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Der zweite Testflug des Starships ITF-2

Dies ist eine konsolidierte Zusammenfassung mehrerer Blogeinträge zum zweiten Teststart des Starships (ITF 2). Er fand nach eintägiger Verspätung am 17.11.2023 statt. Hier der offizielle Countdown, also die geplanten Ereignisse (nach SpaceX)

COUNTDOWN

Alle Zeiten sind ungefähre Angaben / bzw. nach dem Abheben "wenn alles nach Plan läuft" (wörtliches Zitat von der Website).

STD./MIN./SEK EREIGNIS

02:00:00 Der SpaceX-Flugdirektor checkt die Bereitschaft aller Stationen und gibt GO für die Treibstoffzuladung

01:37:00 Superheavy LOX Betankung startet

01:37:00 Superheavy Methan Betankung startet

01:17:00 Starship Methan Betankung startet

01:13:00 Starship LOX Betankung startet

00:19:40 Vorkühlung der Raptos in Superheay und Starship

00:00:10 Aktivierung des Flammenabweisers

00:00:03 Die Zündsequenz des Raptors beginnt

00:00:00 "Spannung garantiert"

00:00:02 Abheben

00:00:52 Max Q (Moment der höchsten mechanischen Belastung der Rakete)

00:02:39 SuperHeavy MECO (die meisten Motoren werden abgeschaltet)

00:02:41 Hot-Staging (Starship Raptor-Zündung und Stufentrennung)

00:02:53 SuperHeavy-Boostback-Zündung-Start

00:03:47 Abschaltung des SuperHeavy-Boostback-Burns

00:06:18 SuperHeavy unterschreitet Schallgeschwindigkeit.

00:06:30 Start der SuperHeavy-Landungssequenz

00:06:48 Abschaltung der Landetriebwerke

00:08:33 MECO des Starships

01:17:21 Beginn Wiedereintritt

01:28:43 Starship ist transsonisch

01:30:00 Aufschlag nördlich von Hawaii

Vergleich der Zeiten mit den Veröffentlichungen vom ersten Teststart

Einige kleine Änderungen kann man schon in der Timeline beobachten, vergleicht man einige Zeiten mit denen des ersten Tests ITF 1 am 20. April.

Schon das frühere Erreichen von Max-Q zeigt, dass die Triebwerke mehr Schub haben. Beim ersten Start sollten es ja nach damaliger Angabe 90 Prozent sein, diesmal sind es - wenn die 90 Prozent Angabe stimmt - 95,6 Prozent. Noch größer ist die Differenz beim Starship, hier wären es 98 Prozent (ebenfalls unter der Annahme, dass beim ersten Test 90 Prozent Schubniveau herrschte).

Etwas ungewöhnlich finde ich die zeitliche Angabe bei 0:00 "Excitement guaranteed", da es schwer fällt, ein Ereignis hier zuzuordnen. Die Zündungssequenz der Raptors beginnt bei -3 Sekunden. Abheben ist aber erst bei +2 s. Ich kenne es, dass man entweder auf die Marke 0:00 den Beginn der Zündsequenz legt oder das Abheben. Aber nicht, dass diese Zeitmarke zwischen diesen Punkten liegt. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die Triebwerke über 3 Sekunden nacheinander gezündet werden, um den Stress zu reduzieren (auch die F-1 der Saturn V wurden nacheinander gezündet, da es aber nur fünf Triebwerke waren, dauerte das keine drei Sekunden), sodass bei T-0 alle Triebwerke laufen und der Start nicht mehr abgebrochen werden kann. Bis dann auch die letzten Triebwerke ihren vollen Schub erreicht haben und das Starship abhebt (Halteklammern scheint es ja keine zu geben, sonst wäre, wenn man den Start nach T-0 abbrechen könnte, auch die T-0 Zeitmarke unbedeutend) vergehen dann noch zwei Sekunden. In der Video-Anzeige zündeten die Triebwerke denn auch bei +2 Sekunden, bei T: 0:00 laufen alle und dann steigt auch schon die Geschwindigkeit an, sodass eigentlich dies der Abhebemoment ist.

Der Teststart in kurzer Zusammenfassung

Am 16. November verzögerte sich der Flug um einen Tag, weil an der ersten Stufe mit Seriennummer B9 ein Stellantrieb für das Seitenleitwerk (Grid-Fin) ausgetauscht werden musste.

