Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Die entsprechende Stelle (bzgl. drei Triebwerke für Grasshopper v1.1 (für McGregor)) im englischsprachigen Wiki ist leider "nur" mit einem Artikel von Joseph Abbott vom Waco Tribune verlinkt.
Nun kann man zwar argumentieren, dass Abbott stets sehr gut informiert ist, nur bleibt die Kernaussage von Roger letztlich stehen: Es ist und bleibt (ungeachtet aller Warscheinlichkeiten) ohne Detailaufnahme oder offizielle Stellungnahme seitens SpaceX leider Spekulation, da man auf dem Video keine Aussage treffen kann, wieviele Triebwerke aktuell installiert sind bzw. zum Abheben zünden.

Hallo zusammen,
hier ist das Video der F9R / Grashopper 2.

https://www.youtube.com/watch?v=0UjWqQPWmsY
Ich habe es hier sonst noch nicht gefunden, insofern stelle ich den Link mal rein.

Gruß
Patrick

Sehr schönes Video. Am Anfang des Videos sieht man rechts auch die Vorgängerversion Grasshopper 1 (GH1). Die F9R scheint aber während des Flugs mehr zu schwanken als GH1. Mit den jetzt realistischen Landebeinen und der korrekten Länge der Erststufe der Falcon 9. V1.1 kann man sichjetzt endlich sehr gut die zukünftige Landung der 1. Stufe vorstellen.

F9-R Dev-1 startet weiterhin in McGregor in Texas für Tests in niedriger Flughöhe, F9-R Dev-2 vom Spaceport America in New Mexico.

Quelle: http://www.nasaspaceflight.com/2014/04/rockets-return-home-spacex-pushing-boundaries/

Ich vermute, daß die beiden Fluggeräte nicht identisch sind. Dev-2 dürfte wohl mit neun Triebwerken bestückt sein.

US Navy + SpaceX = twice as secretive. Annoyingly I KNOW people who know everything that's going on with this, but they are acting like they would be shot where they are stood if they told anyone. Question is, why? That tells my spidey senses something's going on still.

Also bei NSF spekuliert man, dass der Bergungsvorgang noch andauert. Also ich tippe, dass die Falcon nicht gesunken ist aber das hohe Wellen eine Bergung bisher verhindert haben.

Offenbar war gestern ein Schiff, die Oxbow, noch am Bergen im Atlantik. Bei vesselfinder.com kann man sich die letzte bekannte Position von gestern und die Route davor anzeigen lassen.

Allerdings ist es nicht im Bergungsbereich wo die Stufe runtergekommen ist, insofern könnte es auch was anderes sein.

Das ist wohl ein Fischkutter und hat mit der Bergung nichts zu tun.

Hallo zusammen,
gibt es ein denn ein bekanntes Flugprofil der ersten Stufe über den gesamten Flug bis zur Landung?
Wenn ich die Informationen richtig verstehe, wird die Stufe nach der Trennung gedreht,dann zünden 3 Triebwerke gegen die Flugrichtung.
Geschwindigkeit und Höhe wird abgebaut bis 0 Km/h,dann beginnt der eigentliche Rückflug.
Während dieser Phase werden die Landebeine ausgefahren.Die direkte Landung wird mit einem Triebwerk bewältigt.

Hallo voschi,

...
Geschwindigkeit und Höhe wird abgebaut bis 0 Km/h,dann beginnt der eigentliche Rückflug.
...

Geschwindigkeit und Höhe werden durch die erste Wiederzündung nicht auf Null abgebaut. Die Stufe bremst etwas ab, so dass sie auf ihrer ballistischen Bahn einen bestimmten Wiedereintrittskorridor trifft.

Hallo Daniel,

darf ich dich auch etwas verbessern?

Voschi fragte nach dem Flugprofil für eine Landung am Startort ("Rückflug"), so wie von SpaceX vorgesehen. Dazu wird zunächst in der Tat die verbliebene Geschwindigkeit vertikal (abwärts) als auch horizontal (in bisheriger Flugrichtung) auf Null abgebaut. Das/die Triebwerk/e feuern aber weiter und beschleunigen die Stufe entgegen der bisherigen Flugrichtung. Sie steigt also wieder ein Stück auf und fliegt dann (antriebslos) eine ballistische Kurve zum Startort zurück. Abgebremst durch Atmosphäre und zum Schluß durch Triebwerke wird gelandet.

So zumindest die Idee. Ob es klappt, bleibt abzuwarten. Den schwierigsten Teil der gesamten Rückkehrmission, nämlich die Umkehrung der Flugbahn, hat SpaceX bislang ja noch gar nicht versucht.

