Falcon 9

Tun wir einfach so als würden wir die F9S1 im Durchmesser auf eine BFR mit 15m Durchmesser aufblasen:
Flächenverhältnis für 4*Deckel/Boden: (15/3,7)²=16,43
Flächenverhältnis für Tankwände: 44m*15/3,7=44*4,05
Volumenverhältnis=16,43
Verhältnis Volumen zur Oberfläche: 16,43/((707m²+2073m²)/(43m²+511m²))=3,28
oder anschaulicher der Kehrwert mit 30,5%
Eine F9 auf BFR aufgeblasen besitzt bei gleicher Wandstärke also viel weniger relative Tankmasse.
Real wird man zwar die Wandstärke steigern müssen, aber eben nicht um den Faktor 3,28 sondern viel geringer.

Das Argument mit der besonders wichtigen Reduzierung der Trockenmasse von Oberstufen stimmt bei wiederverwendeten Booster leider nicht mehr,
hier führt eine Reduzierung des Verhältnisses betankter Booster zur Leermasse unmittelbar dazu das man viel weniger Treibstoff nach der Trennung benötigt.
Hierzu ein Beispiel mit einer fiktiven Leermasse einer F9 von 20t und 40t bei 400t betankter Masse und einem nötigen dV zur Landung von 2km/s bei einem ISP von 300s:

Das Masseverhältnis für dV=2,5km/s beträgt:  2,34
 
Fall 1 mit 20t: Treibstoff zur Landung=46,77t-20t=26,77t
Fall 2 mit 40t: Treibstoff zur Landung=93,54t-40t=53,54t

Das Masseverhältnis ist die entscheidende Kennzahl die Entscheidet ob sich Wiederverwendung lohnen kann, weil eine Reduzierung dort Treibstoff einspart wo es am meisten bringt, kurz vor Brennschluss.

Für eine BFR S1 bedeutet dies, dass die Verbesserung der relativen Tankmasse unmittelbar zu viel weniger Verlusten um sie RTLS zu bringen.
Würde man hier einen Faktor 0,5 zur F9S1 schaffen, könnte eine BFR S1 (ISP=330s) bei gleichen Nutzlastverlusten in % anstatt 2,5km/s für das abbremsen zu haben 4,744km/s.

Selbst eine keine Reduzierung auf 80% bringt zusammen mit dem höheren ISP 722m/s mehr also 3,22km/s.

Für eine BFR S1 wird also ein RTLS vermutlich erheblich leichter sein als für eine F9 S1.
Aus den Gründen rechne ich bei der BFR immer mit RTLS.

Nachtrag: Ich hab vergessen das aus den 2500m/s bei der BFR ca. 2750m/s wegen dem höheren ISP werden, zusammen sind das dann ein dV=3472m/s für die Landung.
Was aus noch nicht drin ist, das die kleinere relative Leermasse die Bremswirkung der Luft verbessert. Wieviel das ausmacht kann vermutlich Schillrich gut beurteilen.

Flächenverhältnis für 4*Deckel/Boden: (15/3,7)²=16,43

Warum 4 und nicht 3? Oder oben, einer in der Mitte und einer unten.

Tun wir einfach so als würden wir die F9S1 im Durchmesser auf eine BFR mit 15m Durchmesser aufblasen:
Flächenverhältnis für 4*Deckel/Boden: (15/3,7)²=16,43
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Eine F9 auf BFR aufgeblasen besitzt bei gleicher Wandstärke also viel weniger relative Tankmasse.Real wird man zwar die Wandstärke steigern müssen, aber eben nicht um den Faktor 3,28 sondern viel geringer.

Ohne Rechnung kannst Du den Einfluss auf die Wandstärke nicht so einfach wegwischen.
Bei einem Drucktank mit konstantem Druck muss die Wandstärke linear mit dem Durchmesser ansteigen. Mit den Zahlen von oben ergibt sich folglich Faktor 15/3,7=4,05 höhere Wandstärke - und das ist mehr als die Verbesserung des Flächenverhältnis um Faktor 3,28.
Natürlich kann der max. Druck z.T. wieder sinken, wenn der Tank kürzer wird (hydrostatischer Druck). Und wenn der Tank allein von Stabilitätsversagen dimensioniert wird, kann die Wandstärke u.U. gleich bleiben. In praxi liegt der Wert also irgendwo dazwischen, wieviel von den 3,28 aber übrigbleiben muss man genauer durchrechnen!

