Gastbeitrag: Die Raumfahrt steht kurz vor einer Revolution, aber zählen Sie Ihre Raketen nicht, bevor sie landen

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Gastbeitrag wurde von Lukas Davia & Marijn Achternaam verfasst.

Wenn Sie "wiederverwendbare Raketen" in eine Suchmaschine eingeben, werden Sie von der Anziehungskraft der SpaceX-bezogenen Links, die den Bildschirm ausfüllen, angezogen. Der Grund dafür ist verständlich: Mit dem Tod des Space Shuttles und dem Mangel an klarer Zukunftsplanung durch die meisten alten Spieler im Raumflugbereich machen SpaceXs unkomplizierter, kurzfristiger Plan und frühere Flugtests sie zu jedermanns Favoriten, um die Kosten drastisch zu senken Umlaufbahn mit Raketen, die nach Hause zurückkehren – bereit zur Wiederverwendung.

Und mit dem bevorstehenden Start der 14. Falcon 9-Rakete von SpaceX am 6. Januar, die Dragon zur ISS bringt, ist das Potenzial für eine echte Wiederverwendbarkeit von Raketen zum ersten Mal in den fast 90 Jahren, seit Goddard die weltweit erste Rakete mit Flüssigbrennstoff von dort gestartet hat, in greifbare Nähe gerückt Massachusetts im Jahr 1926. Jetzt ist jedoch eine wichtigere Zeit als je zuvor, um unsere wilden Erwartungen an die Möglichkeit von Raketen, die sich selbst zur Startrampe zurückfliegen, zu mildern. Eine Raketenrevolution mag unter uns sein, aber es ist ein iterativer, mehrstufiger Prozess, der über jede einzelne Mission hinausgeht – und wir sollten nicht erwarten, dass es bald zu einer regelmäßigen wiederverwendung durch Fluggesellschaften und zu großen Kostensenkungen kommt.

Es sollte beachtet werden, dass Elon Musk trotz all seiner erstaunlichen Leistungen nie einen festen und schnellen Zeitplan aufgestellt hat, wann billige und zugängliche Raketen verfügbar sein würden, geschweige denn einen soliden Preis. Warum? Einfach, weil wir Neuland betreten.

Die einzige Trägerrakete in der Geschichte, die nach Erreichen der Umlaufbahn mehrmals wiederholt wurde, war das Space Shuttle. Trotz der Wiederverwendung des mit Abstand teuersten Teils einer Rakete – der Triebwerke und der zugehörigen Systeme – kostete der Start des Shuttles laut NASA mindestens 450 Millionen US-Dollar, mit einer relativ geringen Nutzlast von 24 Tonnen für den Low Earth Orbit oder fast 19.000 US-Dollar pro Kilogramm . Einschließlich der Entwicklungskosten, summiert und aufgeteilt pro Flug, kann der Startpreis durchschnittlich 1,5 Milliarden US-Dollar oder das Dreifache des von der NASA angegebenen Betrags betragen. Was die Kosten pro Kilogramm Fracht in die Umlaufbahn drastisch senken sollte, war eines der teuersten Trägerraketen in der Geschichte der Menschheit. Warum wurde es so teuer?

Die Konzeption des Space Shuttles war das Ergebnis einer Ehe zwischen der NASA, der Luftwaffe und anderen Partnern. Jeder wollte seine eigenen Designspezifikationen, die schließlich ein schwerfälliges Fahrzeug ohne genau definierten Zweck hervorbrachten, und es wurde zum „Fang aller“ der Raumfahrtindustrie. Hauptsächlich wurde der Wartungsaufwand nach jeder Mission von der NASA stark unterschätzt. Nach jedem Flug musste das gesamte Fahrzeug im Wesentlichen umgebaut werden: Fliesen ausgetauscht, Motoren inspiziert, Booster überholt. Insbesondere das Trio der RS-25-Hauptmotoren musste auseinandergenommen und auf jeden möglichen Defekt überprüft werden, der zu einem Ausfall führen könnte, und als die Dinge kaputt gingen, gab es keine gesunde Versorgungsleitung, die sie leicht ersetzen konnte, was die Ursache war Die Kosten für Ersatzteile stiegen sprunghaft an, und die Aufrechterhaltung einer Belegschaft, die bereit und in der Lage war, das Shuttle zu renovieren, wurde schnell zu einer Geldsenke, die die NASA nie wieder herstellen konnte.

