und Falcon Heavy umrüsten. Bis zu 12 Starts pro Jahr beider Typen sollen nach den optimistischen Schätzungen von SpaceX erfolgen. Die Kosten werden auf 40 bis 50 Millionen Dollar beziffert. Größte Investition ist ein 3.000 m² großer Hangar bzw. Integrationsgebäude.

Verlässlichkeit der Daten

Auf der SpaceX-Website wechseln die Performancedaten zu den Raketen laufend, wobei der Trend so ist, dass sich schon existierende Raketen in der Nutzlast verschlechtern und auch andere Performanceparameter (Voll-/Leermasse, spezifischer Impuls) im Trend niedriger werden und die Angaben für noch geplante Raketen (Falcon 9 und 9 Heavy) immer optimistischer werden. Hier eine Liste der Änderungen:

Die Falcon Heavy

Mit diesem Träger bewirbt sich SpaceX um Aufträge im Rahmen des National Launch System (NLS)-Kontrakts, der zurzeit (2011) als Nachfolgeauftrag des ersten NLS von 2001 läuft. Er ist aufgrund der Beschränkung auf US-Anbieter (einzige Konkurrenz ist ULA mit Boeing und Atlas) und deren hohe Preise finanziell sehr attraktiv für SpaceX. Nach NASA-Angaben wird es bis 2013/14 dauern, bis genügend Flüge der Falcon 9 vorliegen, damit sie die Sicherheitsrichtlinien für NASA-Raumsonden erfüllt.

Dessen unbeeindruckt präsentierte SpaceX CEO Elon Musk am 5.4.2011 eine erneute Kehrtwende in der Entwicklung. Die Konzeption der Falcon 9 Heavy sei nun abgeschlossen worden und sie würde noch leistungsfähiger werden. Der Schub der Triebwerke soll auf 3,8 Millionen Pfund (1.700 kN) wachsen (626 kN pro Triebwerk). Die Rakete wird dadurch deutlich schwerer und erreicht ein Startgewicht von 1.400 t. Neu soll die Fähigkeit sein, dass die zentrale Stufe den Treibstoff von den beiden äußeren bekommt und so nach deren Ausbrennen noch volle Tanks aufweist, was in der Praxis einer zweistufigen Rakete entspricht. Mit diesem Feature soll die Falcon Heavy 53 t in eine Umlaufbahn bringen, ohne diese optionale Möglichkeit immer noch 45 t. Die Startkosten sollen bei 80 bis 120 Millionen Dollar liegen. Gegenüber den ursprünglichen Planungen wurde die Rakete länger (69,2 zu 54,9 m). Auch das Triebwerk der zweiten Stufe wurde im Schub um rund 50 % gesteigert. SpaceX spricht von einem Voll-/Leermasseverhältnis von 30 bei den Boostern, was ungefähr doppelt so hoch, wie bei den bisher leichtgewichtigsten Stufen wäre. Dieser hohen Nutzlast steht die kleine Nutzlastverkleidung entgegen, die mit einer Höhe von 13,9 m gerade einmal so groß ist wie die mittlere der Ariane 5 - bei der angegebenen Nutzlast wäre eine dreimal größere Nutzlasthülle nötig. Sie ist auch kleiner als die der Delta IV (19,10 und 19,80 m Länge und der Atlas (20,60 - 26,50 m Länge) trotz dreifacher Nutzlast. Für die Nutzlast steht nur ein zylindrischer Teil von 6,60 m Höhe zur Verfügung. Das macht bei Doppelstarts eine schwere Struktur wie die SPELA nötig, die natürlich die Nutzlast absenkt. Pläne für eine solche gibt es bisher nicht.

SpaceX plant nicht weniger, als den gesamten Markt (kommerzielle und Regierungsstarts) mit seinen Trägern abzudecken: Die Falcon 9 für kommerzielle Nutzlasten und die Falcon Heavy für Regierungsaufträge. 400 Merlin-Triebwerke und 20 Falcon 9 sollen pro Jahr produziert werden (je zur Hälfte Falcon 9 und Falcon Heavy). Betont wurde auch die Fähigkeit zum Befördern von Astronauten mit höheren Sicherheitsmargen bei den Belastungen (40% statt 25% bei anderen Typen), dreifach redundante Elektronik und die Fähigkeit, mehrere Triebwerksausfälle aufzufangen. Dazu befindet sich jedes Triebwerk in einem eigenen Schutzumhang, der die Nachbartriebwerke selbst bei einer Explosion der Brennkammer schützen soll. Weiterhin optimistisch ist die Firma, da sie schon in wenigen Jahren Astronauten zur ISS transportieren will.

Schon Ende 2012 soll die erste Falcon 9 in Vandenberg eintreffen und dann Anfang 2013 starten. Starts von Cape Canaveral sind ab 2013/14 geplant. SpaceX erwägt auch die Nutzung des Space Shuttle-Startkomplexes 39, da mehr Starts vom Cape aus geplant sind. Vom Cape aus sollen alle kommerziellen Flüge in den GTO stattfinden.