Das die Wandstärke steigen muss ist schon klar, aber die Frage ist um wieviel?
In dem Video unten steht was von 50psi also ca. 3,5bar.
Die Frage ist jetzt ob die Wandstärke bei der F9 wegen der 3,5 bar so dick ist wie sie nun mal ist, oder aus andern Gründen?
Ich bin einfach mal davon ausgegangen das von dem Faktor 3,28 zumindest 1,25 übrig bleibt, was sicher sehr vorsichtig ist.
Aber selbst damit sinkt die relative Leermasse auf 80% und die führt unmittelbar dazu das beim selben Massenverhältnis eine BFR erheblich mehr dV hat als heute eine F9 und wohl deswegen eine Schilfflandung kaum noch viel bringt. Diese 1000m/s mehr an dV ist sehr viel.
Auf belastbare Zahlen werden wir natürlich noch einige Jahre warten müssen, aber vielleicht erfahren wir schon im September bei der MCT Vorstellung was darüber ob die BFR doch auf einem Schiff landen soll.

Eine Frage an das Forum:
Kennen wir eigentlich die technischen Daten der zweiten Stufe der Falcon 9 in der aktuellen Version ?
Abmessungen, Massen, Schub ?
Könnte man dann mal gut mit den Stufen ähnlicher Trägerraketen (Zenit-2, CZ-7, Atlas-5, Delta IV) vergleichen.

Das einzige was man recht genau sagen kann ist eine obere der Trockenmasse.
Aus einem der Start mit bekannter Satellitenmasse und Bahndaten der Satellitenbahn ist es sicher das die Trockenmasse <=7500kg beträgt.
Das wären min. 16,9 (mit 7500kg) , vermutlich aber mehr als 1 zu 20

Aus verschiedenen Quellen zusammengesucht dürfte der maximale Schub des aktuellen Vakuum Merlin 1D im Bereich 914 kN bis 934 kN liegen(kann aber auf unter 50% gedrosselt werden), der ISP ist dank der großen Glockendüse für ein Nebenstromtriebwerk mit Kerosin/LOX mit etwa 348s sehr gut.

Zur Voll/Leermasse der Zweistufe: Schätzung von mir, 110t voll, 5t leer.


https://de.wikipedia.org/wiki/Merlin_(Raketentriebwerk)

https://en.wikipedia.org/wiki/Merlin_(rocket_engine_family)

http://www.bernd-leitenberger.de/falcon9.shtml

Das mit den 110t ist wohl zu klein, SpaceX sagt auf seiner Webside 125t. Ob sie den Schub schon bis 934kN hochfahren bezweifle ich weil auch hier bei den Angaben von SpaceX ein kleiner weiterer Sprung drin ist der bei der F9S1 anhand der Beschleunigungswerten noch auf v1.2 Niveau hängt.
EM hat gesagt das zum neueren Schritt bis Jahresende noch was gemacht wird.
Möglicherweise sind da kleinere Verbesserungen zusammen mit dem verbesserten Hitzeschutz an der S1 mit drin.

Der hydrostatischer Druck ist bei sehr großen Tanks ein Problem.

Jede erhöhung des Tanks um ca 12,5 m verdoppelt den Hydrostatischen Druck (Dichte Kerosin 0,8kg/dm^3).

Der Schuss kann je nach Material sogar nach hinten losgehen. Ein 1000l Aquarium wiegt zum beispiel wergen des höheren hydrostatischen Drucks wesentlich mehr als 10 * 100l Aquarien, obwohl das Volumen/Oberflächen verhältniss hier wesentlich besser ist.

Beim Aquarium stimmt das sicher, aber wir haben einen Zylinder und die Stufenhöhe der S1 wird selbst bei BFR nicht viel größer werden der Durchmesser hingegen schon.

Die nächsten Hotfire-Tests der F9 werden, wie bereits erwartet und nun auch von SpaceX bestätigt, aller Wahrscheinlichkeit halber ohne montierte Nutzlast erfolgen. Gwen Shotwell betont jedoch noch einmal, dass es keine grundsätzlich verkehrte Idee ist, den Hotfire-Test mit bereits integrierter Nutzlast durchzuführen.

Shotwell: Will 'probably not' put payloads on next few static fires, but too easy to say, given Sept 1, that doing so is always bad idea.