Gruß
roger50

Ach Rückflug ... darin hatte ich gar nicht mehr gedacht (ich fand die Idee einer schwimmenden Landeplattform im Meer faszinierend ) ... ja, da ist das mit den Geschwindigkeitskomponenten anders. Dann sollte der "Rückkehr"-Loop sehr wahrscheinlich "oben rum" gehen, um dann wieder relativ vertikal in die Atmosphäre über dem Startplatz einzutauchen.

Hallo zusammen,
gibt es ein denn ein bekanntes Flugprofil der ersten Stufe über den gesamten Flug bis zur Landung?
Wenn ich die Informationen richtig verstehe, wird die Stufe nach der Trennung gedreht,dann zünden 3 Triebwerke gegen die Flugrichtung.
Geschwindigkeit und Höhe wird abgebaut bis 0 Km/h,dann beginnt der eigentliche Rückflug.
Während dieser Phase werden die Landebeine ausgefahren.Die direkte Landung wird mit einem Triebwerk bewältigt.

Es gibt eine schöne Grafik dazu. Die ist zwar von einem russischen Konzept, aber so ist es im Wesentlichen geplant. Hatten wir schon ein paarmal hier im Thread aber tief vergraben nicht so leicht zu finden. Der Thread ist lang. Die Seitenbooster muß man sich dabei wegdenken.



Es wird nur die waagerechte Komponente der Geschwindigkeit abgebaut und Geschwindigkeit für den Rückflug aufgebaut. Dadurch, daß die Rakete noch steigt, muß weniger Geschwindigkeit Richtung Startplatz erzeugt werden. Der Rückflug dauert länger als der Hinflug. Ganz grob die Zahlen, bei Stufentrennung sind es etwa 2,m/s horizontal. Die Rückfluggeschwindigkeit ist etwa 1,m/s. Das ist aus Simulationen. SpaceX gibt keine Zahlen bekannt.

Vor kurzem hat Elon Musk etwas über die Beine gesagt. Viele, auch ich, haben geglaubt, die Beine würden früh ausgefahren, damit sie beim bremsen helfen. Aber sie werden erst nach Beginn der Landebremsung ausgefahren. Wenige Sekunden vor der Landung.

@ Führerschein: Menno, wollte gerade die gleiche Grafik verlinken...

...
Viele, auch ich, haben geglaubt, die Beine würden früh ausgefahren, damit sie beim bremsen helfen.
 ...

Die Endgeschwindigkeit einer fallenden Stufe in der unteren Atmosphäre ist ziemlich gering. Da muss ja nicht wirklich geholfen werden.
Andersherum destabilisieren in dieser Fluglage "aerodynamische Flächen" am unteren Ende der Rakete. Deswegen würde ich die tunlichst vermeiden, bis kurz vor das Ende, wenn nicht mehr viel Geschwindigkeit da ist.
Das hatten wir aber auch schon mehrmals.

Die Endgeschwindigkeit einer fallenden Stufe in der unteren Atmosphäre ist ziemlich gering. Da muss ja nicht wirklich geholfen werden.

Das würde ich so aber nicht sagen.....bzw. wie definierst du "ziemlich gering"? Die Fallgeschwindigkeit dürfte nach freiem Fall durch die Mesosphäre und bis zu 20t Masse sogar kurzzeitig ganz erheblich sein (siehe auch Baumgartners Sprung aus nur 40km.....und das war nur Stratosphäre). Natürlich regelt das der Luftwiderstand weiter unten wieder erheblich, aber auch dann muss die kinetische und potentielle Energie durch ein einzelnes Merlin 1D-Triebwerk unter Volllast erst einmal ordentlich abgebaut werden. Das irgendwann einmal live sehen zu dürfen, dürfte sehr interresant sein.

Edit: Also ich persönlich denke die Stufe wird im unteren Atmosphärenbereich locker um die 400 km/h schnell sein.

Für Raumflugkapsel gelten 200km/h - 300km/h Endgeschwindigkeit in der unteren Atmosphäre. Bei einer großen, leeren Stufe, erwarte ich noch weniger. Das sind "überschaubare" Geschwindigkeiten, verglichen mit den mehreren km/s, die man sonst im Raumflug hat.

Unsere Atmosphäre ist ziemlich dicht, auch wenn wir das im Alltag (bei unserer Größe und unseren Geschwindigkeiten) so nicht wahrnehmen. Sie bringt aber ordentlich Widerstand zustande, gegen alles, was von oben fällt ... auch zum Glück für das Leben hier unten.

