Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

FRAGE an alle: Ich hab vor einer Zeit gelesen das die F9 Hauptstufe 75% von der Rakete an kosten ausmacht, kann das jemand bestätigen, oder ist das Spekulation?
Mein Überlegung von heute: Kann das überhaupt stimmen, die Hauptstufe hat 9 Triebwerke und sehr viel (Faktor 5?) längere Tanks, ist das dann überhaupt schlüssig?
Bedeuten die restlichen 25% vielleicht nicht nur Kosten der Oberstufe, sondern alles was sonst noch an Organisation nötig ist?

Nur aus dem Gedächtnis. Die Aussage stammt direkt von Elon Musk (an genaue Werte erinnere ich mich nicht, kommt aber gut hin) und ich verstehe es so, daß es die Kostenrelation 1. Stufe zu 2. Stufe ist. Ich denke schon, daß das hinkommt. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist die Integration und Überprüfung vor dem ersten Start. Da gibt es vieles, was bei beiden gemacht werden muß. Deshalb wird die 2. Stufe nicht so viel billiger, wie es die verbaute Hardware vermuten ließe.

Deshalb bringt auch die Rückholung der Triebwerke, wie für Ariane angedacht, nicht annähernd so viel, wie man denken könnte. Es sind teure Komponenten, aber eben nur Komponenten. Die Wertschöpfung liegt in der Integration der Komponenten in ein flugtaugliches System.

Ich habe sogar vor kurzem erst in Diskussion gelesen, daß manche früher bei anderen Trägern die Oberstufe mit einem höheren Wert angesetzt haben als die Erststufe, weil da das höherwertige Triebwerk sitzt und die Avionik. Die erste Stufe war dumm, gesteuert von der oberen Stufe. Das geht so bei einer selbstständig operierenden Stufe wie die Falcon 9 Erststufe nicht. Die braucht ihre eigene Avionik.

Ein Austausch zwischen John Carmack, Gründer von Armadillo Aerospace, und Elon Musk auf Twitter.

https://twitter.com/ID_AA_Carmack/status/536277962803650562

Quote from: John Carmack

    @elonmusk Good luck. We had supersonic control inversion issues with actuated fins, went back to little thrusters that worked at all speeds.

Quote from: Elon Musk

    @ID_AA_Carmack No choice. Entry velocity too high for a precision landing with N2 thrusters alone. Must have aero surfaces for pitch trim.

Quote from: John Carmack

 

   @elonmusk I don't disagree, but I'm concerned. Maybe offset CG or static trim tab for a touch of body lift, then roll it?

John Carmack schreibt, sie haben es mit Steuerflächen versucht, hatten aber Schwierigkeiten mit Änderung des Verhaltens bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und sind deshalb zurück zu Steurdüsen.

Elon Musk dazu, sie haben keine Wahl, Kaltgas-Steuerdüsen reichen nicht über das gesamte Flugprofil.

John Carmack. Ich widerspreche nicht, aber es macht mir Sorgen.

Gut möglich, daß Elon Musk deshalb nur 50% Erfolgschancen beim ersten Versuch angibt. Das hatte ich ja schon vermutet.

Als ich das Bild zum erstenmal gesehen habe, dachte ich an Photoshop von einem Fan. Aber nein, das ist echt.



Die Grid Fins sehen anders aus als beim Testflug in McGregor. Da liefen sie spitz zu, jetzt haben sie eine gerade Kante. Etwas gebogen in der Fläche sind sie auch, vorher waren sie noch flach.

Geniale Bilder, Führerschein, vielen Dank!
Jetzt bleibt nur noch zu hoffen, dass die Rakete bei der Landung auch das "Zielkreuz" trifft 

Eine schöne Visualisierung, wobei ich mich frage, ob die Größenverhältnisse stimmen:
https://cdn.mediacru.sh/5hWoO-u2PwI8.png

Hier ein Link zu den Propellern der Seeplattform:
http://www.thrustmaster.net/spacex-announces-spaceport-barge-positioned-thrustmasters-thrusters/

Die Fins sehen ja jetzt in der formschlüssigen Art doch schon so aus , wie fest eingeplant. Ich denk ja auch, das spart 'ne Menge Aufwand bei Triebwerken+Steuerung.

Die Barge ist ja ein tolles Ding - und Positionshaltigkeit 3 m sogar bei Sturm, donnerwetter. Die Arbeit der 4 Thruster muß man sich dann mal vorstellen.....

