Musk macht dem Falcon Beine
Sollten Sie – wie ich – ein Fan von Science Fiction B-Filmen aus den 50iger Jahren sein, dann kennen sie den Plot. Der geht, jetzt mal ganz generisch, so: Das Raumschiff X-7 mit Professor Scatterbrain, seiner schönen Tochter Gwendolyn (Biologin), dem brillianten und in Gwendolyn verknallten (er weiß es aber noch nicht) Wissenschaftler Dr. Jeffrey Quantumleap und dem (noch unerkannten) Schurken Hellonious Greedhead (getarnt als Bordingenieur) startet zum Planeten Metares 3 (Zweiter Spiralarm, dritter Quadrant, vierter Sektor rechts). Der Professor vermutet dort ein gewaltiges Vorkommen von Cavorit, das er fürderhin zum Wohle der Menschheit einzusetzen gedenkt. Greedhead vermutet das auch, und gedenkt es fürderhin zum Zwecke seiner persönlichen Bereicherung zu verwenden. Auf Metares 3 stoßen sie auf Einheimische, die genau so aussehen wie sich Hollywood-Südseeinsulaner vorstellt (Frauen in knappen Bikinis, Männer im Lendenschurz). Greedhead will sie umbringen, Quantumleap will sie schützen, der Professor ist überfordert, Gwendolyn fällt in Ohnmacht, Getümmel, Verfolgung, Gemetzel. Der Schurke wird besiegt, alles ist wieder paletti und alle drei (Greedhead muss als Leibsklave des Eingeborenenhäuptlings zurückbleiben) düsen wieder zurück zur Erde.
Das alles wurde – das Budget war mager – an Wochenenden in den nicht mehr benötigten Kulissen der A-Filme gedreht. Mit Schauspielern aus der C-Riege. Auch für die Trickeffekte war kaum Geld da, deshalb ließ man die Aufnahmen vom Start der X-7 für die Landungen auf Metares und zurück auf der Erde einfach rückwärts ablaufen. Eine Startrampe befand man für unnötig. Das Ding startete auf seinen drei, vier oder fünf Beinen und landete auf diesen auch wieder.
Um diese wunderbare Landetechnik zu bewundern brauchen Sie zukünftig nicht mehr die CD mit “Metares 3 antwortet nicht” aus der Kommode zu kramen. Und das liegt mal wieder an Elon Musk, dem “Leading Guru” für Solartechnik (Solar City), Elektroautos (Tesla) und wiederverwendbare Trägerraketen (SpaceX).
Elon Musk hatte es schon vor Jahren angekündigt, und dafür die hämischen Kommentare der etablierten Raumfahrtfirmen geerntet: Jede Falcon ab der Version 9 v1.1, die für diesen Zweck genügend Treibstoffreserven mitführen kann, wird zukünftig einen Landeversuch unternehmen. Dies war schon beim Erstflug der Falcon 9 v1.1 der Fall, die im vergangenen September den kanadischen Cassiopee-Satelliten in den Orbit brachte. Nach der Stufentrennung war erstmals in der Geschichte der Raumfahrt probeweise ein “Boost back”-Manöver durchgeführt worden, also eine erneute Triebwerkszündung der ersten Stufe um einen Rückflug in Richtung Startstelle einzuleiten. Unmittelbar über der Wasseroberfläche erfolgte dann eine zweite Zündung, um die Fallgeschwindigkeit der Stufe auf Null zu reduzieren. Das klappte allerdings nicht so ganz. Die Stufe geriet in der Endphase des Abstiegs in Drehung, was dazu führte, dass die Treibstoffe an die Tankwände gepresst wurden. Daraufhin brachen die Schwappspanten, das Triebwerk (es lief nur die zentrale Einheit) saugte Metallteile an und schaltete kurz über der Wasseroberfläche ab. Die Stufe schlug mit etwa 100 Kilometern pro Stunde auf dem Wasser auf und ging zu Bruch.
