Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Oder das Mischungsverhältnis soweit ändern dass das Triebwerk zwar noch Arbeitet, aber kaum noch Schub erzeugt.
Falls das mit einem hohen Sauerstoffüberschuss geht (Korrosion?) , dürfte das Triebwerk das bisschen Kerosin immer noch verbrennen, aber der Schub müsste stark zurückgehen und für die Umwelt sollte das eher unproblematisch sein.

Es gibt beim Drosseln eines Triebwerkes innerhalb der Atmosphäre ein großes Problem. Wenn der Druck des Verbrennungsgases in der Düse einen kritischen Wert relativ zum Atmosphärendruck unterschreitet, löst sich der Gasstrom von der Düse, es gibt Instabilitäten mit kritischen Folgen. Der für hohen Wirkungsgrad optimale Druck liegt aber genau an der Grenze. Deshalb gibt es enge Grenzen für die Drosselungsmöglichkeit in Bodenhöhe.

Man kann die Düse kleiner machen, dann kann man besser drosseln, aber der Wirkungsgrad läßt nach. Aus dem Grund sind die Vakuum-Düsen der Oberstufe so viel größer als die Düsen der ersten Stufe. Es gibt Ansätze, dieses Problem zu lösen. Düsen für den Zweck wurden entwickelt, aber bisher noch nie in die Praxis umgesetzt. Ich nehme an, das hat seine Gründe.

Aber SpaceX ist offensichtlich der Meinung sie kriegen es ohne stärkere Drosselung hin. Sie feuern genau in dem Moment, wo das Triebwerk bei hohem Schub die Geschwindigkeit der Stufe in Höhe null auf Geschwindigkeit null bringt. Bei Drosselbarkeit des Triebwerkes auf 70% kalkulieren sie den Brennbeginnd z.B. mit 85% Schub und können bei Bedarf auf 100% hoch oder auf 70% runterregeln, um kleine Differenzen auszugleichen.

Mit der ersten Stufe wird das funktonieren. Mit der zweiten Stufe nicht, weil die viel leichter ist. Das Gewicht/Schub Verhältnis wäre da zu extrem. Da werden sie wohl Landetriebwerke brauchen, wahrscheinlich Super-Draco.

Ja so denk ich mir das mit intermittierendem Betrieb. Mehrere Brenn impulse mit einer folgenden Meßphase. Und der letzte muß dann halt stimmen, sonst hat Elon seinen ersehnten Krater.

Genaugenommen machen sowas ja die Russen bei der Sojus auch - auf die Sekunde genau die Bremsraketen zünden. Hierbei allerdings einen "Geschwindigkeits-Rest" belassend 

Ja so denk ich mir das mit intermittierendem Betrieb. Mehrere Brenn impulse mit einer folgenden Meßphase. Und der letzte muß dann halt stimmen, sonst hat Elon seinen ersehnten Krater.

Genaugenommen machen sowas ja die Russen bei der Sojus auch - auf die Sekunde genau die Bremsraketen zünden. Hierbei allerdings einen "Geschwindigkeits-Rest" belassend 

Ich bin mir sicher, daß die Merlin-Triebwerke keinen intermittierenden Betrieb zulassen. Das ist alles oder Krater. Ein einziger Schub in der Größenordnung 10 Sekunden.

Ich bin mir sicher, daß die Merlin-Triebwerke keinen intermittierenden Betrieb zulassen. Das ist alles oder Krater. Ein einziger Schub in der Größenordnung 10 Sekunden.

Und genau darin sehe ich auch das Hauptproblem. Die Stufe muss genau ausgerichtet sein und die finale Zündung muss exakt getimt erfolgen. Zündet das Triebwerk zu früh, hebt die Stufe wieder ab, zündet es zu spät, schlägt sie hart auf. Dabei müssen Windböen und auch Fallwinde mit eingerechnet und ausgeglichen werden, die Stufe muss bei Abschaltung des Triebwerks sicher auf dem Boden stehen und die Belastung durch das Aufsetzen muss innerhalb einer bestimmten Toleranz liegen. In meinen Augen ist das alles das größte Problem bei der geplanten Wiederverwendung und genau der Punkt, der mich zu der Überzeugung gelangen lässt, das die gesamte Wiederverwendung nicht wirtschaftlich funktionieren wird!

