Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/falcon-9-wiederverwendung-von-raketen-kostet-leistung-1707-128989.html    Veröffentlicht: 19.07.2017 09:14    Kurz-URL: https://glm.io/128989

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.

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.

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.

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.

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.  (fwp)


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