Die Fins sehen ja jetzt in der formschlüssigen Art doch schon so aus , wie fest eingeplant. Ich denk ja auch, das spart 'ne Menge Aufwand bei Triebwerken+Steuerung.

Die Barge ist ja ein tolles Ding - und Positionshaltigkeit 3 m sogar bei Sturm, donnerwetter. Die Arbeit der 4 Thruster muß man sich dann mal vorstellen.....

Die Thruster müssen eine Ölbohrplattform im Sturm auf Position halten. Die können nicht einfach das Bohrgestänge einziehen. Aber ja, das ist eine Leistung. Die Herstellerfirma macht kräftig Reklame mit SpaceX. Sie haben einen großen Artikel auf ihre Webseite gestellt.

http://www.thrustmaster.net/spacex-announces-spaceport-barge-positioned-thrustmasters-thrusters/

Ich hatte tatsächlich nicht gedacht, dass die Gridfins in dieser Form zum Einsatz kommen. Laut Musk hat dies also mit dem "pitch trim" zu tun, dem Einstellen des Flugwinkel.
Wie ich das verstehe, wollen sie einen senkrechten Fall der ersten Stufe schon weitaus früher erzwingen als man das in einem der letzten Videos gesehen hat. Die Aufnahmen aus dem Flugzeug heraus, die das Absinken der ersten Stufe durch die Wolken zeigten, deuteten ja bereits an, dass die Stufe noch ordentlich Schräglage hatte. Die Stufe schien ja sogar selbst bei der Wasserung noch nicht vollkommen senkrecht zu sein.
Dass die Flächen nun im Gegensatz zu ihrem Einsatz in McGregor leicht gewölbt sind, schien in meinen Augen anfangs Sinn zu machen. Dieses Mal wird es ja Überschallgeschwindigkeit geben und dann sollten die Gidfins auch exakt am gewölbten Rumpf anliegen.
Nur schreibt Musk auf Twitter:

Grid fins are stowed on ascent and then deploy on reentry for "x-wing" style control. Each fin moves independently for pitch/yaw/roll.

Heißt "stowed" nicht (innen) verstaut? Angelegt heißt umgekehrt doch "folded". Liegen die Dinger beim Flug etwa innen? Anhand der Aufnahme aus der Fertigung erscheint mir das extrem unwahrscheinlich. Oder bekommen die Teile noch eine aerodynamische Abdeckung spendiert?
Auch wundere ich mich, dass man die Fins so ohne weiteres direkt in den Interstagering integrieren konnte, denn die jeweilige Aktorik für jeden einzelnen Fin braucht ja bestimmt nicht wenig Platz. Was war denn vorher an dieser Stelle der F9V1.1 Nur Luft und die Düse der zweiten Stufe?? Da drin dürfte es nun ordentlich enger zugehen...

Ich denke, hier ist das stowed im Sinne von angeklappt zu verstehen. Wie man sieht, sind die Finnen ja außen montiert. Eine Umkonstruktion des gesamten Rumpfes wird man deswegen nicht vornehmen. Vor allem dann nicht, wenn es klappt.

Ich hatte tatsächlich nicht gedacht, dass die Gridfins in dieser Form zum Einsatz kommen. Laut Musk hat dies also mit dem "pitch trim" zu tun, dem Einstellen des Flugwinkel.

Für mich waren sie ein entscheidender Bestandteil des Konzepts, von dem Moment an, wo ich sie zum erstenmal gesehen habe. Ich hatte mich die ganze Zeit gefragt, wie sie die Zielsteuerung machen wollen. So genau kann die Rückflugzündung der Haupttriebwerke nicht sein, daß man punktgenau ankommt. Und die Höhenwinde, die auch Einfluß nehmen, kann man gar nicht genau genug einplanen. Die Kaltgas-Lagekontrolldüsen können nicht genug Kapazität haben, um die Stufe längere Zeit gegen den Luftstrom anzustellen. Da hätte man auf Dracos mit größeren Treibstoffreserven zurückgreifen müssen, mit ihrem giftigen Treibstoff. Das will man nicht, wenn es vermeidbar ist.

Wie Elon Musk auf Twitter sagte, sie hatten keine Wahl, sie brauchen die Grid Fins.

