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Das Konzept von SpaceX

SpaceX ist angetreten mit keinem anderen Anspruch als den gesamten Trägermarkt umzukrempeln indem die Firma sehr günstige Preise anbietet. So kostet der Start eines 3,6 t schweren Kommunikationssatelliten bei ILS über 100 Millionen Dollar, bei SpaceX weniger als 60. Das ist ein ziemlicher Preisunterschied. Doch wie kommt man zu diesen niedrigen Preisen die sich ja auch in Entwicklungskosten von nur 390 Millionen Dollar für Falcon 1 und 9 zusammen niederschlagen?

Nun einige Faktoren sind natürlich schon aus der Konzeption ableitbar. Dadurch dass man zehn identische Triebwerke pro Rakete verwendet, das Oberstufentriebwerk nur mit einer längeren Düse hat man eine Serienproduktion im kleinen Maße, was Kosten spart. Die Stufen haben identische Durchmesser, somit man sie mit den gleichen Fertigungsstraßen produzieren kann.

Beide Vorgehensweisen sind nicht neu. Die bis zu acht Triebwerke der Ariane 4 waren ebenfalls weitgehend identisch (in Boostern, erster und zweiter Stufe). Bei der Centaur wurde der Durchmesser auf den der Atlas abgestimmt um 80% der Fertigungsmethoden und Werkzeuge übernehmen zu können.

Vieles ist aber nicht an der Rakete ableitbar, sondern hat mit der internen Struktur und den Produktionsabläufen zu tun. Davon ist nur wenig bekannt. Vieles wird als Firmen Geheimnis behandelt, so die Firma allgemein wenige Auskünfte auch technischer Art gibt. Dieses wenige will ich hier zusammenfassen.

In House Entwicklung

SpaceX betont in Präsentationen und Pressekonferenzen, dass sie möglichst viel selbst entwickeln und stellen dies als Vorteil heraus. 85% der Falcon 9 und Dragon werden intern entwickelt. die komplexesten Teile werden zugekauft. Bei der Masse ist es etwas weniger, da sind es 70%. Das ist in der Tat ungewöhnlich. Nicht nur in der Weltraumfahrt, überall ist es so das Hersteller Aufträge an Zulieferer vergeben. Mercedes Benz stellt vielleicht die Karosserie her, doch die Elektrik kommt von Bosch, die Software wird komplett außer Haus gegeben, Reifen kommen von Kontinental etc. In der Raumfahrt ist dem nicht anders. Als Rockwell 1972 den Entwicklungsauftrag für das Space Shuttle erhielt gingen 44% an Subunternehmen. Auch heute ist dem noch so, wenn man z.B. die Atlas V betrachtet:

Warum fertigt Lockheed-Martin, immerhin ein Riesenkonzern im Gegensatz zu SpaceX, dies nicht alles selbst? Weil die Tochterunternehmen mehr Erfahrung mit ihren Komponenten haben und nur diese fertigen. Sie sind dadurch rationellerem (Fabriken, Anlagen und Arbeiter müssen bezahlt werden egal ob man 5 Triebwerke oder 10 pro Jahr fertigt). Ruag Space fertigt auch Nutzlastverkleidungen für die Ariane5 und Vega, dazu noch Strukturen für Träger und Adapter. Energomasch fertigt Triebwerke für die Proton, Zenit, Sojus, Angara und Atlas. In der PC-Branche ist das Nutzen von Subkontraktoren am weitesten verbreitet - hier kann jeder Normalverbraucher selbst einen PC aus Einzelbauteilen zusammenstellen. Andererseits ist es heute möglich in einem Variantenkonfigurator seinen Maschinenpark so zusammenzustellen, das man eine gestreamte Produktion ohne Reibungsverluste hat, ohne alles selbst planen zu müssen.

Ungewöhnlich ist auch, das SpaceX so unterschiedliche Gebiete abdeckt. In Hawthorne gibt es vier Hauptsektionen: Strukturen, Antriebe, Avionik und Start(vorbereitung). Bei den meisten Firmen wird die Avionik von extern geliefert, da Softwareerstellung und Computerintegration von den anderen Tätigkeiten die vor allem mit Mechanik zu tun haben doch stärker abweicht.

Ob dieser Ansatz alles selbst zu machen erfolgreich wird, muss sich noch zeigen. Da SpaceX plant pro Jahr zehn Falcon 9 und zehn Falcon Heavy zu produzieren, was nicht weniger als 400 Triebwerke pro Jahr macht, da lohnt es sich schon es selbst komplett zu konstruieren. Leider ist die damit beförderte Nutzlast von rund 650 t in einen LEO Orbit erheblich größer als alles was derzeit zusammen weltweit gestartet wird. Das könnte die Wirtschaftlichkeitsrechnung vielleicht etwas trüben.

