Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Dafür braucht es aber schon beinahe Orbitalgeschwindigkeit. Die Hauptstufe der Ariane 5 z.B. schafft fast eine Erdumkreisung, um dann im Pazifik vor der südamerikanischen Küste abzustürzen.

Eine derartige Geschwindigkeit erreicht die Falcon-9 Hauptstufe aber definitiv nicht (vielleicht die Zentralstufe bei der Heavy?)
Dieses Flugschema ist für SpaceX also kaum realisierbar.

Noch etwas anderes spricht grundsätzlich dagegen: der Erde dreht sich unter der Flugbahn hindurch.

In 90 Minuten sind das mehr als 22°, was sich am Äquator auf über 2500km summiert. Das Problem hatten ja auch die Space Shuttle für die geplanten ein-Orbit-Militärmissionen. Um dann den Startort wieder zu erreichen, brauchten die ihre riesigen Flügel.

Also eine "einfache" Rakete fällt mit "orbit-once-around" deutlich neben ihrem Startplatz runter. Man müsste also einen anderen Landeplatz finden, hätte dann aber evtl. mehr Möglichkeiten.

Hier mal einige Gedanken zur technischen Machbarkeit:
.............

Also mindestens 8 größere konstruktive Änderungen sind notwendig. Die Drehung der Stufe in der Atmosphäre ist meiner Meinung technologisch die größte Herausforderung.

Aus all den genannten Gründen gehen ja viele hier wie ich davon aus, daß es eine Landung downrange und nicht Umkehr sein wird. Damit entfallen die meisten Probleme, besonders die große Treibstoffmenge für die Rückkehr.

Drehung der 1. Stufe in der Atmosphäre halte auch ich für nicht durchführbar, ohne vorher praktisch anzuhalten oder sie so schwer zu bauen, daß sie gar nicht erst startet. Also muß die Stufe mit den Triebwerken voraus in die dichteren Atmosphärenschichten eintreten. Die Heavy-Booster sollten das auf jeden Fall schaffen, die trennen sich ja bei niedriger Geschwindigkeit ab. Die übrigen müßten vielleicht vorher etwas bremsen. Am meisten beim Core der Heavy. Aber das ist immer viel weniger als wenden. Daß zumindest das Triebwerk der Oberstufe wiederzündbar ist, wissen wir. Also kann man ohne Weiteres den Triebwerken der ersten Stufe die gleiche Fähigkeit geben.

Gebraucht wird ein RCS. Das dreht die Stufe für den Wiedereintritt Triebwerke voran und hält die Fluglage stabil. Sehr leichtes drehen aus der Strömung müßte Steuermöglichkeiten ergeben für die Zielgenauigkeit, auch ohne Flügel.

Und natürlich die Beine, wesentlich leichter als am Grashopper.

Edit: Das mit dem Anhalten zum drehen geht ja gar nicht, weil die Triebwerke nicht gegen die Flugrichtung zeigen. Die Stufe muß also schon vor dem Eintritt in die dichteren Atmospärenschichten Triebwerk voran fliegen.

Die hypothetische Landung einer Zweitstufe ist etwas anders. Die muß Bug voran in die Atmosphäre, weil dort der Hitzeschild wäre. Sie ist aber auch deutlich kürzer und damit stabiler, so daß sie eine Drehung vielleicht möglich wäre.

Das mit dem Downrange hat andere Probleme. Man braucht dann am richtigen Ort eine Landebasis. Kein Problem wenn es immer die gleiche Flugbahn ist. Doch schon wenn ich vom Cape aus abwechselnd die ISS und GTO Starts habe, unterscheidet sich der Startwinkel um 25 Grad. Danach dürfte man mehrere Landeplätze haben. Von Vandenberg aus wird es geographisch schwierig sein eineen Landeplatz auf dem Land zu finden.

Ich hab hier schon (vor etlichen Seiten) die Möglichkeit angesprochen, dass man eine mobile Plattform nutzen könnte, also ähnlich wie bei Sea Launch, "nur" eben für die Landung statt den Start.
Vielleicht ja auch ein Flugzeugträger, aber ich glaube es wird auf Dauer zu teuer jedesmal das Militär zu bestechen...

Vielleicht ja auch ein Flugzeugträger, aber ich glaube es wird auf Dauer zu teuer jedesmal das Militär zu bestechen...

