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Kosten in der Raumfahrt Was kosten Raketen?

Was kostet Raumfahrt?

Wenn Raketen Satelliten oder Astronauten in den Weltraum befördern kostet das viel Geld doch nicht jede Rakete ist gleich teuer. Was eine Rakete kosten darf hängt immer davon ab welche Bedingungen von der Nutzlast gestellt werden.

So können Menschen derzeit nur von der Russischen Sojus Rakete in den Weltraum fliegen, diese Monopolstellung wirkt sich ebenso auf den Preis aus, wie die hohen Sicherheitsanforderungen bei bemannten Starts.

Für unbemannte Satellitenstarts gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Oft kosten Satelliten für Kommunikationsdienstleistungen selbst schon einige hundert Millionen Dollar weshalb die Unternehmen sie auf möglichst zuverlässigen Raketen starten wollen.

Bei den größeren Satelliten wird meistens die Ariane 5 aus Europa und die Proton aus Russland eingesetzt. Die Amerikaner haben noch die Delta IV Heavy. Ende 2017 will SpaceX mit der Falcon Heavy eine weitere Rakete in diesem Marktsegment einführen die neue Maßstäbe setzen wird.

Die großen Trägerraketen

Die russische Proton Rakete

Aufgrund der niedrigen Zuverlässigkeit in den letzten Jahren hat die Russische Proton-M Rakete zur Zeit kaum noch kommerzielle Aufträge. Sie kostet etwa 80 Millionen Dollar pro Start und kann 21000 kg in die Erdumlaufbahn bringen, was etwa 4.000 US-Dollar pro Kilogramm entspricht.

Die Europäische Ariane 5 Rakete

Die Ariane 5 aus Europa weist eine sehr hohe Zuverlässigkeit auf. Allerdings ist der Preis der Ariane 5 Rakete mit 170 Millionen US-Dollar deutlich höher als für eine Proton. Der Preis pro Kilogramm liegt bei einer Nutzlast von 21.700 kg bei 7.800 US-Dollar pro Kilogramm etwa doppelt so hoch wie bei der Proton Rakete.
Die amerikanische Delta IV Heavy Rakete

Die Delta IV Heavy hat mit 350 Millionen US-Dollar die höchsten Kosten und wird daher Kommerziell nicht eingesetzt. Die Delta IV Heavy ist mit einer Nutzlast von 23.000 kg die aktuell stärkste Rakete der Welt. Lediglich die US-Regierung die ihre Militärischen Satelliten nie im Ausland starten lässt nutzt diese Manchmal. Die Kosten pro Kilogramm liegen hier bei 15.200 Kg pro Kilogramm.

Die Falcon Heavy Rakete von SpaceX

Die Falcon Heavy Rakete soll im Dezember 2017 ihren Erststart absolvieren. Doch schon vorher sorgt sie mit ihren Daten für Aufsehen und SpaceX hat bereits einige Aufträge erhalten. Die Rakete kann 63.800 kg in den Orbit beförden und damit fast 3 Mal so viel wie die Delta IV Heavy, die aktuell stäkste Rakete. Die Kosten liegen bei 90 Millionen US-Dollar pro Start was 1.400 US-Dollar pro Kilogramm entspricht. Damit ist sie mit großen Abstand die günstigste große Trägerrakete am Markt.

Für Mittelschwere Satelliten kommt die Falcon 9, Atlas 5, und die Sojus Rakete zum Einsatz. Hier gibt es noch weitere Raketen, da die genannten aber über 90 % der kommerziellen Starts in diesem Segment abdecken, werde ich sie hier nicht behandeln. Diese mittleren Trägerraketen Unterscheiden sich genauso wie die großen.

Die mittleren Trägerraketen

Falcon 9 Rakete von SpaceX

Die Falcon 9 Rakete von SpaceX ist die Rakete mit den meistens Starts 2017. Dies liegt an der Zuverlässigkeit aber auch am geringen Startpreis von nur 60 Millionen US-Dollar. Dann, wenn eine gebrauchte erste Stufe geflogen werden kann sind sogar noch günstigere Preise möglich. Mittlerweile kann sie 22.800 kg Nutzlast transportieren und ist damit hier eigentlich falsch angesiedelt. Zu den großen Raketen kann man sie jedoch auch nicht zählen da die Nutzlastverkleidung zu klein ist. Ein Kilogramm Fracht kostet 2630 Dollar. Mithilfe der Wiederverwendung hofft SpaceX die Kosten noch einmal um die Hälfte drücken zu können.

