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Die Falcon 1

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 wurde bei Firmengründung auf 328 Millionen Dollar geschätzt.

Die Falcon 1

Falcon erste StufeDie Falcon 1 ist eine zweistufige Trägerrakete mit 1,7 m Durchmesser. Beide Stufen werden von der Treibstoffkombination flüssiger Sauerstoff (LOX) und Kerosin (RP-1) angetrieben. Die Rakete sollte maximal eine Nutzlast von 420 kg transportieren.

Stufe 1

Die erste Stufe besteht aus einer Aluminiumlegierung. Kerosin und Sauerstoff haben einen gemeinsamen Tank mit einem Zwischenboden. Die Stabilität wird durch eine Mischform von selbsttragender Struktur und Druckstabilisierung (wie bei der Atlas) erreicht. So versteift der Tankzwischenboden die Struktur, es entfällt aber eine schwere Verbindung zwischen den Stufen. Diese ist durch eine leichtgewichtige Struktur ersetzt worden. Die Hüllen bestehen aus Monocoques, einer selbstragenden Struktur, die im Luftfahrtbau breite Anwendung findet.

Der Tank ist ein durchgängig mit einem gemeinsamen Zwischenboden. Der nutzbare Treibstoff wird mit 21.491 kg angegeben.

Der untere RP-1-Tank fasste bei Flug 4+5 6.800 kg Kerosin, der obere LOX-Tank 14.500 kg flüssigen Sauerstoff.

Für den Tankdruck sorgt Helium, das von den gleichen Flaschen kommt, wie sie auch bei der Delta IV eingesetzt werden. Das Triebwerk der ersten Stufe haben die Techniker Merlin getauft. Es arbeitet nach dem Nebenstromverfahren, versucht jedoch die Abgase des Gasgenerators und der Turbopumpe zu nutzen, indem mit Ihnen das Triebwerk geschwenkt wird (dadurch entfällt ein hydraulisches System) und man mit den Abgasen die Rollsteuerung durchführt (und so Raketentriebwerke und Treibstoff für dieses System einspart). Das Merlin-Triebwerk hatte in der ersten Version einen Schub von 318 kN am Boden und 381 kN im Vakuum. Der spezifische Impuls liegt bei 2.560 m/s am Boden und 3.041 m/s im Vakuum. Die erste Stufe brennt etwa 170 Sekunden lang. Während das Triebwerk von anderen Firmen für SpaceX entwickelt wurde, stammt die Turbopumpe von SpaceX selbst und wiegt 150 kg. Auch die leichtgewichtige Struktur wurde von SpaceX selbst entwickelt.

Die Lagereglung geschieht durch hydraulisches Schwenken des Merlin-Triebwerks um die Nick- und Gierachse. Verwendet werden dazu Hydraulikzylinder von Moddog. Die Abgase des Gasgenerators werden nach Passage der Turbine zur Rollachsensteuerung genutzt.. Das Schubgerüst der Falcon 1 wiegt 34 kg und ist ausgelegt, um Kräfte von bis zu 667 kN aufzunehmen.

Test des Merlin TriebwerksNach Ausbrennen der ersten Stufe in einer Höhe von 50-56 Meilen (80-90 km) und Beschleunigung auf Mach 9 kehrt diese ballistisch zur Erde zurück. In der unteren Atmosphäre wird durch einen 4,5 kN-Mörser der 75 Fuß große Fallschirm herausgeschossen (23 m Durchmesser) und die Stufe wird geborgen, für 50.000 $ inspiziert und wieder flugfähig gemacht. Dies ist auch der Kernpunkt, der die Falcon 1 preiswert machen soll. Da die erste Stufe den größten Teil der Rakete stellt, ist ihre Bergung wirtschaftlich am sinnvollsten. Das Fallschirmlandungssystem stammt von Irvin Aerospace, dieselbe Firma fertigt auch die Bergungssysteme für die Space Shuttle-Booster. Wie oft die erste Stufe wieder verwendet werden kann weis man noch nicht, dies sollen die ersten Flüge zeigen. Eine Wiederverwendung der ersten Stufe ist bei dem geplanten Startpreis nicht vorausgesetzt.

Die erste Stufe wird durch Sprengbolzen und ein pneumatisches Separationssystem von der zweiten Stufe getrennt. Die entsprechenden Systeme stammen von anderen Trägern. Sie landet danach abgebremst durch Fallschirme auf See und wird dort aus dem Wasser gefischt. Dies geschieht etwa 600 Meilen (970 km) von dem Startplatz entfernt. Die Bergung geschieht 4 Stunden nach dem Start. Auslöser für die Fallschirme sind GPS-Informationen über die Höhe.

Der Stufenadapter besteht aus im Vakuum ausgehärteten Kohlefaserwerkstoffen. Ziel war ein Leermasseverhältnis von nur 6 % inklusive aller Bergungssysteme für die erste Stufe. Dieses Ziel konnte auch eingehalten werden.

Stufe 2

Kestrel TriebwerkDie zweite Stufe besteht aus einer leichten Aluminium-Lithium Legierung, der gleichen wie beim SLWT des Space Shuttle (beim ersten Start noch aus einer reinen Aluminiumlegierung). Die Tanks werden automatisch nach dem Walzen verschweißt, um den Prozess zu automatisieren. Es fehlen Prallbleche, um das Treibstoffschwappen zu reduzieren. Sie fassen 1.206 kg Kerosin und 2.834 kg LOX.

Angetrieben wird sie von einem Kestrel getauften Raketentriebwerk. Es ist dank redundanter Zündvorrichtungen wiederstartbar. Der Tankdruck wird mit Helium auf einem Niveau von 10,5 bar gehalten. Helium dient auch der Lagenkontrolle und dem Vortrieb von Treibstoff für eine Wiederzündung. Das Triebwerk verfügt über keine Turbopumpe und ist rein druckgefördert. Der Brennkammerdruck beträgt so nur 9,3 bar.

Anders als bei dem Konkurrenzmodell Kistler wird die zweite Stufe nicht wieder verwendet. Damit ist die Rakete zu 80 % wieder verwendbar.

Der Schwenkmechanismus des Triebwerks ist eine Eigenentwicklung von SpaceX, die weniger als 3 kg wiegt und ein Raketentreibwerk mit 34 kN Schub mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 cm/s bewegen kann und dabei eine Kraft von 3,6 kN entwickelt.

Das Kestrel-Triebwerk ist konzipiert, um möglichst preiswert und einfach zu sein. Es verwendet keinen Gasgenerator oder eine Turbopumpe sondern ist druckgefördert. Es gibt keine regenerative, sondern eine ablative Kühlung. Dazu ist die Brennkammer mit Niob ausgekleidet, welches erst bei 2.468 Grad Celsius schmilzt. Der Schmelzpunkt ist niedriger als bei Graphit, aber Niob ist widerstandsfähiger gegen Beschädigungen (abblätternde Teile der Rakete, Mikrometeoriten). Ein Teil der Abwärme nimmt ein Wärmeaustauscher aus Titan auf, um damit das Helium aufzuheizen und so den Tankdruck zu erhöhen und die Rollregelung durchzuführen.

Das Triebwerk wird elektromechanisch geschwenkt. Die Rollsteuerung und Stabilisierung während Freiflugphasen erfolgt durch Helium-Heißgas. Das Kestrel-Triebwerk ist beliebig oft wiederzündbar. Sein Schub lag bei der Version 1 bei 34 kN. Die inzwischen verfügbare Version 2 hat nur noch 30,7 kN Schub. Der spezifische Impuls im Vakuum musste während der Entwicklung von 3.206 auf 3.188 m/s gesenkt werden. Später wurde dieser Wert weiter auf 3.109 m/s reduziert. Das Schub- zu Gewichtsverhältnis liegt bei 65:1, ein für ein Triebwerk dieser Größe sehr guter Wert.

Die zweite Stufe hatte in den ersten Angaben ein Leermasseverhältnis von 91 %. Nach den Angaben nach dem dritten Testflug sind es nur noch 88 %. Entsprechend nahm auch die Nutzlast gravierend ab.

Das wiederzündbare Kestrel-Triebwerk bietet eine Reihe von operativen Vorteilen. Die Nutzlast ist bei höheren Bahnen bei einem Zweiimpuls-Transfer höher. Dies sollte beim zweiten Testflug erprobt werden, musste aber wegen der vorzeitigen Abschaltung ausfallen. Die maximale Brenndauer beträgt 408 Sekunden. Bei einer Referenzmission brannte die Oberstufe 374 Sekunden lang.

