SpaceX: Das Starship zeigt Fortschritte und Leistungsprobleme
Beim fünften Flug des Starship(öffnet im neuen Fenster) demonstrierte SpaceX am Sonntag ein erfolgreiches Auffangmanöver der ersten Raketenstufe im ersten Versuch und einen verbesserten Hitzeschutzschild, der den Wiedereintritt mit deutlich kleineren Schäden als beim letzten Versuch überstand. Bei allen Erfolgen wird aber immer offensichtlicher, dass das Starship immer größere Leistungsdefizite hat und derzeit keinerlei Nutzlast in einen Orbit um die Erde befördern und anschließend landen kann. SpaceX hofft, dieses Problem künftig durch bessere Triebwerke und größere Starships zu lösen.
Der Start des fünften Fluges verlief sauber, bis 30 der 33 Haupttriebwerke der ersten Stufe in einer Höhe von 64 km bei einer Geschwindigkeit von 5.270 km/h abgeschaltet wurden. Die Stufentrennung geschah bei Flug 5 damit 4 km niedriger und rund 250 km/h langsamer als bei Flug 4, obwohl damals eines der Triebwerke nach dem Start ausfiel.
Grund für die niedrigere Leistung dürften sowohl Modifikationen der Raketenstufe und des Starship sein, wie der schwerere Hitzeschutzschild mit einer zusätzlichen Schutzschicht, aber auch die längere Flugbahn bis zur Landung an Land. Die Falcon 9 trennt die Oberstufe bei vergleichbaren Manövern übrigens mit etwa 6.250 km/h in 71 km Höhe ab.
Nach der Stufentrennung kehrte die erste Stufe um, wendete, und trat - anders als die Falcon 9 - ohne ein weiteres Bremsmanöver mit den Triebwerken voran wieder in die Erdatmosphäre ein. Zwischen den Triebwerksdüsen befand sich dabei ein Hitzeschutzschild, der vor dem Landeanflug rot glühte. Dieser Schild soll mit den aktiv gekühlten Raptor-3-Triebwerken überflüssig werden.
Die lange Landung verbraucht viel Treibstoff
25 Sekunden vor der Landung zündeten 13 Triebwerke, die die Geschwindigkeit der Raketenstufe in fünf Sekunden von rund 1.200 km/h auf etwa 200 km/h senkte, auch wenn eines der Triebwerke bei dem Manöver versagte. Für die restlichen 20 Sekunden blieben nur die drei zentralen Triebwerke in Betrieb, bauten die Restgeschwindigkeit ab und hielten die Raketenstufe während der restlichen Manöver bis zur Landung in den Fangarmen in der Schwebe. Dabei wurde zunächst absichtlich ein Punkt neben dem Fangturm angesteuert, wohl um Schäden am Turm im Fall von Fehlfunktionen zu vermeiden.
Jede zusätzliche Sekunde im Schweben verbraucht dabei etwa eine Tonne Treibstoff, was dem Starship im Endeffekt jeweils einige Hundert Kilogramm Nutzlast kostet. SpaceX wird also bemüht sein, diesen Teil der Landung künftig zu beschleunigen. Obwohl eine für fast 20 Sekunden auf dem Raketenstrahl schwebende Raketenstufe spektakulär aussieht, ist die Steuerung und Landung dabei letztlich sogar deutlich einfacher als bei der Falcon 9.
Große Raketenstufen landen einfacher
Die Größe und das Gewicht der Raketenstufe des Starship sind hier sogar von großem Vorteil, denn sie erhöhen die Trägheitsmomente und verlängern somit die Reaktionszeiten zum Ausgleich von Ungenauigkeiten oder Fehlfunktionen der Triebwerke. Aus genau dem gleichen physikalischen Grund ist es viel schwerer, einen kleinen leichten Bleistift auf einem Finger zu balancieren als einen großen Besenstiel.
Wie in einem anderen Artikel beschrieben , hat die Falcon 9 hingegen das Problem, dass sie nicht schweben kann und zum Abbremsen, Aussteuern und Landen nur einen Versuch hat - mit einer Toleranz von Sekundenbruchteilen.
Während die Landung an sich ein voller Erfolg war, stellte SpaceX anschließend fest, dass sich die Düsen der äußeren Triebwerke durch die Hitze und aerodynamischen Kräfte des Wiedereintritts verformt haben. Laut Elon Musk soll das leicht zu beheben sein. Für die angestrebte schnelle Wiederverwendung im späteren Flugbetrieb müssen die Düsen jedoch entweder robuster oder kleiner ausgelegt werden, was sie entweder schwerer oder weniger effizient macht.
Gleichzeitig flog das Starship weiter bis in einen flachen "Orbit", dessen tiefster Punkt allerdings 15 km unterhalb der Erdoberfläche lag und so zu einer Landung im Indischen Ozean führte.