Nicht immer ist das "Ich mach alles selbst" eine gute Lösung, so war die NASA sehr unzufrieden damit das SpaceX Reviews und Reports über die Fortschritte der Arbeit nicht rechtzeitig liefern konnte - die Mitarbeiter hatten alles in Excel Sheets gesammelt und mussten in Meetings riesige Excel Blätter koordinieren und mit Makros die Daten nach Word kopieren. 2010 führte die Firma dann endlich ein professionelles Review System von Jama Software ein.

Iteratives Design

Spiral DesignIn herkömmlichen Produkten durchläuft die Entwicklung mehrere Phasen, die mit einem getesteten und fertig für die Serienproduktion vorliegenden Produkt enden. SpaceX wendet das von der Softwareerstellung stammende Spiralmodell an. In diesem versucht man zuerst einen Prototypen zu erstellen, denn man dann testet und ausgehend von den Erfahrungen verbessert. Mit jeder Spirale nähert man sich dann dem Endprodukt an. Dieses Modell wird z. B. von Microsoft eingesetzt, dort teilweise mit offiziellen Versionen (Windows 95 → Windows 95A, → Windows 95B oder Windows 98 → Windows 98 Second Edition → Windows Millennium).

Dies führt dazu, dass SpaceX seit seiner Gründung drei Triebwerke und drei Trägerraketen entwickelt hat, von denen jeweils zwei schon wieder ausgemustert sind. Nach diesem Bild, präsentiert bei einem AIAA Vortag werden dem noch einige Versionen folgen.

Verschiedenes

Bei SpaceX gibt es keine Türen, sondern Großraumbüros. Er glaubt Wände ruinieren Firmen, weil sie das freie Verbreiten von Ideen verhindern. Das ist nicht neu. Intel arbeitet mit diesem Prinzip seit Ende der sechziger Jahre. Probleme sollen in Teams gelöst werden und die Hierarchien flach sein. Das ist auch kein Problem solange die Firma klein ist. Leider tendieren Firmen dazu beim Wachsen weitere Hierarchieebenen einzubauen und den langsameren Weg des Top-Down Vorgehens bei dem die untere Ebene keine kreative Verantwortung hat zu gehen. Es wird sich zeigen ob SpaceX ihrem Vorsatz treu bleibt, der auch die relativ kurzen Entwicklungszeiten ermöglichte.  Die Technologie ist wie SpaceX selbst zugibt 40 Jahre alt. Die Kosten für den Start werden reduziert durch die horizontale Integration, die Russland einführte und dadurch recht hohe Startraten erreichte. Gleichzeitig ist das Gebäude kleiner und die Atmosphäre kann besser klimatisiert werden.

Das Arbeitsumfeld wird auch von den Mitarbeitern als schwierig und von Konkurrenz geprägt beschrieben. Nur die Hälfte der zuerst auf Probe angestellten wird übernommen. Der altersdurchschnitt ist niedrig und liegt bei 26. Nur ein Drittel hat einen weiteren Abschluss nach der Schule, die meisten werden direkt von der Schule angeheuert und im Job geschult.

Auf entsprechenden Portalen häufen sich Beschwerden über Arbeitszeiten von 12 bis 14 Stunden pro Tag, Diskriminierung von Personen mit "spanischer" Abstammung oder dunkler Hautfarbe. 

Soweit es geht, greift SpaceX auf nicht weltraumqualifizierte billigere Hardware zurück, so sind die Rechner von Falcon 9 und Dragon normale Rechner für Industriesteuerungen. Ein Ausfall soll durch Redundanz abgefangen werden. Die Solarzellen der Dragon stammen aus China. Sie liefern nach 2 Monaten im Weltall zu wenig Leistung um sie anzutreiben, doch da die Dragon nur einen Monat im Orbit bleibt sei dies unbedeutend. Dafür sind sie um den Faktor 100 billiger als die Solarzellen für Satelliten.

Die NASA hat SpaceX unterstützt nicht nur mit Aufträgen, sondern auch mit Know-How. Die Dragon wurde entwickelt nachdem SpaceX Ingenieure genaue Konstruktionsdetails der Apollokapsel sowie Mission Reports der NASA erhielten und so die Form so optimieren konnten, dass die Energiebelastung sinkt. Für die Wiederverwendung der Falcon 9 Erststufe wurden in Ames Windkanalversuche durchgeführt und die Daten von 272 Tests an SpaceX übergeben.

Mögliche andere Gründe

Nimmt man die veröffentlichten Zahlen der Tests der Merlin Triebwerke und vergleicht sie mit anderen Entwicklungen, so fällt auf, wie niedrig sie sind. Das Testen von Triebwerken hat neben dem finden von Fehlern auch den Zweck, dass man ihnen trauen kann, d.h. ob ein Triebwerk funktioniert kann man in der Praxis zwar nicht sagen, aber man kann eine Abschätzung abgeben basierend auf den Tests die man gemacht hat. Wenn man wenig getestet hat so kann ein versteckter Fehler noch im Design lauern, der dann irgendwann auftritt und eine Abschätzung ob ein Triebwerk vorzeitig ausfällt ist nicht möglich.