Das Kestrel 2, welches ab dem dritten Testflug eingesetzt wurde, unterscheidet sich vom Kestrel 1 durch:

Nutzlast und Avionik

Für Nutzlasten steht eine Verkleidung von 3,35 m Höhe und 1,52 m Breite zur Verfügung. Davon sind 3 m nutzbare Höhe. Sie besteht aus Monocoques aus Aluminium. Die Spitze hat eine Verkleidung aus Kork, welches ablativ durch die Hitze beim Start abgetragen wird.

Die Verbindung zur Nutzlast ist ein Standard 38 Zoll Nutzlastadapter (0,96 m Durchmesser), kundenspezifische Anpassungen sind möglich. Die Nutzlast wird durch Bänder gehalten und pneumatisch betätigten Federn abgetrennt. Dies erfolgt, sobald eine Rotationsrate von weniger als 1 Grad pro Sekunde erreicht wird. Alternativ kann die Nutzlast vor dem Abtrennen auch auf eine Rotation mit einer Geschwindigkeit von 6 U/min gebracht werden.

Falcon AufrichtungDie Avionik benutzt erstmals Ethernet als Bus (statt dem ursprünglichen aber langsamen MIL-STD 1553B Bus), einen 12 Band GPS-Empfänger, um den Ort zu bestimmen, ein Intertialsystem von Honeywell, zwei Sender im S-Band (Telemetrie und Video) und einen im C-Band (Bahnverfolgung). Nach außen gibt es 4 Antennen für das S-Band, zwei für das C-Band, zwei für GPS und zwei UHF-Antennen. Für die Bergung gibt es an der ersten Stufe auch eine Antenne, welche ein Peilsignal aussendet.  Die Bordcomputer auf Basis des AMD Geode-Prozessors (Pentium-Klasse) sind voll redundant. Sie entsprechen dem PC/104-Anschlussstandard für Industrieelektronik. Die Avionik sitzt in einer eigenen Sektion, welche auch die Kräfte auf die zweite Stufe weiterleitet. Sie besteht aus Aluminium in Honigwaben-Strukturbauweise.

Die Falcon 1 folgt zuerst einem vorgegebenen Flugprofil, erst 140 Sekunden nach dem Start, kurz vor Ausbrennen der ersten Stufe, schaltet die Bordelektronik auf interne Navigation um.

Ebenso gibt es mit dem GPS-System und einer Inertialplattform ein redundantes System um Ort und die Geschwindigkeit festzustellen. Für das Bergen der ersten Stufe ist das GPS-System absolut notwendig. Als dieses beim zweiten Testflug ausfiel, konnte man die Stufe nicht rechtzeitig bergen, da ihr Ort nicht präzise bestimmt werden konnte.

Flugprofil

Die Startkampagne einer Falcon 1 soll 18 Tage dauern. Die Falcon 1 wird waagerecht angeliefert, auf dem Starttisch montiert und dann mit dem Starttisch vertikal aufgerichtet. Die Nutzlast wurde vorher integriert, so dass die Aufenthaltsdauer auf der Startplattform nur 1 Tag beträgt. Die Rakete kann betankt ohne Druckbeaufschlagung ihr Eigengewicht tragen, dies jedoch nur bei Windstille. Zur Sicherheit werden daher beim Betanken die Tanks unter Druck gesetzt.  Der Countdown erstreckt sich über 24 Stunden. Den Start führen 25 Personen durch, wobei eigentlich nur 12 benötigt werden, aber man will die Daten doppelt checken um besonders sicher zu gehen. 

So verläuft ein Start:

Für höhere Bahnen ist ein Zweiimpuls-Manöver günstiger, in diesem Falle findet das Aussetzen der Nutzlast erst nach der Anhebung des Perigäums nach etwa 1 Stunde statt. Das Flugprofil und die Brennzeiten der Stufen wurden angepasst. In einem früheren Dokument wurde die Nutzlastverkleidung erst nach 570 Sekunden abgetrennt, also nach Ausbrennen der zweiten Stufe. Zugunsten einer größeren Nutzlast hat man dies auf 117,8 km Höhe verlagert.

Die Nutzlast wurde während der Entwicklung laufend gesenkt. Bei den ersten Angaben waren es noch 670 kg bei 27.200 kg Startmasse. Vor dem ersten Testflug wurde dies auf 570 kg gesenkt. Ende 2007 ist im neuen Users Guide nur noch von 480 kg die Rede, obwohl nun die Rakete mit 33,3 t erheblich schwerer als die erste Version ist. Alle Angaben beziehen sich auf einen 9,1 Grad geneigten und 200 km hohen Orbit, dem Orbit mit der höchsten Nutzlast. Das lässt auf Probleme mit dem Einhalten der eigenen Spezifikationen schließen. Der Startpreis wurde mittlerweile auf 7,0 Millionen Dollar angehoben.

Im Jahre 2008 schrumpfte die Nutzlast auf 420 kg. Sehr komisch, sonst steigen die Nutzlastangaben bei SpaceX immer weiter, aber vielleicht liegt das auch daran, dass die Falcon 1 die einzige der Typen ist, die zumindest eine suborbitale Bahn erreichte. Da sich sonst nicht viel an der Rakete änderte ist dies doch sehr seltsam.

  SpaceX 2004 SpaceX 2008
Startmasse 27.200 kg 27.670 kg
Nutzlast 670 kg 420 kg
Erste Stufe voll 21.510 kg 22.851 kg
Zweite Stufe voll 4.585 kg 4.581 kg
Erste Stufe leer 1.36 kg 1.360 m/s
Zweite Stufe leer 412 kg 544 kg
Spez. Impuls erste Stufe: 2.943 m/s 2.942 m/s
Spez. Impuls zweite Stufe: 3.188 m/s 3.109 m/s
Aufrichten der Falcon

Falcon 1 (2004)

Startmasse: 27.200 kg
Länge: 21,3 m
Durchmesser: 1,70 m
Nutzlast:
670 kg in eine 9,1 Grad geneigte Bahn in 200 km Höhe

Stufe 1:
Startmasse: 22.600 kg
Leermasse: 1.360 kg
1 Triebwerk Merlin 1 mit 318 kN Boden- und 345 kN Vakuumschub
spezifischer Impuls: 2.560 m/s in Meereshöhe und 2.981 m/s im Vakuum
Brennzeit: 169 sec.

Stufe 2:
Startmasse: 4.545 kg
Leermasse: 412 kg
1 Triebwerk Kestrel 1 mit 31,1 kN Vakuumschub
spezifischer Impuls: 3.188 m/s
Brennzeit: 408 sec.

Nutzlastverkleidung:
Durchmesser: 1,52 m
Länge: 3,45 m
Masse: 157 kg

Falcon 1 (2008)

Startmasse: 27.670 kg
Länge: 23,8 m
Durchmesser: 1,70 m
Nutzlast:
420 kg in eine 9,1 Grad geneigte Bahn in 200 km Höhe

Stufe 1:
Startmasse 22.851 kg
Leermasse: 1.360 kg
1 Triebwerk Merlin 1C mit 345 kN Boden- und 469 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 30,7 kN Vakuumschub
spezifischer Impuls: 3.109 m/s
Brennzeit: 418 sec.

Nutzlastverkleidung:
Durchmesser: 1,54 m
Länge: 3,5 m
Masse: 157 kg

Die Firma

SpaceX lebte in den ersten Jahren nur vom Geld Elon Musks, bis Februar 2006 hatte er 100 Millionen Dollar in die Entwicklung der Falcon 1 gesteckt. Damit ist die Enzwicklung dieser nicht unbedingt preiswerter als eine konventionelle Lösung. So kostet zwar die europäische Vega mit 221 Millionen Euro Entwicklungskosten mehr - aber die Rakete transportiert auch die dreifache Nutzlast. Die Taurus II mit 5-6 t Nutzlast will OSC mit einem Aufwand von 300 Millionen Euro entwickeln, dürfte dabei aber auf schon existierende Triebwerke und Oberstufen zurückgreifen.

SpaceX soll nach Aussagen von Musk nicht mehr als 500-600 Angestellte aufweisen, dies sieht er als Optimum an. Die Firma beschäftigte zuerst sehr wenige Mitarbeiter. Der Personalbestand verzehnfachte sich dann in 4 Jahren.