Die Atlas 5 Rakete

Die Atlas 5 Rakete bietet eine sehr gute Zuverlässigkeit, weshalb die NASA auf ihr auch alle unbemannten Marsmissionen in den letzten Jahren gestartet hat. Dabei wird ein höherer Flugpreis akzeptiert. Der Preis einer Atlas 5 Rakete liegt bei etwa 150 Millionen Dollar. Sie kann 18.800 kg in den Erdorbit tragen. Dabei kostet jedes Kilogramm etwa 8000 Dollar

Die Sojus Rakete aus Russland

Die russische Sojus Rakete ist nicht so teuer und die Zuverlässigkeit ist so hoch, das man mit ihr auch Menschen startet die dann zum Beispiel zur internationalen Raumstation fliegen. Im kommerziellen Markt spielt die Rakete aber nur eine kleine Rolle. In letzter Zeit gab es auch Unfälle. Da sie in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus den 60ern kommt würde Russland sie gerne mit einer moderneren Rakete ersetzen. Die Sojus Rakete kostet etwa 60 Millionen Dollar. Die Nutzlast liegt bei 7.200 kg. Dabei kostet ein Kilogramm 8.300 Dollar. Da die Nutzlast deutlich kleiner ist als bei den anderen Trägern wird sie heute fast nur noch für Starts in den niedrigen Erdorbit eingesetzt, zB beim Start von Wettersatelliten. Für den Start der meisten Kommunikationssatelliten ist sie viel zu klein.

SpaceX Marktanteil wächst und überflügelt Arianespace

SpaceX ist ein erfolgreiches privates Raumfahrtunternehmen. Dabei kann SpaceX bereits heute auf 44 Starts ihrer Falcon 9 Rakete zurückblicken. Dabei waren 42 Starts erfolgreich, 1 Start teilweise erfolgreich und ein Start schlug fehl. Bisher erreichte die Falcon 9 eine Erfolgsquote von über 95 Prozent, was in der Satellitenindustrie als gut gilt. Zusätzlich gilt die Falcon 9 als günstig. Die Folge dieser guten Statistik sind viele weitere Aufträge, die SpaceX erhält. Nach der Explosion der Falcon 9 mit Amos 6 2016 berichtete SpaceX von über 70 gebuchten Starts im Wert von über 10 Milliarden US-Dollar.

Die Falcon 9 Rakete ist im Satellitenmarkt erfolgreich

Die Falcon 9 Rakete ist im Satellitenmarkt erfolgreich Quelle:SpaceX

Dabei wird in Zukunft durch die Weiterentwicklung der Wiederverwendung noch Potential gesehen die Kosten weiter zu senken. Viele größere Startanbieter sehen also in einem Startauftrag an SpaceX auch eine Investition in die Zukunft ihres Geschäftes.

SpaceX wächst weiter Stark

Booster der Falcon Heavy beim Test

Booster der Falcon Heavy beim Test: Quelle SpaceX

2017 will SpaceX allein 20 Starts durchführen, 2018 sollen es schon 30 sein. Dabei wird die Falcon 9 den Großteil der Starts ausmachen, jedoch soll auch die Falcon Heavy erstmals Starten und 2018 in den kommerziellen Markt eingeführt werden.

SpaceX wird 2017 größter Marktteilnehmer

SpaceX wird 2017 größter Marktteilnehmer Quelle: NASA.gov

Der Marktanteil von SpaceX ist dabei stark zu wachsen, 2017 wird mit einem Marktanteil von 45%, wenn alles so klappt wie von der NASA erwartet, bereits Arianespace mit 40% leicht überragt, und SpaceX damit zum größten Start Dienstleister aufsteigen. 2018 wird SpaceX erwartungsgemäß einem Anteil von 60% erreichen und damit größter Marktteilnehmer sein.

SpaceX plant Erststart der Falcon Heavy am 29. Dezember 2017

SpaceX plant jetzt für den 29. Dezember mit den ersten Start ihrer Falcon Heavy Rakete. Die Falcon Heavy ist wie die Falcon 9 aufgebaut, doch verwendet sie zusätzlich noch zwei Booster, die weitgehend der ersten Stufe der Falcon 9 entsprechen. Dadurch wird sie beim Start 27 Merlin 1D Triebwerke einsetzen.

