Erststart der Falcon Heavy Ende Dezember

Die US-Firma SpaceX des bekannten Hightech-Unternehmers Elon Musk arbeitet an einer Schwerlastversion namens “Falcon Heavy” ihrer Falcon-Baureihe. Die Falcon Heavy steht kurz vor dem Erststart – als Datum wird aktuell Ende Dezember 2017 gehandelt, frühestens der 29. Dezember.

Das aktuell noch größte Mitglied des SpaceX-Fuhrparks ist die Falcon 9, die in den vergangenen Jahren immer weiter entwickelt worden ist. Die aktuelle Falcon 9 stellt mittlerweile die Messlatte für kommerzielle Starts dar und wird als Hauptkonkurrent für die in Entwicklung befindlichen zwei Versionen der europäischen Ariane 6 gesehen. Bei der Entwicklung der Falcon 9 stand von Anfang an die Reduzierung der wiederkehrenden Kosten im Vordergrund. Dies wurde durch konsequente Vereinfachung und Reduzierung der Zahl unterschiedlicher Komponenten erreicht.

Die Falcon 9 ist zweistufig und verwendet in der Unter- und Oberstufe weitgehend ähnliche Antriebsstränge, wobei in der Erststufe neun Merlin-Triebwerke zum Einsatz kommen, die für den Einsatz innerhalb der Atmosphäre optimiert sind. Die Oberstufe hat nur ein Merlin-Triebwerk in der Version für den Betrieb im Vakuum. Alle Triebwerke werden in Serie gefertigt, wobei eine hohe Produktionsrate von bis über 30 Stück im Monat eine gute Auslastung der Fertigungsanlagen gewährleisten soll.

Für die Falcon Heavy werden links und rechts an der (strukturell verstärkten Version der) Unterstufe weitere Unterstufenmodule befestigt, die als Booster dienen. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Steigerung der Nutzlastkapazität. SpaceX nennt Werte von fast 64 Tonnen in ein niedriges Erdorbit einer Inklination von 28.5 Grad. Zum Vergleich: Die mit der Proton, der Ariane 5 ES oder dem Space Shuttle ins niedrige Erdorbit gestarteten ISS-Module waren auf Startmassen von etwas über 20 Tonnen limitiert – hier wäre nun ein Sprung um einen Faktor 3 drin – bei gleichzeitiger Senkung der Startkosten auf wenige Tausend Dollar pro Kilogramm Nutzmasse.

Die tatsächlichen Startkosten werden von der Startfrequenz, den Produktionszahlen der unterscheidlichen Versionen und dem Wiedernutzungskonzept abhängen. Bei Wiedernutzung, d.h., kontrollierter Rückkehr und weicher Landung einzelner oder aller Unterstufenmodule sinkt die Nutzmasse.

Das Konzept der massiven Nutzmassenkapazität durch Einsatz mehrfacher, parallel gekoppelter Unterstufen ist nicht neu. Wenn man eine Rakete ohne massiven Neuentwicklungsbedarf deutlich leistungsfähiger machen will, geht das eigentlich nur so. Die Heavy-Version der Großrakete Delta-IV ist auch so ausgelegt und wurde bereits mehrfach erfolgreich gestartet, zumeist mit militärischen Nutzlasten. Die Delta-IV ist allerdings exorbitant teuer, allemal in ihrer Heavy-Version. Ihre Nutzmasse ist dabei nur etwa die Hälfte der der Falcon Heavy.

Für das Konkurrenzprodukt Atlas V war ein ähnliches Konzept vorgesehen; dieses wurde aber nie umgesetzt. Die Russen entwickeln (und entwickeln, und entwickeln….) aktuell die Angara-Raketenfamilie, von der es auch eine Heavy-Version geben soll – irgendwann einmal. Die Chinesen studieren mit der Long March 9 unterschiedliche Schwerlastkonzepte, mit deren Verfürbarkeit jedoch nicht in naher Zukunft zu rechnen ist.

Die Europäer entwickeln, wie erwähnt, die Ariane 6, mit der Europa kommerziell gegenüber SpaceX bestehen soll. Mit der aktuellen Ariane 5 zahlt die Betreibergesellschaft (bzw. der Steuerzahler) bei jedem Start drauf. Eine Schwerlastversion ist jedoch nicht vorgesehen.

Somit wäre SpaceX mit der Falcon Heavy auf absehbare Zeit konkurrenzlos.

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

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  1. Zitat:

    Somit wäre SpaceX mit der Falcon Heavy auf absehbare Zeit konkurrenzlos.

