Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Spielt die Größe des Landefelds bei dem Flugprofil überhaupt eine Rolle? Eine Landebahn ist zwar etwas größer als eine alte Ölplattform, aber treffen muss man die letztlich auch.

Eben in einer Meldung gelesen:

- Als Basis für Grashopper dient eine Falcon 9 Erststufe. Vermutlich ein ehemaliges Testobjekt.
- Bis Ende des Jahres möchte man bei den Testflügen die Schallmauer durchbrechen.


Was mich besonder interessieren würde: Wie bekommt man bei einer Landung eigetlich Seitenwinde in den Griff? Eigentlich müssten ja Korrekturtriebwerke oben an der Spitze sein um da entgegenzuwirken, oder?

Interessant ist das Thema ja auch weil Blue Origin ja für seine Orbitalrakete das selbe verfolgt. Allerdings hat deren projektierte Erststufe ausfahrbare Stabilisierungsflächen oben dran:
https://images.raumfahrer.net/up027114.jpg

Eben in einer Meldung gelesen:

- Als Basis für Grashopper dient eine Falcon 9 Erststufe. Vermutlich ein ehemaliges Testobjekt.
- Bis Ende des Jahres möchte man bei den Testflügen die Schallmauer durchbrechen.


Was mich besonder interessieren würde: Wie bekommt man bei einer Landung eigetlich Seitenwinde in den Griff? Eigentlich müssten ja Korrekturtriebwerke oben an der Spitze sein um da entgegenzuwirken, oder?

Interessant ist das Thema ja auch weil Blue Origin ja für seine Orbitalrakete das selbe verfolgt. Allerdings hat deren projektierte Erststufe ausfahrbare Stabilisierungsflächen oben dran:
https://images.raumfahrer.net/up027114.jpg

so wie du vielleicht eine Stange, oder einen Besenstiel auf der Hand/Finger auch bei Seitenwind balancieren kannst, kann man auch eine Rakete, einen Booster auf dem Schubstrahl balancieren. Wird natürlich regelungstechnisch dadurch deutlich komplizierter.

Mal noch eine andere Frage, wie soll eigentlich die Rollkontrolle erfolgen?

Die Triebwerke die das normal erledigen befinden sich doch in der Oberstufe.
Und mit dem schwenken der Triebwerke (sofern das überhaupt möglich ist) wird es auch eher nicht gehen, da nur noch ein Triebwerk läuft.
Die leere Stufe wiegt ja nur noch 17,x t und ein einzelnes Merlin bringt schon mehr als 32 t Maximalschub.

Es erstaunt mich das man das Merlin so weit drosseln kann, viele Triebwerke machen da ja nur eine Drosselung auf 60-70% mit.

Regelungstechnisch ist die aktive Phase ja ein umgekehrter Raketenstart. Eine startende Rakete kommt auch mit begrenzten Seitenwinden klar und kann das kompensieren. Hier, bei einer leeren Stufe, sind die Größenordnungen aber anders.

Die Analogie mit dem Besenstil kann man nutzen, aber vorsichtig. Er hat seine Grenzen (um welchen Punkt rotiert die Raketen? um welchen Punkt rotiert der balancierte Besenstil?)

Meine paar Gedanken, um das Abstiegs-/Steuerproblem zu qualifizieren:

• Die Stufe braucht etwas aktive "cross-range", um einen Zielpunkt zu treffen.
• Allgemein ist es effizienter Treibstoff schnell zu verbrauchen als ihn lange und langsam zu verbrauchen. Beginnt man jetzt die notwendigen Manöver schon früh, gemächlich (weit oben) oder erst spät, heftig (tief)?
• Die Stufe selbst hält größere Manöver eher in den hohen, dünnen Schichten aus. Weiter unten kann die Stufe wahrscheinlich nicht mehr so stark manövrieren. Gleichzeitig wirken hier die stärksten aerodynamischen Kräfte durch Winde. Diesen Flugabschnitt müsste man eigentlich möglichst kurz halten.
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Noch mehr?

Noch mehr?

Den Landepunkt beeinflussen kann man wohl am effizientesten so früh und so hoch wie möglich durch anpassen der ballistischen Flugbahn, wenn man keine leistungsfähige aerodynamische Steuerung hat.

Dann wie ja so schön von Chewie für die Dragon Kapsel vorgerechnet, so spät wie möglich die Fallgeschwindigkeit aufzehren und die Arbeit so lange wie möglich von der Atmosphäre machen lassen.

Die Falcon 9 verwendet doch Vernier-Triebwerke für die Lagesteuerung. Vielleicht spielen die eine große Rolle dabei.