Weitere Varianten in einem Strategiepapier von SpaceX sind die Falcon X und XX. Sie sollen ein Merlin 2-Triebwerk einsetzen, das einen Bodenschub von 5.320 kN aufweist. Die Falcon X soll eine Nutzlast von 38 t und die XX sogar eine von 140 t aufweisen. SpaceX sieht diese Träger als Ersatz für die Ares I und V. Die NASA sollte die Entwicklungskosten von 1 Milliarde Dollar für das Merlin 2 übernehmen.

Insgesamt sind hier einige Fragezeichen angebracht. Sowohl ob die anspruchsvollen technischen Vorgaben erreicht werden, als auch ob es die Nachfrage gibt – jeweils 10 Falcon 9 und 10 Falcon Heavy würden rund 640 t in den Orbit bringen. Derzeit führen die USA jährlich etwa vier Starts der Delta IV und Atlas V durch. Arianespace und ILS starten zusammen rund 16 bis 20 kommerzielle Satelliten pro Jahr. Würde SpaceX diesen gesamten Markt übernehmen, so wären dies nur rund 300 t pro Jahr. Nach Angaben von Elon Musk geht ihr Plan von mindestens vier Falcon Heavy Flügen pro Jahr aus, um profitabel zu sein. Diesen optimistischen Prognosen steht dagegen, dass die NASA die Träger zum derzeitigen Zeitpunkt nicht als sicher genug für ihre Satelliten erachtet, vom Transport von Astronauten ganz zu schweigen.

Da nur wenige Daten über die Trägerrakete vorliegen, wurden zahlreiceh Werte vom Autor aufgrund der vorliegenden Daten und Angaben der Falcon 9 bzw. die Abmessungen aus Zeichnungen berechnet / extrapoliert und mit einem Fragezeichen versehen. Eine Unklarheit ist, dass die Differenz der Startmasse von Falcon 9 und Falcon Heavy, wenn man versucht aus den Daten Masse von erster und zweiter Stufe zu errechnen nicht zu den aus Brennzeiten, spezifischen Impuls und Schub errechenbaren Treibstoff passt.

Die beste Erklärung dafür ist, dass die Booster vollere Tanks als die Erststufe hat.

Startablauf

Die Entwicklung (aktuell ergänzt)

Am 6.4.2010 stellte SpaceX die "neue" Falcon Heavy vor: Gegenüber der bisher projektierten Falcon 9 Heavy ist sie deutlich schwerer (1.400 zu 885 t), hat eine höhere Nutzlast (45 zu 32 t) und bietet als Option die Möglichkeit des "Cross-Feeding": Die äußeren Booster leiten ihren Treibstoff in die Zentralstufe, die dadurch länger brennen kann. Das soll die Nutzlast auf 53 t erhöhen. Mit dieser Rakete bewirbt sich SpaceX um Aufträge des NRO/USAF, da bisher die Falcon 9 nicht leistungsfähig genug war, damit die Firma bei den EELV-Ausschreibungen berücksichtigt werden konnte. NASA, USAF und NRO senken auch die Einstiegshürde für Starts (offiziell für alle Firmen, aber nur SpaceX bewirbt sich derzeit um Aufträge). Die bisherigen Bedingungen konnte SpaceX nicht erfüllen, weil sie eine bestimmte Anzahl von erfolgreichen Starts vorsahen, die nötig waren, um die Zuverlässigkeit einer Rakete statistisch abzusichern. Wie genau die neuen Bedingungen aussehen wurde nicht veröffentlicht.

Die Falcon Heavy soll schon Ende 2012, also nach weniger als zwei Jahren, von Vandenberg aus starten. Starts von Cape Canaveral aus sind nicht geplant, aber auch nicht ausgeschlossen. Das zeigt, dass die Rakete für die Anforderungen des US-Militärs für schwere Aufklärungssatelliten ausgelegt ist, wie auch ein Dokument von SpaceX zeigt, in welchem die Firma vorrechnet wie viel Geld der Steuerzahler sparen könnte, wenn alle Starts des EELV-Programmes der USAF/NRO nur von ihr durchgeführt werden. Da schon heute aber diese auf zwei Firmen verteilt werden, obwohl sowohl Boeing als auch Lockheed Martin mit ihren Trägern sie alleine durchführen könnten, darf bezweifelt werden, dass die Firma den ganzen Auftrag bekommt. Für SpaceX sind die EELV-Ausschreibungen finanziell sehr attraktiv, da hier die Kontrakte pro Jahr dreimal höher als bei den COTS-Aufträgen liegen.

Während dessen meldet Russlands Raumfahrtagentur Roskosmos, dass die Dragon derzeit noch keine Erlaubnis hat an der ISS anzudocken. SpaceX versäumte es offensichtlich, diesen Partner mit den entsprechenden Dokumenten und Protokollen zu versorgen. Für die Entwicklung eines Rettungssystems bekam SpaceX dann am Ende April 2011 weitere 75 Millionen Dollar von der NASA. OSC und SpaceX erhielten beide weitere 80 Millionen Dollar in zwei Etappen von der NASA, wahrscheinlich um gestiegene Kosten abzufangen. Im Oktober 2010 die erste Hälfte und die zweite wurde im März 2011 beantragt.

