Space X: Falcon, warum hast du so viele Triebwerke?
Die Landung der ersten Stufe der Falcon 9 hat heute Geschichte geschrieben . Um überhaupt eine Chance zu haben, diese Rakete zu landen, durfte nur noch eines der neun Triebwerke laufen. Aber die Idee hinter den neun Triebwerken ist noch älter. Es gab sie auch schon, als man noch glaubte, die Falcon 9 an einem Fallschirm im Meer landen zu können. Sie sollten die Rakete zuverlässiger und wirtschaftlicher machen.
Eine Rakete besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Tanks, Triebwerken und Nutzlast. Dazu kommt noch die Steuerung. Das teuerste und wichtigste Teil sind immer die Triebwerke der Stufe, nicht nur in der Herstellung, sondern auch in der Entwicklung. Genau hier setzte das private Raumfahrtunternehmen Space Exploration Technologies(öffnet im neuen Fenster) (SpaceX) auf einen neuen Ansatz.
Raumfahrt ist konservativ
Hinter jedem Raumfahrtprogramm steht eine lange Reihe von schmerzhaften Fehlern. Die Lektionen aus diesen Fehlern sind teuer erkauft. Entsprechend ist kaum eine Branche so konservativ wie die Raumfahrt. Wenn eine Technik einmal erprobt ist, wird sie in kleinen Schritten weiterentwickelt und oft noch Jahrzehnte benutzt. Verschiedene Varianten von RL-10-Triebwerken wurden in den USA schon vor dem Apollo-Programm benutzt. Die Oberstufen der Atlas-V(öffnet im neuen Fenster) - und Delta-IV(öffnet im neuen Fenster) -Raketen benutzen es bis heute, und auch die letzte Stufe der neuen Schwerlastrakete Space Launch System(öffnet im neuen Fenster) (SLS) wird mit RL-10-Triebwerken betrieben.
In Europa ist es nicht anders. Das erste HM-7-Triebwerk wurde 1973 für die Ariane 1 entwickelt und 1983 zum HM-7B verbessert. Seitdem wurde das Triebwerk in der Ariane 2, 3, 4 und 5(öffnet im neuen Fenster) benutzt. Das letzte HM-7B dürfte wohl vier Jahrzehnte nach dem ersten Flug, im Jahr 2023, mit der letzten Ariane 5 fliegen. Nach derzeitiger Planung soll sie erst dann endgültig durch die Ariane 6 abgelöst werden.
Der Grund dafür ist, dass praktisch jedes neue Triebwerk Anfangsschwierigkeiten hat. Für die Ariane 1 bis 4 wurden über 1.000 Viking-Triebwerke hergestellt. Im zweiten Flug der Ariane 1 versagte eines davon. Es war das einzige, das jemals aus technischen Gründen versagte. Diese Zuverlässigkeit war auch nötig. Die Ariane 4 benutzte bis zu neun Viking-Triebwerke – vier in der ersten Stufe, eines in der zweiten und jeweils eines in den bis zu vier Boostern. Keines dieser Triebwerke durfte ausfallen, oder die Mission würde scheitern.
Ein 99-prozentiges zuverlässiges Triebwerk würde schon etwa jede elfte Mission scheitern lassen. Ohne eine Zuverlässigkeit in der Größenordnung von 99,9 Prozent sind regelmäßige Fehlstarts nicht zu vermeiden. Die Triebwerke mussten also noch viel zuverlässiger sein, und tatsächlich waren sie das auch. Kein Wunder also, dass noch heute Viking-Triebwerke unter der Bezeichnung Vikas in indischen PSLV(öffnet im neuen Fenster) - und GSLV-Raketen(öffnet im neuen Fenster) benutzt werden.
Kleine Stückzahlen brachten hohe Preise
Trotzdem ist der Zwang zu einer hohen Zuverlässigkeit unangenehm. Es braucht großen Aufwand und ständige Aufmerksamkeit in allen Details. Deshalb wurden immer größere Triebwerke entwickelt. Es setzte sich die Ansicht durch, dass man die Zahl der Fehlerquellen reduzieren sollte, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Nur die einfach aufgebauten Feststoffbooster wurden weiter in großer Zahl benutzt.
