Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Machen wir dochmal eine kleine Rechnung!

Annahmen Gridfin:
Querschnittsfläche 1m^2
Auftriebskoeffizient 1
Dichte Luft 0.018 kg/m^3 in 30km Höhe
Geschwindigkeit Mach 3 = 1000 m/s
Fins 2

F=2*0.5*cl*A*rho*v^2=2*0.5*1*1*0.018*1000^2=2*9000 Newton = 18 kN!

Die Stufe wiegt am Ende vielleicht noch so 20.000 kg, entspricht 200kN. Sehr grobe Abschätzung Anstellwinkel der Stufe damit:
alpha=arctan(18/200) = ca. 5°!

Man sollte die Kraft der Luft nicht unterschätzen....

Ned schlecht Herr Specht, äh.. tobi

Man sollte die Kraft der Luft nicht unterschätzen....

Auch von mir Dank dafür. Es zeigt, daß man sich da nicht auf das Bauchgefühl verlassen kann. 5° Anstellwinkel sollten für erhebliche Kurskorrekturen reichen. Mehr will man wohl auch nicht, damit die Belastung der Tankstruktur nicht zu groß wird.

Mir fehlt noch das Gefühl dafür, wie genau man mit den Triebwerken alleine für den Rückflug das Ziel schon ansteuern kann. Ideal wäre es, wenn man per Schub zu kurz zielen kann, um dann per aerodynamischer Steuerung den Punkt anzusteuern. Wind als Fehlerquelle kommt dazu, das muß vielleicht auch einkalkuliert werden, soweit bekannt. Das würde der FAA die Zustimmung sicher  erleichtern. Die Positionsbestimmung mit einer Kombination von Trägheitssteuerung und GPS dürfte schon sehr genau sein, also auch die Messung, wieviel Beschleunigung der Schub geleistet hat.

GPS ist hier sogar recht gut geeignet, da man ja weiss wo man hin will - da bekommt man dann mit Referenzsender/empfängern am Landeplatz und Differential-GPS potenziell Positioniergenauigkeiten im Zentimeterbereich für den Endanflug und Landung hin.

Ich meinte, wenn man weiß, wo man ist und wo man hinwill, wie genau kriegt man es mit einem Triebwerksschub hin, die richtige Flugkurve zu treffen? Im Idealfall genau genug, daß man etwas zu kurz zielen kann und den Rest dann aerodynamisch korrigiert. Das würde ein überschießen des Ziels fast ausschließen.

Moin,

bitte nicht vergessen: es geht beim Rückschub nicht nur um "zu kurz" oder "zu weit", sondern ebenso um "links" und "rechts".

Wenn ich mit einem einzelnen Schubmanöver aus (angenommen) 100 km Entfernung einen Landeplatz von (angenommen) 100 m Breite treffen will, darf die seitliche Ablage nicht mehr als +- 0,03° betragen. Liege ich nur um 1° daneben, komme ich schon 1,8 km seitlich herunter.

Eine solche Genauigkeit ist sicher nicht unmöglich, aber es wird noch ziemlich spannend...

Gruß
roger50

Ich zweifle nicht daran, daß man mit Hilfe dieser Grid Fins auf einer Briefmarke runterkommen kann. Nur wie genau schaffen es die Triebwerke alleine? Ich hoffe auf unter 1km, weiß es aber nicht. Je genauer, umso leichter wird es, von der FAA eine Genehmigung zu bekommen.

Moin,

um die Seitenablage nach dem Back-Boost und vor dem Eintritt in die dichteren Atmosphärenschichten "relativ" gering zu halten, müßten die Triebwerke der Stufe unterschiedlich regelbar sein. Also z.B. links mehr Schub als rechts. Und die Stufe muß zuvor wissen, in welche Richtung sie fliegen soll, also ihre momentane Position relativ zum Landeplatz exakt kennen. Diese Info muß dann in entsprechende Schubkommandos umgesetzt werden.

Inwieweit das Kontrollsystem der Stufe das jetzt oder naher Zukunft schon kann, weiß ich natürlich nicht. Wie ich schon schrieb: "...es wird noch ziemlich spannend."

