Falcon 9: Wiederverwendung von Raketen kostet Leistung

Die Wiederverwendung von Raketenstufen ist bei SpaceX fast Alltag geworden. Aber sie bringt Verluste mit sich und ist nicht immer möglich.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 19. Juli 2017, 9:14 Uhr

Die erste wiederverwendete Raketenstufe von SpaceX bei ihrer zweiten Landung (Bild: SpaceX)

Zehn Falcon-9-Raketen hat SpaceX in diesem Jahr bereits gestartet, sechs davon allein seit dem 1. Mai. Damit hat SpaceX fast ein Viertel der 45 Raketenstarts weltweit durchgeführt. Die Landung von Raketenstufen ist inzwischen ein so häufiger Anblick geworden, dass er kaum noch eine Nachricht wert ist. Der letzte Fehlschlag einer Landung liegt über ein Jahr zurück. Aber egal, wie sehr SpaceX das Landeverfahren noch verbessert, Leistungsverluste sind nicht zu vermeiden.

Deshalb landet SpaceX auch nicht jede Raketenstufe. Am 5. Juli startete der Satellit Intelsat 35e. Mit 6,7 Tonnen war er so schwer, dass eine Landung der ersten Stufe anschließend unmöglich war. Es war die dritte solche Mission in diesem Jahr. Für die Landung muss die Rakete auf einiges an Leistung verzichten, abhängig davon, wo und wie die Raketenstufe landet.

Wiederverwendung kostet bis zu einen Kilometer pro Sekunde

Der Hauptteil der Verluste entsteht durch den zusätzlichen Treibstoffverbrauch. Je nach Landeort und Landeverfahren müssen die Triebwerke noch zwei- oder dreimal gestartet werden. Die Telemetrie der Raketen beim Start gibt einen guten Einblick, wie groß diese Verluste sind. Ohne Wiederverwendung erreicht die erste Stufe etwa 2,7 Kilometer pro Sekunde, mit Landung im Meer sind es 2,3 km/s und mit der Rückkehr zum Startplatz nur noch 1,7 km/s. Den fehlenden Rest muss die zweite Stufe ausgleichen und kann damit weniger Nutzlast in den Orbit bringen.

Ein offensichtlicher Verlust entsteht durch die zusätzlichen Bauteile, die für eine Landung benötigt werden. Genaue Zahlen liefert SpaceX zwar nicht, aber die ausklappbaren Landebeine, die Gitterflossen und die Steuerdüsen zur Lagekontrolle mit ihren Drucktanks wiegen zusammen mehrere Tonnen. Bei Starts wie dem von Intelsat 35e und ähnlichen Missionen verzichtet SpaceX darauf, um die Leistung zu maximieren.

Besonders viel Treibstoff benötigt die Rückkehr der Raketenstufe zum Startplatz. Dazu muss direkt nach der Abtrennung der Oberstufe die untere Raketenstufe abgebremst und in Gegenrichtung beschleunigt werden, damit sie zurückkehren kann. Ohne die Oberstufe müssen etwa 125 Tonnen weniger Masse beschleunigt werden, was die Rückkehr überhaupt erst möglich macht.

Raketenstufen müssen abbremsen zum Wiedereintritt

Anschließend führt die Raketenstufe die Manöver zum Wiedereintritt und zur eigentlichen Landung durch, genauso wie bei einer Landung im Meer. Vor dem Rücksturz zur Erde muss die Falcon 9 abgebremst werden, damit sie nicht durch die Hitze der Luftreibung zerstört wird. Dabei ist die Luftreibung an sich gut. Sie bremst die Raketenstufe ohne jeden Treibstoffverbrauch ab.

Wie stark sich die Raketenstufe aufheizt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören neben der Geschwindigkeit auch Masse, Form und aerodynamischer Auftrieb. Je schwerer die Stufe ist, desto mehr kinetische Energie hat sie, und desto langsamer wird sie von der Luftreibung abgebremst. Sie dringt mit höherer Geschwindigkeit in tiefere Luftschichten ein und wird so stärker aufgeheizt. Ein besserer Hitzeschutz bringt aber im allgemeinen mehr Masse mit sich, wodurch je nach technischem Stand ein optimaler Kompromiss gefunden werden muss.

Zur Masse der Raketenstufe gehört aber auch der Treibstoff, der am Ende für das eigentliche Landemanöver benötigt wird. Das Landemanöver hat deshalb Auswirkungen auf alle Manöver davor und sollte möglichst schnell und mit möglichst wenig Treibstoff durchgeführt werden. Je mehr Schub die Rakete bei der Landung verwendet, desto weniger Treibstoff benötigt sie. Das liegt an den Gravitationsverlusten.

Die Triebwerke müssen nicht nur die Raketenstufe abbremsen, sondern auch die Beschleunigung durch die Erdanziehung ausgleichen.