Bei Anlegen der üblichen Kriterien für Tests von Triebwerken müssen die Merlins bei den Jungfernflügen als noch im frühen Prototypstadium betrachtet werden. So verwundert es nicht, dass beim zweiten und vierten Start einer Falcon 9 auch Triebwerke ausfielen. Beim zweiten wurde dies nur bekannt weil es ein COTS Testflug war und so die Ergebnisse präsentiert wurden. Bei allen folgenden CRS Flügen ist selbst die NASA nur Kunde und weitere Ausfälle, die nicht gerade in der frühen Phase vorkommen werden verschweigen so wie dies auch beim zweiten Start über acht Monate möglich war. Die "engine out capability" ist angesichts dieser geringen Zuverlässigkeit keine Option, sie ist dringend notwendig. Trotzdem kann die Falcon 9 einen Triebwerksausfall nicht in allen Flugphasen abfangen. In den ersten 25 Sekunden wäre ein Triebwerksausfall katastrophal. Später kann je nach Zeitpunkt die Nutzlast erniedrigt sein, so ging beim vierten Start eine Sekundärnutzlast verloren, da zu wenig Treibstoff für eine Bahnanhebung vorhanden war. SpaceX reduzierte daraufhin die Nutzlast von 16 auf 13,15 t, das zeigt, dass man für diese Fähigkeit auch einen Preis zahlen muss: man kann die Nutzlast nicht vollständig ausnutzen, wenn man auch mit einem sehr frühen Triebwerksausfall rechnen muss.

Auch zahllose kleine Probleme sowie starke Abweichungen von den geplanten Umlaufbahnen sprechen nicht gerade für gute Arbeit. Beim ersten Start der Falcon 9 landete die Oberstufe taumelnd in einem zu niedrigen Orbit. Die Wiederzündung scheiterte. Diese blieb auch beim Jungfernflug der Falcon 9 v1.1 aus, hier wurden Bruchstücke freigesetzt als diese erfolgen sollte. Die Wiederzündung scheiterte auch beim ersten Start der neuen Version "Falcon 9 v1.1.". Danach klappten aber alle Starts. Dies zeigt das man den Fehler fand und eliminiert.

Das alles spricht nach Ansicht von Kritikern eher dafür, das SpaceX massiv am wichtigsten und kostenintensivsten Posten der Fertigung spart nämlich dem extensiven Testen und der Qualitätskontrolle, die in der Raumfahrt besonders rigoros und aufwendig ist. Das machte dann auch den Zerifizierungsprozess durch die USAF aufwendig und langwierig, da hier Designphiliosophien aufeinander prallen: SpaceX vertrat die Ansicht, es reichten die Daten der Flüge und eine genügende Zahl von gelungenen Starts aus. die Air Force zertifiziert dagegen den gesamten Schöpfungsprozess des Trägers, vom Design über die Produktion bis zum Start. Sie durchleuchtet dabei auch die ganze Firma und das dauere sehr viel länger als geplant.

Die iterative Vorgehensweise scheint auch den Nebeneffekt zu haben, dass Trägerraketen nicht das leisten was man es ich von ihnen erhoffte. Bei der Falcon 1 sank die Nutzlast um ehr als ein Drittel, die Falcon 5, die eigentlich die CRS Transporte durchführen sollte wurde im frühen Prototyp-Stadium gestrichen und die Falcon 9 war in der ersten Version gerade fähig einige Hundert Kilogramm mit der Dragon zur ISS zu transportieren und für GTO-Transporte zu klein. Die Falcon 1e als Nachfolgemodell der Falcon 1 wurde ebenso gestrichen. Das ist kein besonders planvolles Vorgehen.

Ein zweites Problem das SpaceX seit den Anfängen plagt ist die Termintreue. Bis 2015 gaab die Firma ihre geplanten Starts an, sie schaffte in keinem Jahr das Soll. 2014 waren z.B. 14 Starts geplant, 6 erfolgten tatsächlich. Wie dies mit der Fertigung und dem Konzept zusammenhängt ist unbekannt, doch klar ist dass andere Launchservice-Provider nicht mit diesem Problem in diesem Maße zu kämpfen haben. Es sind zum einen vor dem Start entdeckte Defekte die zu Überprüfungen der ganzen Produktion führten, zum anderen aber auch nicht näher erläuterte Verzögerungen.

Links:

https://space-academy.grc.nasa.gov/y2011/tour-summaries/spacex/

http://www.indeed.com/cmp/Spacex/reviews

http://www.jamasoftware.com/wp-content/uploads/documents/Jama-Software-SpaceX-Case-Study.pdf

https://www.aiaa.org/uploadedFiles/Events/Conferences/2012_Conferences/2012-Complex-Aerospace-Systems-Exchange-Event/Detailed_Program/CASE2012_2-4_Muratore_presentation.pdf

SpaceX

Artikel zuletzt geändert am 18.10.2013


© 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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