Gruß
roger50

Moin,

um die Seitenablage nach dem Back-Boost und vor dem Eintritt in die dichteren Atmosphärenschichten "relativ" gering zu halten, müßten die Triebwerke der Stufe unterschiedlich regelbar sein. Also z.B. links mehr Schub als rechts. Und die Stufe muß zuvor wissen, in welche Richtung sie fliegen soll, also ihre momentane Position relativ zum Landeplatz exakt kennen. Diese Info muß dann in entsprechende Schubkommandos umgesetzt werden.

Inwieweit das Kontrollsystem der Stufe das jetzt oder naher Zukunft schon kann, weiß ich natürlich nicht. Wie ich schon schrieb: "...es wird noch ziemlich spannend."

Gruß
roger50

In der Phase machen das die Kaltgasdüsen, wenn die Atmosphäre zu dünn sein sollte für die Grid Fins. Die Triebwerke arbeiten da nicht.

Es wird so aussehen, daß die Stufe mit Kaltgasdüsen umgedreht wird, so daß die Triebwerke das Boost Back machen können. Dann nochmal drehen mit den Kaltgasdüsen, daß die Stufe mit den Triebwerken voran fliegt. Danach sollten selbst so weit oben die Grid Fins genügen, um die Lage zu halten, wenn auch vielleicht noch nicht genug, um aktive Steuerung zu ermöglichen.

Hallo,
ich habe hier einen Artikel, der für Neueinsteiger ganz gut geeignet ist. Darin wird zunächst auf SpaceX abgestellt mit dem hier diskutierten Thema der Wiederverwendbarkeit von Raketen. Es wird da auch mal die Historie bis zu aktuellen Themen dargestellt. Ich habe nach dem Lesen sogar mitbekommen, warum es jetzt keine Grasshopper-Videos mehr gibt, einfach abgeschlossen, eingestellt und weiterentwickelt.
*eine Frechheit - sowas zu machen ohne mir Bescheid zu sagen  *

Aber da bekommen die Themen zur  F9R bzw. der "ersten Stufe der Falcon 9v1.1" erstmal einen Sinn...!

Zum anderen wird auch dargestellt, dass die Idee von wiederverwendbaren Raketen keineswegs neu ist (DC-X, DC-XA, New Origin, Space-Shuttle, ...).

Lange Rede kurzer Sinn, es gibt verschiedene Videos und weiterführende Links und das ist der Artikel (sozusagen als Klammer zum Thema für Newbies).

http://www.golem.de/news/spacex-die-rakete-wird-recycelt-1406-107430.html

VG, firelion

um die Seitenablage nach dem Back-Boost und vor dem Eintritt in die dichteren Atmosphärenschichten "relativ" gering zu halten, müßten die Triebwerke der Stufe unterschiedlich regelbar sein. Also z.B. links mehr Schub als rechts.

Das glaube ich nichtmal. Dafür müsste schon die Bewegung der Düsen ausreichend sein. Grasshopper zeigt das ja eindrucksvoll.

Grasshopper kann bestenfalls nur ein paar hundert Meter mit dem Triebwerk kompensieren, was ist, wenn man beim Boostback ein paar Kilometer daneben zielt? Dafür braucht man die aerodynamische Steuerung.

Grasshopper kann bestenfalls nur ein paar hundert Meter mit dem Triebwerk kompensieren, was ist, wenn man beim Boostback ein paar Kilometer daneben zielt? Dafür braucht man die aerodynamische Steuerung.

Ja, das Problem ist eben, daß die Triebwerke nur sehr kurze Zeit laufen. In der sehr langen Phase danach bis zur Landung muß es eine Steuerungsmöglichkeit geben. Kaltgasdüsen haben nur begrenzte Kapazität. Dracos will man nicht, weil die hypergolen Treibstoff brauchen. Da sind die Klappen - Grid Fins eine gute Lösung. Die sind erprobt und bewährt, nur nicht an Raketen.