Bei der Falcon 1 stützte man sich daher vorwiegend auf schon erhältliche Bauteile oder gab Entwicklungsaufträge nach Außen wie z.B. für die Merlin-Brennkammer und -Düse. Der große Profit wird von der Falcon 9 erwartet, zum einen, weil der Markt für kleine Nutzlasten bescheiden ist und zum zweiten, weil die Falcon 9 aggressiver im Preis angesetzt ist als die Falcon 1.

Jahr Personal
2/2004 40
2/2005 130
2/2006 160
8/2007 370
6/2008 500
12/2008 620
7/2009 700
7/2010 1.180
4/2012 1.800

Die Vermarktung

Falcon auf dem LaunchpadSpaceX bot die Falcon I im Jahre 2004 für einen Fixpreis von 5,9 Millionen Dollar an. Dazu kommen noch die Startkosten, welche vom Startgelände abhängen. Die Falcon 1 lag zu diesem Zeitpunkt preislich deutlich unter einer Pegasus XL, bei etwas höher Nutzlast. Selbst eine russische Start-1-Trägerrakete kostet etwas mehr. Damit ist die Falcon derzeit in ihrem Preissegment der preiswerteste verfügbare Träger. Dabei geht man bei diesem Startpreis von keiner Wiederverwendung der Rakete aus. Wiederverwendung soll die Rakete nochmals deutlich im Preis senken. Dazu kommen noch (Juni 2005) 0,8 Millionen Dollar für die Nutzung des Startplatzes, Nutzlastintegration und Versicherung.

Nach den Planungen von 2004 sollten 2005 insgesamt drei Starts der Falcon 1 stattfinden, im Jahre 2006 je einer der Falcon 1 und Falcon V. Der Erststart einer Falcon war für den März 2005 vorgesehen. Die Entwicklung der Falcon V wurde später eingestellt.

Ein Start soll innerhalb von 14 Tagen nach Anlieferung des Satelliten möglich sein, die Rakete selbst bleibt nur einen Tag auf der Startrampe. Die Startrampe selbst ist der Transportanhänger der Rakete, der einen kleinen Mast mit Versorgungsleitungen trägt. Die Firma hat bislang zwei Launchpads. Eines in Vandenberg (SLC-3W), wovon auch der erste Start erfolgen sollte. Die meisten Starts sollen aber von Omelek Island, einer der Marshall-Inseln in der Mitte des Pazifik, aus durchgeführt werden, um die maximale Energie der Erdrotation mitzunehmen. Die Nutzlast hängt sehr stark vom Startgelände ab. Bei einem Start von Vandenberg aus beträgt sie maximal 500 kg, bei einem Start von Omelek Island dagegen 670 kg (Angaben 2004).

SpaceX investierte etwa 7 Millionen Dollar in die Anlagen bei Vandenberg und es sieht aus, als würden diese nie benutzt - Neben Omelek Island wird nur das Cape in den neueren Launch Manifests erwähnt.

Nach dem Flug der letzten Atlas 3 im Jahre 2006 sollen in Cape Canaveral die beiden Pads 36A und 36B für Starts für die Falcon I und Falcon V umgerüstet werden. Im Frühjahr 2005 musste sich SpaceX aber durch einige Verwaltungshürden und Vorschriften kämpfen. Die Firma hofft, einige von den Versorgungsanlagen für die Falcon verwenden zu können, da sie dieselben Treibstoffe wie die Atlas einsetzt. Ironischerweise ist auch das Pad in Vandenberg ein umgerüsteter Startplatz der Atlas. Die neuen Atlas V starten von einer eigens errichteten Startrampe, dem neuen Pad 41. Es wird vor dem Jahr 2007 keinen Start einer Falcon von Cape Canaveral aus geben.

Bei höheren Orbits ist die Falcon gegen reine Feststoffraketen im Vorteil, da die wiederzündbare zweite Stufe ein Zweiimpuls-Manöver erlaubt, ein Impuls zum erreichen einer elliptischen Bahn mit dem Apogäum in der Zielbahnhöhe, zweiter Impuls dort um die Bahn zu zirkularisieren. In einen 800 km hohen sonnensynchronen Orbit kann die Rakete so immer noch 400 kg beim Start von Vandenberg aus transportieren (Angaben aus dem Jahre 2005).

Mitte 2008 war der Kundenstamm von SpaceX noch begrenzt. Es gibt zwei größere Kontrakte von der US-Air Force und der NASA. Doch beides sind Kontrakte, die erst bei Erfolg fällig werden. Der 100 Millionen Dollar-Kontrakt der US Air Force ist begrenzt bis 2010, danach kann die Air Force kündigen. Das gleiche gilt für den NASA-Kontrakt über 278 Millionen Dollar. Korrekt sollte es heißen "bis zu 278 Millionen Dollar", denn solange SpaceX nicht definierte Meilensteine erreicht, muss die NASA garnichts zahlen und kann wieder zurücktreten.

Die anderen Kontrakte der NASA sind dagegen kleine Fische. Bislang fehlt ein Vertrag mit einem der großen Hersteller von Kommunikationssatelliten, den Markt, den man mit der Falcon 9 anvisiert. Der zweite große Markt, auf den SpaceX hofft, ist die Versorgung der ISS. Doch hier gibt es schon etablierte Konkurrenz: OSC, Hersteller der Pegasus und Taurus, hat ebenfalls einen Auftrag zur Entwicklung einer Rakete und eines Versorgungsraumschiffes bekommen und die NASA plant das japanische HTV zu kaufen, um die Lücke zu schließen, die es zwischen 2010 und 2015 gibt, wenn weder Space Shuttle noch Orion zur ISS fliegen.

Falcon auf dem Vandeberg LaunchpadDie Beurteilung der Falcon

SpaceX betreibt mit der Falcon eine interessante Rakete. Es ist ein konventioneller Entwurf, anders als die Ideen von Astroliner oder Rotary Rocket. Aber ein Entwurf, der versucht, zum einen die erste Stufe (bei der dies noch am einfachsten ist) zu bergen und wieder zu verwenden und zum anderen die Komplexität der Rakete zu verringern ohne die Sicherheit zu beinträchtigen. Die Komplexität wird verringert, indem man z.B. die Triebwerke ablativ kühlt oder die Turbinenabgase als Regelung der Rollachse zusätzlich nutzt. Die Firma hat Tests mit den Triebwerken, der Stufentrennung und der Abtrennung der Nutzlastverkleidung gemacht und so ist zu hoffen, dass es auch im Flug funktioniert. Zumindest für eine Triebwerksgröße, die das Merlin hat, wäre die ablative Kühlung eine Premiere. Ablativ gekühlt werden sonst nur kleinere Triebwerke in Satelliten und Raumsonden. Andererseits funktioniert diese Methode auch bei Feststofftriebwerken und diese entwickeln ja auch nicht gerade wenig Schub.

Anders als bei anderen Firmen steckt hinter SpaceX richtig viel Geld. Die Firma gehört Elon Musk, der 1999 seine erste Firma Zip2 an Compaq für 307 Millionen Dollar verkaufte und seine zweite Firma Paypal im Oktober 2003 für 1.5 Milliarden Dollar an e-Bay verkaufte. Dadurch ging die Entwicklung der Falcon zuerst recht rasch, obwohl die Firma im Jahre 2005 nur etwa 30-40 feste Arbeiter hatte. SpaceX wurde im Jahre 2002 gegründet und hat somit die Falcon in weniger als 3 Jahren entwickelt (ursprünglich sollten es sogar nur 2 sein). Im Jahre 2008 waren es schon 500 Mitarbeiter. Dabei wurde das Tempo immer langsamer: Gelang es, die Rakete noch in 3 Jahren selbst zu entwickeln, so scheint es erheblich länger zu dauern, einen Satelliten mit ihr zu transportieren.

SpaceX und verlässliche Angaben

Eine Besonderheit von SpaceX, die ich bei keiner anderen privaten oder staatlichen Quelle für Raketendaten kenne, ist, dass sich alle Angaben zu den Raketen laufend ändern. Dies ist ein Hinweis auf tiefgreifende Probleme oder mangelnde fachliche Kompetenz. Schlussendlich wird eine Rakete erst entworfen und dann gebaut. Die Nutzlast und die anderen Parameter sind berechenbar und andere neue Raketen (wie Ariane 5) verändern ihre Daten nach der Designphase nur noch marginal und befördern auch die geplante Nutzlast.

