Falcon 9 

 

 

US-amerikanische Trägerrakete

 

 

Falcon 9 Trägerrakete

 

Falcon 9 ist die Bezeichnung einer Familie von US-amerikanischen Trägerraketen, die von der Firma SpaceX für orbitale Nutzlasten zwischen etwa 10 und 50 t entwickelt und eingesetzt wird. Sie basiert technisch auf der kleineren Falcon 1, setzt aber anstelle eines einzelnen Merlin-Triebwerks in der ersten Stufe neun Merlins ein. Alle bisherigen Versionen sind zweistufig.

Im Rahmen des CRS-Programms (Commercial Resupply Services) wird die Rakete in Verbindung mit dem Dragon-Raumschiff unter anderem zur Versorgung der Internationalen Raumstation verwendet.

Ab 2017 soll sie auch mit der Dragon-V2-Kapsel im Rahmen des CCDev-Programms Astronauten zur ISS transportieren. Weiterhin wird sie für kommerzielle Starts angeboten. Der erste Start fand im Juni 2010 statt.

Die Falcon 9 ist als teilweise wiederverwendbare Trägerrakete ausgelegt. Die Erststufe kann nach der Abkopplung der Zweitstufe auf einer Plattform im Ozean oder nach einem Rückflug in der Nähe des Startplatzes mit einem Triebwerk landen.

Hierfür verfügt sie über ausklappbare Landebeine und Gitterflossen. Die erste erfolgreiche Landung gelang am 21. Dezember 2015 (Ortszeit, 22. Dezember UTC) in Cape Canaveral.

Mit der Falcon Heavy ist die Trägerrakete mit der dann weltweit höchsten Nutzlast geplant.

 

Geschichte der Falcon 9 Rakete

 

Im September 2005 gab SpaceX bekannt, eine noch stärkere vollständig wiederverwendbare Trägerrakete mit der Bezeichnung Falcon 9 entwickeln zu wollen. Die verwendeten Versionsbezeichnungen wurden so nie von SpaceX gebraucht, dort heißt die Rakete einfachFalcon 9.

Die erste Stufe der Falcon 9 v1.0 verwendete neun Merlin-1C-Triebwerke in quadratischer Anordnung, die zweite Stufe ein einzelnes mit einer verlängerten Ausströmdüse ausgestattetes Merlin-1C. Ursprünglich war mit der Falcon 5 ein weiteres Modell geplant, dessen Entwicklung aber zwischenzeitlich zugunsten der größeren Falcon 9 eingestellt wurde.

Die Rakete mit ihren neun Triebwerken ist auch bei Ausfall eines Triebwerkes in jeder Flugphase der Unterstufe beherrschbar. Am 4. Juni 2010 erfolgte nach vielen Verzögerungen von Cape Canaveral (LC40) aus der erfolgreiche Jungfernflug der Falcon 9.

Sie erreichte den Erdorbit und führte die Trennung von der ersten Stufe durch. Die Nutzlastkapazität der ersten Version der Falcon 9 v1.0 lag bei etwa 10.000 kg für einen niedrigen Orbit (LEO).

Falcon 9 Rakete auf Startrampe

Diese Version wurde schon nach fünf Starts durch die leistungsstärkere Version v1.1 ersetzt. Bei dieser Ausbaustufe wurden die leistungsstärkeren Merlin-1D-Triebwerke verwendet. Durch den höheren Schub konnte nun auch mehr Treibstoff mitgenommen werden.

Um diesen aufnehmen zu können, wurden die Tanks der ersten und zweiten Stufe verlängert. Die Triebwerke der Erststufe wurden nun in einem Ring aus acht Triebwerken um ein zentrales Triebwerke gruppiert, von SpaceX wird diese Anordnung als Octaweb bezeichnet.

Diese Version konnte etwa 13.000 kg in einen LEO und 5.000 kg in einen GTO befördern, wobei unklar war, ob diese Werte die Nutzlasteinbuße bei Wiederverwendung der Erststufe mit einbezogen.

Mit dieser Version wurden erstmals Versuche unternommen, die Erststufe nach der Abtrennung von der Oberstufe kontrolliert zu landen, diese Versuche scheiterten jedoch.