Sorry das ist Müll.
Wer sagt den das alle neun Triebwerke gleich sein müssen?
Die Merlin 1C und 1D haben doch auch andere Schubwerte, oder?
Wer soll den SpaceX hindern z.B. beim MCT nicht einfach nur 9 gleiche Raptortriebwerke a' 4,5MN-Schub einzubauen, sondern z.B. in der Mitte drei Merlin?

Sorry das ist Müll.
Wer sagt den das alle neun Triebwerke gleich sein müssen?
Die Merlin 1C und 1D haben doch auch andere Schubwerte, oder?
Wer soll den SpaceX hindern z.B. beim MCT nicht einfach nur 9 gleiche Raptortriebwerke a' 4,5MN-Schub einzubauen, sondern z.B. in der Mitte drei Merlin?

Wie soll das funktionieren? MCT soll mit  Methan / LOX angetrieben werden, wie soll man da Merlin mit einbauen? Das würde das komplette Treibstoffsystem massiv komplizieren. Und Merlin auf Methan umrüsten dürfte ebenfalls keine Option sein.

Es ist nun mal so, das Raketentriebwerke nur in einem bestimmten Schubbereich gedrosselt werden können. Das SSME konnte auf maximal 65 % Schub gedrosselt werden, das Merlin 1D soll bis auf 70 % gedrosselt werden können. Viel weiter runter geht es nicht.

Da hast du mich falsch verstanden. Zum einen wird wohl gerade das Raptor-Triebwerk entwickelt. Ist schon klar, LCH4/LOX!
Aber wer sagt den das damit die Triebwerksentwicklung bei SpaceX abgeschlossen sein wird?
Ich bin mir 100% sicher, das SpaceX die Erfahrungen aus der Raptor Entwicklung nutzen wird ein Merlin 2.0 oder von mir aus auch Merlin 1E zu konstruieren.
Das schon deswegen, weil es vermutlich auf Dauer günstiger ist nur eine Linie bei chemischen Triebwerken zu haben.
Und es gibt da dann auch noch den Nebeneffekt, dass ein Merlin mit LCH4/LOX auch noch ein höheres ISP hätte, was sicherlich hilfreich ist gerade wenn es um die Nutzlast bei Wiederverwendung geht, oder?
Das wird für ein Landesystem für MCT eh benötigt, oder wie sonst soll man den die MCT bei der geringen Marsschwerkraft zu Boden bringen?
Mit einem Raptor-Triebwerk bei 70% von 4,5MN/Triebwerk, eine leere Landerakete runter bringen?
Es könnte natürlich sein, dass ein Merlin 1E oder 1J (Enterprise J :-) ), nicht genug Schub zum Landen hat, aber vielleicht ist es in dem Fall angebracht eben für die Erststufen
8x Raptor mit 4,5MN und 3x Merlin 1E einzubauen?
Derzeit macht ein Triebwerksmix natürlich noch keinen Sinn, den vermutlich ist ein Merlin 1C in der Mitte keine gute Option.
Falls SpaceX in 30 Jahren immer noch existiert und erfolgreich ist, gibts vermutlich ein Merlin 1J und weitere Linien in anderen Leistungsklassen.
Die Schubanforderungen sind nun mal nicht mit nur zwei Leistungsklassen zufriedenstellend zu lösen.

Der große Träger bekommt 9 Raptor. Damit können sie die erste Stufe genauso landen, wie sie es bei der Falcon 9 machen wollen, mit Schub/Gewicht >>1. Soweit ist es ziemlich klar. Unbekannt ist noch, wie sie es bei der zweiten Stufe machen wollen. Im Detail weiß es vielleicht SpaceX auch noch nicht.

Meine persönliche Spekulation, die allerdings wohl niemand teilt, sieht so aus. Das Vakuum-Triebwerk hat ja diese riesige Düsen-Erweiterung. Das Triebwerk ohne Erweiterung, so wie es auf der Erde im Teststand geprüft wird, hat eine nur sehr rudimentäre Düse, was den Schub deutlich reduziert. Noch wichtiger aber ist, daß bei einer so kleinen Düse eine viel stärkere Drosselung möglich ist, ohne daß es zum Strömungsabriß kommt. Wenn man also eine Turbopumpe hat, die sich so weit drosseln läßt, kann man hoffentlich doch mit dem Haupttriebwerk landen.

