Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Wenn das Hitzeschild verbraucht ist, dreht sich die Stufe um.

Das könnte ein kritisches Manöver sein. Ist es eigentlich denkbar, daß man zuerst im Perigäum per Hitzeschild abbremst, vielleicht mehrfach, nach dem letzten "Auftauchen" wendet, und dann erst  mit Triebwerksunterstützung landet?

Die Stufe kann sich nicht einfach im Flug umdrehen. Das dürfte aus struktureller Sicht gefährlich sein, die Düse dürfte es allemal zerlegen.

Das Triebwerk ist das schwere. Mit dem Triebwerk zuerst dürfte meiner Meinung nach nicht gut ausgehen. Die fette Düse macht das alles außerdem extrem instabil.

Besser ist meiner Meinung nach Hitzeschild vorne an der Stufe und dann mit der vorderen Seite voraus in die Erdatmosphäre. Wenn die Masse des Hitzeschilds nicht ausreicht um den Schwerpunkt nach vorne zu legen muss man halt noch was Treibstoff drin lassen.

Das erstmal wichtigste wird die Stromversorgung sein und hier ist es egal ob LEO, SSO, PO, GTO, oder super GTO, der Treibstoffbedarf ist bei hohen Bahnen geringer, dafür arbeitet die F9 aber auch dichtet an ihrer Leistungsgrenze.
Ein Wiedereintritt könnte aber auch ähnlich wie bei der ITS/BFR laufen, erstmal mit dem Bausch abbremsen und am Schluss, schon weit Unterschall, wird das Ding gedreht.
Ob, wo und wie Gridfins gebaut und verbaut sind, würde sich von einem Booster massiv unterscheiden und das wird es auch müssen, den die Anforderungen sind vollständig anders.

Aber die Landung wäre wesentlich weiter draußen.

Warum muss die Landung denn so viel weiter draußen sein?
Die Stufe fliegt letztlich hoch und schnell genug, dass man den Wiedereintrittszeitpunkt bzw. -ort selbst wählen kann und auch wenn man beim Anflug prinzipiell bewohntes Gebiet überfliegen muss, ist das Landegebiet einer Erststufe meines Erachtens bereits weit genug draußen, um auch bei den Landeversuchen einer Zweitstufe sicher zu sein.

Ob Drehung oder nicht bin ich auch mal gespannt. Eine Düsenlandung mit Landebeinen kann man sich ja nicht so recht vorstellen und vor allem worauf draußen im Meer? Eine zweite Barge gibt es ja nicht pro Küstenstartplatz. Sicher, für die Landeversuche ab nächstem Jahr kann man man die Stufen versenken, aber wie sieht es später aus? Eine Landlandung wird man auf offizieller Seite aus besagten Sicherheitsgründen nur ungerne sehen. 
Für eine eventuelle Landung mit Gleitfallschirm draußen auf dem Meer müsste man andererseits vor der Schirmöffnung auf jeden Fall ausreichend verzögern.......hach wie man sich das wohl wieder alles ausgedacht hat?

Nun ja, da die Oberstufe in einem Orbit ist, wenn sie die Nutzlast aussetzt kann sie den Zeitpunkt des Wiedereintritts und der Landung frei wählen, solange der LOX nicht weg gedampft ist, oder die Batterien leer sind. Da es schon kontrollierte Wiedereintritte gab dürften sie es soweit schaffen.

Zum Abbau von Geschwindigkeit gibt es 2 Möglichkeiten. Atmosphärische Bremsung oder Triebwerksbremsung.
Dank dem Fehlen von Nutzlast ist die Stufe recht leicht, aber dennoch ist die Frage, wie viel noch da ist.
Dann natürlich die Atmosphärische Bremsung. Bis zu einem gewissen Grad können die Triebwerke das aushalten, sie die Erste Stufe, mit der sie diese Grenze immer weiter austesten. Hacken hierbei ist, das die Oberstufe eine größere Düse hat, hier könnte es Zusatzdefekte geben, die Ärger machen könnten.