Im Laufe des Jahres 2015 wurden schließlich weitere Verbesserungen an der Falcon 9 angekündigt. Die Merlin-1D-Triebwerke wurden im Schub gesteigert, was wiederum die Treibstoffkapazität erhöht.

Dies wird einerseits durch Unterkühlung und somit höherer Dichte des Kerosins und flüssigen Sauerstoffs für beide Stufen und andererseits durch vergrößerte Tanks in der Oberstufe erreicht.

Diese Version wird inoffiziell als v1.2 oder v1.1 Full Thrust bezeichnet, bei SpaceX heißt auch diese Version einfach Falcon 9. Auch unterscheiden sich die Nutzlastangaben nicht von der v1.1. Der erste Start am 21. Dezember 2015 nach dem Fehlstart im Juni 2015 war zugleich der erste Start dieser letzten Ausbaustufe, zum ersten Mal gelang erfolgreich der Rückflug und die Landung der Erststufe.

Vom Anfang der Entwicklung an war eine stärkere Version der Falcon 9 geplant, die zwei weitere Falcon-9-Erststufen ähnlich der Delta IV Heavy als Booster verwendet. Diese stärkste Variante (Falcon Heavy) soll 53.000 kg in einen niedrigen Orbit befördern können und zwischen 77 Millionen und 135 Millionen US-Dollar pro Mission kosten. Ein erster Start ist derzeit für Herbst 2016 geplant.

 

Zwischenfälle bei Falcon Missionen

 

Beim vierten Start der Falcon 9 am 8. Oktober 2012 fiel nach 1 Minute und 19 Sekunden ein Triebwerk in der Erststufe aus. Die einzelnen Triebwerke in dem Cluster der Erststufe sind durch Kevlarummantelungen geschützt, sodass die anderen Triebwerke durch die Explosion des ausgefallenen Triebwerks nicht beschädigt wurden.

Um einen symmetrischen Schub zu gewährleisten, wurde das gegenüberliegende Triebwerk automatisch abgeschaltet. Durch eine verlängerte Brenndauer der restlichen Triebwerke und der Zweitstufe konnte trotzdem der geplante Orbit für die Hauptnutzlast Dragon erreicht werden.

Aufgrund von Sicherheitsregeln für die ISS konnte aber die Sekundärnutzlast, der Satellit „Orbcomm FM44“, nicht mehr auf dessen höhere Umlaufbahn gebracht werden. So wurde der Satellit auf einer niedrigeren Bahn als vorgesehen ausgesetzt und verglühte drei Tage später. Somit ist dieser Start der Falcon 9 nur als Teilerfolg zu werten.

Beim sechsten Start der Falcon 9 und zugleich erstem Start der verbesserten Version v1.1 am 29. September 2013 konnten die Primärnutzlast CASSIOPE und mehrere kleine Sekundärnutzlasten erfolgreich auf ihren geplanten Bahnen ausgesetzt werden. Nach dem Aussetzen der Nutzlasten war geplant, die Zweitstufe nochmals zu zünden, um die Wiederzündfähigkeit im Orbit zu demonstrieren, welche für Starts in den GTO notwendig ist. Bei der Wiederzündung kam es jedoch zur Explosion des Triebwerks und die Stufe wurde zerstört.

Der folgenschwerste Zwischenfall und erste Totalverlust ereignete sich am 28. Juni 2015 beim 19. Start einer Falcon 9. 2 Minuten und 19 Sekunden nach dem Start – kurz vor der geplanten Abkopplung der Erststufe und Zündung der Zweitstufe – explodierte der Sauerstofftank der Zweitstufe.

Dadurch zerlegte sich diese Stufe und die Nutzlast, die Dragonkapsel, brach weg. Der Trunk (druckloser Frachtabteil der Dragon) und der in ihm transportierte Kopplungsadapter IDA für die ISS, der zur Kopplung der zukünftigen bemannten CCDev-Raumschiffe mit der ISS dienen sollte, wurden zerstört.

Die Dragonkapsel überstand den Unfall zunächst und sendete noch weiter Telemetriedaten, wurde dann jedoch wahrscheinlich beim Aufschlag auf dem Ozean zerstört. SpaceX gab bekannt, dass durch das Auslösen des Fallschirmsystems Dragon und seine Fracht unbeschadet im Atlantik hätte wassern können.