Beim Start liefen diesmal alle Triebwerke der SuperHeavy und es fielen auch später keine aus. Die Rakete hob so schneller ab, das neue Flammenunterdrückungssystem funktionierte und die beim ersten Start auftretende braune Wolke aus pulverisiertem Beton gab es nicht. Die SuperHeavy flog dann plangemäß bis zur Stufentrennung, die diesmal klappte. Unmittelbar danach zündete die SuperHeavy erneut ihre Triebwerke und setzte zu einem Kippmanöver mit Geschwindigkeitsumkehr Richtung Startplatz an. Dann fielen zuerst nacheinander alle Triebwerke der SuperHeavy aus, bis sie wenige Sekunden später explodierte. Das Starship setzte dagegen seinen Flug fort, bis etwa 8 Minuten 4 Sekunden nach dem Start, nur 30 Sekunden vor dem angekündigten Brennschluss als in 148 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von rund 24.000 km/h zuerst die Treibwerksanzeige im Video erlosch und man dann 4 Sekunden später bei 8:08 eine Explosion sah.

Der Kommentator sagte, diese wäre von dem Sicherheitssystem ausgelost worden, kannte die Ursache aber nicht. Ebenso gab es keine Erklärung für die Explosion der SuperHeavy. Amateurastronomen fotografierten nach der Explosion des Starships noch den oberen Teil mit der Nutzlastverkleidung, den Flügeln und dem Methantank, der wohl durch die Explosion nicht vollständig zerstört wurde. Trümmer wurden über Puerto Rico beim Eintritt in die Atmosphäre beobachtet.

Die Landung von ersten Stufen - am Beispiel der Falcon 9

Ich will den Artikel nutzen, um etwas Wissen zu vermitteln und damit fange ich an, nämlich der kurzen Geschichte der Bergung bei SpaceX. Ich fange an mit der Seebergung.

Die Bergungsgeschichte bei SpaceX fing an mit der Falcon 1. Geplant bei der Falcon 1 war, dass durch ein Fallschirmsystem die Stufe abgebremst wird und sie durch ihre leeren Treibstofftanks dann im Ozean schwimmt. Mit Stroboskoplampen und einem GPS-Empfänger, der die Position übermittelt, sollte sie gefunden werden. Der erste Start scheiterte ja nach kurzer Zeit, sodass es gar nicht zur Bergung kam. Beim zweiten Start wurde eine Bergung versucht, doch der GPS-Empfänger war schon vor dem Start defekt. Es wurde ohne ihn gestartet, doch das Bergungsschiff konnte im Zielgebiet keine Stufe finden. Beim dritten Start kollidierte nach der Stufentrennung die erste mit der zweiten Stufe, dabei wurde das Fallschirmsystem beschädigt und so scheiterte auch dieses Mal die Bergung. Bei den beiden folgenden Flügen wurde nicht verlautbart, ob man überhaupt eine Bergung versuchte, in jedem Falle wurde keine Stufe geborgen.

Bei der Falcon 9 setzte man anfangs auf dasselbe System, also Fallschirme. Beim ersten Testflug wurde offensichtlich, dass dies nicht funktionierte. Es zerlegte die Stufe schon bevor die Fallschirme überhaupt ausgelöst wurden. Es kam im Meer nur eine Trümmerwolke an. Beim zweiten Start war eine Bergung vorgesehen, doch das Wetter war zu stürmisch, sodass das Bergungsschiff im Hafen blieb. Danach wurde nichts mehr über Versuche der Bergung publiziert, bis zum neunten Start mit CRS-3.

Inzwischen war die nächste Version der Falcon 9 im Einsatz, mit den Merlin 1D Triebwerken und verlängerten Stufen. Sie war nun auf eine Bergung ausgelegt. Das betraf zwei Änderungen: Zum einen musste die Stufen strukturell verstärkt werden. Die Stufen, die den Belastungen beim Start standhielten, hielten nicht die wesentlich höheren Belastungen bei der Landung aus. Das alleine reichte aber nicht. Die Stufe bremst, bevor sie die Stratosphäre erreicht ab. Das dauert rund 20 bis 30 Sekunden bei einer Seebergung. Dabei verbrennt die Stufe so viel Treibstoff, wie sie selbst wiegt. Zuletzt geht die Stufe nun nicht mehr im Wasser nieder , sondern landet auf einem ferngesteuerten Schiff mit einer ebenen Landeplattform einem "Drone-Schiff". Dazu ist kurz vor der Landung nochmals eine kurze Brennphase vorgesehen, diesmal aber nur mit einem (vorher waren es drei) Triebwerken. Sie vernichten die Fallgeschwindigkeit, die bei etwa 800 km/h liegt. Auch diese Phase dauert rund 20 Sekunden.