Was der Zufriedenheit der SpaceX-Leute allerdings keinen Abbruch tat. Niemand rechnet damit, dass dieses komplexe Manöver schon bei den ersten Versuchen von Erfolg gekrönt wird. Dafür war die Rakete auch noch gar nicht vollständig ausgerüstet. Jetzt hat SpaceX aber alle notwendigen Puzzle-Teile beisammen, um eine Rückführung der ersten Stufe nach einer Raumflugmission ernsthaft zu versuchen. Beim Start zur CRS-3 /Spx-3 Mission (einem Versorgungsflug mit der Dragon-Kapsel zur Internationalen Raumstation) am 17. März wird nur etwa 70 Prozent der Nutzlastkapazität der Falcon 9v 1.1 benötigt. Das lässt wieder Spielraum für einen Landeversuch. Der wird erneut – schon aus Sicherheitsgründen – im Wasser erfolgen. Dieses Mal vor der Küste von Cape Canaveral im Atlantik. Die Wahrscheinlichkeit, dass SpaceX die Stufe intakt aus dem Ozean fischt ist auch dieses Mal gering. Elon Musk schätzt die Chancen für einen Erfolg auf etwa 30 Prozent. Erstmals werden dabei auch Landebeine zum Einsatz kommen (so wie auf dem Bild hier sehen die übrigens in angelegtem Zustand aus).
Die für die Bergung entscheidenden Manöver ereignen sich alle nach der Trennung der ersten von der zweiten Stufe. Bis dahin soll die Mission verlaufen, wie jeder andere Orbital- oder Sondenstart auch. Die Landebeine sind in der ersten Flugphase aus aerodynamischen Gründen noch an den Rumpf angelegt und haben keine Funktion.Die Serie der Manöver, die letztendlich zur weichen Landung führen sollen, beginnt erst nach der Trennung. Während die zweite Stufe mit der Dragon-Raumkapsel den Aufstieg in den Orbit fortsetzt, wird das Lageregelungssystem der ersten Stufe die Antriebseinheit zunächst um 180 Grad drehen.Kurz darauf beginnt das so genannte „Boost Back Manöver“. Drei der neun Merlin 1D- Triebwerke zünden erneut, und bringen die Stufe, die sich bis dahin mit einer Geschwindigkeit von über 6.000 Kilometer pro Stunde auf den Atlantik hinausbewegt, erst auf Gegenkurs und schalten dann wieder ab.
Die Stufe steuert nun im Freien Fall auf ein vorbestimmtes Landegebiet zu, und wird dabei durch die zunehmende Luftreibung in den tieferen Schichten der Atmosphäre immer weiter abgebremst. Ihre Raumlage wird in dieser Phase durch ein Lagekontrollsystem stabil gehalten. Schließlich bewegt sich die Stufe mit einer Geschwindigkeit, die als „Terminal Velocity“ (Grenzgeschwindigkeit) bezeichnet wird. Ein Objekt erreicht seine Grenzgeschwindigkeit dann, wenn sich ein Gleichgewicht der einwirkenden Kräfte bildet und keine weitere Beschleunigung gleich in welche Richtung mehr erfolgt. Bei einem freien Fall durch Luft ist die Grenzgeschwindigkeit erreicht, wenn die Gravitationskraft durch die Luftreibung kompensiert wird. Die “Terminal Velocity” ist bei der Falocn 9-Erststufe nicht bekannt. Sie dürfte aber bei etwa 350-400 Kilometern pro Stunde liegen.
Die Schlusszündung wird in einer Höhe von weniger als 1.000 Meter über der Wasseroberfläche beginnen, diesmal mit nur noch einem aktiven Triebwerk. Mehr ist nun mehr nicht nötig, denn die Tanks sind fast, aber nur fast, leer. Es wird keine Nutzlast mehr transportiert und das Vehikel wiegt zu Beginn der Zündungweniger als 25 Tonnen (beim Start wog die erste Stufe mehr als 400 Tonnen). Das Triebwerk wird nur noch etwa 15 Sekunden laufen. In dieser zweiten Brennphase nach der Stufentrennung werden die Landebeine ausgeklappt und danach ein Landemanöver wie auf festem Boden simuliert. Die Endgeschwindigkeit mit der die Wasseroberfläche erreicht wird, müsste im Idealfall beiNullliegen.
