Schnelle Landungen sparen Treibstoff

Solange sich die Raketenstufe in der Erdatmosphäre im freien Fall befindet, gleichen sich Luftreibung und Erdanziehung gegenseitig aus, so dass die Raketenstufe eine konstante Fallgeschwindigkeit erreicht. Wenn sie von den Raketentriebwerken abgebremst wird, fällt dieser Effekt zunehmend weg. Anstatt der Luftreibung müssen die Triebwerke die Erdanziehung ausgleichen. Deshalb kann eine möglichst schnelle Bremsung Treibstoff sparen.

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Bei der Landung nach dem Start von BulgariaSat-1 benutzte die Stufe drei Triebwerke statt nur einem. Das spart Treibstoff, aber macht die Steuerung schwieriger. Der Schub eines Triebwerks lässt sich nicht perfekt einstellen, und der Zeitpunkt des Abschaltens der Triebwerke muss noch präziser kontrolliert werden, sonst hebt die Rakete wegen des hohen Schubs nach dem Aufsetzen sofort wieder ab oder stürzt ohne Schub ab.

Die Landung nach dem BulgariaSat-1-Start brauchte dann auch die Reserven der Stoßdämpfer fast völlig auf. Beim Versuch einer ähnlichen Landung im Juni 2016 lieferte eines der drei Triebwerke nicht genug Schub und die Rakete stürzte ins Meer. Immer noch ein besseres Ergebnis als beim ersten Versuch einer Landung mit drei Triebwerken im März 2016, als die abstürzende Raketenstufe ein Loch ins Deck des Landeschiffs schlug. Der eingesparte Treibstoff ist offensichtlich den Aufwand wert.

Falcon 9 bekommt besseren Hitzeschutz

Um noch mehr Treibstoff einzusparen, versucht SpaceX die Raketenstufe hitzebeständiger zu machen. So werden die Gitterflossen nicht mehr aus Aluminium, sondern aus Titan gefertigt. Bei hohen Geschwindigkeiten fing das Aluminium an zu glühen, weil das Metall bei den hohen Temperaturen an der Luft teilweise verbrannte. Die Flossen konnten so nicht wiederverwendet werden.

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SpaceX plant, die Falcon 9 noch weiter zu verbessern, um sie öfter wiederverwenden zu können. Derzeit fliegt die dritte Generation der Falcon 9. Im August soll die erste Rakete der vierten Generation mit verbesserten Triebwerken fliegen. Sie soll ein Zwischenschritt zur Einführung der fünften Generation am Ende des Jahres sein, die auf schnellstmögliche Wiederverwendung optimiert wird. So sollen zum Hitzeschutz auch beim Rest der Raketenstufe beständige Materialien zum Einsatz kommen. Derzeit ist der Hitzeschutz ablativ. Er verkohlt und verbrennt beim Wiedereintritt. Die Aufarbeitung ist entsprechend aufwendig.

Höhere Wiedereintrittsgeschwindigkeiten wären hilfreich, um noch mehr Treibstoff zu sparen, aber dabei kommt das Konzept der Falcon 9 an Grenzen. Zuerst musste die Falcon 9 als herkömmliche Rakete wirtschaftlich sein, ohne Wiederverwendung, und wurde darauf optimiert. Neuere Konzepte, wie die New Glenn von Blue Origin, benutzen kleine Tragflächen, um zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen. Dadurch dringt die Raketenstufe später in tiefere Luftschichten ein. Sie wird also über längere Zeit abgebremst, was die Spitzentemperaturen reduziert.

Durch Optimierung wird Wiederverwendung zur Pflicht

Mit den effizienteren Methantriebwerken im Hauptstromverfahren kann die erste Stufe der New Glenn noch höhere Geschwindigkeiten erreichen. Sie muss deswegen noch größere Belastungen aushalten können. Die Struktur der Rakete muss von Anfang an für die Wiederverwendung ausgelegt werden. Das erfordert stabilere Strukturen und zusätzliches Gewicht, das eine Einwegrakete nicht hätte.

Bei der Falcon 9 besteht das zusätzliche Gewicht hauptsächlich aus Treibstoff. Das Gewicht wird damit vergleichsweise ineffizient genutzt, aber SpaceX kann jederzeit entscheiden, wofür der Treibstoff genutzt wird. Bei der Fehlfunktion eines Triebwerks kann er als Reserve dienen, um trotzdem noch das Missionsziel zu erreichen. Je mehr die Rakete für die Wiederverwendung optimiert wird, desto größer wird der zusätzliche Aufwand und das zusätzliche Gewicht der Raketenstufe. Die Wiederverwendung ist dann keine Option mehr, sondern Pflicht, weil der Verlust der Raketenstufe schlicht zu teuer wäre.

Zur Zeit sind Raketenstufen von SpaceX die einzigen, die nach Satellitenstarts wiederverwendet werden. Die Aufarbeitung benötigt bei der dritten Generation der Falcon 9 noch mehrere Monate. Zumindest die russische Konkurrenz von Roskosmos ist davon wenig beeindruckt und will mit den Preisen von SpaceX konkurrieren. Auch die neue Ariane 6 der ESA soll im Jahr 2023 die Ariane 5 ohne wiederverwendbare Komponenten ablösen. Ähnlich wie andere staatliche Organisationen plant die Esa den Einsatz neuer Technologien erst für die 2030er Jahre. SpaceX hat sich dagegen zum Ziel gesetzt, die erste Stufe der Falcon 9 noch vor 2020 innerhalb von 24 Stunden auftanken und wieder starten zu können.

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 Falcon 9: Wiederverwendung von Raketen kostet Leistung
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Frank... 20. Jul 2017

Deswegen schrieb ich auch: "Bei hohen Geschwindigkeiten fing das Aluminium an zu glühen...

Quantium40 20. Jul 2017

Die Chinesen waren allerdings erst die Dritten, die auf die glorreiche Idee gekommen...

S-Talker 19. Jul 2017

Der Verschleiß ist eingeplant ist und kann auch überwacht werden. Neue Teile haben...



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