Es gab mal Überlegungen zu einem Hitzeschild, auf der Spitze, der an einer Seite sogar sich etwas auf die Seite der Oberstufe erstreckt um sie zu schützen. Vermutlich wird es etwas in dieser richtung geben.
PicaX ist zählt zwar zu den Ablativen Hitzeschilden, da er aber so oft Nutzbar sein soll, ist auch klar, dass wie bei nichtablativen (Name vergessen) viel Energie durch Abstrahlung abgeleitet wird. Hierfür muss also keine Energie im Hitzeschild gespeichert werden.
Übrigens, alle Hitzeschilde sind eine Mischung aus ablativen und abstrahlenden Systemen. Frage ist nur wie groß der jeweilige Anteil ist.

Zum Drehen der Stufe gibt es die Möglichkeit, dass die Stufe per Hitzeschild in der Hochatmosphäre bremst, dann aber sich so anstellt, das sie nochmal etwas aufsteigt, an Höhe gewinnt und dann sicher drehen kann.

Das Landen selbst ist Problematisch. Bei der Unterstufe reduzieren sie selbst bei einer Risikolandung im letzten Moment auf 1 Triebwerk, da es sonnst sehr schwer zu kontrollieren ist. Die Oberstufe ist um vieles Leichter als die Unterstufe, das ist also wieder als würde man die Unterstufe mit mehreren Triebwerken landen wollen. Das wäre Hoverslam in Perfektion. Hier wird es wohl etwas anderes noch geben.

---
Mögliche Gründe für das Projekt.
- Untersuchung, ob eine Wiederverwendung der Oberstufe Machbar ist.
- Erfahrungsgewinn für andere Missionen.
- Erfahrungen für neue Entwicklungen.

Grüße aus dem Schnee

Ich vermute eher dass sie den atmosphärischen Wiedereintritt testen und mittels Fallschirm gelandet wird. Die Vakuumdüse wird doch bestimmt zerstört wenn sie ungefähr auf Sealevel gezündet wird - wenn sie den Wiedereintritt überhaupt überlebt.

Der erfolgreiche Wiedereintritt, auch ohne Wiederverwendung, bringt ja nicht nur Konstruktionserkenntnisse (sprich, was funktioniert und was nicht), sondern trainiert auch Mitarbeiter.

Wieso seid ihr der Meinung daß SpaceX ablative Hitzeschutzschilde testen will?
Die CrewDragon dürfte schon so weit, sein, daß der Hitzeschutzschild ziemlich festgelegt ist.
Aber irgendwann brauchen sie Testergebnisse für einen wiederverwendbaren Hitzeschutz für das BFS.
Da würde sich die Oberstufe, auch wenn die Eintrittsgeschwindigkeit nicht die von Mond oder Mars ist, durchaus anbieten.

@James: Ein Wiederverwendbarer Hitzeschild ist leider technisch schwierig.  Gemäß Energieerhaltungsgesetz kann Energie nicht verloren gehen. Beim Start ist die Energie im Treibstoff. Ab dem Start wird die Energie in kinetische Energie umgewandelt. Bei der Landung muss man die kinetische Energie wieder "Los werden". Aber sie kann ja nicht verschwinden. Man hat somit zwei Möglichkeiten: Entweder wieder das Triebwerk nutzen, oder aber Luftreibung, also Wärme erzeugen. Jedoch muss diese Wärme irgendwo hin. Ein kleiner Teil kann gespeichert werden, aber der Rest muss wieder abgestrahlt werden. Und das ist technisch nicht so einfach. Aber SpaceX hat an der Dragon hier ja eine gute Möglichkeit gefunden. Ich denke, sie werden diese Platten nutzen. Lassen wir uns überraschen.

Jedoch muss diese Wärme irgendwo hin. Ein kleiner Teil kann gespeichert werden, aber der Rest muss wieder abgestrahlt werden.

Da fehlt noch die Wärme / Energie die von der vorbeistreichenden Luft aufgenommen wird. Und bei ablativen Schilden die Wärme die zur Umwandlung des Aggregatszustandes des Schildwerkstoffes verbraucht wird und die Energie bzw. Wärme, die im abgelösten Teil des Schildes steckt. 

Ganz so einfach ist das nicht, die Frage ist wieviel Temperatur der Schild aushält und genau da sind in den letzten Jahren Fortschritte erzielt worden.
Wenn so ein Material z.B. 4700K vertragen könnte, so werden pro m² immerhin 32MW abgestrahlt. Bei geschätzten 400m² Fläsche des Raumschiffs immerhin 12,8GW nur über Abstrahlung.
Dazu kommt natürlich noch das ein erheblicher Teil der Energie auf die dünne Luft übertragen wird, das könnte sogar die Hälfte sein.
Bei 300t und 10km/s sind das 15TJ. Bei 50GW Abstrahlung+Abgabe ist die  Energie in 5min abgebaut.