Die Falcon Heavy basiert auf der Falcon 9 Quelle: SpaceX

Die Falcon Heavy Rakete wird die stärkste aktive Rakete der Welt. Mit einer maximalen Nutzlast von 63.800 kg kann sie mehr als das doppelte, der Delta IV Heavy, transportieren.

Falcon Havey Vergleich der Nutzlast mit anderen Trägern

Falcon Havey Nutzlastvergleich Quelle: SpaceX

Erstmals angekündigt wurde die Falcon Heavy im April 2011. Damals war der erste Start für 2013 angekündigt worden. Durch eine ganze Reihe von Gründen, hat sich der Erststart bis jetzt auf Ende 2017, jedoch immer weiter verzögert.

In den vergangenen Wochen hat man erst die Halterungen für die Booster der Falcon Heavy Rakete installiert. Diese waren vorher bei den Starts der Falcon 9 von diesem Startplatz nicht benötigt worden.

Auch heute ist noch nicht alles für den Start vorbereitet. In den Nächsten Wochen noch vor dem Start von ZUMA sollen jetzt die Tankanschlüsse für die Booster an der Startanlage hinzugefügt werden. Die Datenleitungen sollen dann nach dem Start noch folgen.

Dann kann die Falcon Heavy dort getestet werden. Besonders beobachten wird SpaceX das Betanken und schließlich die Triebwerkszündung. Zum ersten Mal werden dann alle 27 Triebwerke gemeinsam laufen. Bis heute wurden die Stufen nur einzeln getestet.

Beim Erststart werden als Booster umgerüstete bereits geflogene Falcon 9 Erststufen verwendet. Außerdem sollen die Booster nach dem Flug zurückfliegen und auf einem Landepad wieder Landen. Für die zentrale erste Stufe wird eine Landung auf einer Seeplattform von SpaceX erwartet. Dadurch wird die Falcon Heavy auch bei der Wiederverwendung auf der Falcon 9 Rakete aufbauen.

Elon Musk kündigt ersten Falcon Heavy Start im September an

Die erste Falcon Heavy Rakete startet im November

Falcon Havy wird die Rakete für die schwersten Satelitten

Falcon Havy wird die Rakete für die schwersten Satelitten Quelle: SpaceX

Elon Musk hat auf Instagram seinen Followern mitgeteilt das die Falcon Heavy im September ihren Erstflug haben soll. Vorher hat er bereits verlautet, dass der erste Start höchstens als Teststart verstanden werden soll, da die Falcon Heavy als ganzes nicht am Boden getestet werden konnte.

Die Falcon Heavy wird die größte Rakete

Wenn die Falcon Heavy erstmals startet wird sie die größte aktive Rakete Weltweit. Die zweitgrößte Rakete, die Delta 4 Heavy wird um mehr als das doppelte übertroffen. Geschichtlich wird nach ihrer Nutzlast die Nummer 3 sein. Vor ihr liegen nur die amerikanische Saturn 5 Rakete, sowie die Russische Mondrakete N1.

Falcon Heavy und der Mars

Die Falcon Heavy wird auch ein wichtiger Baustein in den Mars Plänen von SpaceX. Dafür soll sie eine modifizierte Dragon Kapsel zum Mars schießen.

Falcon Heavy ist der nächste Schritt in der Wiederverwendung

Durch die sehr große Nutzlast der Rakete werden neue Schritte in der Wiederverwendung möglich. Dies wird die Rückführung von ersten Stufen auch bei sehr großen Satelliten möglich machen. Probeweise wird man aber auch an der Rückführung der zweiten Stufe arbeiten können. Dadurch rückt der Traum von SpaceX, durch vollständig wiederverwendete Raketen massive Kosteneinsparungen zu erzielen wieder ein Stück näher an die Realität

SpaceX spart richtig und plant weiter für die Zukunft

Nach dem SpaceX vor einigen Tagen zum ersten Mal überhaubt, die erste Stufe einer Falcon 9 Rakete wiederverwendet hat, wobei über die Hälfte der Kosten eingespart werden konnten im Vergleich zu einer neu gebauten Stufe, sagte SpaceX President Gwynne Shotwell auf dem 33. Space Symposium in Colorado Springs. Jetzt plant SpaceX weitere Schritte um die Kosten in Zukunft weiter zu senken. So teilte Elon Musk mit, dass SpaceX demnächst den Turnaround zwischen dem Landen einer ersten Stufe, und dem erneuten Flug auf unter 24 Stunden verkürzen will. Dies würde es erlauben öfter zu Starten. Gleichzeitig würden dabei automatisch Kosten, die nicht einen einzelnen Start zuortbar sind pro Start zu senken. Hier drunter fallen zum Beispiel Mitarbeiter, Immobilien und Verwaltungskosten.