Bei der Falcon 1, der einzigen Rakete von SpaceX die jemals flog, geht der Trend:

Die Entwicklung habe ich in dieser Tabelle zusammengefasst:

Falcon 1 Parameter SpaceX 2005 SpaceX 2006 SpaceX 2007 SpaceX 2008 SpaceX 8/2009
Nutzlast: 670 kg 570 kg 480 kg 420 kg 420 kg
Startpreis: 5,9 Millionen Dollar 6,7 Millionen Dollar 7,0 Millionen Dollar 7,9 Millionen Dollar 9,3 Millionen Dollar
Preis pro Kilo: 8.800 Dollar 11.750 Dollar 14.580 Dollar 18.800 Dollar 22.100 Dollar
Kostensteigerung: 100 % 133 % 166 % 213 % 251 %
spezifischer Impuls Kestrel: 3.206 m/s 3.188 m/s 3.109 m/s 3.109 m/s 3.109 m/s
Startgewicht: 27.200 kg 27.670 kg 27.670 kg 27.670 kg 27.670 kg
Leermasse zweite Stufe: 413 kg 459 kg 510 kg 544 kg 544 kg

Ich habe die erste Stufe mit dem Merlin ausgespart, da es mindestens drei verschiedene Revisionen des Merlin gibt und noch mehr unterschiedliche Angaben über den Schub. Dieser änderte sich von 322,5 über 347 kN beim Merlin 1 zu 414 kN beim Merlin 1B und 556 kN beim Merlin 1C - Als ich allerdings die SpaceX-Seite konsultierte entnahm ich, dass dies Zielvorgaben wären und man erst 420 kN erreicht hat.

Das zeigt die Problematik: SpaceX hat zwar noch keine Falcon erfolgreich gestartet (Stand: Nach 3 Fehlstarts im August 2008), präsentiert aber Angaben von Antrieben oder anderen Systemen, wie man hofft diese zu erreichen, aber nicht den Stand, den man erreicht hat. Als Folge muss die Firma dauernd nachkorrigieren, wenn die Ziele nicht erreichbar sind - sichtbar am Nutzlastrückgang für die Falcon 1. Erstaunlicherweise verläuft der Trend bei den nicht existierenden Trägern Falcon 1e und 9 gerade anders herum: Die Nutzlastangaben werden laufend angehoben.

Es gibt dafür natürlich Gründe. Schon während der Entwicklung der Falcon 1 zeigte sich, dass viele Annahmen, welche die Neulinge machten, falsch waren. So gingen sie davon aus, dass die erste Merlin-Version wegen der ablativen Kühlung einfacher zu entwickeln war - das Gegenteil war der Fall. Die Brennkammer wurde schwerer und man musste die Leistung reduzieren. Bei den Stützstrukturen zeigten sich Risse im Aluminium und man musste auf Inconel ausweichen, wodurch das Leergewicht noch weiter anstieg.

Die Firma tut sich auch keinen Gefallen, wenn sie jeden Teststart in einer anderen Konfiguration durchführt. Statt einmal alle Fehler zu beseitigen und einen Orbit zu erreichen, baut man so potentielle neue Fehlermöglichkeiten ein. So fand der erste Teststart mit einem Merlin 1, der zweite mit einem Merlin 1A und der dritte mit einem Merlin 1C statt. Der Einsatz dieses Triebwerks war dann ja nach offizieller Angabe auch die Ursache für die Kollision der Stufen.

Einsatzhistorie und aktuelle Berichterstattung

Falcon Hot TestIm Mai 2005 fanden die ersten "Hot Tests" einer Falcon statt. Nach zwei vergeblichen Versuchen die Rakete zu zünden gelang der dritte Versuch und die Falcon wurde 5 Sekunden lang betrieben, gerade lange genug, um sie nicht abheben zu lassen. Die ersten beiden Versuche scheiterten wegen eines defekten Helium-Druckventils und eines Zündsensors, der nach der Zündung kein Signal gab, so dass der Computer das Triebwerk wieder abschaltete.

Auch gibt es nun einen etwas längerfristigen Kontrakt mit der NASA, der weitere Starts umfasst und bis zu 100 Millionen Dollar beträgt, je nachdem, wie viele Optionen die NASA wahrnimmt. Elon Musk hofft daher, schnell die geplante Startrate von mehr als 5 Starts pro Jahr zu erreichen. Innerhalb eines Jahres hat SpaceX seine Belegschaft auf 130 Personen Mitte 2005 nahezu verdreifacht.

Ende Juni 2005 wurde bekannt gegeben, dass der erste Falcon-Start nicht von Vandenberg aus stattfinden sollte, sondern vom Atoll Kwajalein, wo sich die Omelek Insel befindet. Ursprünglich war ein Start im Frühjahr geplant. Verzögerungen unbekannter Art verschoben den Start in den Sommer 2005. Dann meldete sich die Air Force: Der Kurs der Rakete sollte über die Startrampe der Titan 4 führen. Das Launchpad 3 liegt genau neben dem Launchpad 4 der Titan. Die Air Force wollte eine Beschädigung der Startrampe ausschließen, da die Falcon noch unerprobt ist und bei einer Explosion die Startrampe beschädigt werden könnte. Das Risiko ist gering, doch angesichts der etwa 1 Milliarde Dollar teuren Nutzlast der Titan ist die Air Force nicht bereit, auch nur das geringste Risiko zu tolerieren. Es stand noch ein Titan 4-Start an, der allerletzte der Titan. Er sollte ursprünglich am 10. Juli 2005 stattfinden, gefolgt von der Falcon im August. Doch es gab Probleme mit dem Spionagesatelliten, den die Titan 4 transportieren sollte und der Start sollte nicht vor Oktober/November 2005 stattfinden. Wie sich beim späteren Fehlstart der Falcon zeigte, waren die Befürchtungen der Air Force berechtigt: Die erste Stufe schlug in unmittelbarer Nähe zum Startplatz auf.

Omelek IslandSpaceX hatte daher beschlossen, die Starts von TacSat-1 und FalconSat-2 zu tauschen. Ursprünglich sollte FalconSat-2 als zweites starten, aber von Omelek aus. FalconSat ist ein nur 43 Pfund schwerer Satellit, der von einem Space Shuttle ausgesetzt werden sollte. Er konnte aber nicht bei den nächsten Flügen mitgenommen werden. Ob der Wechsel einen schnelleren Start bringt würde sich noch zeigen, denn nach Auskunft von Elon Musk gibt es auf der 28.000 m² großen Insel zwar einen Pier aber sonst keine Infrastruktur. Startrampen für Höhenforschungsraketen sind für die Falcon zu klein. Nun machte sich die Rakete mit mobilem Starttisch und Container für das Flugpersonal auf den Weg zum Kwajalein Atoll. Eine Schiffsverbindung von Long Beach aus dauert etwa 30 Tage und in diesem Abstand finden auch nur Fahrten statt. Ende Juli 2005 sollte die Rakete auf die Reise gehen und dann Ende August auf Omelek eintreffen.

Elon Musk befürchtete, dass die Air Force den Start der Titan noch weiter verschieben will und selbst dann noch weitere Argumente vorbringt, die gegen den Falcon-Start sprechen sollten. Natürlich warten bei einer neuen Trägerrakete wie der Falcon potentielle Kunden erst mal auf einen erfolgreichen Start. Daher war es für die Firma wichtig, möglichst bald den ersten gelungenen Start vorzuweisen. Schließlich befand sich die erste Falcon schon seit dem September 2004 in Vandenberg und wurde seitdem dort getestet. Nach fast einem Jahr wollte man nun die Rakete endlich starten.

Der Erststart

Am 25.10.2005 begannen die Startvorbereitungen der Rakete in Omelek Island. Der Start war nun für Ende November/Anfang Dezember vorgesehen. Auch wurde ein neues Launch Manifest veröffentlicht. Dieses sieht nun 8 Starts der Falcon bis Ende 2008 vor, dazu einer bis 2010. Von diesen 9 Flügen entfallen 7 auf die Falcon 1 und zwei auf die Falcon 9.

Erststart der Falcon 1Der erste Start der Falcon 1 verzögerte sich nach einem Startabbruch am 26.11.2005 nochmals. Beim Countdown wurde festgestellt, dass ein Ventil im Sauerstofftank, von dem aus die Rakete betankt wird, offen war, dadurch strömte Sauerstoff ins freie. Die kleine Insel war vorher evakuiert worden und die Mannschaften befanden sich auf der Nachbarinsel Omelek. Nun musste man zurückfahren und das Ventil von Hand schließen. Danach war aber schon zu viel Sauerstoff, vor allem aber auch Helium, aus den Gastanks ausgeströmt. Sauerstoff dient nicht nur als Oxidator für beide Stufen, sondern auch als Kühlmittel für das Helium. Dieses verdampft zwar auch bei den Temperaturen des flüssigen Sauerstoffs aber nicht so schnell wie bei 20-30 Grad Celsius. Nun musste erst Helium und Sauerstoff per Schiff herangeschafft werden und so war ein Start nicht vor Mitte Dezember 2005 möglich.