SpaceX ist jedoch keine NASA. Sie haben einen agileren und reaktionsschnelleren Entwicklungsansatz für ihre Produkte eingeführt, der überaus erfolgreich war. Sie haben auch jahrelange frühere Projekte (aus mehreren Quellen), um daraus zu lernen, dass die NASA dies nicht getan hat. Dies sind jedoch keine Probleme, die einfach weggewinkt werden können. Es handelt sich vielmehr um grundlegende Fragen, die angegangen werden müssen: Es gibt kein Entkommen aus den Grenzen der Physik.

Ein gemeinsames Thema von Musks Aussagen ist das kühne Bestreben, das Modell der einmaligen Verwendung und des Wegwerfens zu revolutionieren, das die Raketenindustrie von Anfang an dominiert hat, und es in etwas zu verwandeln, das enger mit einem dienstleistungsbasierten Airline-Modell verwandt ist. Dies ist eine große Aufgabe, selbst für Iron Man-Verhältnisse.

Viele Fans schätzen die Eintrittsbarrieren nicht richtig ein. In einer kürzlich in der SpaceX-Fan-Community auf Reddit.com durchgeführten Umfrage wählte ein erheblicher Teil der fast 600 Befragten einen Wert aus, als sie gebeten wurden, eine fundierte Schätzung des Preises eines Raketenstarts von Falcon 9 in 5 Jahren vorzunehmen unter 20.000.000 USD. Einige wählten sogar Preise unter 10.000.000 USD. Obwohl Gwynne Shotwell, COO von SpaceX, beiläufig erwähnt hat, dass wiederverwendbare Starts von Falcon 9 letztendlich einen Preis von 5 bis 7 Millionen US-Dollar erzielen könnten, ist dies wahrscheinlich weit in der Zukunft, weit hinter dem Beginn wiederverwendbarer Raketen. Aus irgendeinem Grund startete SpaceX vor fünf Jahren im Jahr 2010 zwei Falcon 9-Raketen. Letztes Jahr haben sie sechs gestartet, und bis 2020 werden die Kosten für einen Standardstart von Falcon 9 plötzlich dreimal so günstig sein? Woher kommt diese zusätzliche Beschleunigung in der Entwicklung? Möglicherweise kommt es aus den Köpfen einiger etwas zu optimistischer Fans.

Tatsächlich ist etwas so Grundlegendes wie die langfristige Motorwartung noch relativ unbekannt. Zuvor hat SpaceX klargestellt, dass jeder Motor eine Lebensdauer von ungefähr 40 Schüssen hat, und ein gelegentlicher Beobachter würde annehmen, dass dies zu einem Motor führt, der für 40 Missionen verwendet werden kann. Bei drei Motortestbränden vor jedem Start, dem Start selbst und den drei Verbrennungen, die erforderlich sind, um den Wiedereintritts- und Wiederlandevorgang abzuschließen, muss der Mittelmotor tatsächlich sieben Mal feuern, um eine Mission abzuschließen, und neun Mal Motoren auf jeder unteren Stufe – selbst wenn die meisten nur ein paar Mal feuern, führt dies zu einer Reihe von Teilen, die nach jedem Flug ausfallen können. Das Überprüfen und Reparieren dieser Fehler kann viel kostspieliger und zeitaufwändiger werden, als man hoffen könnte.

Zum Beispiel gibt es bei einem Durchmesser von 3,66 m und einer Höhe von ungefähr 42 m fast 500 Quadratmeter Oberfläche der ersten Stufe, die auf der einen Seite den kalten Temperaturen von flüssigem Sauerstoff und gekühltem Kerosin und auf der anderen Seite ausgesetzt war , verschiedene Temperaturen vom Wiedereintritt in die suppige untere Atmosphäre. Tatsächlich ist sogar die Eisbildung auf der Außenhaut des Fahrzeugs allein signifikant genug, um die Masse des Fahrzeugs wesentlich zu verändern! Innerhalb dieses großen Bereichs kann sich Zug-, thermodynamische und druckbedingte Ermüdung ansammeln. Streifen können Keime bilden und Haarrisse bilden. Dies ist eine Gefahr, die zu einem kritischen Ausfall einer operativen Mission führen kann, und ein solches Ereignis könnte einen dauerhaften Zusammenhang zwischen der entstehenden wiederverwendbaren Rakete und der Instabilität in den Köpfen der Satellitenbetreiber und der Versicherungsbranche herstellen. Und obwohl Falcon 9 als überentwickelt angesehen werden kann, ist es unwahrscheinlich, dass SpaceX Raketenroulette spielt.

