Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Irgendwie enttäuschend, sicher die erste Stufe weich auf Land zu landen hat seinen Charme, inzwischen ist aber absehbar das die Sache rein finanziell kaum aufgehen wird.

Die Nutzlast soll um 30% abnehmen und die Kostenersparnis bestenfalls 25% betragen, vorausgesetzt es funktioniert alles so wie geplant.
Das lässt die Kosten pro kg sogar leicht ansteigen. Von einer echten Kostenersparnis um Größenordnungen wie sie von SpaceX immer propagiert wurde ist das weit entfernt.

Das geht im ersten Schritt sogar finanziell sehr gut aus, für beide Seiten. Kunden mit niedrigerer Nutzlast kriegen einen schönen Rabatt. SpaceX macht wahrscheinlich einen guten Gewinn. Mit der Zeit und Erfahrungen ist da auch sicher noch viel Luft nach unten drin.

Dazu kommt das bei Missionen in den GTO (wie beim nächsten Start mit SES-8) keine Landung der ersten Stufe möglich ist weil man die Performance wirklich braucht.
Und die meisten kommerziellen Satelliten gehen leider in den geostationären Orbit.

Das ist jetzt bei den ersten Starts so. Wenn die Nutzlast die ganze Kapazität braucht, bleibt es auch so, das ist richtig. Im Augenblick ist man aber einfach erst mal vorsichtig. Die Flüge sind wichtig und man nimmt sich Reserven, zur Sicherheit.

Von den anderen unrealistischen Wunschvorstellungen (weiche Landung der Oberstufe / etc.) hat man sich inzwischen wohl auch verabschiedet, und ich wurde niedergemacht als ich behauptet habe das diese Dinge nicht machbar sind.

Quelle? 

Nein, man wird sich davon nicht verabschieden. Priorität hab aber erstmal was anderes. Sicher geht es auch um die noch mögliche Nutzlast. Ich gehe z.Z. davon aus, daß man auch bei wiederverwendbarerer 2. Stufe z.B. noch Dragon fliegen kann. Das ist optimistisch, OK.

Hoffentlich kriegen sie das Problem mit dem Rollen um die Längsachse schnell in den Griff. Vor allem bei der Oberstufe ist das gar nicht gut und kann zum Fehlschlag der Mission führen.

Aussage war, daß alle Probleme, das rollen und auch das Wiederstarten der 2. Stufe mit den vorhandenen Telemetriedaten schnell und leicht lösbar sind. Ich gehe NICHT davon aus, daß sie lügen.

Nochmal Gedanken zur Inspektion der Erststufe für einen zweiten Flug.

Annahme: SpaceX schafft es irgendwann in den nächsten Jahren (vielleicht schon nächstes Jahr ) eine Erststufe auf dem Boden zu Landen.

Jetzt ist natürlich die Frage wie groß der Wartungsaufwand für eine erneute Verwendung ist. Und da stellt sich folgende Frage: beim Jungfernflug wurde die erste Stufe (wenn ich mich recht erinnere) über die dreifache komplette Flugdauer (2xmal mit Enwicklungstriebwerken und 1xmal mit Flugtriebwerken) getestet. Was ist der Unterschied in der "schädigenden" Wirkung eines Stufentests über die volle Brenndauer und einem tatsächlichen Flug. Weil nach einem solchen Test kann man die Stufe ja offenbar ohne Probleme fliegen.

Als Ingenieur stellt man sich zuerst die Frage der Lasten. Welche anderen Lasten gibt es im Flug gegenüber einem Test auf dem Teststand. Da fallen einem natürlich zuerst die aerodynamischen Lasten und Beschleunigunglasten ein, dann gibts eventuell stärkere Vibrationen als auf dem Prüfstand und zwei Triebwerke müssen für den Rückflug einmal und ein Triebwerk zweimal Wiederzünden. Witterungseinflüsse könnten eine Rollen spielen, denn in Texas ist das Wetter trockener als am Cape oder in Vandenberg. Aber die Stufe landet ja schonmal nicht im Salzwasser, das ist schonmal positiv. Und dann ist die Stufe noch kurze Zeit im Vakuum.

Ich denke, die Triebwerke werden in etwa gleich belastet. Was mehr belastet wird, ist die Struktur und eventuell Avionikbauteile. Bei der Struktur müsste man sicher gehen, dass sich keine Plastizität/Verformungen im Flug gebildet haben, Beulen wäre auch nicht toll. Bei schwingender Belastung bilden sich auch gerne Risse, die müsste man sicher identifizieren. Aber auf dem Prüfstand können sich auch Rissen bilden, da muss es bereits Ausrüstung geben, diese zu identifizieren. Wahrscheinlich wird sowieso jede Stufe nach Bau auf Risse und Herstellungsfehler abgesucht.