Wie gesagt, die Wahrscheinlichkeit, dass das alles perfekt abläuft, ist gering. Gesteuerte Abstiege dieser Art werden auch bei den folgenden Missionen so lange über Wasser geübt, bis das Landeverfahren sicher beherrscht wird. Danach will Elon Musk mit Landungen auf festem Boden beginnen.
P.S. Das erste Bild dieses Beitrags, sowie das Bild links, stammen aus dem Film „Destination Moon“. Der kein B-Movie, sondern ein – für die Ansprüche des Jahres 1950 – unglaublich teurer A-Film war. Die Produktionskosten betrugen seinerzeit 500.000 Dollar. Schauen Sie ihn sich ruhig mal an. Er ist faktentreu, fast schon prophetisch in seinen Aussagen (vieles ist heute aktueller denn je) und im Gegensatz zu praktisch jedem „modernen“ Film (einschließlich Gravity) stimmt die Physik bis ins Detail.
Liest sich gut und ist auch ein äusserst interessantes Thema gerade weil eine so naheliegende Idee wie die, Raketenstufen wiederzuverwenden, bis jetzt immer mit dem Versuch beantwortet wurde, eine Art Hybrid zwischen Flugzeug und Rakete zu schaffen. Auf die Idee eine mehr oder weniger normale Rakete wiederverwendbar zu machen scheint erst Elon Musk gekommen zu sein.
Dies zu erreichen ist allerdings alles andere als einfach, denn es bedeutet, dass alle Teile der Rakete auf Wiederverwendbarkeit getrimmt werden müssen, insbesondere auch die Triebwerke. So viel ich weiss sind aber die ursprünglichen Dragon-Triebwerke nicht unbedingt für den wiederholten Einsatz konzipiert. Erst mit der Raptor-Engine, die auch den Mars Colonial Transporter antreiben soll wird von Beginn Weg auf Wiederverwendbarkeit hingearbeitet.
Eine kleine Recherche lässt mich die Aussage ” Auf die Idee eine mehr oder weniger normale Rakete wiederverwendbar zu machen scheint erst Elon Musk gekommen zu sein” korrigieren.
Es gab einige Versuche Booster wiederzuverwenden, schon diejenigen der Saturn, aber auch die Feststoffbooster des Space-Shuttles. Nur waren die nicht sehr erfolgreich und wurden meiner Meinung nach auch nur halbherzig verfolgt. So konnten die Space-Shuttle-Booster nach der Landung am Fallschirm im Pazifik nur zum kleinen Teil wiederverwendet werden, weil der Kontakt mit dem Salzwasser die Booster teilweise beschädigte. Die Booster konnten deswegen nicht als Ganzes wiederverwendet werden sondern nur Teile davon, einzelne Sektionen. Dazu kam die teure Wiederinstandstellung (Zitat Wikipedia)
Das obige Zitat gibt den Eindruck einer hohen Wiederverwendungsrate. Doch das täuscht. Wenn das so gewesen wäre, wären immer wieder die gleichen Booster verwendet worden und nicht jeweils nur ein paar Segmente der SRB’s.
Wiederverwendung von Raketenteilen macht zudem nur wenig Sinn, wenn jede Wiederverwendung eine teure Instandstellung bedeutet. Aus der Geschichte der vielen vergeblichen Versuche Teile von Raketen wiederzuverwenden kann man aber nicht ableiten, dass das von vornherein aussichtslos ist, sondern wohl eher, dass man das nicht einfach nebenbei bekommt, sondern dass eine möglichst komplettte Wiederverwendung ohne Notwendigkeit der Wiederinstandstellung geplant sein muss.