Obwohl der Chefingenieur der Rakete die Erfolgswahrscheinlichkeit eines Münzwurfs geschätzt hat, wird die leere erste Stufe nach der hoffnungsvollen Landung von CRS-5 auf dem kürzlich getauften „autonomen Drohnenlandeschiff“ wahrscheinlich zum Hauptquartier von SpaceX in Hawthorne, Kalifornien, zurückgeschickt und inspiziert mit verschiedenen Methoden der destruktiven und zerstörungsfreien Analyse, um zu quantifizieren, wie hart es ist, in weniger als drei Minuten auf eine Geschwindigkeit von fast 2 Kilometern pro Sekunde zu beschleunigen und dann genug zu bremsen, durch die Atmosphäre wieder einzutreten, um in unmittelbarer Nähe von Meer und Salz zu landen das Fahrzeug beeinflussen.

Ein weiteres Beispiel für mögliche Sanierungskosten ist der Kerosin der Wahl von SpaceX. Es brennt relativ schmutzig, wie die durchscheinende Säule aus braun-schwarzem Ruß zeigt, auf der Falcon 9 aufsteigt, ein Rückfall in die Zeit früher Flugzeuge. Dies führt zu einem Effekt, der vorwiegend bei Kerolox-Motoren auftritt, die als „Verkokung“ bezeichnet werden. Dabei haftet unvollständig verbrannter Ruß am nahezu geschmolzenen Motor und an der Düse und verringert dessen Fähigkeit, Wärme abzuleiten. Mach es sauber, sagst du? Herzlichen Glückwunsch, Sie haben gerade eine Renovierung in die Gleichung aufgenommen, die SpaceX zu vermeiden versucht.

Selbst wenn man das Fahrzeug selbst ignoriert, sind Starts und die benötigten Chemikalien teuer! Es gibt das exorbitant teure Helium, das benötigt wird, um die Tanks unter Druck zu halten, und die pyrophore TEA-TEB-Zündflüssigkeit, mit der die explosive Verbindung zwischen RP-1 und LOX hergestellt wird. Es sind nicht nur Chemikalien. Es gibt auch Kosten für den Start des Bodenstarts, die von den Löhnen der Mitarbeiter über den langweiligen Prozess der Genehmigungsanträge bis hin zu der etwas interessanteren ablativen Farbe, die die Transporter-Erector-Struktur beschichtet, die Falcon 9 vertikal hält, bis hin zu Transport- und Umzugskosten reichen. Höchstwahrscheinlich belaufen sich die laufenden Kapitalkosten eines einzelnen Starts allein, wobei der offensichtliche Wert der Rakete selbst ignoriert wird, auf mehr als 3 Millionen US-Dollar.

Grundsätzlich müssen wir Wiederanlandung, Sanierung, Wiederverwendbarkeit und finanziell tragfähige und schnelle Wiederverwendung voneinander entkoppeln. Es kann schwierig sein zu verstehen, dass alle vier unterschiedlich sind, und der Erfolg von einem bedeutet nicht, dass der nächste Schritt garantiert ist. Aus diesem Grund bleiben Fragezeichen über den Kosten, der Zeit und der Komplexität der letzten Schritte bestehen, die SpaceX benötigt, um seinen Masterplan für wiederverwendbare Raketen fertigzustellen. Beispiel: Durch die erneute Landung einer Rakete ist eine Renovierung nicht unbedingt erforderlich. Dies ist die Geschichte zum Mitnehmen des Space Shuttles.

Eine Landung allein revolutioniert die Raketentechnik nicht. Vielmehr können wir nur erkennen, dass die Revolution der Verfeinerung der Raketentechnik zu einem Airline-ähnlichen Modell nur durch einen Rückblick in den Rückspiegel gut vorangekommen ist.

Wir leben in der Hoffnung, dass SpaceX das erreicht, was es vor fast 13 Jahren ursprünglich wollte. SpaceX ist diesem Ziel weit, weit näher gekommen als jeder andere, aber wie Musk selbst gesagt hat: "Raketen sind hart". Viel Glück für das Team von SpaceX für den bevorstehenden Start und Landeversuch von CRS-5, es ist der Beginn von etwas viel Größerem.

Geschrieben von Lukas Davia & Marijn Achternaam

Bios: Wenn Sie nicht gerade als Student der Softwareentwicklung und Vollzeit-Webentwickler in Neuseeland jonglieren, Lukas Davia ist ein bekennender SpaceX-Süchtiger und trägt zur Reddit-Community / r / SpaceX bei, fügt seiner Website SpaceXStats.com hinzu und erstellt Infografiken. Ob Sie es glauben oder nicht, er findet Zeit, nach draußen zu gehen und auch in seiner Freizeit zu wandern!

Marijn Achternaam ist ein niederländischer Student, selbsternannter Sesselingenieur und Raumfahrtfanatiker, der häufig Beiträge zu den Gemeinschaften / r / space und / r / SpaceX Reddit leistet.

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