Wenn das nicht klappt, muß man ein/einige Hilfstriebwerke entwickeln für die Landung.

Da gebe ich dir recht, das könnte gut klappen.
Es sollte nicht allzu aufwändig sein, den Unterteil einer langen Düse abzusprengen.

Das mit der Turbopumpe halte ich nicht für so kritisch, das Teil muss dann zwar bei kleinerer Drehzahl laufen, aber solange die Verbrennung sauber abläuft, sollte das machbar sein. Eventuell lässt man das Triebwerk halt mit einem Überschuss von LCH4 oder Sauerstoff laufen, das kostet zwar Treibstoff, aber kurz vor der Landung macht das vielleicht nicht viel aus.

Hallo an alle
@Führerschein Deine ID finde ich sehr gut
Bei der Turbopupe ist eine Drosselung kein Problem wenn einfach ein Bypass eingebaut wird und ein teil des Fördervolumens wider in den Tank zurückfließt

Gruß an alle

wenn einfach ein Bypass eingebaut wird und ein teil des Fördervolumens wider in den Tank zurückfließt

Mal abgesehen vom Bypass mit seinem erheblichen Mehr- und Sicherheitsaufwand - kannst Du Dir Vorstellen, wie von der Turbo der Sprit wieder in den Tank donnert? Selbst bei verringerter Drehzahl. Da gehts nicht ohne massive Strukturergänzungen im Tank.  Oder Du brauchst nach/am Bypass Ausgleichsstrukturen. So schön das wär, da wird sich keiner drauf einlassen.
Den Wirkungsgrad vermindern .......
Mit Kerosinüberschuß ins Triebwerk könnte riskant sein. Selbst wenns kein flameout gibt - wer weiß, was bei solch unvollkommener Verbrennung alles an "Nebenprodukten" entsteht, die sonst nicht sind.
Mit Sauerstoffüberschuß ins Triebwerk - nur wenn man Materialien hat, die frei verfügbaren, aber hoch erhitzten Sauerstoff vertragen.
Ein Extra für die Landung optimiertes kleineres Triebwerk scheint mir da immernoch die beste Lösung. Nach meinem Kenntnisstand. Elons Kenntnisstand wird vermutlich völlig anders sein 

Ein Extra für die Landung optimiertes kleineres Triebwerk scheint mir da immernoch die beste Lösung. Nach meinem Kenntnisstand. Elons Kenntnisstand wird vermutlich völlig anders sein 

Das denk ich mir auch immer wieder. Man könnte doch einen Merlin 1D downscalen auf sagen wir mal 50% Nennschub oder wieviel auch immer nötig ist um die leere Stufe in der Schwebe zu halten, und dieses dann in die Mitte setzen. Der Startschub ist dann etwas verringert, aber da hätte die Falcon 9 sicher genug Reserven damit das nichts ausmacht. So kann dann die Landung einfacher gemacht werden. So wie jetzt geüplant wird mans wohl auch hinbekommen zu landen, aber mit einer wie hohen Ausfallsquote? Kleine Unstimmigkeiten, zu viel Wind, was auch immer, das Risiko ist imho groß das viele Landungen schief gehen. Dann wirds nix mit wirtschaftlicher Wiederverwendung.

So ein kleineres Merlin könnte dann auch Vac-optimiert das bisherige Merlin 1D-Vac ersetzen was eh viel zu schubstark ist für die kleine Zweitstufe....

Man will die Falcon 9 gar nicht schweben lassen. Das kostet viel zu viel Treibstoff. Die kommt heiß runter und man ist sich offenbar sicher, man kriegt das hin. Das Problem besteht nur bei der zweiten Stufe. Die ist so leicht, daß das nicht möglich ist ohne wesentliche Schubreduktion.

Auch ein "Merlin" mit geringerem Schub wäre noch viel zu stark, wenn es als Oberstufentriebwerk stark genug ist. Mein Vorschlag ist halt so ein Wunschtraum. Wenn man es so macht, müßte man eine völlig neue Turbopumpe bauen, die ausreichende Drosselung zuläßt. Viel wahrscheinlicher sind aber Super-Dracos.

Für die Methan-Rakete bin ich aber sicher, man wird entweder den Oberstufen-Raptor entsprechend drosselbar auslegen oder Methan-Landetriebwerke verwenden. Einen anderen Treibstoff wie für Super-Dracos kann man da nicht gebrauchen.