Ich schätze also, dass die Inspektionskosten einer gewarteten Stufe Anfangs auf dem selben Niveau sind wie bei einer immer neu gebauten Stufe, was man spart sind die Baukosten.

Wenn man mehr Erfahrung gesammelt hat, kann man sicher die Inspektionen reduzieren.

Na ich denke mir mal, dass man die Stufen nach Bergung/Landung sowieso demontiert, und speziell Brennkammern/Turbopumpen, und vielleicht noch Elektronik nach Inspektion/Wiederaufarbeitung mehr oder weniger direkt wiederverwendet. Tanks, Landebeine und so, und vermutlich auch die Düsen gehn zumindest anfangs zum Schrotti bzw. Rohmaterial-Lieferanten (letzterer profitiert von bekanntem Material und kann so kostengünstig produzieren), und werden neu gebaut. Mit der Zeit, und mehr Erfahrung wird man dann wohl auch Düsen und evtl. auch Tank-/Tragestrukturteile wiederverwenden - ob man aber jemals bis zum Punkt Inspektion und Re-use gelangt, wage selbst ich zu bezweifeln.

-ZiLi-

SpaceX geht jetzt mehr als je zuvor davon aus, daß die Stufe nach Inspektion neu betankt und wieder gestartet wird.

Die Inspektion der ersten zurückgeflogenen Stufen wird sicher ziemlich gründlich ausfallen, was Geld kostet. Aber später wird es ähnlich wie bei Flugzeugen. Da ist es so, daß z.B. Triebwerke durch Sensoren überwacht werden und Inspektionen nicht mehr nach Flugstunden, sondern nach den Sensordaten durchgeführt werden. So wurde es jedenfalls bei NSF erklärt, als das Thema diskutiert wurde. Und für Raketentriebwerke gilt das gleiche, warum nicht? Natürlich halten die nicht so lange wie Flugzeugtriebwerke, aber zwei Stunden geben doch schon 20 Flüge her und das sollte drin sein, ohne große Aufarbeitung.

Die BBC hat berichtet, daß SpaceX früh im nächsten Jahr eine Landung versuchen will. Offenbar ist das kein Irrtum des Reporters, wie einige vermutet hatten.

http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-24326413

Früh bedeutet nach dem Interview mit Elon Musk der CRS-3 Flug. Wenn die Landebeine rechtzeitig fertig werden und die Genehmigung für die Landung am Cape erteilt wird, soll schon bei diesem Flug die Stufe zurückfliegen. Beides ist noch nicht sicher aber Elon Musk ist für beides zuversichtlich. Die Behörden sind sehr kooperativ wegen der Genehmigung.

Na dann mal los. Wir können gespannt sein. Es klingt fast zu gut um wahr zu sein.

Tanks, Landebeine und so ... gehn zumindest anfangs zum Schrotti bzw. Rohmaterial-Lieferanten...

Warum denn?  (Nach einer sauberen Landung, natürlich.)

Ich glaube auch das Tanks und Landebeine die letzten Dinge die zum Schrotthändler wandeln. Die werden doch weniger beansprucht als die Triebwerke und werden bestimmt für weitere Flüge genutzt.

Das Musk so schnell wie möglich Landungen auf dem Land versuchen will, leuchtet ein. Hat er doch erwähnt, dass sie mit dem Radar an der Rückkehrstufe über Wasser Probleme haben. Wenn der Spin zum harten Absturz der Cassiope-Stufe geführt hat und ausklappende Landebeine diese Spin verringert hätten, würde der Flug mit Landebeinen bei CRS-3 Sinn machen.

Erstaunlich ist auch Musks Aussage: "But the most important thing is we now believe we have all the pieces of the puzzle." (Die wichtigeste Sache ist, dass wir nun glauben, dass wir alle Teile des Puzzle haben.)

Das würde bedeuten Sie (glauben zu) wissen wie man jetzt die Landung der Stufe durchführen kann. Wenn CRS-3 klapp, stellt sich dann nur noch die Daseinsberechtigung von Grasshopper 2 und deren Einrichtungen die gerade auf dem Spaceport-America gebaut werden...