Und auch Baumgartner hat seinen Schirm "unten" geöffnet, wo er schon wieder deutlich langsamer war.

Glaube ich gerne, nur wiegt die erste Stufe bei ähnlichem Flächenquerschnitt wie die Raumkapseln locker das Doppelte bis Dreifache und dann müsste die Endgeschwindigkeit da auf jeden Fall drüber liegen.

Apollo-Kapsel: ca. 6t
Erste Stufe Falcon 9v1.1: Leergewicht ca. 15t (wurde hier mal gesagt)....ich denke sogar der Wert geht mehr in Richtung 20t.

Der Knackpunkt zur tatsächlichen Abschätzung der "terminal velocity" ist leider der c_w-Wert und da fischt man bei der ersten Stufe einer F9v1.1 nun einmal leider arg im Trüben.....

Ich hab den freien Fall in die Atmosphäre jetzt mal simuliert für plausible cw-Werte. Für lange Zylinder (und Modellraketen) gilt allgemein ein Wert um um 0,8.

Das ist das Modell:



Die Stufe hat 3,7m Durchmesser und fällt aus 100km Höhe mit Anfangsgeschwindigkeit 0m/s. Als Atmosphärenmodell nutze ich COESA, das oberhalb 80km extrapoliert (ist aber eh nicht relevant). Die Gravitation ist auch variabel nach dem WGS84-Modell.

Heraus kommt diese Kurvenschar:




Ab 50km beginnen sich die verschiedenen Zylinder unterschiedlich zu verhalten. Der mit cw=1,0 wird am stärksten gebremst. Zwischen 34km und 37km erreichen alle ihre maximale Fallgeschwindigkeit zwischen 1000m/s und 1100m/s. Danach werden sie sehr stark abgebremst. cw=0,6 erreicht etwa 98m/s (365km/h) auf Meereshöhe. cw=0,8 erreicht 85m/s (306km/h). cw=1,0 erreicht 76m/s (272km/h).

Die Starthöhe 100km ist vielleicht etwas hoch gewählt ... und ich habe auch meine Zweifel, dass die cw-Werte im Überschallflug da oben so gelten. Grundlegend scheinen die Werte aber plausibel zu Literaturzahlen zu sein.

Verstehe,
nach der Trennung wird durch die Lageänderung und die erneute Zündung der Stufe eine neue ballistische Flugbahn erreicht.Und diese führt die Stufe eigentlich zurück zum Startplatz. 

@Schillrich: Ist das mit Mathlab gemacht?

Hallo Klakow, ja, in Matlab.


Interessant finde dieses Ergebnis:



(in den unteren Teil hinein gezoomt)



Hier habe ich cw=0,8 genommen und aus verschiedene Starthöhen fallen lassen. Sie alle konvergieren im unteren Bereich der Atmosphäre zur selben Endgeschwindigkeit. In diesem Bereich (für die niedrigen Fallhöhen) ist auch das Rechenmodell für den Widerstand valider.
Dieses Ergebnis heißt jetzt, dass die Ausgangshöhe praktisch irrelevant ist. Die Flugbahnen haben "keine Geschichte". Allein die unteren 20km bestimmen, was passiert, also wie schnell das Objekt auf der Oberfläche ankommt.

Andererseits muss das ja so sein ... die Endgeschwindigkeit (terminal velocity) im Fall durch die Atmosphäre löscht die vorher aufgebaute Bewegung ja quasi aus. Von da an müssen die Körper sich gleich bewegen.

Interessant wird es auch wenn man sich überlegt wie die Entfernung zum Start-/Landeplatz bewerkstelligt soll. An diejenigen die sich etwas besser mit Aerodynamik auskennen. Kann man von Position X downrange in der Höhe der Stufentrennung ohne extremen Aufwand zum Startplatz zurückkehren? Gibt es da Schätzungen wie viel Treibstoff (Prozentual am gesamten Treibstoff) dafür nötig wäre?

Man müsste ja quasi im Rücksturz zurückfliegen. Die Erdrotation wird da ein wenig helfen, aber dennoch ist es eine beachtliche Strecke. Plus eben die Änderung der Flugrichtung...

Gibt es dazu irgendwo Berechnungen?