    Konkurrenzlos, weil konkurrenzlos billig.Doch die Falcon Heavy bleibt gemäss Super heavy-lift launch vehicle nicht die einzige Schwerlastrakete in den nächsten 10 Jahren. Dort werden folgende Entwicklungsprojekte aufgelistet:

    ° SpaceX Falcon Heavy in a fully expendable configuration,[a] 63,800 kg (140,700 lb)[10]

    ° Space Launch System (SLS), 130,000 kg (290,000 lb)[11]

    ° Blue Origin New Glenn. Though payload capacity has not been officially announced, the 45,000 kg (99,000 lb) payload for the two-stage variant[12] and thrust levels for the first stage suggest placement of the vehicle in the super-heavy lift class.[13]

    ° SpaceX BRF, 250,000 kg (550,000 lb) as expendable or 150,000 kg (330,000 lb) as reusable[14]

    Das Space Launch System sollte als Exploration Mission 1 erstmals am 15.Dezember 2019 starten (in 2 Jahren). Die New Glenn befindet sich noch in einer frühen Entwicklungsphase, hat sich aber schon einmal als Startplatz den Launch Complex 36 at Cape Canaveral gesichert. Ich schätze, dass sie in den frühen 2020er Jahren abhebt.

    Interessanterweise kommt in der obigen Liste der in Entwicklung begriffenen Schwerlastraketen die Ariane 6 gar nicht vor. Nun ja, das stimmt wohl, denn die Details der Ariane 6 sind noch gar nicht festgelegt.

    • Korrektur: Die Ariane 6 ist gar nicht als Schwerlastrakete geplant. Zitat: Die Ariane 6 ist eine Rakete, die sich derzeit in der Entwicklung befindet, und für eine Nutzlast von 5–10,5 t in den GTO ausgelegt wird.[1] Über ihren Bau wurde endgültig am 2. Dezember 2014 auf dem ESA Ministerial Council entschieden[2] und der Entwicklungsauftrag am 12. August 2015 an das Joint-Venture Airbus Safran Launchers (ASL) vergeben.[3] Der Erstflug ist für 2020 geplant
      Eine Schwerlastrakete muss nämlich mindestens 50 Tonnen Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn befördern können. Die Ariane 6 soll aber nur 10 Tonnen in den GTO heben können.

      • Die Ariane 6 soll versuchen, in den Kosten mit der Falcon gleichzuziehen. Ohne Dauersubventionen wäre Arianespace heute schon nicht mehr im Geschäft. Das kann nicht ewig so weiter gehen. Mit der Ariane 6 sollen viele Kostenfallen entschärft werden. Beispielsweise sind bei der Ariane 5 zahlreiche Komponenten noch einzeln optimiert und deswegen unterscheidlich voneinander, zum Beispiel die oberen und unteren Kuppeln der Tanks. Bei der Ariane 6 sind diese Dinge weitgehend identisch, sodass der Konstruktions- und Fertigungsaufwand sinkt. Die Booster der Ariane 6 sind gleichzeitig auch die Erststufe der neuen VEGA, die in ihrer heutigen Version auch ein finanzieller Pflegefall ist.

        Das eigentliche Konzept der Ariane bleicht jedoch erhalten – kryogene Zentral- und Oberstufe, Feststoffbooster. Weder kann die Zentralstufe unter eigenem Triebwerksschub abheben, noch kann eine große Anzahl massengefertigter, relativ einfacher Triebwerke verwendet werden.

        Ob das alles deswegen ausreicht, um im Business zu bleiben, gegen SpaceX zu bestehen und endlich profitabel zu werden, wird sich erst noch zeigen müssen.

    • Nicht nur (aber auch), weil sie konkurrenzlos billig ist.

      Manche Missionen werden bei höherer Startkapazität erst möglich, oder sie werden deutlich billiger oder besser und wiegen damit einen höheren Preis für die Rakete mehr als auf. Das JWST beispielsweise muss in die Ariane 5 gequetscht werden. Dazu muss der Spiegel und der Sonnenschutz über hochgradig komplizierte Mechanismen im Orbit auseindergefaltet und zusammengesetzt werden. Diese Komplexität ist der Hauptgrund, warum das JWST so teuer wurde. Allein diese Mechanismen kosteten Milliarden. Mit einer dickeren Rakete mit einer größeren Nutzlastverkleidung, ohne enge Randbedingungen bezüglich Masse und Abmaße hätte man sich das alles schenken können.