Quelle: https://twitter.com/pbdes/status/775716246541201408

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Das Unglück vom 1. September scheint zumindest vordergründig keinen Einfluss auf den Zertifizierungsprozess der F9 für Nutzlasten der USAF zu haben:

In media roundtable, Beauchamp said recent Falcon 9 accident won’t affect its USAF certification; monitoring investigation.

Quelle: https://twitter.com/jeff_foust/status/775750386346958848

Die nächsten Hotfire-Tests der F9 werden, wie bereits erwartet und nun auch von SpaceX bestätigt, aller Wahrscheinlichkeit halber ohne montierte Nutzlast erfolgen. Gwen Shotwell betont jedoch noch einmal, dass es keine grundsätzlich verkehrte Idee ist, den Hotfire-Test mit bereits integrierter Nutzlast durchzuführen.

Selbst das wäre aber - vorausgesetzt man findet und behebt den Fehler nicht - aber nur eine Halbierung des Risikos. Denn das Betanken vor dem eigentlichen Start wird man wohl kaum ohne Nutzlast machen. Und dabei kann der Unfall genauso passieren.

Nehmen wir mal an man findet den Grund nicht, dann bleibt genau dies, das Risiko zu minimieren.
Am Startturm könnte man zusätzliche Schutzmaßnahmen einbauen, z.B. Trennwände, Sensoren, Kameras usw.
Auf dem PAD mehr Schutzmaßnahmen bauen, z.B. eine stärkere Schutzbewässerung usw.

Klar ist damit nicht sicher ob man die bis jetzt unbekannte Ursache damit verhindert, aber im aller schlimmsten Fall hat man die Nutzlast nicht verloren und man hat dann zumindest Bilder vom Ausgangspunkt.

Es ist eh davon auszugehen das sie selbst dann wenn man die Ursache findet diverse Upgrades kommen, solange dies nicht die Rakete selber betrifft kostet dies zwar Geld aber keine Nutzlast.

Wenn die Halteklammer das Fairing richtig halten könnte und der Turm das auch entsprechend stützen könnte, würde bei so einem Unfall abgesehen von den 3min vor dem Start der Satelit recht sicher bleiben. Er hätte auf jedenfall eine überlebenschance.

Grüße aus dem Schnee

Wenn die Halteklammer das Fairing richtig halten könnte und der Turm das auch entsprechend stützen könnte, würde bei so einem Unfall abgesehen von den 3min vor dem Start der Satelit recht sicher bleiben. Er hätte auf jedenfall eine überlebenschance.

Halte ich für unvorstellbar. Die Schockwellen der Explosionen durchdringen das Fairing leicht und das dürfte mehr als ausreichen, den Satelliten so zu zerstören, dass es ein Totalschaden ist.

Gesetzt es gibt eine kräftige Schockwelle. Im Falle einer Deflation, oder wie diese schnelle Verbrennung hieß gibt es keine besonders starke Schockwelle.
Und gewisse Erschütterungen die Auftreten sind auch in Ordnung, schließlich ist der ganze normale Start auch recht belastend.

Grüße aus dem Schnee

Gesetzt es gibt eine kräftige Schockwelle. Im Falle einer Deflation, oder wie diese schnelle Verbrennung hieß gibt es keine besonders starke Schockwelle.
Und gewisse Erschütterungen die Auftreten sind auch in Ordnung, schließlich ist der ganze normale Start auch recht belastend.

Also, eine Deflation war es vielleicht ganz am Anfang. Allerspätestens die große Explosion unmittelbar nach dem Bersten der Tanks der ersten Stufe haben aber Schockwellen erzeugt, die aus meiner Sicht kein Satellit in der Entfernung überlebt haben dürfte.

Wenn die Halteklammer das Fairing richtig halten könnte und der Turm das auch entsprechend stützen könnte, würde bei so einem Unfall abgesehen von den 3min vor dem Start der Satelit recht sicher bleiben. Er hätte auf jedenfall eine überlebenschance.

Ich denke, da ist ein Satellit oder eine sonstige Nutzlast einfach zu empfindlich. Bei OsirisRex hat man sich schon Sorgen gemacht, weil eine Klimaanlage für die Nutzlast bei der SpaceX Explosion ausgefallen ist. Du erwartest, das ein Satellit, der direkt oberhalb der zweiten Stufe befestigt ist, so einen Knall übersteht? Halte ich für unwahrscheinlich. Selbst wenn die Klammern halten und den Absturz der Nutzlast verhindern, dürften die Schäden allein durch den Feuerball und den Ruß jede Nutzlast zu einem Totalverlust machen.