SpaceX hat mit PicaX einen mehr oder Weniger wiederverwendbaren Hitzeschild.
Bei Dragon ist er wegen der Wasserlandung erstmal nicht wiederverwendbar, jedenfalls scheint es so zur Zeit. Dies betrifft BFR oder die Oberstufe nicht.
SpaceX hatte geplant die Dragon mehrfach mit dem selben Hitzeschild fliegen zu lassen, was trotz ablativem Hitzeschild nur geht, wenn dieser pro Flug entsprechend wenig Material verliert und die nötige Dicke hat.

Was bringt nun aber ein Test mit der Oberstufe?
- Gegenüber Dragon würde sich dort ein Hitzeschild direkt oder fast direkt (mögliche Isolationsschicht) an einem Tank befinden, dies ist eine neue Situation und stellt risiken da. Wird der Treibstoff zu heiß und es macht Bum, oder er verdampft einfach nur und wird abgelassen. Verliert die Stufe so aber zu viel Treibstoff kracht es dennoch, wenn auch erst bei Bodenkontakt.
- Wenn sie es schaffen diese Stufe auf einer Plattform oder an Land zu landen, so wäre es auch ein Test ohne Wasserkontakt.
- Wenn sie den Test aus einer hochelyptischen Flugbahn, zb. GTO durchführen können sie auch prüfen, wie der Hitzeschild bei höheren Wiedereintrittsgeschwindigkeiten reagiert.

Grüße aus dem Schnee

Zitat von: Prodatron am 09. Oktober 2017, 01:38:25

Der Boost-Back Burn findet nicht bei Droneship-Landungen statt. Hier gibt es nur den Entry- and den Landing-Burn.

Stimmt nicht! Auch beim letzten Iridium Start gab es einen Boostback Burn.
Der Grund für den Boostback ist hier wohl, dass das Drohnenschiff einfach nicht so weit aufs Meer raus sollte, bzw muss. Wenn noch Reserven da sind, kann man auch dichter an der Küste landen, Land-Landungen in Vandenberg sind ja noch nicht gestattet.

Auch bei Landungen, bei denen keine Landlandung mehr möglich, aber noch genug Treibstoff für einen Boostback übrig ist, wird wohl auch ein solcher ausgeführt werden. Die Wiedereintrittsgeschwindigkeit und die Distanz zur Küste werden so ja deutlich verringert.

Vandenberg ist eine Ausnahme, weil man da noch keine Land-Landung durchführen kann/darf.
Ansonsten waren bisher alle Droneship-Landungen ohne Boostback-Burn mit Ausnahme von CRS-8, bei der es aber darum ging, überhaupt mal eine Seelandung zum ersten Mal zu schaffen.

Das DLR hat eine CFD-Simulation zum Wiedereintritt der F9 inklusive Feuern gegen die Flugrichtung gemacht:
https://www.researchgate.net/publication/318295483_A_Numerical_Study_on_the_Thermal_Loads_During_a_Supersonic_Rocket_Retro-Propulsion_Maneuver

https://www.reddit.com/r/spacex/comments/7al7h0/german_aerospace_center_aerothermodynamical_study/

PS: Das Paper wurde auch mit LaTeX gemacht, eine deutliche Verbesserung gegenüber einigen anderen Papern aus Deutschland, die ich hier schon verlinkt habe...

Ok, bei SpaceX liegt da garantiert so eine Studie schon vor. Logisch. Müssen sie dem DLR nicht verkaufen.
Zwei Fragen -

Wenn also das DLR so eine Studie macht - heißt das, man wird das dann ernsthaft in weitere Entwicklungen einfließen lassen? Ich betone ernsthaft. Ohne daß die mühsam zusammengeklitterte europäische Raketenbaugemeinschaft alles zerredet?