Starship fällt mit 57 km/h ins Meer
Der Wiedereintritt verlief nochmals deutlich besser als bei den letzten beiden Flügen. Der zusätzliche Aufwand beim Hitzeschutz zahlte sich aus, auch wenn abermals Teile einer Steuerklappe schmolzen. Das geschah jedoch deutlich später und in kleinerem Umfang als noch beim letzten Versuch.
Schließlich wurden knapp über der Meeresoberfläche bei einer Geschwindigkeit von etwas mehr als 300 km/h die drei zentralen Triebwerke des Starship gezündet, um das Wendemanöver vom horizontalen zum senkrechten Flug und der Landung im Wasser einzuleiten. Das Resultat war eine weitgehend sanfte Landung, auch wenn die großen Kräfte nach dem Umkippen des Starship zu einer Explosion führten, die diesmal von einer am Landeort platzierten Boje gefilmt wurde. Das Starship ist also genau im geplanten Gebiet gelandet.
Ein zweiter Blick auf die Aufnahmen und angezeigte Telemetrie der Landung zeigte aber, dass die Landung mit einer Restgeschwindigkeit von 57 km/h geschah und danach erst vom Wasser schnell auf 0 km/h abgebremst wurde. Die Aufnahmen zeigten keine längere Schwebephase über dem Wasser und wurden durch eine dichte Rußwolke verdeckt. Vermutlich konnten die Treibstofftanks keinen Sauerstoff mehr liefern, was kurz vor dem endgültigen Triebwerksausfall für eine stark rußende unvollständige Verbrennung sorgt.
Das Starship hat keine Leistungsreserve
Das komplexe Wende- und Bremsmanöver vor der Landung des Starship dauerte 13 Sekunden, im Vergleich zu den 20 Sekunden des einfacheren Endmanövers der ersten Stufe. Dabei tragen die Triebwerke des Starship in den ersten Sekunden bis zur Wende nur wenig zum Abbremsen bei, bei hohem Treibstoffverbrauch, zumal es etwa 100 km/h mehr Geschwindigkeit abbauen muss als die erste Stufe.
Insgesamt fehlten dem Starship für ein simuliertes Auffangmanöver mit einigen Sekunden in der Schwebe, je nach Annahmen, etwa sechs bis zehn Tonnen Treibstoff. Es hat also keine Leistungsreserve für einen Flug in einen echten Orbit, eine Nutzlast oder ein Manöver zum Abbremsen aus dem Orbit.
Zusätzlich zu den fehlenden Landereserven deutet auch eine Reihe von Planänderungen auf die Leistungsdefizite hin. Die ursprünglichen Pläne für die ersten Starship-Flüge sahen noch einen Wiedereintritt im Pazifik nahe Hawaii vor. Anders als noch beim zweiten Flug des Starship gab es seitdem keine weiteren Versuche, im Orbit ein Triebwerk zu zünden und den Wiedereintritt aktiv einzuleiten.
Obwohl das Starship vollständig wiederverwendbar sein soll, wird derzeit ein zehn Tonnen schwerer Hitzeschutzschild zwischen erster und zweiter Stufe verbaut, der aus Gewichtsgründen nach der Stufentrennung abgeworfen wird. Noch dazu ist davon auszugehen, dass das Starship nochmals schwerer werden muss, um den unzureichenden Hitzeschutz soweit zu verbessern, dass beim Wiedereintritt keine strukturellen Schäden mehr entstehen.
SpaceX muss also viel mehr tun, als nur die letzten Probleme bei den Landemanövern zu lösen, bis das Starship wirklich einsatzbereit ist.
Größere Starships sollen die Lösung sein
Dabei ist es kein Geheimnis, dass das Starship in der heutigen Form keinerlei Nutzlastkapazität hat. SpaceX sagt das offiziell auch selbst(öffnet im neuen Fenster) , obwohl frühere Angaben von weit über 100 Tonnen Nutzlast ausgingen und Elon Musk nach dem dritten Flug noch von 50 Tonnen Nutzlast sprach.
Anders als ursprünglich geplant, soll nun erst die Starship Version 2 eine Nutzlast von 100 Tonnen haben. Dafür wird sie mit den schubstärkeren Raptor-3-Triebwerken und um 25 Prozent vergrößerten Tanks mit 300 Tonnen mehr Treibstoff ausgestattet sein. Die größeren Tanks werden dabei das Volumen für die Nutzlast verkleinern, was aber keine größere Einschränkung sein dürfte, da sie ohnehin für eine noch größere Nutzlast ausgelegt wurden.
Schließlich ist auch eine stark vergrößerte dritte Starship-Variante mit neun statt nur sechs Triebwerken vorgesehen. Es soll auch eine noch schubstärkere und effizientere Ausbaustufe der Raptor-3-Triebwerke verwenden. Die Treibstoffmenge wird dabei im Vergleich zum aktuellen Starship fast verdoppelt, während die Länge nur um die Hälfte wächst. Damit soll genug Leistungsreserve für 200 Tonnen Nutzlast bestehen.