Am 10.12.2005 war ein neues Transportschiff zu Omelek unterwegs und nun gab SpaceX als neuen Starttermin den 19.12.2005 an. Der gelieferte Sauerstoff sollte nun ausreichen, um die Tanks 4-5 mal zu befüllen. Bekannt wurde auch ein Computerproblem beim ersten Countdown: Der Steuercomputer der ersten Stufe bootete neu. Dies alleine wäre Grund genug gewesen, den Start am 26.11.2005 abzusagen.

Am 19.12.2005 wurde der Start abgesagt und ein neuer Termin für Anfang 2006 versprochen. Gründe sollten Bedenken wegen strukturellen Unklarheiten beim Kerosintank gewesen sein. Am 11.1.2006 wurde als neuer Termin der 8.2.2006 genannt. Das Problem war ein elektronisches Bauteil, das ausfiel. Es zeigte auch danach abnorme Spannungen und könnte den Controller für die Druckventile zum Reboot bringen und damit zum Ausfall der Druckventile. Dieses musste nun ausgetauscht werden. Man entschloss sich gleich die ganze erste Stufe auszutauschen. Gleichzeitig wollte man im Januar die Rakete erneut überprüfen und den Arm, an dem die Rakete hängt, beim Start wegklappen. Es gab am 19.12.2005 auch Probleme mit dem Wind. Dieser hätte den Arm beim Start mit der Rakete kollidieren lassen. Daher wurde der Arm umgebaut, um unabhängiger vom Wetter zu sein.

Der Termin am 8.2.2006 wurde dann Anfang Januar aus unbekannten Gründen abgesagt. Erst am 1.3.2006 gab es als neuen Termin die Tage vom 20-25.3.2006. Der genaue Termin sollte am 17.3.2006 bekannt gegeben werden. Die Ursache für die Verschiebung soll ein Leck im Kerosintank der zweiten Stufe gewesen sein. So musste erst ein neuer Tank eingeflogen werden. Zu diesem Zeitpunkt sollen sich drei Falcon 1 in der Fertigung befunden haben.

Weiterhin wurde bekannt, dass man als Zusatzgeschäft auch die Asche verstorbener transportieren will. Für 200.000 $ pro Pfund ist dies möglich. Beim ersten Start soll die Asche von Gordon Cooper (Mercury und Gemini Astronaut) und James Doohan (Star Trek Bordingenieur "Scotty") befördert werden.

Falcon 1Nach einem Triebwerkstest am 17.3.2006 (bei dem das Triebwerk gezündet und wieder abgeschaltet wurde bevor die Rakete abhebt) fand der Start der ersten Falcon 1 am 24.3.2006 statt. Nutzlast war der 50 kg schwere experimentelle FalconSat. Der Satellit selbst kostete nur 800.000 $. Bezahlt wurde der 6,7 Millionen Dollar teure Test von der U.S. Air Force und der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Weniger als eine Minute nach dem Start war dieser auch schon gescheitert. Fast unmittelbar nach dem Start brach ein Feuer im Heck der Rakete aus, das nach 25 Sekunden zu einem Druckverlust in den Leitungen führte. Dieser führte nach 29 Sekunden zum Abschalten der Triebwerke. Man vermutete zuerst, dass die thermische Isolation der ersten Stufe dafür verantwortlich sei. Es war auf den Startvideos zu sehen, wie Sie von der Rakete abgetrennt wurde. Doch dies soll nach Elon Musk nicht die Ursache gewesen sein. Alle Systeme sollen nominal funktioniert haben, bis das Feuer ausbrach.

Am 7.4.2006 gab Elon Musk eine erste Beurteilung des Fehlers heraus: Ursache war ein Techniker, der am Tag vorher an der Avionik gearbeitet hatte und dabei eine kleine Kraftstoffleitung nicht wieder fest angezogen hatte, nachdem er sie entfernt hatte, um an die Avionik zu kommen. Dies soll einem der Techniker mit der meisten Erfahrung passiert sein. Über weitere Details zu der Untersuchung wollte sich Elon Musk nicht äußern.

4 Minuten vor dem Start gab es schon ein Leck, das man hätte "entdecken können, wenn man auf den richtigen Datenstrom schaut". Offensichtlich setzt SpaceX keine Computerprogramme ein, welche die Daten auf stark abweichende Werte prüfen, dann automatisch Alarm schlagen und den Countdown anhalten. Das ist bei allen westlichen Raketen seit Jahrzehnten Standard. Das war das erste Anzeichen dafür, dass die niedrigen Startpreise bei SpaceX wohl auch durch das Fehlen von Sicherheitssystemen oder das Weglassen von "überflüssigen" Systemen wie Prallbleche (Treibstoffschwappen beim Fehlstart Nummer 2) oder Retroraketen (Stufenkollision bei Fehlstart Nummer 3) erkauft werden.

25 Sekunden nach dem Start beschädigte das Feuer das Heliumdrucksystem. Als Folge sank der Tankdruck ab und das Merlin-Triebwerk wurde automatisch abgeschaltet. Die Rakete schlug etwa 1 Kilometer vom Startplatz in einem Riff auf. Der 700.000 Dollar teure FalconSat landete unweit seines Transportcontainers und legte so nicht viel Strecke zurück - Nur mit einem kleinen Zwischenstopp über die Falcon 1.

Elon Musk, der bei bisherigen Pressekonferenzen schon eine sehr eigene Sicht der Dinge aufzeigte - nämlich immer die, die ihm passte - sprach von einem Teilerfolg. Es sei bewiesen worden, dass man eine Falcon 1 innerhalb von wenigen Stunden starten könne. Darum ging es bei diesem Start. Eine seltsame Sicht der Dinge für eine Rakete, die 4 Monate nach dem ersten angegebenen Starttermin startete und dann nach 25 Sekunden schon scheiterte. Man werde weiterhin die Falcon 1 zu einem festen Preis von 6,7 Millionen $ pro Flug anbieten. Man wolle aber die Software überarbeiten, so dass sie eine Größenordnung mehr Abbruchrisiken erkennt.

Am 20.7.2006 wurde die genaue Ursache des Verlustes bekannt. Es war ein Leck, das zum Austritt von Kerosin führte, welches sich entzündete und dann zu einem Druckverlust führte, der zum automatischen Abschalten des Triebwerks führte. Eine Aluminium-Mutter soll korrodiert sein und dadurch das Leck verursacht haben. SpaceX plante nach den Verlautbarungen von Elon Musk noch 2 Flüge dieses Jahr durchführen.

COTS

Am 9.9.2006 gab Elon Musk bekannt, dass SpaceX einer von zwei Gewinnern einer NASA-Ausschreibung, der  NASA Commercial Orbital Transportation Services, ist. Für 278 Millionen US-$ soll SpaceX 2008/9 drei Testflüge mit einem von ihnen entwickelten Raumschiff namens "Dragon" durchführen. Verlaufen diese erfolgreich, so kann SpaceX mit weiteren Auftragen rechnen, bei denen Dragon Fracht zur ISS zwischen 2011-2015 transportiert. Elon Musk hofft sogar auf den Transport von Astronauten. Dragon soll wie die Falcon 9 fast vollständig wieder verwendbar sein. Sollte SpaceX den Transportauftrag gewinnen, so rechnet SpaceX mit einer zuverlässigen Einkunftsquelle von 300-500 Millionen US-$ pro Jahr. Konkurrent Rocketplane mit der Kistler K-1 bekam einen zweiten Auftrag im Wert von 207 Millionen US-$. Dieser wurde später wieder entzogen, weil die Firma nicht genug Kapital auftreiben konnte, um ihn umzusetzen. Im Jahre 2008 bekam OSC, Hersteller der Taurus, den Kontrakt und dieser will ebenfalls eine neue Rakete, die Taurus II mit einem ISS-Transportschiff, bauen. Gegen diese etablierte Konkurrenz mit einigen Jahrzehnten Erfahrungen dürfte es SpaceX schwer haben.