      Oder beispielsweise die Raumstationsmodule, die auf 20 Tonnen Masse und 5 Meter Durchmesser beschränkt sind, was komplexe Montage im Orbit erforderlich macht. Wenn man statt dreier solcher Module ein 60-Tonnen-Modul starten kann, wäre eine Raumstation sicherer, komfortabler und auch wissenschaftlich wertvoller. Abgesehen davon spart man Geld – ein Modul kostet weniger als drei und eine fette Rakete kostet weniger als drei kleine.

      • Zitat:

        Manche Missionen werden bei höherer Startkapazität erst möglich, oder sie werden deutlich billiger oder besser

        Ja. Die Materialkosten einer Rakete scheinen nur 5% der Gesamtkosten auszumachen. Die Herstellungskosten plus die Entwicklungskosten überwiegen und sind natürlich umso grösser je weniger Starts es gibt. Es scheint 3 Ansätze für die dringend nötige Verbilligung von Orbitalraketen zu geben:
        Spaceplanes als Orbital-Flugzeuge
        Idee: Man fliegt in den Weltraum und landet auf der Erde.
        Realisation: Space-Shuttle [NASA] (zu teuer), X37-B [US-DOD] (etwas klein), Skylon [UK,REL] (noch weit in der Zukunft)
        Wiederverwendbare Raketen
        Idee: Für den Wiedereintritt gehärtete Raketenstufen kehren mittels Retropulsion auf eine Landeplattform zurück und werden nach Wiederinstandstellung erneut verwendet.
        Realisation: Falcon-9, Falcon-Heavy,New Glenn
        Billig-Raketen
        Idee: 3D-Gedruckte Raketen(teile) machen Einmalraketen billig.
        Realisation:
        Electron-Rocket [RocketLab] (3D Printing Rutherford is the first oxygen/kerosene engine to use 3D printing for all primary components.)
        Plastiktriebwerk (Nylon) des MIT
        Beurteilung: Billigherstellung wird vor allem für Kleinraketen in Betracht gezogen. Es gibt in den USA 50 Firmen, die Kleinraketen entwickeln, wohl weil sich diese Firmen (nur) Kleinraketen zutrauen. Letztlich kommt es aber auf die Kosten pro kg Nutzlast an und die sind tendenziell bei Kleinraketen grösser.
        Eine Rakete, die maximal 1 Tonne in den Orbit befördern kann, sollte nicht mehr als 1 bis 10 Millionen Startkosten mit sich bringen. An diesen Preis heran kommen wohl heute nur ganz wenige Raketenbauer.

        • Der Punkt ist doch eben, dass die Kosten der Rakete bei manchen Anwendungen gar nicht wichtig sind. Hauptsache, sie ist groß. Dann könnte man (Beispiel ISS, JWST) bei der Nutzlast so viel einsparen, dass Zusatzkosten bei der Rakete mehr als aufgewogen würden.

          Ausnahme: Das Startvehikel ist bemannt, wie Space Shuttle oder dieses Skylon-Hirngespinst. Dann kommen alle möglichen Requirements vom Startvehikel, die mit dem, was die Nutzlast braucht, nicht kompatibel sind. Zudem hatte das Shuttle gar keine hohe Nutzlastkapazität und auch keine großen Abmaße der Ladebucht. Bei Skylon wäre es, falls es dazu jemals käme, noch enger.

          • Zitat:

            Der Punkt ist doch eben, dass die Kosten der Rakete bei manchen Anwendungen gar nicht wichtig sind. Hauptsache, sie ist groß.

            Ja, wobei für mich das JWST eine Fehlkonstruktion ist, wenn es allein aus Platzgründen in entfaltbarer Form gebaut wurde und dadurch Milliarden mehr gekostet hat.
            Zudem: Die Start-Kosten dürfen trotzdem nicht so hoch sein wie jetzt für das Space Launch System berechnet. Diese SLS-Startkosten sind besonders hoch wenn man die gesamten Entwicklungskosten miteinbezieht. Zitat:

            During the joint Senate-NASA presentation in September 2011, it was stated that the SLS program had a projected development cost of $18 billion through 2017, with $10 billion for the SLS rocket, $6 billion for the Orion Multi-Purpose Crew Vehicle and $2 billion for upgrades to the launch pad and other facilities ..

            Umgelegt auf den Einzelstart (nicht mehr als 1 Mal pro Jahr) muss man wohl mit Kosten von 1 Milliarde Dollar pro SLS-Start rechnen.