So hier mal was interessantes:
http://www.parabolicarc.com/2014/06/18/china-recover-booster-stages/

Die Chinesen wollen ihre Boosterstufe jetzt auch bergen, mit einem Paraglider. Zumindestens gibt es Überlegungen.

SpaceX hatte ja auch mal Fallschirme, aber das hat nicht funktioniert, weil die erste Stufe zu schnell wurde und beim Wiedereintritt zerlegt wurde. Daher ja jetzt die Triebwerke zum abbremsen und nach dem Boostback dürfte die Stufe deutlich langsamer sein als vor der Stufentrennung.

Grasshopper kann bestenfalls nur ein paar hundert Meter mit dem Triebwerk kompensieren, was ist, wenn man beim Boostback ein paar Kilometer daneben zielt? Dafür braucht man die aerodynamische Steuerung.

Ja, das ist klar. Das meinte ich auch nicht. Ich wollte nur sagen, dass die Steuerung grundsätzlich nicht durch unterschiedlichen Schub der verschiedenen Treibwerke erreicht wird, sondern durch Schwenken. Bzw. genauer gesagt ist das Schwenken als solches dafür völlig ausreichend.

Da die neuen Konzepte der Europäer ja eine Antwort auf die Herausforderung durch SpaceX darstellen, muss man genau das genau in dem Kontext beurteilen.

Alles was derzeit an Verbesserungen im System Ariane angedacht ist, hilft aber nur solange, bis SpaceX die Wiederverwendung der Startstufen im Griff hat.
Selbst bei der F9 ohne Booster gibt es neunmal mehr Merlin 1D Triebwerke als in der zweiten Stufe und die Tanks sind auch erheblich größer, also wird diese sicher über 80% von der Rakete kosten, oder um es anders auszudrücken sinken die Hardwarekosten bei zehnfacher Wiederverwendung eine F9 Hauptstufe auf 18%.

Ich frage mich was man sich in Europa, trotz all den neuen Konzepte, denkt wie man dann noch mithalten kann?
Nun vielleicht lässt man sich ja von ein paar Experten beraten die sich 100% sicher sind das SpaceX das eh nicht hin bekommt?

Dumm nur es SpaceX gelingt.
Mein Tipp: SpaceX bekommt es bis Ende 2015 sicher hin und die neuen Konzepte der Europäer wandern bis 2017 in den Müll.
Nicht das ich denke die Konzepte wären nicht sinnvoll gewesen nur warum erst heute?
Man wusste doch schon lange das es Verbesserdungspotential gibt, lieber finanziert man jahrzehnte lang schlechte Konsenslösungen,
anstatt der Konkurrenz jahrzehnte technisch und wirtschaftlich voraus zu sein.
Wo ich mir aber ziemlich sicher bin, an unseren Ingenieuren liegt es sicher nicht.

Man wird aber irgendwann Aufwachen, wie das damals beim Airbus gemacht wurde um nicht weiter von Boeing & Co. Abhängig zu sein.

Zitat von: Rugoz am 26. Juni 2014, 16:22:23

Zitat von: tobi am 26. Juni 2014, 16:10:15

Die Ariane 6 kann z.B. nicht ohne Booster abheben, das könnte ein potentielles Hindernis für bemannte Raumfahrt darstellen.

Wie bitte? A5 kann auch nicht ohne Booster abheben und war von Anfang an für Hermes konzipiert.

Hermes hatte kein LAS. Das geht heutzutage nicht mehr.

Wenn die Rakete Feststoff benutzt, muss man einen amoklaufenden Booster in Betracht ziehen und das LAS braucht mehr Power, siehe Challenger-Katastrophe, wo die Booster nach der Explosion noch weiter geflogen sind. Ich erinnere auch an Vibrationsprobleme wie bei Ares I.

Booster könnte man nachträglich durch Flüssigstufen ersetzen wenns denn unbedingt sein muss.

Selbst bei der F9 ohne Booster gibt es neunmal mehr Merlin 1D Triebwerke als in der zweiten Stufe und die Tanks sind auch erheblich größer, also wird diese sicher über 80% von der Rakete kosten, oder um es anders auszudrücken sinken die Hardwarekosten bei zehnfacher Wiederverwendung eine F9 Hauptstufe auf 18%.