Wohler würde ich mich aber damit fühlen, wenn man auf die Landung des "Besenstiels" verzichtet und nur den Triebwerksblock landet und wiederverwendet. Ich stelle mir das einfacher vor und da steckt doch der größte Teil des Wertes drin. Man könnte dann auf die Versteifung des Tanks verzichten, die ja auch Nutzlast kostet.

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Was mich besonder interessieren würde: Wie bekommt man bei einer Landung eigetlich Seitenwinde in den Griff? Eigentlich müssten ja Korrekturtriebwerke oben an der Spitze sein um da entgegenzuwirken, oder?

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Für die Tests mit Grasshopper will man die Stufe immer zu einem relativ großen Teil betankt lassen, das würde die Rakete erstmal viel träger und damit besser im Wind kontrollierbar machen.
Für einen späteren realen Einsatz könnte man ja kleine Korrekturtriebwerke verbauen, wenns nötig sein sollte.
Außerdem muss man ja nicht gerade bei Durchzug eines Orkantiefs landen .

Beim Shuttle hat man auch immer auf die Bedingungen an den Notlandeplätzen in Frankreich/Spanien geschaut.

Solange man die Tests bei <5kt Windgeschwindigkeit durchführt, sollte das keine Probleme machen - Starten können die meisten Raketen schließlich auch bis um 30kt (Windstärke 7!).

Mal noch eine andere Frage, wie soll eigentlich die Rollkontrolle erfolgen?

Die Triebwerke die das normal erledigen befinden sich doch in der Oberstufe.
Und mit dem schwenken der Triebwerke (sofern das überhaupt möglich ist) wird es auch eher nicht gehen, da nur noch ein Triebwerk läuft.
Die leere Stufe wiegt ja nur noch 17,x t und ein einzelnes Merlin bringt schon mehr als 32 t Maximalschub.

Es erstaunt mich das man das Merlin so weit drosseln kann, viele Triebwerke machen da ja nur eine Drosselung auf 60-70% mit.

Ich vermut mal man wird die Stufe schwerer machen, man will ja weich landen und etwas Ballast mitführen oder eben so viel Treibstoff, dass beim Aufsetzen noch genug übrig ist. Dann hat man zugleich eine Sicherheitsreserve.

Das die Stufe schwerer wird (strukturell / Treibstoff für die Landung / Reserven) habe ich mir auch schon gedacht.
Ich bin schon mal gespannt um wieviel schwerer sie wird. Als Faustregel kann man annehmen das Pro 5kg mehr Leermasse der 1. Stufe (Zum Zeitpunkt der Stufentrennung) die Nutzlast um 1 kg abnimmt.

Da könnten schon ein paar Tonnen Nutzlast draufgehen, je nachdem wie sehr man die Struktur verstärken muss und wieviel  Treibstoff man für den Spaß braucht.

Ich bin schon mal gespannt um wieviel schwerer sie wird. Als Faustregel kann man annehmen das Pro 5kg mehr Leermasse der 1. Stufe (Zum Zeitpunkt der Stufentrennung) die Nutzlast um 1 kg abnimmt.

Tatsächlich?

Das hätte ich mir viel schlimmer vorgestellt. Ich hätte gedacht, daß jedes kg zusätzliches Startgewicht die Nutzlast um 1kg verringert. Oder liegt die Differenz zwischen den Angaben Startgewicht und Gewicht bei Stufentrennung?

Also ich tippe auf eher mehr Treibstof wie auch im zweiten Halbsatz. Der Ballast dürfte eher dazu da sein, um die fehlenden Triebwerke zu ersetzen, sonst verschiebt sich der Schwerpunkt. 1 kg weniger Nutzlast bei 5 kg mehr Strukturmasse kommt bei einer zweistufigen Rakete hin, aber erst mal muss man ja die Nutzlast für die normale haben. Bisher war ja bei SpaceX alles nur projektiert und alles was erreicht wurde deutlich darunter. So ist die "v 1.1" Version ja auch die erste die überhaupt gto Nutzlasten transportieren kann. Wie dann die Nutzlast einer wiederverwendbaren aussieht wird man sehen.

Zumindest die im Spaceflightnow wiedergegebene Aussage von Musk, dass man langfristig die Kosten auf ein Hundertstel reduzieren will halte ich für unerreichbar, selbst bei völliger wiederverwertung. Zum einen hält die Rakete nicht so lange urch zum anderen gibt es ja auch andere Fixkosten. Bei anderen Trägern machen alleine die Kosten für Start und Startanlagen schon 20-30% der Gesamtkosten aus und die kann man eben nicht so drastisch reduzieren.

Wenn sie eine Halbierung schaffen wäre das schon viel.