Laß sie doch heiß runter kommen. Bis ein paar hundert Meter über Null. Aber dann wirst Du wohl oder über eine Meß- und Shifting-Phase einbauen müssen, um sorgfältig zwischen Hallendach und Landebeton zu unterscheiden. Sonst hats keinen Zweck.
Irgendwo in der Wüste zu landen und dann nach hause schleppen, das kanns nicht sein.

Den Landeplatz zu treffen, sollte machbar sein. Mittel und Langstreckenraketen oder moderne Bomben schaffen es auch. Die benutzen in der Regel kleine aerodynamische Steuerflaechen, ich bin gespannt, wie SpaceX es macht.

Der Vergleich ist jetzt 'nen Schääähz oder ? 

Den Landeplatz zu treffen, sollte machbar sein. Mittel und Langstreckenraketen oder moderne Bomben schaffen es auch. Die benutzen in der Regel kleine aerodynamische Steuerflaechen, ich bin gespannt, wie SpaceX es macht.

Die Stufe hat Kaltgasdüsen, die mit hochkomprimiertem Gas befüllt sind. Als aerodynamische Fläche dient die ganze Stufe. Bei der großen Oberfläche muß man sie nur ganz geringfügig gegen die Strömung anstellen, um eine Kurskorrektur zu bewirken.

Strömung? Wie lange wollt ihr den Strömung haben? Bei spätestens 100m sollte auch die Geschwindigkeit runter sein. Soweit, daß da nix mehr ist mit Aerodynamik. Da muß ein präziser, gesteuerter aktiver (!) Landeantrieb her.
Eine Bombe kann (besonders heutzutage) schon mal etwas abweichen und brauch auch keine Geschwindigkeit abbauen. Aber hier gehts a) um Menschenleben und b) um gute Nähe zur Bearbeitungshalle. Sonst frißt der Transport und dessen Vorbereitung wieder alle Effizienz weg.

Strömung? Wie lange wollt ihr den Strömung haben? Bei spätestens 100m sollte auch die Geschwindigkeit runter sein. Soweit, daß da nix mehr ist mit Aerodynamik.

Natürlich ist das nicht so.

Strömung? Wie lange wollt ihr den Strömung haben? Bei spätestens 100m sollte auch die Geschwindigkeit runter sein. Soweit, daß da nix mehr ist mit Aerodynamik. Da muß ein präziser, gesteuerter aktiver (!) Landeantrieb her.
Eine Bombe kann (besonders heutzutage) schon mal etwas abweichen und brauch auch keine Geschwindigkeit abbauen. Aber hier gehts a) um Menschenleben und b) um gute Nähe zur Bearbeitungshalle. Sonst frißt der Transport und dessen Vorbereitung wieder alle Effizienz weg.

Da läuft das Triebwerk schon längst und kann, wie Grasshopper zeigt, sehr gut per schwenken des Triebwerkes gesteuert werden. Dann ist es aber auch schon lange auf einem exakten Kurs zum Landepad. Da werden noch die letzten maximal 100 m Abweichung korrigiert. Im Gegensatz zu einem nicht so genau angesteuerten Zielpunkt auf dem Mond oder Mars ist da nichts auch nur annähernd dem Schwebeflug ähnliches erforderlich.

Und da wir ja nebenbei auch die Marslandung per MCT angesprochen haben, ist auch da der Landeplatz per Rover erkundet und mit Funkfeuern markiert. MCT kommt  dann punktgenau runter, auch da ohne Schwebephase.

Da läuft das Triebwerk schon längst und kann, wie Grasshopper zeigt, sehr gut per schwenken des Triebwerkes gesteuert werden. Dann ist es aber auch schon lange auf einem exakten Kurs zum Landepad. Da werden noch die letzten maximal 100 m Abweichung korrigiert.

Genauso oder zumindest sehr ähnlich. Aktiv eben.
Ok, die Meßphase vorher kann "fließend" sein, ich meinte ja auch nicht unbedingt, daß das Ding erstmal am Punkt stillstehen stehen muß. Aber das "heiß reinkommen" und der Bombenvergleich hatte mich etwas irritiert....