Die Rechnung verstehe ich nicht.
Mit der Annahme daß die Unterstufe 80% der gesamten F9R Herstellkosten bringt, fallen pro Start bei 10-facher Wiederverewndung an:
80%/10 für die Unterstufe plus 20% für den Rest   =   28 %,  nicht nur 18%.  Oder war's ein Tippfehler?

ABER:  in der Oberstufe steckt auch die ganze Steuerelektronik etc., also ist der Teil wohl teurer als 20%. Wenn es 30% wären, dann kostet jeder Start schon 37%.
Für die Wiederverwendung fallen aber weitere Kosten an:
Bergung, Überprüfung, Reparaturen, Ersatz von Verbrauchsmitteln (Dichtungen, Isolierungen, etc.); das könnten schnell 10-20% oder noch viel mehr ergeben.

Noch schlimmer ist, daß für die Wiederverwendung Fallschirme, Treibstoff, Steuerflächen (die bereits diskutierten Gitter), Landebeine benötigt. Das wiegt alles und reduziertdie zahlende Nutzlast. Die Nutzlast beträgt ca. 2,6% (LEO), bzw. 1% (GTO) der gesamten Falcon 9 Masse. Wenn die Zusatzmasse für die Rückführung 0,5% der Trägermasse beträgt, reduziert das die Nutzlast um ca. 0,17% der Trägermasse, das sind aber 6-7% der Nutzlast in LEO, bzw. 17% der Nutzlast in GTO.  Anteilig sinken die Erlöse durch die Vermarktung der Starts.

Wenn durch hohen Seegang, oder eine anderes Problem die Stufe nicht geborgen werden kann, fällt zusätzlich die vorzeitige Neufertigung an, für das Risiko muss zusätzlich was einkalkuliert werden. Bei 95% Zuverlässigkeit der Bergung wären das 4%.

Es ist nicht so einfach darzustellen, daß sich die Wiederverwendung bei allen Unwägsamkeiten wirklich nacher kommerziell lohnt.

Bisher hat SpaceX nur demonstriert, das die Stufe kontrolliert zurückfällt. Ob der Zustand einen weiteren Flug erlauben würde wissen wir nicht.

Übrigens: Hermes hatte natürlich ein Rettungssystem für Fehlstarts.

Wenn die Rakete Feststoff benutzt, muss man einen amoklaufenden Booster in Betracht ziehen und das LAS braucht mehr Power, siehe Challenger-Katastrophe, wo die Booster nach der Explosion noch weiter geflogen sind. Ich erinnere auch an Vibrationsprobleme wie bei Ares I.

Commercial crew wird voraussichtlich auf Atlas starten, Orion auf SLS, es ist also absolut möglich. Ares I ist wieder was ganz anderes.

Wenn durch hohen Seegang, oder eine anderes Problem die Stufe nicht geborgen werden kann, fällt zusätzlich die vorzeitige Neufertigung an, für das Risiko muss zusätzlich was einkalkuliert werden. Bei 95% Zuverlässigkeit der Bergung wären das 5%.

Es gibt keine Bergung auf See. Die Erststufe fliegt unter Raketenpower zurück zum Startplatz, landet unter Raketenpower senkrecht wie die Grasshoppervideos. Das kostet ca. 30% Nutzlast-Peformance. Bisher gab es erstmal Tests zur Landung auf dem Meer. Die Wegwerf-Erstufe und wiederverwendete Erststufe unterscheiden sich nur durch die Beine und die Steuerflächen. Damit sind die Produktionskosten nahezu identisch und die Wiederverwendung lohnt sich schon bei einem Mal wiederverwenden. Die 30% Performanceverlust können bei Flügen wie den ISS CRS Missionen in Kauf genommen werden, da die Falcon nicht bei maximaler Performance fliegt. Es stehen noch 9 CRS Missionen aus, wo also theoretisch 9 Erststufen geborgen werden können. Diese Stufen sind von der NASA bereits durch den gebuchten Start "bezahlt" und können günstig ein weiteres Mal verschossen werden.