Desweiteren bereitet SpaceX den ersten Einsatz der Falcon Heavy vor. Bei ihren ersten Flug sollen auch gebrauchte Stufen eingesetzt werden. Diese Stufe die zu einem Falcon Heavy Booster umgebaut wurde flog bereits beim Start von Thaicom-8 in den Weltraum.

Die Thaicom-8 Erststufe wird als Falcon Heavy Booster wiederverwendet

Die Thaicom-8 Erststufe wird als Falcon Heavy Booster wiederverwendet Quelle: Gary Blair

Auch arbeitet SpaceX daran die Falcon 9 weiter zu entwickeln um sie in Zukunft leichter und schneller Wiederverwenden zu können. Dabei soll sie statt 2-3 Mal bei der jetztigen Version dann 5-10 Mal ins Weltall fliegen können. Diese Version, die Block 5 genannt wird soll die Finale Version der Falcon 9 werden. Auch sollen deutlich weniger Inspektionen erforderlich sein als an der aktuellen Stufe

Dann soll nicht nur die erste Stufe wiederverwendet werden, sondern auch die Nutzlastverkleidung. Diese wird nach ihrem Einsatz, wenn die Rakete die Atmosphäre verlassen hat, pneumatisch abgetrennt und tritt dann mit kleinen Steuerdüsen gesteuert in die Erdatmosphäre ein. Sobald die Verbleibende Geschwindigkeit gering genug ist, werden steuerbare Fallschirme ausgestoßen, und landen die Nutzlastverkleidung gezielt auf einem schwimmenden Luftkissen, welches bei SpaceX Hüpfburg genannt wird.

Merlin SpaceX Raketen Triebwerk

Das Merlin Raketentriebwerk treibt die Falcon Raketen von SpaceX an. Dazu gehören die Falcon 1, die Falcon 9 und demnächst auch die Falcon Heavy. Als Treibstoff benutzen sie RP1, was eine Form von Kerosin ist, und Sauerstoff. Über die Zeit wurde das Triebwerk immer weiterentwickelt. Führ die Einspritzung des Raketentreibstoffs wählte man eine ältere Technologie, dem Pintel Injektor.

Pintle Injektor Einspritzer

RP-1 in Rot, Sauerstoff in Blau Quelle: Marianoberna

Dieses Verfahren wurde erstmals bei den Lande Triebwerk, des Apollo Lande Modul eingesetzt. SpaceX nutzt ein Schub Vektor Control System, zur Steuerung seiner Raketen. Dabei werden 3 Computer in jeder Steuer Einheit genutzt. Im Oktober 2014 baute SpaceX sein hundertstes Merlin 1D Triebwerk. Bis heute wurden 250 Merlin 1D Triebwerke gestartet. Dabei kam es zu keinem Versagen des Merlin 1D.

Eine Falcon 9 besitzt 9 Merlin Triebwerken in der ersten Stufe

Die erste Version das Merlin 1A, war ein Raketentriebwerk mit 340 kN Schub in Bodennähe, dass noch relative einfach aufgebaut wahr. Die Kühlung erfolgte Ablativ, dass heißt auf dem Triebwerk war eine Schicht aufgetragen, die bei einer hohen Temperatur verdampft, und das Triebwerk so kühlt. Die Turbopumpe drehte mit 20.000 Umdrehungen pro Minute. Das Triebwerk hatte noch ein höheres Gesamtgewicht von 760 Kg.
Dieses Triebwerk wurde bei den beiden ersten Flügen der Falcon 1 eingesetzt

Die zweite Version, das Merlin 1B war eine Weiterentwicklung des Merlin 1A. Es hatte eine Modifizierte Turbopumpe. Die Turbopumpe hatte eine gesteigerte Geschwindigkeit auf 22.000 Umdrehungen pro Minute. Dadurch besaß es einen gesteigerten Schub auf 380 kN in Bodenhöhe. Dieses Triebwerk wurde nie eingesetzt.