Darauf wird sich alleine aus Sicherheitsgründen niemand einlassen.
Nicht auszudenken wenn etwas schief geht und das Schiff nachher in Brand steht.
Dafür sind zu viele Leute an Bord und ein Flugzeugträger ist zu teuer.

Eine Landeplattform wird man aus Sicherheitsgründen vor der Landung völlig evakuieren. Ich denke rein vom Geld her wird es eher machbar sein eine Plattform zu bauen oder eine bestehende Bohrplattform oder Schiff dafür umzurüsten.

Zu der Wasserlandung die Begründung

Jedenfalls hat die Stufe ja elektronische Systeme drinnen, die sie sicher aufsetzen lässt. Wenn der Kurs nun verfehlt ist, landet sie halt 5 km weiter weg in der Wüste. Aber sie landet automatisch, mit den Beinen voran. Ok, man kann sie immer noch bergen. 
Landet sie im Wasser 100 Meter daneben, ist sie verloren. Oder das Bergen ist teurer oder sowas.

Stell ich mir vor.

Ich hab hier schon (vor etlichen Seiten) die Möglichkeit angesprochen, dass man eine mobile Plattform nutzen könnte, also ähnlich wie bei Sea Launch, "nur" eben für die Landung statt den Start.
Vielleicht ja auch ein Flugzeugträger, aber ich glaube es wird auf Dauer zu teuer jedesmal das Militär zu bestechen...

Ich halte mich an das was es an Fakten gibt (außer Grasshopper nur Animationen) und da sehe ich eine Landung auf dem Festland, sogar punktgenau. Ansonsten reden wir nicht von der "Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie" sondern von "Möglichkeit der Bergung einer ersten Stufe im allgemeinen".

@runner02:
Ihr immer mit eurer ach so tollen Wüste
Setz mal eine Raketenstufe von ca. 20t Masse mit 4 Landebeinen in eine Sand- oder Geröllwüste. Die Beine sinken ein bzw. es ist sehr wahrscheinlich dass du auf geneigter Fläche landest.
Gute Nacht dann, das Ding kippt um und ist danach höchstens als überdimensioniertes Modell einer zertretenen Coladose einsetzbar.
Wenn man daneben landet landet man eben daneben. Man kann sich nicht mit 10 Quadratkilometern glattbetonierter Landezone höchstmögliche Sicherheit kaufen. Das lohnt sich nicht.
Entweder man kann präzise landen oder nicht. Und wenn man kanns reicht auch die Größe eines Heli-Landeplatzes...
Dass man Punktgenau landen kann haben Mastens, Armadillo und so weiter gezeigt, auf einem einzigen Triebwerksstrahl ohne Steuerdüsen, zumindest in klein. Jetzt muss man das "nur" auf eine große Rakete übertragen.
Die Probleme liegen doch eher bei der sinkenden Nutzlast durch die Landefähigkeit und beim Reentry und Abbremsen der Stufe.
Die Landung an sich sollte doch in Zeiten von GPS, Hochleistungsregelungstechnik etc. etc. noch das geringste Problem sein.

@vger: Wirkliche Fakten über die geplante Landeprozedur gibt es doch nicht. Bei den Videos steckt sicherlich eine große Portion künstlerische Freiheit der Grafiker drin. Offiziell würde ich das genausowenig bezeichnen.
Oder habe ich außer den Videos was verpasst, das man wirklich als offizelles Papier bezeichnen könnte?

Wenn man einen spezifischen Landeplatz z.B. in Texas haben möchte, der bei allen möglichen Inklinationen funktionieren soll, gibt es nur die Möglichkeit den Startplatz zu verschieben wohin man ihn haben möchte -> Stratolaunch!

@runner02:
Da es von SpaceX nichts wirklich tragfähiges an technischen Daten gibt, gibt es auch keine Papiere. Die Videos wurden bei von SpaceX ins Internet gestellt und bei einer Pressekonferenz vorgestellt, daher würde ich sie schon als offiziell bezeichnen. Auch wenn ich mir sicher bin, dass sie das ganze Verfahren nicht im letzten Detail durchdacht haben, sollten sie doch die wesentlichsten Punkte wie "wo lande ich und wie, und kann ich das technisch durchführen" geklärt haben, denn wenn man etwas ankündigt und kann es nicht mal theoretisch durchführen, dann ist das doch etwas blamable. Ich glaube eher die praktischen Probleme werden den Ausschlag geben. Verrückterweise wirds es fast einfacher sein die zweite Stufe zu bergen - die muss nämlich nicht umkehren.