Was mich wirklich ernsthaft überrascht und was ich immer noch nicht wirklich glauben kann, ist der Rückflug nach betanken. Um das plausibel zu machen, brauchen sie eine SEHR hohe Anzahl von Wiederverwendungen mit geringem Wartungsaufwand. Selbst bei den von mir angenommenen 20 Flügen wäre das noch eine Verschwendung von Kapazität. Ganz nebenbei noch das Problem der Interstage. Mit dem offenen Ring oben wollen sie nicht wirklich mehrfach schallschnell fliegen. Sie müßten dann noch eine aerodynamische Abdeckung oben anbringen, auch nicht einfacher, als die Stufe für den Transport flach legen.

Hallo,

Base is 300 ft by 100 ft, with wings that extend width to 170 ft. Will allow refuel & rocket flyback in future.

"Die Plattform wird es in Zukunft ermöglichen, die Stufe auszutanken und zurückzufliegen." 

Das heißt also, das man wohl bei der Landung auf der Plattform bleiben will. Sonst hätte man sich wohl auch kaum die Mühe der Entwicklung so einer aufwendigen Plattform mit Positionshaltetechnik gemacht.

Aber ein zurückfliegend er raketengetrieben Stufe soll günstiger sein als sie mit dem Schiff an Land zu bringen??

Hier könnten psychologische Erwägungen eine Rolle spielen. Musk zeigt den Leuten , daß er um ihre Sicherheit besorgt ist. Das schafft ihm Freunde und den Rücken frei. Denn noch, in der Kinderzeit der Raumfahrt, ist eine Rakete eine fliegende Bombe, die wo auch immer  explodieren nach Gutdünken kann. Aber nach vielen Jahren der Zuverlässigkeit kann die Barge weggelassen werden, amortisiert.

Ich möchte die Diskussion nicht wieder neu entfachen, aber die bisherige Argumentation für die Grid Fins hier war das Erreichen einer ausreichenden Landegenauigkeit und auch die Genauigkeit beim Rückflug. Musk ewähnte so etwas aber nie, sondern sagt auch hier ziemlich eindeutig "pitch trim", nicht "landing precision". Letztere mögen zwar zusammenhängen, aber wie ich oben schon geschrieben habe, vermute ich, dass es das primäre Ziel der Fins ist, die Stufe möglichst frühzeitig vor Erreichen des Meeresspiegels senkrecht zu bekommen und das bisher wohl nur schlecht funktioniert hat.
Man wird sehen wann die Grid Fins zukünftig ausgefahren werden. Auch bei einem späteren Rückflug glaube ich, dass die Fins erst beim Sinkflug zum Einsatz kommen werden, eben um die vertikale Ausrichtung zu beeinflussen.

Das heißt also, das man wohl bei der Landung auf der Plattform bleiben will. Sonst hätte man sich wohl auch kaum die Mühe der Entwicklung so einer aufwendigen Plattform mit Positionshaltetechnik gemacht.

Das würde auch erklären, warum man nun patentrechtlich gegen Blue Origin vorgeht. Die Demonstration einer Präzisionslandung auf dem Meer, um später an Land zu landen, hat mit dem erst später folgenden kommerziellen Einsatz ja nichts zu tun und SpaceX hätte nichts zu befürchten gehabt. Wenn es stimmen würde, dass auch im kommerziellen Betrieb eine Barke zum Einsatz kommt, sähe die Sache natürlich anders aus.

Man wird sehen wann die Grid Fins zukünftig ausgefahren werden. Auch bei einem späteren Rückflug glaube ich, dass die Fins erst beim Sinkflug zum Einsatz kommen werden, eben um die vertikale Ausrichtung zu beeinflussen.

Die Grid Fins sind für Supersonischen überschallschnellen Flug, also bei vielfacher Schallgeschwindigkeit. Das dient ganz eindeutig der Zielsteuerung. Eines der Zitate von Elon Musk gestern. Ein paar Beiträge weiter oben.

https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=10338.msg311131#msg311131

@elonmusk Good luck. We had supersonic control inversion issues with actuated fins, went back to little thrusters that worked at all speeds.

Dachte das Zitat ist John Carmack (wie du geschrieben hattest) und besagt, dass sie bei Armadillo Aerospace damit (Fins) im Hyperschall Bereich Probleme hatten.

Zitat

@elonmusk Good luck. We had supersonic control inversion issues with actuated fins, went back to little thrusters that worked at all speeds.