Im Militär wurde diese Technik in so großer Zahl eingesetzt, dass sie als nahezu perfekt angesehen wurde. Abgesehen von den Feststoffboostern bestanden die meisten westlichen Raketen bis vor kurzem nur noch aus zwei Triebwerken: einem großen Triebwerk in der unteren Stufe und einem kleinen in der oberen Stufe. Warum genau sich dieser Ansatz durchgesetzt hat, ist aber unklar. Schließlich hatte sich bei der Ariane 4 der Ansatz mit mehreren Triebwerken pro Stufe als durchaus zuverlässig und kostengünstig erwiesen.
Der Ansatz der wenigen, großen Triebwerke hat dabei einen Nachteil. Er führt zu außerordentlich kleinen Stückzahlen. Für die Ariane 5 wird nur etwa alle zwei Monate ein HM7B- und ein Vulcain-2-Triebwerk gebaut. Alle Anlagen, Werkzeuge, Dokumente und Teststände dafür werden sechsmal im Jahr benutzt. Automatisierung geschieht deshalb nur dort, wo es die Präzision erfordert. Für sechs Triebwerke pro Jahr wird kein Montageroboter entwickelt, wenn Techniker den Arbeitsschritt mit einigen Tagen Arbeit von Hand erledigen können.
Entsprechend hoch sind die Kosten pro Triebwerk und entsprechend großer Aufwand muss betrieben werden, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Tatsächlich gibt es einen Film der Sendung mit der Maus, in der dieser Prozess gezeigt wird – in dem unter anderem drei Ingenieure über 500 Einspritzdüsen von Hand unter Reinraumbedingungen einschrauben. Seit 2001 wurden 58 Vulcain-2-Triebwerke für die Ariane 5 gebaut und geflogen. Davon versagte eines gleich beim ersten Flug und zerstörte eine Nutzlast im Wert einiger Hundert Millionen Euro.
Viele Triebwerke können trotzdem zuverlässig sein
Aber es gibt noch einen anderen Ansatz, der von SpaceX wieder eingeführt wurde. Die Falcon 9 benutzt zehn identische Merlin-1D-Triebwerke, neun davon in der ersten Stufe und eins in der zweiten – genauso wie die Electron von Rocketlabs . Die Firefly Alpha soll sogar zwölf identische Triebwerke in der ersten Stufe haben. Überschätzen diese Firmen die Zuverlässigkeit ihrer Triebwerke? Nein. Denn sie müssen gar nicht so zuverlässig sein.
Die Reduzierung der Fehlerquellen ist nicht die einzige Möglichkeit, die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Saturn V hatte zum Beispiel jeweils fünf Triebwerke in der ersten und zweiten Stufe. Aber sie waren in der Lage, den Ausfall eines Triebwerks zu verkraften, wenn er nicht zu früh passierte. Das verändert die Lage drastisch. Wenn keins der fünf Triebwerke ausfallen darf, führt ein 99-prozentig zuverlässiges Triebwerk zu einer Erfolgsquote von 95,1 Prozent. Wenn aber ein Triebwerk ausfallen darf, dann steigt die Erfolgsquote sogar, hier wären es 99,9 Prozent.
Das ist natürlich nur die Theorie. In der Praxis darf der Ausfall eines Triebwerks nicht zum Ausfall weiterer Triebwerke führen. Sonst funktioniert dieses Rechenbeispiel nicht. Wenn sich eine der leistungsstarken Turbopumpen durch Materialfehler selbst zerlegt, können auch angrenzende Triebwerke beschädigt werden. Deshalb müssen stabile Trennwände aus Kevlar und anderen Materialien eingebaut werden, um mögliche Trümmerstücke aufzuhalten. Genau das ist beim vierten Flug der Falcon-9-Rakete passiert. Eines der älteren Merlin-1C-Triebwerke versagte, aber die Rakete setzte ihre Mission erfolgreich fort. Wegen der größeren Gravitationsverluste brauchte sie dabei aber ihre Treibstoffreserve auf. Bei den neueren Raketen dient dafür im Notfall der Treibstoff, der eigentlich für die Landung vorgesehen ist.