Wie überall gibt es immer Raum für Verbesserungen. Bei Grasshopper Testgerät kann man diese ausprobieren ohne das diese bei einem richtigen Flug Probleme machen. Auch können Erkenntnis aus den richtigen Flügen dort einfließen. Wo kann man noch Gewicht sparen? Wo muss die Konstruktion noch verstärkt werden? Was kann an der Aerodynamik noch verbessert werde? Alles Fragen die man so leichter Lösen kann.

Sobald man die Stufen vom Flug in einem Stück zurück bekommt kann man auch die Wiederverwendung optimieren. Alles was man im Flug nicht mit Sensoren und Kameras erfassen kann ist wieder am Boden in aller Gründlichkeit zu messen und zu analysieren. Da bei SpaceX ja vieles selbst Produziert wird fließen diese Erkenntnisse fast direkt wieder in die Produktion und Design ein. Die zu wartenden oder zu ersetzenden Teile werden damit immer Weniger, oder man weiß zumindest welche Teile zu ersetzten sind. Beim Design kann man Teile die oft aus und einzubauen sind Wartungsfreundlicher machen und Zeit und Arbeitsschritte sparen.

Die Grundidee der Wiederverwendung die man beim Space Shuttle hatte, hat so viel höhere Chancen auf Erfolg.

Ich glaube auch das Tanks und Landebeine die letzten Dinge die zum Schrotthändler wandeln. Die werden doch weniger beansprucht als die Triebwerke und werden bestimmt für weitere Flüge genutzt.

Ich glaube, die Zeiten, wo man auf einer Betonfläche von 20x20m im Winkel von 90° landen kann wie im Film sind noch fern. Also wird man "irgendwo" in der unbetonierten Nähe des Zielgebiets landen. Da kann dann auch schon mal ein Bein zuerst aufkommen. Das muß dann die Last von dreien aufnehmen mit einer evtl. Seitwärtskomponente. Da gibts dann einen Kreuzbandriß 
Und da werden die Tanks eben doch heftig beansprucht, denn die sind ja gewöhnlich papierdünn. Selbst wenn sie selbsttragend sind (?) - daß gerade die Tanks (und ihre Aufhängung) wenig beansprucht werden, glaub ich nicht.
Es wird halt zuerst etliche traurige Szenarios geben. Aber bei jedem gibts Erkenntnisse. Und irgendwelche Finanzbetrachtungen für die Journaille oder ungeduldige Wirtschaftsleute sollte man einfach ignorieren.

Genau das was McFire äußert, hatte ich im Hinterkopf mit meiner Aussage. Gerade die Tankstruktur ist genau auf eine Last ausgelegt - EXAKT längs zur Achse, und das auch nur mit der notwendigen Druckbeaufschlagung. Nun, diese ist ja wohl gegeben, da man schliesslich aktiv mit Triebwerken landen will. Aber ob man das mit der Landung wirklich so gut hinbekommt, wie man sich das ausrechnet, wird zumindest anfangs schwer zu erzielen sein - schliesslich ist gerade der Aufsetz-Impuls auch bei einer nominell weichen Landung nicht zu unterschätzen. Und ich denke mir deshalb, dass man gerade anfangs Wert darauf legt, zumindest die fertigungsaufwendigen Funktionalkomponenten der Triebwerke möglichst unbeschadet zurückzuerhalten - der Rest kommt mit der Zeit. Und wie gesagt, auch das was als Schrott zurückkommt, ist kein Abfall, sondern sortenreiner bzw. materialbekannter Wertstoff, und wird vom Rohstofflieferanten aufgrund der Kenntnis des Materials sicherlich gern genommen, und schlägt somit kostensenkend zu Buche.

-ZiLi-

"Dass mit der Landung" hat man ausprobiert. Dafür hat man Grasshopper gebaut.

Vielleicht kann man nicht auf 20x20m landen. Dann baut man 50x50m, das geht bestimmt. So viel Feinsteuerung ist drin. Bei Fallschirmlandungen verhindert das der Wind.

Edit: Aus Sicherheitsgründen braucht man allerdings eine Ellipse von ein paar km Länge, in der keine Menschen oder wertvolle Infrastruktur sind. /Edit

Für noch so hochwertigen Schrott nimmt man keine30% Nutzlastverlust in Kauf. Nicht mal für die Rückgewinnung der Triebwerke.

Das einzige, was das rechtfertigen kann, ist eine praktisch flugfähige Stufe. Denn da steckt die ganze Integrations- und Testleistung drin.

Mit anderen Worten, es ist doch unverantwortlich, hochwertige, teure Nutzlast oder Astronauten in eine Rakete zu stecken, die noch nie geflogen ist.

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Mit anderen Worten, es ist doch unverantwortlich, hochwertige, teure Nutzlast oder Astronauten in eine Rakete zu stecken, die noch nie geflogen ist.