Genau zitiert, sagt er nicht, dass 1/100 sein Ziel ist, sondern dass das die grundsätzliche Größenordnung ist, falls es möglich wird Raketen wie Flugzeuge wiederverwendbar zu betreiben:

If one can figure out how to effectively reuse the rockets just like an airplane, the cost of access to space will be reduced by as much as a factor of a hundred,

Er rezitiert eigentlich nur das Mantra, das seit STS existiert. Realisiert hat es noch keiner. Aus dem kurzen Satz kann man das auch nicht als (quantitatives) Ziel von SpaceX ableiten, höchstens als Stoßrichtung der dortigen Technologieentwicklung.

Bei anderen Trägern machen alleine die Kosten für Start und Startanlagen schon 20-30% der Gesamtkosten aus und die kann man eben nicht so drastisch reduzieren.

Wenn sie eine Halbierung schaffen wäre das schon viel.

Die Kosten für Start und Startanlagen sind großenteils Fixkosten. Die fallen ganz dramatisch, wenn im Mittel alle 2 Wochen ein Start stattfindet.

Wenn sie wirklich so einfache Möglichkeiten finden, die erste Stufe wiederverwendbar zu machen, ist mehr als eine Halbierung drin. Faktor 100 ist mit Raketen nicht erreichbar. Alleine der Treibstoff kostet ja schon mehr als ein Prozent der Startkosten.

Ach ja, danke für die Bestätigung der Ratio 1:5.

Tatsächlich?

Das hätte ich mir viel schlimmer vorgestellt. Ich hätte gedacht, daß jedes kg zusätzliches Startgewicht die Nutzlast um 1kg verringert. Oder liegt die Differenz zwischen den Angaben Startgewicht und Gewicht bei Stufentrennung?

Das was du denkst gilt nur für die Oberstufe, da diese auch einen Orbit erreicht. Aus diesem Grund schlägt dort eine erhöhte Leermasse 1:1 auf die Nutzlast durch.

Bei der ersten Stufe ist es nicht ganz so schlimm.
Aus diesem Grund ist es bei der Oberstufe viel wichtiger Gewicht zu sparen.

Die Frage ist auch wie oft man eine Falcon 9R (für Re-usable, ist natürlich inoffiziell) verwenden kann. Eine Lebensdauer von 50 oder 60 Flügen wäre ja schon gigantisch. Die Struktur muss angesichts des Zerbrechens bei den bisherigen Flügen gar nicht besonders schwach sein. Die Aerodynamischen Belastungen sind bei einem unkontrollierten Rücksturz viel erheblich als bei einem geregelten/gesteuerten Rückflug. Genau sowas konnte man umgekehrt bei einigen Raketenstarts sehen, wo die Träger vom Kurs abkamen (außer Kontrolle) und an den nicht dafür ausgelegten aerodynamischen Belastungen zerbrachen.

Die Landeplätze würden mich auch interessieren. Bei einem Start von Vandenberg oder Texas wäre wohl noch eine Landung in den USA denkbar. Aber von Florida? Neben der Ölplattform evelt. die Azoren oder die Kanarischen Inseln?

Die spätere Falcon 9R würde dabei den längere Erststufe der v1.1 nehmen, Grashopper scheint noch eine v1.0-Erststufe zu verwenden.

Grundsätzlich wäre es bestimmt treibstofftechnisch nicht allzu teuer, eine fast leere Erststufe bisschen weiterfliegen zu lassen, z.B. zu den Azoren oder Spanien, Frankreich.
Aber da würde man sich ziemlich einschränken was die Inklination angeht, bzw. man bräuchte eine größere Cross-Range (noch mehr Treibstoff und evtl. stärkere Struktur).
Die Flugbahn müsste also nahe an einen Landeplatz heranführen.

Was spricht dagegen, auf einer mobilen Plattform zu landen? Die kann man immer genau ans Ende der Wurfparabel der Erststufe fahren, und dann mit der Plattform gleich die Erststufe nach Florida oder Texas verschiffen.
Viel, viel flexibler das Ganze.
Ein Unternehmen, das im Orbit auf 400km Höhe bei fast 8km/s fast ohne Relativgeschwindigkeit die Lage zur ISS halten kann, sollte es doch schaffen, auf einem Hubschrauberlandeplatz zu landen. Wenn man nicht so genau landen kann, sollte man es gleich bleiben lassen.
In Klein schafft man perfekte Punktlandungen, z.B.:

ws

Schaut man hier mal auf den Himmel, sieht man, dass es nicht gerade windstill war.

Eine Plattform hätte aus meiner Sicht den Nachteil, dass die dem Seegang ausgesetzt wäre, sofern sie nicht wie eine Ölbohrplattform am Boden verankert wäre. Eine solche verankerte (auf dem Meeresboden stehend) wäre aber in der Verlegung teuer und sie jedesmal nach einem Start über den Atlantik schippern zu lassen dürfte auch aufwendig und teuer sein.