Zuverlässige Triebwerke reichen nicht
Auch außerhalb der Triebwerke darf es nicht zu Fehlern kommen. Je mehr Triebwerke in einer Raketenstufe verbaut werden, desto größer wird die Komplexität der Konstruktion. Diese Komplexität und ein schlechtes Beispiel brachte den Konstruktionsansatz für Jahrzehnte in Verruf. Die sowjetische Mondrakete N-1(öffnet im neuen Fenster) hatte nicht weniger als 30 Triebwerke in der ersten Stufe. Auch dort konnten einzelne Triebwerksausfälle kompensiert werden. Aber die Zeit reichte beim Wettlauf zum Mond nicht für eine sorgfältige Kontrolle der Konstruktion aus. Vor allem die Treibstoffleitungen bereiteten Probleme, so dass die Rakete bei jedem der vier Flugversuche versagte.
SpaceX hatte den Mut, das Konzept trotzdem umzusetzen. Im Gegenzug musste für die Falcon 9 nur ein Triebwerk entwickelt werden, damit die Produktion weitgehend automatisiert werden kann. Zusätzlich wirkt sich jede Verbesserung dieses Triebwerks sofort auf beide Stufen aus, ganz anders als bei der Ariane 5 oder 6. Dort müssen Booster, Haupttriebwerk und Oberstufentriebwerk jeweils getrennt weiterentwickelt werden.
Seit dem ersten Flug der Falcon 9 v1.1 im September 2013 hat SpaceX 150 Merlin-1D-Triebwerke verwendet. Dafür mussten jede Woche ein bis zwei neue Triebwerke von der Produktionsstraße laufen. Tatsächlich muss die Produktion noch höher gewesen sein, denn ohne den Fehlstart im Juni hätte die Startrate dieses Jahr noch deutlich höher gelegen. Mit Hunderten produzierten Triebwerken hat SpaceX nicht nur schneller Erfahrung gesammelt, es lohnte sich auch, in Automatisierung zu investieren. Beides senkt die Produktionskosten und erhöht die Zuverlässigkeit, zumal es keine zweite Produktionsstrecke für ein kleines Triebwerk in der oberen Stufe gibt. Alles in allem wenig überraschend, wie man aus Erfahrung von der Ariane 4 weiß.
Jedes Teil der Rakete muss zuverlässig sein
Der Absturz der Falcon-9-Rakete im Juni zeigt aber auch, dass eine Rakete nicht nur aus Triebwerken besteht. Es muss die Zuverlässigkeit in wirklich allen Teilen gewährleistet sein, und SpaceX muss jetzt unter Beweis stellen, dass es auch dazu in der Lage ist. Trotzdem wurde auf der Suche nach Zuverlässigkeit in der Raumfahrt ein neuer Lösungsweg gefunden. Es scheint, als könnte das Unternehmen mit niedrigeren Kosten die gleiche Zuverlässigkeit erreichen, und genau das macht die Entwicklung der Raumfahrt in diesen Jahren so interessant.
Allerdings: Wenn Triebwerke wiederverwendet werden, werden auch die Produktionszahlen sinken – wenn es nicht zu einer massiven Steigerung des Bedarfs an Raketenstarts kommt. Das Erfolgskonzept der Falcon 9 könnte sich also selbst im Weg stehen. Allerdings arbeitet SpaceX auch längst an einer neuen Generation von "Raptor"-Triebwerken, die wesentlich aufwendiger gestaltet sind als die Merlins der Falcon 9. Sie sollen in Zukunft eine Rakete antreiben, die derzeit nur unter dem Kürzel BFR bekannt ist. Big Fucking Rocket.