Das sehe ich ein wenig anders. Das Space Shuttle hatte einen bemannten Jungfernflug. Das funktioniert aber auch nur wenn entsprechende Rettungssystemen Integriert sind. Und natürlich einen Testpiloten der Nerven wie Drahtseile hat .

Zitat von: Führerschein am 02. Oktober 2013, 08:02:38

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Mit anderen Worten, es ist doch unverantwortlich, hochwertige, teure Nutzlast oder Astronauten in eine Rakete zu stecken, die noch nie geflogen ist.

Das sehe ich ein wenig anders. Das Space Shuttle hatte einen bemannten Jungfernflug. Das funktioniert aber auch nur wenn entsprechende Rettungssystemen Integriert sind. Und natürlich einen Testpiloten der Nerven wie Drahtseile hat .

So war es ja gemeint. Mit Falcon 9R muß man das nicht mehr. Man kann die Rakete fliegen, bevor sich ein Mensch reinsetzen muß.

Gerade die Tankstruktur ist genau auf eine Last ausgelegt - EXAKT längs zur Achse, und das auch nur mit der notwendigen Druckbeaufschlagung.

So genau auch wieder nicht, die (leeren) Tanks müssen immerhin das Aufrichten verkraften, und die hohe Druckbelastung im Flug, die ja nicht nur axial wirkt. Sie müssen also schon vielseitigerer belastbar sein. Und - auch wenn man ein Teil nur für eine kritische Belastungsart auslegen würde, ergeben sich dadurch "ungewollt" auch Festigkeiten für andere Beanspruchungen. Die fast senkrechte Landung einer fast leeren Stufe scheint mir wenig drammatisch zu sein.

... Da gibts dann einen Kreuzbandriß   

Es werden natürlich nie alle vier Beine absolut gleichzeitig Bodenkontakt bekommen. Das muß bei der Konstruktion berücksichtigt sein und kann sicher durch eine ausreichende Elastizität abgefangen werden. Es ist ja auch nicht so, daß das "erste Bein" das volle Gewicht abbekommt, auch wenn es absolut unelastisch wäre. Es ist natürlich schon gut möglich, daß ein Bein bei der Landung beschädigt wird, aber immer alles zu ersetzen scheint mir deutlich übertrieben. Die Beine sind ja auch kein sicherheitsrelevantes Teil, sollte mal eines bei der Landung einknicken, ist höchstens die leere Stufe hin, so wie bisher auch immer. Es ist so gesehen fast schon ein Luxusproblem

Und irgendwelche Finanzbetrachtungen für die Journaille oder ungeduldige Wirtschaftsleute sollte man einfach ignorieren.

Sehe ich genau so, das Ergebnis einer so komplexen Entwicklung sieht man erst mit etwas Abstand. Man muß dem Instinkt folgen, und der sagt zumindest mir, daß das kein ganz falscher Weg sein kann. Wirtschaftsleute (und solche die so denken) mögen das natürlich nicht, die wollen Zahlen, auch wenn diese mit tausend wild geschätzten Faktoren behaftet sind. Technischer Fortschritt ist und bleibt aber immer auch ein Abenteuer mit ungewissem Ausgang, und das ist auch der Grund, warum ich hier mitlese. ;-)

Mit Grasshopper sieht man ja genau welche Belastungen bei der Landung an den Beinen und 1. Stufe auftreten. Ich sehe nicht das SpaceX da noch größere Probleme hat. Wie Musk schon sagte, man hat jetzt alle Puzzleteile zusammen.

@Chewie: Das sehe ich im wesentlichen auch so, befürchte aber noch, daß es bei möglichst kurzen Brennphasen nicht so einfach sein wird immer genau die Landefläche zu treffen. Und der Sicherheitsbereich wird wohl nicht komplett betoniert sein. Daher kann da auch mal ein Stein oder Hügel im Weg sein oder die Landung etwas rauher als beim Grashopper ausfallen.

Ich würde hier eigentlich schon auf irgendwelche kleinen aerodynamischen Lenkhilfen setzen.(Da bin ich aber nur ein blutiger Laie ;-)

Wie genau man runterkommen kann, ist sicher interessant. Man kann und wird keine kilometergroße Ellipse betonieren. Andererseits muß man wohl davon ausgehen, daß eine Stufe, die nicht auf Beton runterkommt, als verloren angesehen werden muß. Wenn sie überlebt, war das Glück.