Die COTS-Aufträge sind für die NASA ein recht geringes Risiko: Sie bezahlt nicht für die Entwicklung der Dragon-Kapsel oder die Falcon 9-Starts. Sie zahlt nur dafür, dass SpaceX drei Demonstrationsmissionen ausführt. Schafft SpaceX dies nicht oder nicht im angegebenen Zeitrahmen oder braucht SpaceX 10 Starts um die drei Demomissionen durchzuführen - Pech gehabt. Gezahlt werden muss nur bei Erfolg und maximal die 278 Millionen Dollar, egal wie viel Geld SpaceX ausgibt. Für SpaceX ist der COTS-Auftrag daher nicht nur eine Chance, sondern auch ein ziemliches Risiko.

Der nächste Start einer Falcon 1 war für den November 2006 angekündigt, doch rechnet Elon Musk damit, dass er sich in den Dezember verschieben kann. Im Februar 2007 wurde er für die Woche nach dem 19.3.2007 angekündigt. Gleichzeitig wurde ein weiterer, dritter Start der Falcon 1 für das dritte Quartal 2007 angekündigt.

Der zweite Teststart

Abtrennung erste StufeNach einigen Verzögerungen fand am 20.3.2007, nahezu 1 Jahr nach dem Erstflug, der zweite Start von Omelek Island aus statt. Die erste Stufe arbeitete einwandfrei, ebenso klappte nach 3 Minuten die Abtrennung der ersten von der zweiten Stufe und die Zündung derer im Vakuum. Geändert wurde das Triebwerk, es ist ein Merlin 1B mit mehr Schub als das Merlin 1A, aber immer noch ablativ gekühlt.

Nach den Bildern der Kamera an Bord der Rakete hat die erste die zweite Stufe bei der Stufentrennung touchiert.

Nach 4 Minuten 10 Sekunden sah man auf den Life-Bildern einer Fernsehkamera an Bord der zweiten Stufe immer stärkere Oszillationen. Die Triebwerksdüse wurde schließlich unterschiedlich heiß und erhitzte sich. Diese Schwankungen der Rolllage waren es, die schließlich zum Verlust des Funkkontaktes führten. Vorher hatte ein Sicherheitsmechanismus das Kestrel-Triebwerk abgeschaltet. Nominell sollte die Stufe sechseinhalb Minuten brennen und die Nutzlast in einen 205 x 425 Meilen hohen Orbit absetzen, gefolgt von einem zweiten Zünden 45 Minuten später, um die Wiederstartfähigkeit des Kestrel-Triebwerks zu erproben. Ursache für den Ausfall soll ein sehr starkes Rollmoment gewesen sein, entweder durch eine Fehlfunktion des Triebwerks für die Rollsteuerung oder ein Leck in einem Heliumdrucktank. Die Rollbewegung führte zu einem Ansammeln des Treibstoffs an der Tankaußenseite und damit zu einem Abreisen des Treibstoffflusses.

CEO Elon Musk sprach in einer ersten Stellungnahme von einer 90 %-Qualifikation der Rakete, korrigierte diesen Wert dann auf 95+ % in der offiziellen Verlautbarung an die Presse nach oben. Am Startplan soll sich nichts ändern. Der nächste Flug wird kein Testflug mehr sein, sondern der Start von TacSat 1 im August. Nutzlast beim zweiten Testflug waren einige Experimente der NASA.

Zweiter TestflugDie erste Stufe landete nach ersten Angaben weich mit ihrem Fallschirmsystem in der Aufschlagzone, konnte geborgen werden und wird nun inspiziert. Danach wird über eine Wiederverwendung entschieden. Insgesamt hat SpaceX nun Aufträge für 400 Millionen US-$ akquirieren können, davon alleine 278 Millionen $ für drei Falcon 9 Starts zur Demonstration ihrer Dragon-Kapsel. Die Nutzlast eine Falcon 1 wurde nun herunter korrigiert auf 1.270 Pfund (576 kg).

Wenige Tage später, am 23.3.2007, korrigierte Elon Musk einige Aussagen: Zum einen soll die erste Stufe nun nicht geborgen worden sein. Ein GPS-Empfänger war defekt und man startete mit ihm und verließ sich auf Stroboskop Lampen und optische Signale von der Stufe. Als das Bergungsschiff am Zielort ankam, war aber von der Stufe nichts zu finden. Einen genauen Aufschlagsort konnte man mangels GPS-Empfänger nicht bestimmen. Damit verlor man die Möglichkeit, die Stufe zu inspizieren und daraus Schlüsse zu ziehen. Probleme gab es auch mit dem Rollen der Rakete, welches eine starke Signalschwankung der Telemetriedaten verursachte. Man ist jedoch guter Hoffnung, die gesamte Telemetrie zu rekonstruieren. Bestätigt wurde auch eine Kollision der ersten Stufe bei der Stufentrennung mit der Düse des Kestrel-Triebwerks. Da dieses aus Niob besteht, soll dies jedoch keine Auswirkungen auf die Performance gegeben haben. Man wird diesen Vorfall jedoch weiter untersuchen müssen. Der nächste Start wird auf jeden Fall kein Demonstrationsflug sein, sondern eine Nutzlast tragen.

Am 29.3.2007 folgte eine weitere Verlautbarung. Demnach soll die Falcon 1 im September 2007 TacSat 1 starten, die Probleme mit der zweiten Stufe sollen nicht so gravierend sein, als dass sie einen weiteren Testflug notwendig machen. Die Kollision der ersten Stufe mit der Düse der zweiten Stufe war auf eine viel höhere Rotation der ersten Stufe (2,5 Grad/sec gegenüber angenommenen 0,5 Grad/sec) zurückzuführen. Es gab dadurch keine Schäden an der Düse und der Ausfall der zweiten Stufe soll davon nicht herrühren. Ursache dafür war eine Oszillation im sich leerenden Sauerstofftank, der sich durch die Regelung in der Nick- und Gierachse verstärkte. Erreicht hat die zweite Stufe eine Geschwindigkeit von 5,1 km/s und eine Höhe von 289 km. Es fehlten noch 2,4 km/s und 90 Sekunden Brennzeit zum Erreichen eines Orbits.

Beide Probleme sind offensichtlich Regelungsprobleme der Rollsteuerung, die man entweder durch Blenden in den Tanks (welche das Schwappen verhindern) oder durch Anpassung der Steuerungssoftware in den Griff bekommen kann. Daher sieht Elon Musk dies als einen partiell erfolgreichen Testflug an und ist zuversichtlich für den nächsten Testflug. Am 16.6.2007 wurde eine Zusammenfassung der Flugergebnisse von SpaceX seitens der DARPA, welche den Flug bezahlte, veröffentlicht. Neben erreichten Zielen gab es acht Anomalien, die vor allem die zweite Stufe betrafen. Zwei Anomalien an der ersten Stufe waren nicht so bedeutend, als dass sie die Mission hätten gefährden können, das Scheitern der Bergung der ersten Stufe zur Inspektion konnte durch den fehlerhaften GPS-Empfänger und eine zu große Entfernung des Bergungsschiffs von der Stufe (20 Meilen) erklärt werden. Bei der zweiten Stufe gab es sechs Anomalien und sie waren schwerwiegender, wie der Verlust der Kontrolle über die Stufe und deren vorzeitige Ausfall. Die DARPA möchte die acht Anomalien vor der nächsten Mission abgestellt sehen.

Im September 2007 konnte SpaceX einen großen Erfolg verbuchen: Mit der britischen Firma Avanti wurde ein Vertrag zum Start des kleinen Kommunikationssatelliten Hylas mit einer Falcon 9 (vorgesehen ab Mitte 2009) abgeschlossen. Mit 3 Optionen hat der Kontrakt einen Wert von 150 Millionen US-$. Bislang sind damit 11 Starts gebucht, 6 der Falcon 9 und 5 der Falcon 1. Bis zu diesem Zeitpunkt hat das Merlin 1C Tests mit einer Gesamtdauer von 2.200 Sekunden hinter sich und der erste Tank der Erststufe der Falcon 9 ist fertiggestellt. Ende 2007 hat SpaceX nun 370 Angestellte, Ende 2008 sollen es 550-600 sein. Ab 2008 kann die Falcon 9 auch vom Launchkomplex 40 in Cape Canaveral aus starten, wie die NASA inzwischen bekannt gab.