Für den Rücktransport glaube ich ohnehin eher an ein Schiff als an den Rücktransport der kompletten Plattform.

Schau dir doch Sea Launch an. Die machen das mit einer freien, mobilen Plattform einmal in den Pazifik und zurück. Gestartet (gelandet) wird eh nur bei gutem Wetter.

Eine Plattform hätte aus meiner Sicht den Nachteil, dass die dem Seegang ausgesetzt wäre, sofern sie nicht wie eine Ölbohrplattform am Boden verankert wäre.

Beim Shuttle musste man ja auch immer auch auf die Wetterbedingungen bei den Notlandeplätzen in Frankreich und Spanien überprüfen, damit man starten kann. Darin sehe ich jetzt nicht das größte Problem.

Halbtaucher sind relativ stabile Plattformen, denen kann Seegang nur wenig antun. Bevor so ein Gerät ein Problem mit dem Seegang bekommt ist der Wind ein Problem für die Rakete

Ja natürlich eine Halbtaucherplattform wäre eine solide Plattform... aber sie dann immer wieder nach Florida schaffen? Gerade bei mehreren aufeinander folgenden Starts wäre es besser für den Rücktransport ein eigenes Schiff zu nehmen. Wenn SpaceX eine hohe Startrate erreicht (ein Flug alle 2 Wochen) dann wäre es sinnvoller die Plattform permanent auf See zu lassen und Transport + Versorgung über ein extra Schiff laufen zu lassen.

Dazu kommt noch die Frage ob sich SpaceX einen Halbtaucher leisten will, die Sea Launch-Plattform geht mit ihrer Größenordnung auch ordentlich ins Geld 

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Was mich besonder interessieren würde: Wie bekommt man bei einer Landung eigetlich Seitenwinde in den Griff? Eigentlich müssten ja Korrekturtriebwerke oben an der Spitze sein um da entgegenzuwirken, oder?

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Dazu hab ich grad noch eine schöne Illustration gefunden:


Das Bild gefällt mir, sieht irgendwie aus, als wärs aus Apollo-Zeiten (rein vom Stil her).
Hier sieht man oben auch ziemlich kleine Korrekturdüsen. Ob das beim aktuellen Grasshopper-Testmodell schon der Fall ist weiß ich nicht, aber man erwägt das offensichtlich.
Auf dem bis jetzt einzigen richtigen Bild vom Grasshopper erkennt man ja leider so gut wie nix.

Das Bild ist eine kleine Sensation, ist es doch die erste konkrete Illustration die die neue Triebwerkspositionierung (ab Falcon 9 v1.1) zeigt.

Und ja mir scheint es als ob sich der Artist bei den Illustratoren der NASA in den 60ern angelehnt hat. Es riecht geradezu nach Pioniergeist und Aufbruchsstimmung, zumindest gehts mir immer so wenn ich die alten Bilder sehe. 

Das Bild ist eine kleine Sensation, ist es doch die erste konkrete Illustration die die neue Triebwerkspositionierung (ab Falcon 9 v1.1) zeigt.

Ich glaube, in dem Bild steckt eine Menge künstlerische Freiheit.

Es zeigt die zwei Triebwerke vorne in Betrieb. Das geht gar nicht, zum ausbalancieren müßten dann auch die zwei Trieberke auf der gegenüberliegenden Seite laufen. Und schon ein Triebwerk läßt sich kaum so weit drosseln, wie man es für die Landung braucht.

Hier wird als Landepunkt für die erste Stufe immer über eine weit vom Startpunkt entfernte Stelle diskutiert. SpaceX plant aber (laut Videos) eine Landung in der Nähe des Startplatzes.
Ich habe auch schon von russischen(?) wiederverwendbaren Teilen der Erststufe (ich weiß leider nicht mehr ob Booster oder Erststufe oder welcher Träger) eine Grafik gesehen, wo die Flugbahn zurück zum Startplatz eingezeichnet war. Ich versuche es mal mit ASCII-Art:

      __
    /      \           /~
  /          \      /
|               X
|             /
|          /
|       /
|     /
|   /
 S

(S=Start, X=Stufentrennung, ~=Oberstufe)

Das "Rückkerteil" behält also seinen Schwung nach oben bei, nur die seitliche Geschwindigkeit wird mit den Triebwerken abgebremst und in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Das Rückkehrteil fliegt also noch eine hübsche Parabel und kann dabei noch einiges an Strecke zurück zum Startpunkt in der dünnen Atmosphäre zurücklegen um dann die dichten Schichten rellativ senkrecht zu "durchfallen". Ein bischen seitliches Gleiten ist dabei vielleicht auch noch drin.