Im Video kann man als Landeplatz aber eindeutig das KSC erkennen.
Also entweder wir lassen uns jetz auf das Video festnageln und würgen damit jede mögliche Diskussion ab, oder wir erkennen einfach an, dass das Video nur eine grobe Vorschau auf die Pläne von SpaceX in 5-10 Jahren ist, und noch keine konkreten Details zeigt.

Zitat von: tobi am 27. September 2012, 23:46:57

Hier mal einige Gedanken zur technischen Machbarkeit:
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Also mindestens 8 größere konstruktive Änderungen sind notwendig. Die Drehung der Stufe in der Atmosphäre ist meiner Meinung technologisch die größte Herausforderung.

Aus all den genannten Gründen gehen ja viele hier wie ich davon aus, daß es eine Landung downrange und nicht Umkehr sein wird. Damit entfallen die meisten Probleme, besonders die große Treibstoffmenge für die Rückkehr.

Drehung der 1. Stufe in der Atmosphäre halte auch ich für nicht durchführbar, ohne vorher praktisch anzuhalten oder sie so schwer zu bauen, daß sie gar nicht erst startet.

Dazu hab ich eine kuriose Idee. Man dreht die Stufe nicht, sondern baut in die Spitze ein 10. Merlin Triebwerk in die Stufe ein. Dann kann man den Hitzeschild abwerfen und das zehnte Merlin zum Landen benutzen. Die Beine müssen dann natürlich auch an der Spitze sein, unter dem Hitzeschild versteckt. Die 9 normalen Triebwerke schauen dann in den Himmel bei Landung. Das wäre in der Tat eine ungewöhnliches Bild.

Damit wäre das Konzept nicht nur auf die Falcon anwendbar, sondern könnte prinzipiell auch mit anderen Raketen, z.B. einer modifzierten Atlas V / Delta IV funktionieren, wenn man ein kleineres Triebwerk in die Spitze einbaut und die anderen Änderungen durchführt, die ich in meinem obigen Post beschrieben habe.

Wenn man jetzt noch irgendwo anders landet (Seeplattform oder ähnliches) ohne zurückzufliegen, dass man nur noch Treibstoff für die Landung braucht, könnte es auch von einem Performancestandpunkt machbar sein.

Unkonventionell, aber scheint mir die plausibelste Lösung.

Die Rakete auf den Kopf stellen und noch ein zusätzliches Triebwerk?

Grundsätzlich spricht nichts wirklich dagegen. Ein vorne liegender Schwerpunkt (durch den vorne liegenden Treibstofftank und das vordere Triebwerk + Beine) zusammen mit einem dahinter liegenden Druckpunkt der aerodynamischen Kräfte (durch kleine Flossen am Heck) ist für die Stufe im aerodynamischen Flug gut.
Man müsste das Treibstoffsystem halt so bauen, dass es oben und unten Treibstoff aus den Tanks entnehmen kann und es muss einen kurzen Ruck geben, der den Treibstoff nach Brennschluss der Haupttriebwerke zur "Decke" der Tanks befördert, um von dort an das vordere Triebwerk geliefert zu werden. Sobald das zündet und bremst, klebt der Treibstoff an den Vorderwänden der Tanks

Wobei ich das mit dem "Ruck" nochmal korrigiere. Das Kopf-Triebwerk müsste eigentlich erst am Ende, auf den letzten Kilometern, arbeiten. Vorher kann man alles die Atmosphäre machen lassen. Die bremst so eine leere Stufe ordentlich ab. Durch vorderen Schwerpunkt und hinteren Druckpunkt bleibt die Stufe von selbst stabil, hält also immer die richtige Lage mit der Nase voraus. Durch die Atmoshärenbremsung klebt der Treibstoff eh an den Vorderwänden und kann von dort zum Kopftriebwerk gepumpt werden, sobald es zünden muss.

Ich verstehe nicht, warum der Schwerpunkt vorne liegen sollte, wenn dort nur ein Triebwerk und die Beine sich befinden, aber hinten der ganze Block mit 9 Triebwerken. Nach meinem Verständnis müsste der hintere Teil schwerer sein, womit sich das ganze Prinzip der aerodynamischen Stabilisierung erledigt hätte.