Dachte das Zitat ist John Carmack (wie du geschrieben hattest) und besagt, dass sie bei Armadillo Aerospace damit (Fins) im Hyperschall Bereich Probleme hatten.

Ja, richtig, hatten sie. Elon Musk sagt aber ausdrücklich, daß sie die Grid Fins im überschallschnellen Flug brauchen. Die Flächen, die John Carmack benutzt hat, waren übrigens keine Grid Fins. Grid Fins sind gerade entwickelt worden, um solche Probleme im Überschallbereich zu eliminieren oder zu begrenzen.

In der Waffentechnik sind sie verbreitet und ihre Eigenschaften gut bekannt. Nur in Trägerraketen sind sie neu.

P.S. Ich hätte gleich überschallschnell benutzen sollen statt supersonisch.

Ich frage mich, wie sie das Auftanken auf dem Leichter lösen wollen, immerhin müssen sie eine freistehende Rakete auf offenem Meer mit LOX und RP-1 betanken. Ich könnte mir vorstellen, dass es dafür einen speziellen Tanker geben soll, aber der müsste bis zur Sicherung der Rakete auf dem Deck seehr weit weg bleiben...
Ein anderer Punkt ist, wie oft die Plattform Landungen (und Starts) aushält, bevor man die Oberfläche erneuern muss. Da man bei so Plattformen wohl auch auf das Eigengewicht achten muss, dürfte man nicht gerade mit meterdickem Beton die Oberfläche gießen können.

Ich frage mich, wie sie das Auftanken auf dem Leichter lösen wollen, immerhin müssen sie eine freistehende Rakete auf offenem Meer mit LOX und RP-1 betanken. Ich könnte mir vorstellen, dass es dafür einen speziellen Tanker geben soll, aber der müsste bis zur Sicherung der Rakete auf dem Deck seehr weit weg bleiben...

Ich würde eher vermuten, daß die Tanks unter Deck sind. Wenn die Stufe so hart einschlägt, daß es durch die Oberfläche geht, kommt es auf 10t Kerosin auch nicht mehr an. Für LOX würde es eine kleine Anlage zur Herstellung geben, die ein paar Stunden vor dem Start angeworfen wird. Aber ich sehe das noch nicht zeitnah. Eher Jahre entfernt, wenn Falcon Heavy regelmäßig fliegen.

Ein anderer Punkt ist, wie oft die Plattform Landungen (und Starts) aushält, bevor man die Oberfläche erneuern muss. Da man bei so Plattformen wohl auch auf das Eigengewicht achten muss, dürfte man nicht gerade mit meterdickem Beton die Oberfläche gießen können.

Ich weiß nicht, was die tragen. Jedenfalls nicht wenig. Das Gewicht der Stufe ist dabei vernachlässigbar. Aber welche Oberfläche ist geeignet? Mit Wasserkühlung wäre vielleicht blanker Stahl am besten. Aber vielleicht brauchen sie eine gewisse Rutschfestigkeit. Wenn die schwarze Oberfläche ein Hinweis ist, dann weiß ich jedenfalls nicht, worauf.

Mal ein ganz anderer Aspekt. Das ist kein Provisorium für ein paar Landungen, bis sie die Genehmigung für Landlandungen bekommen. Ich sehe es als einen starken Hinweis darauf, wie sicher sie sich sind, daß kosteneffiziente Wiederverwendung funktioniert.

Es muss auch noch ein Kran auf der Seeplattform sein. Der Kran muss die Erststufe erneut auf eine Startstruktur heben wie in New Mexico oder McGregor. Die Falcon-Beine halten nichtmal eine leicht betankte Rakete wie in McGregor. Dann braucht die Erststufe noch eine Spitze, denn mit offener Interstage voran zufliegen dürfte meiner Meinung nach schwierig werden. Ebenfalls müssen LOX/RP-1, Helium und TEA-TEB aufgefüllt werden.

Achja was ich mir noch denken könnte: Musk erwähnt, dass die Plattform ausfahrbar ist, um die Fläche zu vergrößern. Ich vermute der erneute Start erfolgt von der ausgefahrenen Seite um die Triebwerke direkt über dem Wasser zu haben beim erneuten Abheben.

Einfach klasse ! Mit SpaceX wirds nie langweilig .