Angekündigt wurde nun der Start einer Falcon 1e für 2009 mit einer Nutzlast von 723 kg. Die Preise wurden ebenfalls erhöht und liegen nun bei 7 Millionen US-$ für die Falcon 1. Im Mai 2008 konnte SpaceX einen ersten Test der Falcon 9-Erststufe mit 5 Triebwerken ankündigen, nun gibt es eine neue Runde in den technischen Daten - jetzt soll die Falcon 1e schon 1.010 kg transportieren (es waren mal 670 kg) und die Falcon 9 nun bereits 11.290 kg.

Die Anomalien

Am 13.7.2007 veröffentlichte SpaceX eine Kurzfassung des Berichts an die DARPA. Die teilweise für den Ausfall verantwortlichen Fehler wurden verharmlosend "Anomalien" genannt:

Fassen wir zusammen: Ein in der Raketentechnik in jedem anderen Träger übliches System zum Verhindern von Treibstoffschwappen und den Folgen für die Instabilität eines Triebwerks wird erst eingebaut, wenn ein Fehlstart es notwendig macht. Besonders markiert habe ich den Absatz über die Stufentrennung. Daran ist zu erkennen, dass man bewusst auf Retroraketen verzichtet, um die beiden Stufen auf Distanz zu bringen und eine abzubremsen oder eine zweite zu beschleunigen, wie jeder andere Träger, der weltweit verfügbar ist, dies tut. Stattdessen separiert man die Stufen mit Federn und hofft, dass die zweite Stufe nicht aerodynamisch abgebremst wird oder die erste Stufe nicht noch einen gewissen Restschub hat (wie er normal ist, bei einem 1000 °C heißen Triebwerk, bei dem die Treibstoffreste oder das Druckgas noch expandiert werden). Das ist Raketenbau nach dem "Prinzip Hoffnung" - Dies sollte sich noch bitter rächen....

Weiterhin wird beim Lesen klar, dass es neben dem Totalverlust noch andere gravierende Probleme gab. Die Probleme bei der Mischungstabelle bei der ersten Stufe und Probleme mit der Druckbeaufschlagung von erster und zweiter Stufe führten zu einer zu geringen Performance - dies alleine hätte ausgereicht, dass die Rakete keinen Orbit erreicht. Eine Explosion durch frei werdenden Sauerstoff konnte gerade noch verhindert werden.

Wie man angesichts dieser Tatsachen (mindestens 3 Fehler, die einen Totalverlust verursachen können) von einem zu 95 % erfolgreichen Flug sprechen kann, ist nicht nachvollziehbar.

Der dritte Fehlschlag

Der Start der dritten Falcon 1 - diesmal erstmals mit dem Merlin 1C-Triebwerk in der ersten Stufe - schlug am 3.8.2008 ebenfalls fehl. Die Stufentrennung versagte nach zweieinhalb Minuten Flug. Zuerst rätselte man bei SpaceX. Die pyrotechnischen Sprengkörper sind redundant vorhanden und auch die Empfänger für das Kommando sind redundant vorhanden. So sollte eigentlich es keine Probleme bei der Trennung geben. Die Stufentrennung gehört zu den Dingen, die relativ risikolos sind, zumal die Sprengkörper von SpaceX von anderen Trägern übernommen wurden und dort nie Probleme machten, wie Musk betonte.

Neu war auch die Öffentlichkeitsarbeit: Anstatt den Start lange vorher anzukündigen, gab es nur eine kurze Ankündigung 6 Stunden vor dem Abheben. Dieses verschob sich dann aufgrund technischer Probleme um viereinhalb Stunden. Die Life Webcast Übertragung wurde auch wenige Sekunden vor der Stufentrennung abgebrochen. Ob dies technisch mit dem Ausfall in Zusammenhang steht, wurde nicht bekannt gegeben. Jahre später wurde durch Aussagen einer Mitarbeiterin bekannt gegeben, dass der Webcast 30 Sekunden zeitverzögert übertragen wurde um ihn bei dem Falle eines Versagens abbrechen zu können, was auch passierte. Das erinnert mehr an die Öffentlichkeitsarbeit von kommunistischen Staaten als an die von der öffentlichen Raumfahrt bekannte.

Der dritte Fehlstart in Folge, diesmal mit dem militärischen Satelliten Trailblazer, zwei Minisatelliten und der Asche des Astronauten Gordon Cooper und des "Scotty" Darstellers John Doohan. Positiv konnte man den ersten Test einer Falcon 9 Erststufe am Boden mit 9 Triebwerken verbuchen. Elon Musk kündigte nach dem Fehlschlag in einer Botschaft vor Angestellten an, sich nicht von SpaceX zurückzuziehen und dass man genügend Geld habe, um die Falcon 1 und 9 in den Orbit zu bringen. Die Flüge 4 und 5 seien schon in Vorbereitung und die sechste Falcon 1 werde gerade gebaut.

3.ter TestflugDrei Tage später gab es dann eine genauere Erläuterung des Verlustes: Die Stufentrennung klappte, doch die erste Stufe kollidierte dann durch den Restschub von etwa 1 % des Nominalschubs mit der zweiten. Die Stufentrennung erfolgte nach Musks Angaben zu früh, 1,5 Sekunden nach dem Ausbrennen der ersten Stufe. Bei dem regenerativ gekühlten Merlin 1C wäre das zu kurz gewesen, während bei dem Ablativ gekühlten Merlin 1 es kein Problem sein. Das sei ein Designfehler der leicht zu korrigieren sei. Anders als das erste Statement suggerierte war es auch kein Defekt der pyrotechnischen Trennung, sondern die Stufen wurden getrennt und kollidierten. Die Falcon, so erfuhr man bei dieser Gelegenheit, verwendet keine Retroraketen, welche die erste Stufe abbremsen (oder die zweite beschleunigen), sondern ein hydraulisches System. Dessen Fähigkeit, einen Impuls zu übertragen ist natürlich geringer als von Retroraketen, die daher bei anderen Trägern eingesetzt werden (zumindest allen, die der Autor kennt).

Was Elon Musk verschweigt: Schon beim zweiten Flug kollidierte die zweite Stufe mit dem Stufenadapter. Das Problem ist so gesehen nicht so neu und damals ging man von einem geringeren Restschub des Merlin 1C aus. Das bedeutet, dass SpaceX nicht in der Lage ist, schon bekannte Fehler zu korrigieren. Mehr dazu im aktuellen Blog.

1 % Restschub sind beim Merlin 1C 5,57 kN Schub, bei einer Leermasse von 1.815 kg entspricht dies einer Beschleunigung von 4 m/s². Keine der beiden Stufen konnte geborgen werden. Bei der zweiten war dies nicht vorgesehen und bei der ersten wurde durch die Flamme der zweiten Stufe, die schon zündete, die Fallschirme am Heck der ersten Stufe zerstört. Darauf folgte eine Plasmaexplosion, welche das Heck der zweiten Stufe zerstörte. Damit ist auch beim dritten Start die Erststufe verloren gegangen.

Trotzdem sprüht Musk vor Optimismus: Man werden schon im September die nächste Falcon starten, diesmal mit einer Demonstrationsnutzlast. Der nächste Start soll dann Ende des Jahres/Anfang des neuen Jahres erfolgen. Der Erststart einer Falcon 9 wird erst folgen, wenn man eine Falcon 1 erfolgreich gestartet hat. Zeitgleich konnte Elon Musk eine Finanzspritze über 20 Millionen von Founders Fund, einem Venture-Kapitalgeber, vermelden. Das soll für drei weitere Falcon 1-Starts reichen, man sei aber darauf nicht angewiesen. Das Backlog steht inklusive eines weiteren Demonstrationsfluges bei 12 Starts.

Neue Infos auf SpaceX gehen wieder den gewohnten Weg: Sobald eine Rakete greifbar wird, werden die technischen Daten schlechter. So gibt Musk nun für das Merlin 1C  nur noch 424 kN Bodenschub und 480 kN Vakuumschub an. Erst ein Turbopumpenupgrade soll die anvisierten 557 kN Vakuumschub liefern. Das Triebwerk verbraucht 350 Pfund Treibstoff pro Sekunde (was mit einem spezifischen Impuls von 2.919 m/s dann auch niedriger ist, als der offizielle Wert von 2.981 m/s). 100 Pfund Kerosin kühlen regenerativ die Brennkammer. Das Triebwerk soll 470 kg wiegen.