Der flüssige Sauerstofff ist vorne und da muss für Abbremsung und Landung noch mehrere Tonnen da sein. Das Kerosin sammelt sich ebenfalls im oberen Tankbereich.

OK, bei der Tankanordnung mag das hinkommen. Wirklich überzeugt bin ich von der Idee zwar nicht, aber zumindest dieser Punkt scheint mir dann doch plausibel

Und wenn man mit der Lage des Schwerpunkts Probleme hätte, dann muss man "einfach" die Flossen an Ende größer machen, schon rutscht auch der Druckpunkt weiter nach hinten.

Durch die zusätzliche Düse müßte die Verbindung zwischen erster und zweiter Stufe entsprechend länger werden. Spielt das eine Rolle?

Für die Beine wäre jedenfalls genug Platz. Wie sieht es mit der Struktur aus, die die Kräfte von der Düse bzw. den Beinen auf den Tank überträgt?

Es sollte auch kein grundlegendes strukturelles Problem geben. Die Unterstufe kann ja die volle Obserstufe samt Nutzlast tragen. Dann sollte ihr Kopf auch ihr eigenes Leergewicht tragen können.
Im Detail muss das natürlich ordentlich konstruiert werden. Das geht nicht von selbst.

Ich würde gerne nochmal den Ausgangspunkt der Diskussion hinterfragen. Warum soll sich die erste Stufe nach der Stufentrennung nicht einfach mit der Hilfe kleiner Steuertriebwerke um 180° drehen können und dann die ganz normalen vorhandenen Triebwerke benutzen? Aus der dichten Atmosphäre ist man doch schon raus, daher sollte die kurzzeitige seitliche Anströmung der ersten Stufe doch kein Problem sein? Üblicherweise wird ja nach der ersten Stufentrennung oder manchmal sogar auch davor auch die Nutzlastverkleidung abgeworfen.
Ein zusätzliches Triebwerk mit den ganzen dazugehörigen Leitungen wird denke ich viel zu teuer. Um den Treibstoff für die Wiederzündung auf den Tankboden zu bekommen kann man doch kleine Feststofftreibsätze wie bei der Stufentrennung verwenden.

Es sollte auch kein grundlegendes strukturelles Problem geben. Die Unterstufe kann ja die volle Obserstufe samt Nutzlast tragen. Dann sollte ihr Kopf auch ihr eigenes Leergewicht tragen können.

Äh ..... ja. 

Ich würde gerne nochmal den Ausgangspunkt der Diskussion hinterfragen. Warum soll sich die erste Stufe nach der Stufentrennung nicht einfach mit der Hilfe kleiner Steuertriebwerke um 180° drehen können und dann die ganz normalen vorhandenen Triebwerke benutzen?

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Um den Treibstoff für die Wiederzündung auf den Tankboden zu bekommen kann man doch kleine Feststofftreibsätze wie bei der Stufentrennung verwenden.

Das Problem ist, ob die Rakete mit den Triebwerken voran die Hitze beim abbremsen in der Atmosphäre übersteht. Bei der umgedrehten Variante kann man alles durch ein abwerfbares Hitzeschild schützen.

Ich denke, die Booster der Heavy brauchen keinen Hitzeschild, man kann sie also mit den vorhandenen Triebwerken landen.

Die Falcon 9 Erststufe ist schon schneller, da ist es recht fraglich, ob es so geht.

Der Falcon Heavy Core wird ziemlich schnell sein. Da braucht man den Hitzeschild wohl wirklich. Alternative wäre bremsen auf eine erträgliche Eintrittsgeschwindigkeit. Das kostet aber viel Treibstoff, da kann ein relativ leichtes Triebwerk plus Hitzeschild eine Alternative sein.

Das sind aber nur drei Annahmen, rein aus dem Bauch. Ausrechnen für die drei Varianten muß man es erst.

Der Treibstoff sammelt sich von alleine beim Abbremsen durch die Atmosphäre da, wo er gebraucht wird. Das hat Schillrich ja schon geschrieben.

Wenn man ein Hitzeschild vor den Triebwerken brauchen sollte, wäre dann eventuell ein schwenkbarer Schild denkbar? Der also nach Ende der 1. Brennphase vor die Triebwerke klappt und da so lange verbleibt, bis die Stufe wieder langsam genug ist und dann wieder zurückklappt.