Die dritte Version, das Merlin 1C wurde erneut weiterentwickelt. Es benutzte keine Appellative, sondern stattdessen eine regenerative Kühlung. Durch diese gesteigerte Kühlleistung konnte der gesamte Schub des Triebwerks auf 420 kN gesteigert werden. Das Gewicht konnte gleichzeitig auf 460 Kg reduziert werden.
Der erste Einsatz erfolgte 2008 beim dritten Flug der Falcon 1. Durch ein geändertes verhalten beim Abschalten, schlug der Flug fehl. Beim 4. Einsatz der Falcon 1 erreichte dann die erste Privat finanzierte Rakete mit Flüssigtreibstoff den Erdorbit.

Die fierte Version, das Merlin 1D wurde im Schub auf 650 kN gesteigert. Dies wurde über einen gesteigerten Brennkammerdruck erreicht. Eine Drosselung war am Anfang auf bis zu 70% Der Nominalen Triebwerksleistung möglich. Später wurde eine Drosselung auf 39% oder auf bis zu 360 kN erreicht. Nach diesem Angaben, die von Tom Mueller so gemacht wurden, besitzt das Merlin 1D ein Schub zu Gewicht Verhältnis von 158. Unter der Voraussicht das der Schub des Merlin 1D nochmal auf 825 kN gesteigert werden könne würde das Schub zu Gewicht Verhältnis auf 180 ansteigen. Dieses Merlin 1D v.2 soll in der Falcon 9 Block 5 eingesetzt werden, der finalen Version der Falcon 9. Das erreichte Schub zu Gewicht Verhältnis ist das höchste in dieser Klasse von Raketentriebwerken.
Der erste Flug erfolgte 2013 mit einer Falcon 9. Diese Rakete startete den Cassiope Satelliten für die Kanadische Weltraum Agentur in einen Polaren Niedrigen Erdorbit.

Das Merlin Triebwerk ist mittlerweile ein sehr effizientes Triebwerk. Bei seiner Entwicklung wurde auch eine mögliche Wiederverwendung des Triebwerks angedacht. Deshalb wurde es sehr stabil ausgelegt. Da SpaceX bereits einige Falcon 9 Erststufen erfolgreich gelandet hat, konnten die Triebwerke nach ihrem Einsatz untersucht werden. Dabei wurden Micro Risse entdeckt. SpaceX will in Zukunft ein Verfahren entwickeln, dass die Mikrorisse zukünftig ausschließen. Eine erste Wiederverwendung von 9 Merlin 1D Triebwerke ist beim Start zusammen mit der Erststufe einer Falcon 9 mit dem Satelliten SES-10 geplant. Dieser Start soll Ende März 2017 erfolgen.

SpaceX bringt Touristen zum Mond

SpaceX hat auf einer Pressekonferenz veröffentlicht, dass sie Ende 2018 2 Weltraumtouristen zum Mond befördern wollen. Beide Kunden haben laut SpaceX schon einen größeren Betrag angezahlt. Dazu will SpaceX eine Dragon 2 Kapsel auf einer Falcon Heavy einsetzen. Der Raumflug soll etwa 1 Woche dauern.

Die Dragon 2 Kapsel von SpaceXDie Dragon 2 Kapsel von SpaceX

SpaceX Dragon 2 Kapsel

Die Dragon 2 Kapsel wurde ursprünglich für die NASA entwickelt, um Astronauten zur Internationalen Raumstation zu befördern. Sie ist jedoch von SpaceX so ausgelegt worden, auch wesentlich höhere Wiedereintrittsgeschwindigkeiten wie sie bei Flügen vom Mond oder sogar vom Mars entstehen auszuhalten. Die erste Dragon 2 Kapsel soll dieses Jahr unbemannt getestet werden. Viele Technologien, wie der Hitzeschild, sind jedoch vom Vorgängermodell bereits bekannt.

Falcon Havy auf dem Launchpad Quelle: SpaceX

Die Falcon Heavy ist ebenfalls neu und soll Mitte dieses Jahres das erste mal unbemannt fliegen. Die Falcon Heavy setzt sich aus der bekannten Falcon 9 Konstruktion und zusätzlich 2 Booster zusammen, wobei die Booster ähnlich wie die erste Stufe sind. Die Nutzlast der Falcon Heavy zum Mond beträgt 22 Tonnen. Da jedoch nicht die volle Nutzlast benötigt wird, werden die Booster voraussichtlich zum Startplatz zurückkehren. Ob die zentrale erste Stufe zum Startplatz zurückkehren kann, oder auf einer Hochseeplattform landet, lässt sich heute noch nicht abschätzen.

Der Start soll vom kürzlich in Betrieb genommen Startplatz 39-A in Cape Canaveral erfolgen.