Hier mal ein ähnliches russisches Konzept: http://www.makeyev.ru/rocspace/rossiyanka/

Übrigens: Hermes hatte natürlich ein Rettungssystem für Fehlstarts.

Die Schleudersitze? Das ist ja wohl kaum eine angemessene Lösung. Danach ist die Wirbelsäule dauerhaft geschädigt, sieht man ja bei Kampfflugzeugpiloten.

Die Rechnung verstehe ich nicht.
Mit der Annahme daß die Unterstufe 80% der gesamten F9R Herstellkosten bringt, fallen pro Start bei 10-facher Wiederverewndung an:
80%/10 für die Unterstufe plus 20% für den Rest   =   28 %,  nicht nur 18%.  Oder war's ein Tippfehler?

Nee, 3h Schlaf letzte Nacht.

ABER:  in der Oberstufe steckt auch die ganze Steuerelektronik etc., also ist der Teil wohl teurer als 20%. Wenn es 30% wären, dann kostet jeder Start schon 37%.

Vergiss die Kosten für die Elektronik, ich denke nicht das dies keine 100k$ sind. Was wird den da viel an Rechenleistung benötigt, jedes bessere Smartphone hat mehr Power als die komplette Rakete braucht. Das teuerste ist sicher nicht einmal die Elektronik sondern die Verkabelung, Stecker, Sensoren und die Stellglieder.

Für die Wiederverwendung fallen aber weitere Kosten an:
Bergung, Überprüfung, Reparaturen, Ersatz von Verbrauchsmitteln (Dichtungen, Isolierungen, etc.); das könnten schnell 10-20% oder noch viel mehr ergeben.

Genau deswegen wird SpaceX die Teile zurückfliegen lassen.

Noch schlimmer ist, daß für die Wiederverwendung Fallschirme, Treibstoff, Steuerflächen (die bereits diskutierten Gitter), Landebeine benötigt. Das wiegt alles und reduziertdie zahlende Nutzlast. Die Nutzlast beträgt ca. 2,6% (LEO), bzw. 1% (GTO) der gesamten Falcon 9 Masse. Wenn die Zusatzmasse für die Rückführung 0,5% der Trägermasse beträgt, reduziert das die Nutzlast um ca. 0,17% der Trägermasse, das sind aber 6-7% der Nutzlast in LEO, bzw. 17% der Nutzlast in GTO.  Anteilig sinken die Erlöse durch die Vermarktung der Starts.

Ich wüste nicht für was Erststufen Fallschirme brauchen?

Mit den Nutzlastverlusten hast du sicher noch recht, aber sobald es ein Raptor geben wird, wird der Verlust sehr viel kleiner werden.

Übrigens: Hermes hatte natürlich ein Rettungssystem für Fehlstarts.

Das hat dir Dragon 2 auch.

Zitat von: proton01 am 26. Juni 2014, 21:13:16

Wenn durch hohen Seegang, oder eine anderes Problem die Stufe nicht geborgen werden kann, fällt zusätzlich die vorzeitige Neufertigung an, für das Risiko muss zusätzlich was einkalkuliert werden. Bei 95% Zuverlässigkeit der Bergung wären das 5%.

Es gibt keine Bergung auf See. Die Erststufe fliegt unter Raketenpower zurück zum Startplatz, landet unter Raketenpower senkrecht wie die Grasshoppervideos. Das kostet ca. 30% Nutzlast-Peformance. Bisher gab es erstmal Tests zur Landung auf dem Meer. Die Wegwerf-Erstufe und wiederverwendete Erststufe unterscheiden sich nur durch die Beine und die Steuerflächen. Damit sind die Produktionskosten nahezu identisch und die Wiederverwendung lohnt sich schon bei einem Mal wiederverwenden. Die 30% Performanceverlust können bei Flügen wie den ISS CRS Missionen in Kauf genommen werden, da die Falcon nicht bei maximaler Performance fliegt. Es stehen noch 9 CRS Missionen aus, wo also theoretisch 9 Erststufen geborgen werden können. Diese Stufen sind von der NASA bereits durch den gebuchten Start "bezahlt" und können günstig ein weiteres Mal verschossen werden.