Allerdings war dies nicht in der Software vorgesehen und konnte deshalb nicht von Dragon durchgeführt werden. Die Erststufe lief während der Desintegration der oberen Hälfte der Rakete noch mehrere Sekunden lang mit vollem Schub und explodierte dann 2 Minuten und 27 Sekunden nach dem Start.

Es wurde noch ein Selbstzerstörungssignal an die Erststufe gesendet, jedoch erst rund 70 Sekunden, nachdem diese Stufe bereits explodiert war.

Am 20. Juli 2015 gab Elon Musk bekannt, dass vermutlich einer der vier Holme gerissen sei, die den Heliumtank innerhalb des Sauerstofftanks fixieren. Der Heliumtank schoss daraufhin nach oben, was zu einem Verlust der strukturellen Integrität führte. Der Holm soll bei 20 % der zertifizierten Last gerissen sein.

SpaceX konnte das in einer Testreihe, bei der etwa 1000 Holme auf ihre Belastung getestet wurden, nachstellen.

 

Falcon Heavy Rakete

 

Bei der geplanten Falcon Heavy werden zwei zusätzliche Erststufen der Falcon 9 als Booster verwendet. Es werden parallel alle 27 Triebwerke gezündet. Weitgehend unverändert wird die in der Falcon-9-Familie übliche 2. Stufe verwendet.

Die Nutzlastkapazität in eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) mit 28,5° Bahnneigung soll von Cape Canaveral aus bis zu 53,0 t betragen.

Auf eine Fluchtbahn zum Mars soll die Falcon Heavy etwa 13,2 t transportieren können. Die Rakete wird 70 m hoch sein, 3,7 m × 12,2 m Durchmesser haben, eine Nutzlastverkleidung mit 5,2 m Durchmesser besitzen und bei 1.394 t Startgewicht mit 20.418 kN Startschub abheben.

Damit es selbst bei einem Triebwerksschaden während des Fluges in einem der 27 gleichzeitig arbeitenden Merlin-Triebwerke nicht zu einem Fehlstart kommt, sind die Triebwerke von Schutzhüllen umgeben, so dass sich Brände und Explosionen nicht auf andere Triebwerke oder die Rakete auswirken sollen.

Optional sollen die beiden äußeren Stufen die zentrale Stufe während des Fluges mit Treibstoff versorgen können, so dass die zentrale Stufe nach dem Abtrennen der beiden äußeren Stufen noch nahezu voll ist und so deutlich länger arbeitet als die beiden äußeren Stufen.

So wird ein günstigeres Stufenverhältnis erzielt. Da hier technisches Neuland betreten wird, soll es erst bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt angeboten werden.

Wenn dieses sogenannte „fuel-crossfeed“ nicht eingesetzt wird, muss die innere Stufe mit gedrosseltem Schub betrieben werden, um dennoch ein günstiges Stufenverhältnis zu erhalten. Diese Technik wird beispielsweise bei der Delta 4 Heavy eingesetzt.

Die Nutzlastkapazität für einen LEO mit 28,5° Bahnneigung von Cape Canaveral beträgt dann nur noch rund 45 t.

Sie wäre damit eine der leistungsfähigsten Trägerraketen seit der Mondrakete Saturn V und der sowjetischen Energija.

SpaceX gab am 29. Mai 2012 bekannt, dass sie einen ersten Auftrag zum Start eines Intelsat-Satelliten mit der Falcon Heavy erhalten hat.

Der Satellit soll von der Falcon Heavy in einer geostationären Transferbahn abgesetzt werden.

In weiterer Folge wurden noch vor dem geplanten Jungfernflug im November 2016 einige weitere Nutzlasten auf die Falcon Heavy gebucht.

Aufgrund der Verzögerung bei der Falcon Heavy ist eine davon, ViaSat-2, Anfang 2016 auf die Ariane 5 umgebucht worden.

Falcon Heavy Trägerrakete

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

Copyright Fotos / Grafiken v.o.n.u.v.l.n.r.: Steve Jurvetson , NASA/Glenn BensonSpaceX Photos 

Lizenzbestimmungen Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported (abgekürzt)