@Führerschein:
Das mit dem Marsanflug vor und bei der Landung haben wir fast noch nicht besprochen und das gehört offensichtlich schon hierher,
schließlich soll das Ding ja wohl mehrfach beim Mars verwendet werden?
Was die Zuverlässigkeit betrifft, sind die Anforderungen ja wohl noch viel härter, wenngleich die Strukturbelastungen bei 0,38G natürlich erheblich kleiner sind.
Dort wird man ja wohl mittels einer einzelnen Stufe landen, auftanken, wieder starten, im LMO Fracht und Personen umladen, und damit einen Wiedereintritt und zumindest den letzten Teil der Landung mit dem Triebwerk machen.
Vielleicht macht man das umladen auch auf Phobos, das könnte Vorteile haben.

Für die Marslandung haben wir den MCT-Thread. Hier ist eigentlich nur Falcon-Familie angesagt. Nur zum Vergleich habe ich MCT kurz angeführt.

Ich beschreibe nochmal kurz und hoffentlich übersichtlich, wie Rückflug und Landung einer Falcon 9-R Erststufe aussehen sollen, nach dem, was wir wissen.

Zuerst beschleunigt die erste Stufe hauptsächlich senkrecht mit einer waagerechten Geschwindigkeitskomponente von ca. 2km/s, also ca. sechsfache Schallgeschwindigkeit.

Für den Flug zurück zum Pad werden nach absetzen der zweiten Stufe drei Triebwerke gezündet, die 2km/s horizontal abgebaut und ca. 1km/s für den Rückflug in Gegenrichtung beschleunigt. Also ca. dreifache Schallgeschwindigkeit für den Rückflug.

3km/s klingen viel, sind es auch. Aber es muß ja nur die fast leere Stufe ohne Oberstufe und Nutzlast beschleunigt werden.

Dann erfolgt der Rückflug mit Feinsteuerung des Zielpunktes durch ausrichten der Stufe mit den Kaltgasdüsen. Dreifache Schallgeschwindigkeit, die auch noch durch die dünne Atmosphäre in großer Höhe weiter reduziert wird, ermöglicht den Wiedereintritt in die dichte Atmosphäre ohne zusätzliche Triebwerksbremsung.

Ursprünglich waren viele, auch ich, davon ausgegangen, daß für den Wiedereintritt noch eine Bremsung erfolgen muß, aber das war wahrscheinlich falsch. Eine Bremsung weniger ist ein Vorteil. Außerdem besteht so nicht das Risiko, daß die Stufe ungebremst viel weiter fliegt als vorgesehen.

Die Atmosphäre bremst den großen, sehr leichten Körper ab auf deutlich unter Schallgeschwindigkeit. Die Stufe hat grob das Volumen/Gewicht-Verhältnis einer leeren Coladose, wird also recht langsam. Wenn sie dann dicht über der Oberfläche ist, feuert ein Triebwerk für die Landebremsung. Ein Merlin ist mindestens doppelt so stark wie nötig für Schwebeflug. Das läßt wenig Spielraum für Korrekturen. Die Stufe muß schon vor der Bremsung ziemlich genau auf Kurs sein.

Man kann annehmen, daß um den Landeplatz herum mindestens zwei km unbebaut sind, so viel Platz ist auch am Cape in Florida. Wenn sie beim Anflug vom vorgegebenen Korridor abweicht, wird sie gesprengt und die Trümmer fallen ins Meer. Das Gebiet ist ja noch vom Start ein paar Minuten vorher gesperrt, also auch leer.

Das sind alles nur, allerdings gut fundierte, Schätzungen von Leuten, die mehr davon verstehen als ich.

Man kann annehmen, daß um den Landeplatz herum mindestens zwei km unbebaut sind, so viel Platz ist auch am Cape in Florida. Wenn sie beim Anflug vom vorgegebenen Korridor abweicht, wird sie gesprengt und die Trümmer fallen ins Meer. Das Gebiet ist ja noch vom Start ein paar Minuten vorher gesperrt, also auch leer.

Naja, man sollte halt eh immer davon ausgehen "für die nächsten Jahre". Für später und profitabel  muß das bei 500m bleiben.

Zitat von: McFire am 03. April 2014, 17:34:11

Strömung? Wie lange wollt ihr den Strömung haben? Bei spätestens 100m sollte auch die Geschwindigkeit runter sein. Soweit, daß da nix mehr ist mit Aerodynamik.

Natürlich ist das nicht so.

Ach sorry, ich hatte 100 km gelesen. Bei 100 m stimmt das naürlich.