          • Wenn es keine genügend große Rakete für den Hauptspiegel gibt, dann muss halt der Mechanismus her. Das ergibt sich zwingend aus den Anforderungen. Ein Space Shuttle hätte das auch nicht geändert, denn dessen Ladebucht war auch nur 4.5 Meter breit.

            Und egal ob Shuttle oder irgendwelche anderen bemannten, geflügelten, komplett wiederverwendbaren, Single-Stage-to-Orbit-Hirngespinste, die fliegen alle bloß ins niedrige Erdorbit. das heißt, es muss immer noch eine dicke Oberstufe drauf, die erst oben initialisiert wird wie ein eigenständiges Raumschiff. Völliger Unsinn – das macht für die allermeisten Anwendungen gar keinen Sinn und, erzeugt massenhaft Kosten, stellt Zusatzanforderungen an die Nutzlast und wird von keinem Betreiber gewünscht.

            Was das SLS betrifft, augenblicklich sieht es nicht nach einer Startfrequenz von 1/Jahr (eher seltener) und Startkosten von einer Milliarde aus (eher mehr).

  2. In der Raketen-Evolution scheint es eine Tendenz zur 2-Stufigkeit zu geben.
    – Die Ariane 4 war noch 3-stufig, die Ariane 5 und 6 sind 2-stufig.
    – Die Delta IV wird als 2+-stufig beschrieben
    – SpaceX hat nur 2-stufige Raketen
    – Das Space Launch System ist 2-stufig
    – New Glenn ist 2-stufig mit der Option zur 3-Stufigkeit

    Nur gerade die Long March-Familie war – mit Ausnahme der Long March 7 – immer 3-stufig. Theoretisch sollten mehr Stufen Vorteile bringen, doch vielleicht bringt sie auch mehr Komplexität und wie im Artikel hier beschrieben unerwünschte Bauteilvielfalt. In der Konsequenz wird 3-Stufigkeit wegoptimiert und es bleiben nur noch 2-stufige Raketen.

      • Zitat:

        Ich würde die Ariane 5 und 6 nicht als zweistufig einordnen. Ebensowenig SLS.

        Nun, falls man die Booster, welche nach 130 Sekunden abgeworfen werden, ebenfalls als eigene Stufe einstuft, dann ist die Ariane 5 in der Tat nicht 2-stufig. Die Idee der Mehrstufigkeit sind ja zeitlich hintereinander geordnete Schubphasen, wobei nicht mehr benötigte Masse nach Abschluss einer Schubphase abgeworfen wird oder wie in der Wikipedia zu lesen ist:

        Eine Stufenrakete oder Mehrstufenrakete besteht aus mehreren, oft übereinander montierten Raketenstufen abnehmender Größe, bei denen leere Treibstofftanks und nicht mehr benötigte Triebwerke abgeworfen werden, damit diese nicht zusammen mit der Nutzlast weiter beschleunigt werden müssen.

        Da die Booster der Ariane nur 130 Sekunden aktiv sind und dann abgeworfen werden sind sie äquivalent zu obiger Definition einer Stufe, das stimmt.

    • Große Triebwerke haben wegen des anteilig geringeren Reinbungseinflusses an den Innenwänden immer einen Effizienzvorteil.

      Wozu sollte man viele kleine Brennkammern in eine Düse münden lassen? Dann kämen durch die kompliziertere Abgasführung nochmals Strömungsverluste hinzu.