Währenddessen plant SpaceX schon die erste Marslandung. Am 13.7.2011 erfolgte der erste Spatenstich für den Umbau des Launchpads SLC 3 E in Vandenberg. Erneut kündigte Elon Musk an, schon Ende 2012 den Jungfernflug der Falcon Heavy von Vandenberg aus zu durchführen. Das bedeutet natürlich einen sehr engen Zeitplan für den Umbau der ehemaligen Titan-Startrampe. Die Investitionen in den neuen Launchkomplex sollen 30 Millionen Dollar betragen.

Nach dem COTS 2+ Flug kündigte Intelsat an, einen Satelliten auf der Falcon Heavy zu starten. Weder der Satellit noch ein Starttermin wurden genannt, so dass dies wohl mehr eine Option oder Reservierung ist, der ein Auftrag folgen kann. Die Nutzlast für GTO-Missionen wurde nun von 19 auf 12 t nach unten korrigiert. Der Erststart ist nun (Mai 2012) für das erste Quartal 2013 geplant.

Für den Start von Intelsat müsste die Falcon Heavy vom Cape aus starten. Offen ist, ob das für die Falcon 9 umgebaute Launchpad auch Starts der Heavy-Variante zulässt. Gleichzeitig sucht SpaceX immer noch nach einem Gelände für einen eigenen Weltraumbahnhof. Eine Vorauswahl wurde auf Florida, Puerto Rico und Texas getroffen. In Texas soll Brownsville im Gespräch sein, über einen Landkauf wird verhandelt. Daher scheint Texas ein heißer Kandidat für den neuen Weltraumbahnhof zu sein. Dann könnte die Falcon Heavy auch von dort aus starten und es wäre kein Umbau der Rampe CC40 nötig.

Als die erste Falcon 9 am 29.9.2013 von Vandenberg aus startete wurde bekannt, dass die Investitionen erheblich höher als vorher angegeben waren und 100 Millionen Dollar umfassten. Gleichzeitig wurden die Daten konkretisiert. War vorher das Startgewicht mit 1400 t angegeben, so sind es nun 1.462.835 kg. Da man auch das Gewicht der Falcon 9 auf 505 t angehoben wurde könnte man so die Masse der ersten Stufe berechnen - nur passen die Angaben wie schon bei dem vorherigen Paar (1400 / 480 t) nicht zu den veröffentlichten Brennzeiten und Schub der zweiten Stufe, diese muss 90 t Treibstoff mitführen, darf nach Differenzmethode (Mehrgewicht ist durch die beiden Booster verursachte) aber nur 26,5 t wiegen wenn die Startmasse ohne Nutzlast ist und 33,5 t mit der Angabe mit Nutzlast.

Die Preise wurden auch angehoben. Nun kostet ein Einzelstart mit maximal 6,4 t Masse scjhon 90 Millionen Dollar und 135 Millionen Dollar für Satelliten größer als 6,4 t. Dabei ist die Nutzlasthülle mit 13,90 m Länge kürzer als die der Ariane 5 die gerade noch um einige Meter für größere Satelliten verlängert wird.

Auch von dem "Crossfeeding" ist nicht mehr die Rede, stattdessen werden die Triebwerke der zentralen Stufe kurz nach dem Start im Schub heruntergefahren. Sie verbrauchen dadurch weniger Treibstoff. Nach Abtrennung der Booster werden sie auf vollen Schub hochgefahren und brennen dann noch länger. Diese Strategie setzt auch die Delta 4 ein.

Nach mehreren Jahren Verzögerung startete schließlich Anfang 2018 am 6.2.2018 die erste Falcon Heavy. Lediglich fünf Jahre später als angekündigt. Weitere Missionen sollen 2019 folgen. Auf dem IAC 2018 gab Hans Koenigsmann von SpaceX die realen Nutzlasten für einen GTO mit einem dV von 1800 m/s an:

• 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 Daten gelten für einen GTO von 185 x 35.790 km x 27 Grad mit einem dV von 1.800 m/s zum GEO. Die viel höheren Website Werte sollen für GTO mit noch höherem dV gelten. Sehr deutlich wird nun der Preis für die Wiederverwendung - eine Halbierung der Nutzlast. Ähnliches war auch bei der Falcon 9 bei der gleichen Veranstaltung zu beobachten (3500 anstatt 6500 kg). (Quelle)

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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 sowie die deutsche OTRAG), 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:

• Nationale Träger (Diamant, Black Arrow OTRAG)

• Europa-Rakete

• Ariane 1-4

• Vega (Neuauflage 2016 mit den schon erfolgten Flügen und den Plänen für Vega C und E), Das ist im obigen Gesamtband nicht enhalten.

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. Aber vielleicht erscheint ein eigener Band über die Ariane 6 wenn diese mal einsatzbereit ist und es mehr Informationen über sie gibt,

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: es ist das Buch "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. Etwa 70 TZrägerraketen die sich äußerlich voneinander unterscheiden werden in diesem Buch kurz vorgestellt - auf je einer Doppelseite.

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.

© der Bilder: SpaceX

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

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