O.k., dann halt Landung, aber bei einem solchen Rückflug kann auch jede Menge schief gehen.
Ob die geborgenen Stufe weiter verwendbar ist steht in den Sternen, bisher hat SpaceX das nicht behauptet.

Zitat von: proton01 am 26. Juni 2014, 21:13:16

Übrigens: Hermes hatte natürlich ein Rettungssystem für Fehlstarts.

Die Schleudersitze? Das ist ja wohl kaum eine angemessene Lösung. Danach ist die Wirbelsäule dauerhaft geschädigt, sieht man ja bei Kampfflugzeugpiloten.

Nein, nicht die Schleudersitze, sondern der Adapter sollte mit Hermes von der Rakete wegfliegen im Notfall.

Vergiss die Kosten für die Elektronik, ich denke nicht das dies keine 100k$ sind. Was wird den da viel an Rechenleistung benötigt, jedes bessere Smartphone hat mehr Power als die komplette Rakete braucht. Das teuerste ist sicher nicht einmal die Elektronik sondern die Verkabelung, Stecker, Sensoren und die Stellglieder.

Da sind wir uns einig, Elektronik nebst dazugehöriger Verkabelung, Struktur, Stromversorgung, etc.. Setze die Kosten analog der VEB von Ariane an. Die kostet wesentlich mehr als 100 kEuro, genau weiß ich es nicht.
Ein Smartphone ist aber nicht weltraumtauglich. Vibrier das mal so wie bei einem Raketenstart und schau ob es das überlebt. Dann muss es immer noch die fast 100% Zuverlässigkeit haben. Das ist bei keinem Smartphone gegeben.

Ich wüste nicht für was Erststufen Fallschirme brauchen?

Dann streich die Fallschirme aus der Liste, das ändert nichts an der Argumentation. Entweder bremse ich mit Fallschirmen oder mit zusätzlichem Treibstoff.

..., aber sobald es ein Raptor geben wird, wird der Verlust sehr viel kleiner werden.

Das begründe mal. Mit Merlin kostet es mehr als mit dem (bisher nicht existenten) Raptor ?  Wieso ?

O.k., dann halt Landung, aber bei einem solchen Rückflug kann auch jede Menge schief gehen.
Ob die geborgenen Stufe weiter verwendbar ist steht in den Sternen, bisher hat SpaceX das nicht behauptet.

Es kann immer was schief gehen. Die Quote sollte aber deutlich unter 5% liegen.

SpaceX hat Aussagen gemacht. Für die Triebwerke geben sie ca. 40 Zyklen an. Für die Stufe noch keine so genauen Aussagen, da wollen sie zuerst tatsächlich Stufen zurückholen. Mal sehen, ob es dann mehr oder weniger als 40 sein werden.

Die erste Stufe hat schon seit dem ersten Start eine eigene Elektronik. Schon da ist die erste Stufe nach Stufentrennung eigenständig aktiv geworden. Das ist heute wirklich kein gravierender Kostenfaktor mehr.

Die Nutzlast der Falcon 9 1.1 hat SpaceX von Anfang an für Wiederverwendung kalkuliert. Dadurch entsteht kein Nutzlastverlust mehr. Man kann aber höhere Nutzlasten als bisher angegeben fliegen, wenn man auf Wiederverwendung verzichtet. Man wird also den größten Teil aller Starts mit Rückflug der ersten Stufe machen können.

Edit: Wir sind im Ariane Thread. Die Diskussion sollte hierher verlegt werden.

https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=10338.msg294123#msg294123

Das begründe mal. Mit Merlin kostet es mehr als mit dem (bisher nicht existenten) Raptor ?  Wieso ?

Weil die neue Rakete voll wiederverwendbar werden und damit die Kosten/kg deutlich niedriger sein sollten.

Dann möchte ich noch daran erinnern, daß wir hier nicht im SpaceX Thread sind.