Ich gehe davon aus, daß die Genauigkeit für ein kleines Pad reicht. Ggf. sogar für eine Plattform im Meer. Dafür wird man aber in der antriebslosen Flugphase Korrekturen mit Hilfe des ACS vornehmen müssen. Die Landebremsung dauert nur wenige Sekunden. Da sind die Korrekturen sicher sehr begrenzt.

in (weiter  ) Zukunft:

Astronaut A : "mit der 17er Erststufe flieg ich nicht so gerne, da klingt der Motor so komisch und Triebwerk Nr. 3 verliert immer irgendwas"
Astronaut B : "dafür ist das Ticket saubillig ..."

nun aber ernst : Ich habe mal gelesen, dass der Tank des Space Shuttles (bei mehrmaligen Startabbrüchen muss ja immer wieder enttankt und betankt werden) diese Prozedur nur ein paarmal (4-5 mal) "aushält". Nun ist das ein Apfel Birnen Vergleich, aber grundsätzlich würde ich das auch unter struktureller Belastung verstehen !

Cebulonicus, (ein paar Emoticons mehr könnten nicht schaden)

@Cebulonicus: Ich kann mir vorstellen, daß die Tanks heute deswegen so "schlecht" sind, weil si nur für einen Flug bestimmt sind. Wenn das mit der Wiederverwendung klappt, lohnt es sich u.U. die etwas "besser" auszulegen.

Dieses mal ganz ohne Emoticons - Kelvin 

nun aber ernst : Ich habe mal gelesen, dass der Tank des Space Shuttles (bei mehrmaligen Startabbrüchen muss ja immer wieder enttankt und betankt werden) diese Prozedur nur ein paarmal (4-5 mal) "aushält". Nun ist das ein Apfel Birnen Vergleich, aber grundsätzlich würde ich das auch unter struktureller Belastung verstehen !

Bei flüssigem Wasserstoff kann ich mir das gut vorstellen. Riesige Temperaturdifferenzen. Dagegen ist LOX fast ein Klax.

Ich denke, dass die Erststufe kleine aerodynamische Kontrollflächen brauch, so wie lasergesteuerte Bomben, die treffen ihr Ziel meistens auch recht genau.

Es war bereits im Zusammenhang mit den Beinen davon die Rede, dass diese in irgendeiner Weise auch als "Aerosurfaces" dienen sollen, also zur aerodynamischen Steuerung.

Damit sollte eine Genauigkeit von ein paar Metern erreichbar sein.

Zitat von: Führerschein am 02. Oktober 2013, 08:02:38

...Mit anderen Worten, es ist doch unverantwortlich, hochwertige, teure Nutzlast oder Astronauten in eine Rakete zu stecken, die noch nie geflogen ist.

Das sehe ich ein wenig anders. Das Space Shuttle hatte einen bemannten Jungfernflug. Das funktioniert aber auch nur wenn entsprechende Rettungssystemen Integriert sind. Und natürlich einen Testpiloten der Nerven wie Drahtseile hat .

Imho nicht wirklich ein gutes Beispiel. Einen solchen "Stunt" wie bei STS-1 würde man heute, denke ich, keinesfalls mehr durchführen. Das Rettungssystem a.k.a. die beiden Scleudersitze beispielsweise hätte bei einem Wiedereintritt mit defekter Bodyflap nicht unbedingt geholfen ...

Gruß   Pirx

Zitat

Gerade die Tankstruktur ist genau auf eine Last ausgelegt - EXAKT längs zur Achse, und das auch nur mit der notwendigen Druckbeaufschlagung.

... Es ist natürlich schon gut möglich, daß ein Bein bei der Landung beschädigt wird, aber immer alles zu ersetzen scheint mir deutlich übertrieben. Die Beine sind ja auch kein sicherheitsrelevantes Teil, sollte mal eines bei der Landung einknicken, ist höchstens die leere Stufe hin, so wie bisher auch immer. Es ist so gesehen fast schon ein Luxusproblem ...

Mitunter ein teures Luxusproblem. Solange man unbemannt im vorgesehenen Zielgebiet crasht, aber wenigstens nicht lebensgefährlich.

Landen mit drei von vier Beinen kann leicht so ausgehen:



Gruß   Pirx

Ich denke, dass die Erststufe kleine aerodynamische Kontrollflächen brauch, so wie lasergesteuerte Bomben, die treffen ihr Ziel meistens auch recht genau.

Genau gell    (Paveway III)

Oben auf dem großen Bild zu sehen: GBU-24 alias Paveway III im RAF Museum in Hendon, London.
Quelle: Wikipedia User Megapixie

Gruß   Pirx