Viermal probiert, dann klappt es

Nach 2 Monaten fand dann der vierte Testflug statt, nun mit einer reinen Satellitenattrappe aus 170 kg Aluminium. Der eigentlich geplante malaysische Satellit wurde auf den nächsten Start verschoben, der für Januar/Februar 2009 geplant ist. SpaceX hat erstmals eine Rakete weitgehend identisch eingesetzt, d.h. nicht wieder das Triebwerk ausgewechselt oder andere Dinge geändert und hoffte, durch Vergleich der Telemetrie schlauer zu sein, auch wenn der Flug missglückte. Der Start musste vom 23. auf den 28. September 2008 verschoben werden, als man bei einem statischen Test der ersten Stufe Unregelmäßigkeiten in der Sauerstoffleitung der zweiten Stufe bemerkte (wie diese zusammenhängen sollen, da man die zweite Stufe gar nicht testete, wurde nicht erklärt). Am 28.9.2008 fand dann der eigentliche Start statt, der auch erfolgreich verlief, inklusive einer späteren Zirkularisierung der Bahn, die anfangs in 328 x 650 km Höhe lag, durch eine Wiederzündung der zweiten Stufe. Der Satellit erreicht dann eine nahezu kreisförmige Bahn von 644 km Höhe.

Zwei Anomalien gab es dennoch zu berichten. Das erste war eine zu geringe Leistung der Rakete, denn ein höherer Orbit war geplant (330 x 686 km Höhe) und zum zweiten, dass die erste Stufe erneut nicht geborgen werden konnte. Sie wurde offensichtlich beim Wiedereintritt zerstört. Dies ist bemerkenswert, weil die Bergung der ersten Stufe fest vorgesehen ist, um die Preise niedrig zu halten. Bei der großen Schwester, der Falcon 9, verlangt SpaceX einen Zuschlag von 10 Millionen Dollar, wenn die zweite Stufe, die ebenfalls ein Merlin 1C einsetzt, nicht geborgen werden kann. Vor allem gab es bislang immer Bergungsversuche, nur sind diese bislang immer gescheitert. Offizieller Grund ist, dass man in der kurzen Zeit keine Thermalisolation anbringen konnte. Auch dieses ist merkwürdig, sprach doch Elon Musk von einer rapide steigenden Produktion an Falcon 1, die nächstens Jahr 5 Exemplare pro Jahr erreichen soll - da bleibt für jeden Start dann auch nicht mehr Zeit als jetzt. Die Prognose der Produktionszahl erwies sich später als falsch, denn nur wenige Monate später wurde die Falcon 1 eingestellt.

Eine eingehendere Vermessung der Bahn durch die Radarantennen des US-Verteidigungsministerium ergab eine endgültige Bahn von 621 x 643 km Höhe mit einer Bahnneigung von 9,3 Grad. Dafür brannte das Kestrel 6,8 Sekunden.

Auffällig sind einige Abweichungen von den Angaben im Flight Kit:

  Flight Kit Aktuell Maximum nach Spezifikationen
Brenndauer erste Stufe 157,5 sec 152 sec 169 sec
Zündung zweite Stufe 165,5 sec 158 sec  
erster Brennschluss zweite Stufe 579,57sec 570 sec  
Brenndauer zweite Stufe 420,67 418,8 sec 418 sec

Ich habe die Daten aus dem Video abgeleitet (Frame-genaue Auswertung) und durch die Angaben von SpaceX ergänzt.  Die Angaben aus dem Flight Kit (14.500 kg Sauerstoff und 6.800 kg Kerosin) zeigen, dass die erste Stufe nicht ganz gefüllt war. Die nominelle Brenndauer entspricht der Füllung.  Die zweite Stufe hat dagegen ihren Treibstoff von 3.900 kg (1.200 kg Kerosin und 2.700 kg LOX) vollständig verbraucht. Die vorzeitige Abtrennung der ersten Stufe ist merkwürdig. Bei anderen Trägern werden die Reserven der Oberstufe reduziert. Die Daten lassen nun erstmals eine Berechnung der maximalen Nutzlast zu, ich erhalte eine Nutzlast von 349 kg bei der derzeitigen Konfiguration. Das ist noch von den 420 kg entfernt, allerdings ist damit zu rechnen, dass diese Rakete wahrscheinlich über größere Reserven verfügt und zusätzliches Equipment installiert wurde, um mehr Daten zu erhalten (die Kamera und Sender wiegen z.B. auch einige Kilos extra).

Diese Daten wurden dann auch von SpaceX bestätigt: Die zweite Zündung diente nicht zum Zirkularisieren der Bahn (dies sei nur Zufall gewesen). Sinn war es, den Treibstoff bis auf nicht nutzbare Reste in der Größenordnung von 45 kg zu verbrauchen, um eine Performanceabschätzung zu machen. Vergleicht man nun aber die beförderte Nutzlast mit den Angaben von SpaceX in Diagrammen, so ergibt sich eine Differenz von bis zu 70 kg.

Der erste Start eines richtigen Satelliten von Malaysia, ergänzt durch eine Sekundärnutzlast des DoD, soll nun im März stattfinden. Im Sommer kommt auf Flug 6 ebenfalls eine Nutzlast des DoD und im Herbst eine kommerzielle Nutzlast. Ab 2010 rechnet Musk mit einem Start alle 2-3 Monate. Dazu müssen aber erst Aufträge akquiriert werden. Derzeit weist das Backlog nur 4 weitere Nutzlasten auf. Vandenberg ist nun von der Liste der Startplätze gestrichen. Alle folgenden Starts sollen mit einer Ausnahme von Kwalein aus stattfinden. Der letzte, achte, Start soll von Cape Canaveral aus erfolgen.

Auch die eingestellten Arbeiten am Launchpad 3 in Vandenberg werden nach dem Erstflug der Falcon 1 wieder aufgenommen. Es soll nun für polare Flüge der Falcon 1+1e umgerüstet werden. Geplant ist auch der Erwerb des Launchpads 4 für Starts der Falcon 9. Die Falcon 9 könnte polare Starts auch von Kwajalein aus absolvieren, doch ist dies mit einem erhöhten Aufwand an Transport verbunden und die Infrastruktur dort ist sehr beschränkt. Dabei bietet der Startplatz keinerlei Vorteile bei polaren Starts. Starts in den geostationären Orbit, die von dem niedrigen Breitengrad profitieren sollen, finden in jedem Fall von Cape Canaveral aus statt. So wird Kwajalein nach den ersten Starts vom Cape und Vandenberg aus wahrscheinlich keinen weiteren Start der Falcon mehr sehen. Im November 2008 hatte SpaceX 560 Angestellte, mit einem durchschnittlichen Alter von 30 Jahren.

Der fünfte und letzte Start

Der fünfte Start war am 14.7.2009. Wie schon beim vierten Start war auffällig, dass die Brenndauer der ersten Stufe nicht ganz zu den Tabellenwerten passt und die zweite Stufe, trotz weitaus kleinerer Nutzlast als die angegebenen maximalen 420 kg (Rakhsat wiegt nur 180 kg), fast an die maximalen 418 Sekunden herankommt (409 Sekunden für SECO). Das spricht für eine niedrigere Nutzlast als angegeben. Aufgrund des Restreibstoffs müsste sie für den 600 km-Orbit weniger als 280 kg statt 340 kg betragen. Da dies der letzte Flug der Falcon 1 war und sie im nächsten Jahr durch die Falcon 1e abgelöst wird, wird man die wahre Nutzlast (die immer erst nach einem Testflug feststeht) wohl nie kennen. SpaceX war mit der Mission sehr zufrieden, wörtliches Zitat: "We nailed the orbit to well within target parameters... pretty much a bullseye.".

Eine Vermessung des NORAD ergab einen Orbit von 666 x 687 x 8,9°. Geplant waren: 685 km Kreisförmig, 9,0 Grad. Vergleicht man dies mit den Vorgaben des Users Guide, so resultiert folgende Tabelle:

Parameter Abweichung vierter Start Abweichung fünfter Start maximal nach Users Guide
Perigäum 2 km 19 km 5 km
Apogäum 36 km 2 km 15 km
Inklination 0,3 Grad 0,1 Grad 0,1 Grad

Legt man die Daten des Users Guide zugrunde, die auch rechtlich bindend sind (als zugesicherte Eigenschaften der Rakete), so erreichte keiner der beiden letzten Starts den geplanten Orbit und diese müssen daher als Teilerfolge eingestuft werden. Gemäß dieses Dokuments betrugen die Entwicklungskosten für die Falcon 1 90 Millionen Dollar.  Mehr Details über die einzelnen Falcon 1 Starts finden sie hier.

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© 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 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:

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.




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