Größere Starships werden auf jeden Fall besser
Es hängt nun von einer Reihe von Verbesserungen in den Flugmanövern, den Tankstrukturen, den Triebwerken, dem Hitzeschutz und vielen anderen Komponenten ab, ob SpaceX diese Leistungsdaten auch erreichen wird. Verbessern wird sich die Leistung durch die größeren Treibstofftanks in jedem Fall, da die Tankstrukturen ein sehr einfacher und kompakter Teil des Starship sind. Damit tragen sie weniger zum Gesamtgewicht bei als die restlichen Strukturen, womit mehr Gewichtsreserve für eine Nutzlast bleibt.
Die Gründe für die unerwarteten Probleme - das Starship hat zur Zeit eine negative statt einer positiven Nutzlast! - hat SpaceX dabei vor allem selbst zu verantworten. SpaceX hat keine kleineren Prototypen des Starship gebaut, um Erfahrung mit dem Wiedereintritt, den Landemanövern und dem Aufbau der internen Strukturen des Starship zu gewinnen und dessen Leistung zuverlässig abschätzen zu können.
Stattdessen begann der Bau in voller Größe, ohne die endgültigen technischen Anforderungen aus praktischer Erfahrung heraus einschätzen zu können. Die schiere Größe der Starships verzögert dabei auch jede notwendige Änderung in der Konstruktion. Prototypen von großer Technik werden deshalb in kleinerem Maßstab gebaut, weil sie so billiger, leichter und schneller zu modifizieren sind.
Eine herkömmliche Raketenstufe hätte über 150 Tonnen Nutzlast
Problematisch ist auch der unbedingte Drang, die erste Stufe für die Landung von Anfang an zurück zum Startturm zu fliegen. Bei der Landung im Ozean erfolgt die Stufentrennung der Falcon 9 mit über 8.000 km/h, statt der nur rund 5.000 km/h beim Starship. Der Verlust an Nutzlast dadurch liegt in der Größenordnung von 50 Tonnen, bei den größeren Varianten ist er noch höher. Genaue Angaben sind unmöglich, weil SpaceX keine Gewichtsangaben zum Starship liefert.
Durch die fehlenden Gewichtsangaben oder detaillierteren Aussagen von SpaceX lässt sich auch kaum einschätzen, in welchen Bereichen die größten Defizite entstehen und wie weit genau sie durch bessere Triebwerke und größere Tanks ausgeglichen werden können. Wiederverwendbare Raketen und Raumschiffe sind durch die zusätzlichen Rückkehr- und Landemanöver nicht nur wesentlich komplexer zu berechnen, sondern bieten auch deutlich mehr Potenzial für Leistungsverluste oder entsprechende Leistungsverbesserungen.
Es besteht übrigens keine Frage, dass SpaceX eine einfache Oberstufe ohne Wiederverwendung für die erste Raketenstufe des Starship bauen kann. Eine 1.400 Tonnen schwere Oberstufe mit Raptortriebwerken - was ungefähr der Masse des voll getankten Starship entspricht - benötigt etwa 1.175 Tonnen Treibstoff, um mit 5.000 km/h Startgeschwindigkeit in einen niedrigen Erdorbit zu gelangen. Bei einem gut erreichbaren Leergewicht von 50 bis 75 Tonnen für die einfache Raketenstufe bleiben dann 150 bis 175 Tonnen für die Nutzlast übrig.
Zu viel Zeitdruck führt zu Verspätung
Diese Rechnung zeigt, wie sehr sich SpaceX beim notwendigen Zusatzgewicht für den Hitzeschutz, die Steuerklappen, bei den internen Tankstrukturen, der integrierten und wiederverschließbaren Nutzlastverkleidung, dem Effizienzverlust durch die drei Landetriebwerke und dem Treibstoffbedarf für die Rückkehr aus dem Orbit und die anschließende Landung verschätzt haben muss. Dabei stehen noch immer alle Modifikationen aus, um eine zuverlässige und schnelle Wiederverwendung mit minimalen Wartungsarbeiten zu ermöglichen, die keinesfalls zu einer überraschenden Gewichtsreduktion führen werden.
Das liegt nicht an mangelnden geistigen Fähigkeiten von Ingenieuren bei SpaceX, sondern an fehlender Erfahrung durch fehlende Prototypen, die wegen zu großem Zeitdruck nicht gebaut wurden. Dieser Zeitdruck kam von Elon Musk. Die fehlende Zeit für die Prototypen wird SpaceX nun nicht nur viel mehr Geld, sondern wahrscheinlich auch viel mehr Zeit als eine gut vorbereitete Entwicklung des Starship kosten.