Bekannt ist die Horizontalgeschwindigkeit bei Stufentrennung. Die wurde mal angegeben mit 6facher Schallgeschwindigkeit, also 2km/s bei Wiederverwendung. Die muß zuerst abgebaut werden. Dann Geschwindigkeit aufnehmen für den Rückflug. Dazu braucht man viel weniger als die 2km/s. Da die Stufe noch eine Weile steigt, hat sie mehr Zeit für den Rückflug. Luftbremsung tritt erst spät ein, wenn die Stufe tief genug gefallen ist. Wieviel genau, da reicht meine Mathematik nicht. Aus diversen Modellrechnungen habe ich entnommen, daß es etwa 1km/s ist. Nur erlesen, nicht selbst berechnet. Also muß die Stufe für den Rückflug 3km/s beschleunigen und dann die Landung.

Ohne Wiederverwendung ist die Geschwindigkeit bei Stufentrennung 10fache Schallgeschwindigkeit, also 3,3km/s. Der Verlust ist aber niedriger, weil mehr senkrechte Geschwindigkeit aufgebaut wird. Die zweite Stufe kann also bei Wiederverwendung der ersten Stufe fast ausschließlich horizontal beschleunigen. Bei einer normalen Flugbahn müßte sie noch etwas Steigarbeit leisten, dafür weniger horizontal.

Nachtrag. Elon Musk hat mal vor kurzem gesagt, daß für die Landung ca. 1 t Treibstoff benötigt wird. Leute bei NSF konnten das als Modellrechnung allerdings nicht nachvollziehen. Sie kamen auf höhere Werte. Wenn man noch berücksichtigt, daß von der einen Tonne nur ein recht geringer Teil Kerosin ist, der Rest Sauerstoff, kann man sagen das Risiko am Zielpunkt ist wirklich gering. Damit was passiert müßte die Stufe schon fast direkt auf ein Haus, Auto usw. fallen.

Hmmm ... ich passe meine Simulation heute Abend mal "grob" an den Überschallflug an. Der cw-Wert ist im hohen Überschallflug ca. doppelt so hoch wie im Unterschall. Den transonischen Bereich werde ich ignorieren.
Das dürfte aber nichts grundsätzlich ändern am unteren Verlauf. Die Maximalgeschwindigkeiten in der Hochatmosphäre werden wohl sinken.

So ... ich habe das Modell jetzt angepasst, dass es die Machzahl heuristisch berücksichtigt:

• M <= 0,9 --> cw=0,8
• 0,9 < M <= 1,1 --> cw=4*0,8
• 1.1 < M --> cw=2*0,8

Das Ergebnis für den Fall aus 100km ist das hier, mit einem Vergleich zu gestrigen Rechnung:



Die blaue Kurve zeigt die Schallgeschwindigkeit. Die beiden grünen Kurven sind der gestrige Fall mit konstantem Unterschall-cw=0,8. Die roten Kurven sind das neue Ergebnis, mit variablem cw-Wert.

Die Rakete erreicht schon früh das erste Mal die Schallgeschwindigkeit. Das hat aber aerodynamisch dort noch keine Bedeutung. "Schallgeschwindigkeit" ist hier eher eine theoretische Größe.
Ihr Widerstand ist beim Überschalleintritt in die dichte Atmosphäre jetzt aber doppelt so hoch wie gestern. Sie wird nicht mehr ganz so schnell im Maximum. Sie wird auch ca. 5km über der gestrigen Kurve abgebremst. Knapp unter 20km unterschreitet sie die Schallgeschwindigkeit. Der cw-Wert springt im transonischen Bereich in die Höhe und sie wird kurz sehr stark gebremst. Sobald die Machzahl unter 0,9 gefallen ist, vermindert sich die Bremsung (der kleine Knick in der Kurve).

Unter 10km sind beide Kurven trotzdem wieder gleich ...

Danke Schillrich.
was deutlich zeigt ,wie wichtig die präzise Ausrichtung der Stufe auf ihrer ballistischen Bahn ist.
Der "Startschuss"nach Stufentrennung benötigt ja ebenfalls eine sehr genaue Eigenschaftskenntnis (Position,Geschwindigkeit,Winkel) der Stufe.
Kontrolliert die Stufe das selbst(GPS,Bordcomputer) oder steuert die Bodenkontrolle das ganze?

Hallo voschi,

die Rakete steuert das selbst, wie beim Start auch schon. Sie kennt quasi ihren Zustand, weiß wo sie ist, wo sie hin will und wie dahin kommt (hoffentlich).

Noch was am Rande, um ggf. Verwirrung zu vermeiden: Meine Kurven zeigen keine Trajektorien, also keine Abstiegsbahnen, sondern sind Höhen-(Fall)Geschwindigkeits-Diagramme.