Die Thruster um die Lage zu halten sind an sich nichts neues. Gab es bei Bohrschiffen schon spätestens in den 60ern. Bekannt dürfte das Azorian Project (ehemals bekannt als Project Jennifer) sein, bei dem die CIA aus mehreren tausend Metern Tiefe ein sowjetisches U-Boot versuchte zu heben. Das war Anfang der 70er und das dafür gebaute Schiff war bereits mit der Lageregelung (hier in einem anderen Element) ausgerüstet.

Barge dürfte außerdem einiges an Balast haben, um bei Seegang möglichst ruhig zu liegen.

Zum neuerlichen Start von der Barge: Es gibt Bodenbeläge die ziemlich Hitzeresistent sind. Auf Flugzeugträgern z.B.  werden diese wegen den Abgasstrahlen der Jets eingesetzt. Sicherlich gibt es da noch etwas robustere, die tauglich für die Plattform sind. Zum erneuten Start braucht es wahrscheinlich den "Hocker" den man auch in McGregor nutzte. Dort sah das gute Stück in Rostrot ziemlich einfach aus. Kein Vergleich mit der Halterung auf dem Pad (dort wird die Falcon auch festgehalten, beim "Hocker" nicht).

Wie weit downrange ist eine erste Stufe bei Stufentrennung? Sicherlich fliegt sie noch ein Stück weiter, wenn sie auf der Plattform landet. Aber wäre mal interessant zu wissen, wie weit der Überführungsflug zum Startplatz ungefähr wäre.

Mich wunderts ein wenig, dass noch niemand aufschrie und sagte "Rückflug ist totaler Humbug, die Lebensdauer der Stufe gibt das nicht her - erst recht nicht ohne eingehende Inspektion." 

Jedenfalls muss die Konstruktion der Falcon irre robust und langlebig ausgelegt sein. Mich dünkt, sie sieht nur aus wie eine normale Rakete, ist aber im Vergleich zu anderen gebaut wie ein Panzer 

Jedenfalls muss die Konstruktion der Falcon irre robust und langlebig ausgelegt sein. Mich dünkt, sie sieht nur aus wie eine normale Rakete, ist aber im Vergleich zu anderen gebaut wie ein Panzer 

Richtig, robust wie ein Panzer. Man sieht das auch an der Art, wie sie auf der Straße transportiert wird. Ein Radsatz hinten drunter, ein Radsatz vorne drunter, davor ein Zugwagen und ab auf die Straße. Alle wirkenden Kräfte zwischen vorne und hinten muß der  Tank übertragen. Sich selbst tragen muß er natürlich auch. Man sieht das sehr schön in dem neuen Zeitraffer Video. Da wird eine fertige Stufe so aus dem Gebäude gefahren.

Aber außerdem ist es die Rakete mit dem besten jemals gebauten Verhältnis Leergewicht zu Treibstoffgewicht. Die erste Atlas mit Ballontank war genauso leicht. Aber die ging kaputt, wenn man sie schief angesehen hat, deshalb hat man die Bauweise schnell wieder aufgegeben.

Zur Ehrenrettung der alten Atlas: nach meinem Wissen ist keine mit Strukturversagen der Tanks kaputt gegangen, oder nur ein Tank ganz am Anfang. Fehler sind in anderen Bauteilen aufgetreten. Ihr Strukturdesign wirkt zwar aufwändig und fragil (v.a. für eine ständig bereitstehende ICBM-Flotte)... hat aber funktioniert. Vielleicht war das Gesamtsystem (mit allem Drumherum) im Dauerbetrieb störanfällig.

Zur Ehrenrettung der alten Atlas: nach meinem Wissen ist keine mit Strukturversagen der Tanks kaputt gegangen, oder nur ein Tank ganz am Anfang. Fehler sind in anderen Bauteilen aufgetreten. Ihr Strukturdesign wirkt zwar aufwändig und fragil (v.a. für eine ständig bereitstehende ICBM-Flotte)... hat aber funktioniert. Vielleicht war das Gesamtsystem (mit allem Drumherum) im Dauerbetrieb störanfällig.

Richtig, nur ein Fehler. Jedenfalls hat man das Ballontank-Konzept aufgegeben, trotz der erheblichen Gewichtsvorteile. Falcon 9 ist genauso leicht, aber robust.

Die Centaur Oberstufe hatte in der ersten Version auch einen Ballontank. Auf die Schnelle habe ich nicht gesehen, ob das für die heutige Version auch noch gilt. Aber anscheinend nicht mehr.