Warum nimmt man die Falcon 9 als Arbeitsgrundlage? Riskiert man da nicht, bei abweichenden Ergebnissen mit der Studie bei SpaceX zu kollidieren? Sprich mit der Realität?
Wenn aber die Studie auf den Ergebnissen von Beobachtungen basiert, wozu macht man sie (jetzt noch) ? Man wird doch nicht die F9 kopieren?

Nun eines ist schon mal sicher, die Rückführung der F9 Booster, auf ein Schiff oder RTLS liefert eine Fülle von Daten die man so sicher das erste mal bekommt. Es wäre extrem dämlich diese nicht zu nutzen.
Das man sich beim DLR sowas genau ansieht, zeigt mir das man zumindest bei der Grundlagenforschung in Deutschland die Wiederverwendung erst nimmt. Fragt sich nur wie lange es dauert bis das in den Köpfen bei Ariane & Co. auch zum umdenken führt.
Leider scheint es mir, das auf der politischen Seite noch wenig Bewegung kommt, aber vielleicht bin ich da auch nur uninformiert.
Ich erwarte das 2018 zumindest die Hälfte der Start erfolgreich auf wiederverwendeten Boostern erfolgt, das zusammen mit einer hohen Startanzahl wird sicher bis ende 2018 zum Umdenken führen.
Ich erwarte das die A6, so wie sie bis jetzt geplant ist, nicht gebaut wird.
Komplett bescheuert ist man auch hier nicht, nur vielleicht träge.

Ja das genaue Hinschauen ist auch vernünftig bzw. sogar Pflicht.

Aber ich denke mir in meiner Laienlogik halt - dann nimmt man die Pläne für eine europäische WieAuchImmer Rakete und startet etwas, das weitgehend der geplanten Erststufe entspricht. Als "Nutzlast" mit Sensoren und Elektronik gespickt. Und ab gehts in eine zweckentsprechende Bahn und zurück.
Da würde man doch nützliche Daten für eine Studie bekommen, anhand der dann weiter gebaut wird. Nämlich etwas mit europäischen Möglichkeiten Machbares.

Ob so ein Testflug in Europa möglich gemacht werden könnte ?

[..]
Aber ich denke mir in meiner Laienlogik halt - dann nimmt man die Pläne für eine europäische WieAuchImmer Rakete und startet etwas, das weitgehend der geplanten Erststufe entspricht. Als "Nutzlast" mit Sensoren und Elektronik gespickt. Und ab gehts in eine zweckentsprechende Bahn und zurück.
Da würde man doch nützliche Daten für eine Studie bekommen, anhand der dann weiter gebaut wird. Nämlich etwas mit europäischen Möglichkeiten Machbares.

Ob so ein Testflug in Europa möglich gemacht werden könnte ?

Warauf soll man eine solche Erststufe als Experimental-Nutzlast setzen können? Inkl. Triebwerken und mit entsprechend Treibstoff? Wenn, dann ginge höchstens ein maßstäbliches Modell, und das auch nicht mal auf die Schnelle...
Deshalb wird man sich solchen Sachen zunächst rechnerisch nähern, später vielleicht durch kleinere Tests am Boden / Windkanal etc. ergänzt.
Die Falcon 9 als Objekt der Untersuchung zu nehmen ist doch gut, da hat man ein real funktionierendes Beispiel und kann seine rechnerischen Ergebnisse validieren. Natürlich hat man nicht alle Daten von SpaceX, aber selbst die bekannten Daten / Bilder reichen für Plausibilitätschekcs und Überprüfen von verschiedenen Annahmen.

Das Problem ist hier das man vielleicht kein passendes Triebwerk hat, man braucht ein Triebwerk mit einem Schub ähnlich vom Merlin (700-1100kN) etwa, wobei ich vermute das man hier vielleicht nicht RP-1/LOX und auch kein LCH4/LOX sondern LC3H8 nehmen wird.
Für die Ziele der Europäer wäre sowas günstig, moderate Kühlung, relativ hohe Dichte, wenig Ruß und guter Schub.
Aber vielleicht sind das ja doch nur Wunschvorstellungen.
Na ja, das der DLR die Landung analysiert und und es Überlegungen zu Methan und Propan gibt macht etwas Hoffnung.

Warauf soll man eine solche Erststufe als Experimental-Nutzlast setzen können? Inkl. Triebwerken und mit entsprechend Treibstoff? Wenn, dann ginge höchstens ein maßstäbliches Modell, und das auch nicht mal auf die Schnelle...