Man muss sich nur mal anschauen, wie die Hitze der Explosion der ersten Stufe die Farbe an den Blitzableitern in Rauch aufgehen lässt. Ich glaube auch nicht, daß ein Satellit das überlegen könnte. Das erste Feuer außerhalb der Rakete, OK, da bin ich dabei. Aber alle folgenden Explosionen, nicht.

Das mit der Klimaanlage könnte andere Gründe haben. Vielleicht muss irgend etwas im Satelliten gekühlt werden? Oder es geht um die Luftfeuchtigkeit, den Wasser gibt es im All nicht? Wobei die Versorgung mit einer Klimaanlage nach jedem Feuer auch beschädigt sein dürfte.

Das mit der Klimaanlage könnte andere Gründe haben. Vielleicht muss irgend etwas im Satelliten gekühlt werden? Oder es geht um die Luftfeuchtigkeit, den Wasser gibt es im All nicht? Wobei die Versorgung mit einer Klimaanlage nach jedem Feuer auch beschädigt sein dürfte.

Luftfeuchtigkeit ist hier sicherlich die richtige Antwort, Florida hat eine hohe Luftfeuchtigkeit, wenn die sich in dem Satelliten absetzt und im All später zu Eis wird kann das durchaus Schäden verursachen.

Die Flugdatenanalyse des Iridium 1 Fluges hat gezeigt, dass die Merlin Triebwerke der Falcon 9 wieder eine Leistungssteigerung von ca. 10 % erfahren haben. Dabei muss man darauf hinweisen, dass ja nach dem Amos Unglück eigentlich Sicherheitsmaßnahmen erwartet wurden, die eine Minderung der Leistung erwarten ließen.

https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=14332.msg382942#msg382942

Nach Amos wurde doch keine technische Leistungsreduktion erwartet. Die Ursache lag ja nicht im Triebwerk und nicht in der Leistungsspezifikation der Maschine im Flug, sondern im Betanktungsverhalten des Systems am Boden.

Und auch dort: es wurde die Reihenfolge der Betankung geändert. Aber es bleibt beim supertiefgekühlten Treibstoff und damit der erhöhten Treibstoffmasse.

Die Falcon 9 muss noch einige Hürden meistern, bevor Menschen darauf fliegen können:
https://www.reddit.com/r/spacex/comments/5sdlte/spacex_faces_cliff_of_work_to_humanrate_falcon_9/

    Lueders says it will happen before the launcher takes off with humans on board. “Right now they are on a Block 3 configuration,” she says, “and the commercial crew program will be flying on a Block 5 configuration. We are obviously monitoring the flight experience that they are going through, but have been working through a design and development process with them as they are upgrading to the vehicles we will be using.”

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    Preventing the reaction can be achieved by designing the chemistry of the composite layup carefully to avoid it, or by coating the COPV with a protective material. A SpaceX spokesman did not comment on the company’s approach, citing “a reluctance to go into too much detail here, given proprietary concerns.”

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    Lueders says NASA will want to see that redesign fly more than once before it certifies the Falcon 9 as safe enough to deliver its crews to the ISS. “We do have some critical upgrades that are coming in, so our big challenge from a SpaceX perspective is getting those upgrades worked through, integrated, going through the certification process for them. And then we have a plan with them, where we get a certain number of rockets flown before we put crew on,” she says.

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    “With this failure we learned a lot about the operation of the COPV,” Lueders says. “We were always looking at an upgrade of the COPVs for crew and had it in our plan to go through a full qualification cycle on the COPVs.”

    One possible fix would be to replace the COPV and liner with a metal tank, which would impose a weight penalty on a vehicle that is already taking the unusual step of supercooling its propellants to increase their density for maximum performance. The company is “still working the trades” on that and other approaches, Lueders says.

Kurze Zwischenfrage:

Ich hab gestern gelesen, dass die 1. Stufe von Falcon 9 in Cape Canaveral starten und auch wieder landen kann. Ich dachte immer die Stufe landet auf einer Plattform im Atlantik. Wie schaffen die das, dass die Stufe noch so viel "Sprit" hat um wieder zurück nach Cape Canaveral zu fliegen? Hat ja jemand ne Erklärung oder ein Flugdiagramm?