  3. Ohne Schwerlastrakten wie der Falcon Heavy muss man auf anspruchsvolle Missionen wie den Transport von Grosssatelliten, Raumstationsmodulen, Mond- oder Marsrovermissionen verzichten und auch Grossteleskope lassen sich dann nicht mehr kosteneffizient (am Stück) an ihren Bestimmungsort bringen. Schwerlastraketen wie die Falcon Heavy sind also unverzichtbar. Doch zugleich gibt es nur wenige Missionen, die wirklich auf sie angewiesen sind. Das lässt sich auch an den Future Missions von SpaceX ablesen, wo unter der Liste von fast 60 zukünftigen Missionen von SpaceX-Raketen, die Falcon Heavy nur 5 Mal aufgelistet wird. Nun, das kann auch daran liegen, dass es die Falcon Heavy ja noch gar nicht gibt. Zudem kann die Falcon Heavy wie jede Schwerlastrakete, ja mehrere Nutzlasten (eventuell für verschiedene Auftragsgeber) gleichzeitig in einen Orbit katapultieren, etwas was sich allein schon wegen dem geringeren Preis pro transportiertes Kilogramm lohnt. Grossraketen wären so gesehen durch den geringeren Preis pro befördertes Kilogramm und der Möglichkeit der Mehrfachnutzlasten pro Flug immer im Vorteil gegenüber kleineren Raketen. Scheinbar sehen das aber nicht alle Kunden so, zumal sie dann auf einen Startslot warten müssen und ihre Nutzlast eventuell als sekundäre Nutzlast behandelt wird. Die Firma Vector Space Systems sieht hier jedenfalls eine Martklücke. Sie will mit nur gerade maxil 15 Meter hohen Kleinstraketen den Markt für Kleinsatelliten bis 66 kg (Vector-R), respektive 160 kg (Vector-H) erobern, erobern auch mittels eines niedrigen Startpreises von 1.5 Millionen Dollar bis 3 Millionen Dollar. Ähnlich wie Billigfluglinien oft Provinzflughäfen anfliegen um Kosten zu sparen, scheint auch Vector Space Systems (unter anderem) einen abgelegenen Startort zu verwenden: Kodiak Alaska (PSCA).
    Vector Space Systems will gleich mehr als 100 Starts pro Jahr durchführen. Nur wenn sie diese hohe Flugfrequenz erreicht, wird sie überhaupt profitabel werden und den grossen Entwicklungsaufwand wieder einspielen können.

    • Das mit den Nutzlasten für Großraketen ist ein Henne-Ei-Problem. Wenn es keine gibt, entwickeln alle Nutzlasten, bei denen die Masse optimiert und miniaturisiert wird. Daraus könnte man schließen, dass es keinen Bedarf an größerer Nutzlastkapazität gibt – was ich aber für einen Trugschluss halte.

      Es gibt natürlich aber auch kleine Nutzlasten, bei denen es dagegen auf ein zeitnahes Startdatum ankommt – eine Marktnische für Anbieter von Kleinraketen mit niedrigen Preisen und kurzen Vorlaufzeiten.

  4. Es gilt: “Space is an unforgiving and risky business, and accidents happen”, es gilt aber auch: Ohne Risikonahme und Entscheidungen für vielversprechende Neuerungen passiert im Raumfahrtbereich nichts oder es wird alles unendlich langsam.
    Ein Beispiel für das zweite ist das Space Launch System, ein recht konventionelles Grossraketenprojekt der NASA, welches nichts wirklich neues wagt, sondern nur bekannte Technologie in Grossformat lanciert. Und trotzdem (oder gerade deswegen) kommt das Space Launch System nicht vom Fleck. Gerade liest man unter

    NASA Completes Review of First SLS, Orion Deep Space Exploration Mission

    : Während die Überprüfung der möglichen Produktions- und Produktionszeitplanrisiken auf einen Startzeitpunkt von Juni 2020 hinweist, kann die Agentur den Dezember 2019 schaffen “, sagte der amtierende NASA-Administrator Robert Lightfoot. “Da einige der identifizierten Hauptrisiken nicht realisierbar sind, können wir zum Schutz des Datums Dezember 2019 Strategien zur Risikominderung einführen.
    Es wird also bereits wieder eine Verzögerung des Erststarts der SLS in Erwägung gezogen – und dies nachdem die NASA bereits den Wunsch Donald Trumps, die SLS schon 2018 und sogar bemannt fliegen zu lassen, abgeschlagen hatte. Doch sogar der offizielle NASA-Fahrplan für die SLS, welcher eine unbemannte Exploration Mission 1 im Jahr 2018 oder 2019 vorsah, scheint nun in Gefahr und damit wohl auch das Datum der bemannten Exploration Mission 2, welche im Jahr 2022 stattfinden soll.

    • Das Problem ist halt, dass die NASA zwar den Auftrag gekriegt hat, diese Rakete zu entwickeln, und dann auch noch das Orion MPCV, aber nicht ausreichend zusätliche Finanzmittel, um die Entwicklung zu stemmen, und schon gar nicht, um auch noch Missionen damit zu machen.

    • Ich verstehe die Frage nicht wirklich.

      Wenn es darum geht, ob es sinnvoll ist, eine Rakete von einem Flugzeug aus ins Erdorbit zu starten, dann ist die Antwort: Nein, das ist nicht sinnvoll. Nicht in eine niedrige Erdumlaufbahn und schon gar nicht in die geostationäre Transferbahn.

      Siehe auch hier.

  5. Michael Khan,
    wie stehts es mit der Umweltfreundlichkeit? Ist das überhaupt ein Kriterium?
    die Feststoffbooster, womit arbeiten die?

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