Naja das wäre freilich nicht geeignet. Man muß schon eine Erststufe sich selbst hochbringen lassen, sonst bringts ja keine "lebensnahen" Erkenntnisse.

Daß man erstmal auf die Falcon schaut, ist ja ok, schrieb ich ja auch.

Aber hier ist eine Studie gemacht worden von etwas, das man so nicht bauen wird. Es sei denn man kopiert. Na gut. Aber selbst dann muß man mit europäischen Komponenten Materialien Fertigungsanlagen bauen. Da kommt keine F9 raus.

Aber ich will das Thema von mir aus nicht weiter ausdehnen ins OT hinein. Ich sehe die Studie halt so als Fingerübung 

Zitat von: R2-D2

Warauf soll man eine solche Erststufe als Experimental-Nutzlast setzen können? Inkl. Triebwerken und mit entsprechend Treibstoff? Wenn, dann ginge höchstens ein maßstäbliches Modell, und das auch nicht mal auf die Schnelle...

Naja das wäre freilich nicht geeignet. Man muß schon eine Erststufe sich selbst hochbringen lassen, sonst bringts ja keine "lebensnahen" Erkenntnisse.

Daß man erstmal auf die Falcon schaut, ist ja ok, schrieb ich ja auch.

Aber hier ist eine Studie gemacht worden von etwas, das man so nicht bauen wird. Es sei denn man kopiert. Na gut. Aber selbst dann muß man mit europäischen Komponenten Materialien Fertigungsanlagen bauen. Da kommt keine F9 raus.

Aber ich will das Thema von mir aus nicht weiter ausdehnen ins OT hinein. Ich sehe die Studie halt so als Fingerübung 

Nur zum Abschluss von OT:
Man baut nicht "mal schnell" eine neue Rakete (Erststufe), um zu untersuchen wie die Rückkehr dieser so funktioniert... Und dann ändert man das Konzept wieder? Heutzutage wird das Alles zuerst im Computer simuliert.
Und nachdem die Nach-Rechnung der F9 beim DLR scheinbar gut funktioniert hat, kann man jetzt natürlich alle möglichen anderen Designs untersuchen.

Die NASA schätzt inzwischen die Zuverlässigkeit gebrauchter Falcon 9 Booster genau so hoch ein, wie die neuer Erststufen.

http://spacenews.com/nasa-sees-equivalent-risk-of-flying-reused-spacex-booster/

Spricht sich die NASA Mut für den morgigen Freitag mit dem 13. CRS-Start mit SpaceX zu? 

Spricht sich die NASA Mut für den morgigen Freitag mit dem 13. CRS-Start mit SpaceX zu? 

Das hat mit Mut nicht unbedingt was zu tun, man hat sicher sehr genau hin geschaut um zu dieser Bewertung zu kommen, was dann bedeutet das hier Dinge auch mathematischen Gesichtspunkten analysiert wurden.
Vermutlich hat die NASA hier auch mehr Zugang zu den Untersuchungsergebnissen von SpaceX selber.
Aus einem Bauchgefühl heraus läuft da sicher nichts.

Jedes Bauteil wird analysiert. Jede Schraube, jede Dichtung. Es wird geschaut, ob das Bauteil falsch montiert sein kann, falsch gefertigt sein kann. Und wie schnell es altert.

Beim ersten Start sind Montagefehler noch in der Rechnung mit dabei.
Beim zweiten Start nicht mehr.
Beim 10. Start sind natürlich Alterungserscheinungen viel stärkter mit dabei als beim 2. Start.

Natürlich ist das auch ein gelegentlich ein Bauchgefühl. Denn wie schnell ein Bauteil altert lässt sich nicht immer simulieren. Aber das meiste ist gerechnet. Und man kann immer minimale, maximale und erwartete Werte verwenden.

Es ist ja klar, dass es Fehler gibt, die man beim zweiten Start ausschließen kann, dafür gibt es eben auch neue Fehlermöglichkeiten. Die NASA wirds sich wohl sehr genau angeschaut haben, wie die gelandeten Booster aussehen, von daher ist es ein richtig gutes Zeichen (das mich persönlich überrascht), wenn sie kein zusätzliches Risiko in einer gebrauchten Stufe sehen