Nach etlichen Versuchen klappt diese Bergung seit mehreren Jahren zuverlässig. Bei der SuperHeavy wird dieselbe Vorgehensweise eingesetzt, aber angepasst. Sie ähnelt der Landlandung der Falcon 9, mit dem Flug zurück zum Startplatz. Spätestens jetzt ist es an der Zeit, das genaue Vorgehen zu untersuchen. Bei einer Falcon 9 und einer Seebergung geht dies so: Nach der Stufentrennung folgt die Stufe einer Wurfparabel. Bei einem willkürlich herausgesuchten Start (die genauen Daten hängen von dem Aufstiegsprofil ab, erfolgte nach 154 Sekunden die Trennung bei einer Geschwindigkeit von 8.100 km/h in 72 km Höhe. Die Stufe steigt noch auf bis zu 123 km Höhe und verlangsamt sich durch die Gravitation auf 7.200 km/h. Da dies die Geschwindigkeit relativ zu einer Bodenstation ist und die Rakete auch eine horizontale Geschwindigkeit hat, sinkt sie nie auf Null. In 61 km Höhe bei 8.200 km/h findet dann die Abbremsung statt. Dies ist nach 6 Minuten, 26 Sekunden der Fall. Die Abbremsung stoppt 20 Sekunden in 42 km Höhe bei 5.900 km/h. Die Stufe wurde also um 2.300 km/h verlangsamt. Die Geschwindigkeit steigt dann nur noch langsam auf 6.000 km/h, dann wird die Stufe durch die immer dichter werdende Luft abgebremst. Kurz vor der Landung ist sie noch 800 km/h schnell, das ist in etwa die maximale Geschwindigkeit, die ein nicht besonders aerodynamischer Körper beim Fall in der Troposphäre erreicht. Diese Restgeschwindigkeit wird dann bei dem zweiten, 22 Sekunden langen Landungsburn vernichtet. Nach 8 Minuten, 32 Sekunden landet sie auf dem Dronenschiff.

Bei einem Rückkehren zum Startplatz Return to Lauch Site: (RTLS) sieht es dagegen so aus: Die Stufentrennung findet nach 144 Sekunden, erneut in 72 km Höhe statt, aber bei 6000 km/h, also über 2000 km/h langsamer. (Bei gleicher Höhe kann man davon ausgehen, dass die horizontale Geschwindigkeit um diese 2000 km/h höher ist). Direkt danach dreht sich die Erststufe und zündet erneut ihre Triebwerke, nun aber gegen die Flugrichtung. Dieses Brennen dauert bis 3 Minuten 26 Sekunden, also über 60 Sekunden und verlangsamt die Stufe auf 1.900 km/h während sie auf 122 km Höhe steigt. Die Gravitation bremst sie nun auf 1.290 km/h ab, die in 129 km Höhe erreicht werden. Diese Zündung hat die horizontale Geschwindigkeit umgedreht, also im Falle eines Starts von der Ostküste aus von einer ostwärts in eine westwärts gerichtete Bewegung umgewandelt. Auch hier ist eine weitere Abbremsung in 60 km Höhe bei 4.500 km/h nötig und zum Schluss die Vernichtung der letzten Geschwindigkeit.

Die Nutzlasteinbuße ist aber schon bei der ersten Ziffer erkennbar: In einem Falle war die Stufe 8.100 km/h schnell, im anderen Fall 6.000 km/h, das sind rund 600 m/s Unterschied (wobei für einen korrekten Vergleich beide Nutzlasten gleich schwer sein müssten). Aussagefähig ist auch, dass der Brennschluss der ersten Stufe 10 Sekunden früher stattfindet. In 10 Sekunden verbrennt eine Falcon 9 über 27 t Treibstoff. Das ist mehr als die Stufe selbst wiegt. Ohne eine Wiederverwendung würden die Triebwerke 162 Sekunden lang brennen gegenüber 154 s bei Seebergung und 144 Sekunden bei Landbergung.

Dieses RTLS-Manöver muss so früh wie möglich erfolgen. Das wird auch ohne Rechnung einfach durch Nachdenken klar. Die Rakete hat zwei Geschwindigkeitskomponenten: eine horizontale und eine vertikale Komponente. An der vertikalen Komponente wird nicht gerührt. Sie führt dazu, dass die Spitzenhöhe gleich hoch ist. Die Flugdauer in der Wurfparabel ist leicht berechenbar. In dieser Zeit muss sie wieder am Startplatz ankommen. Sie befindet sich aber zu dem Zeitpunkt östlich davon und entfernt sich nach Osten. Je früher sie also umdreht, desto geringer ist der Geschwindigkeitsaufwand.

Was ging schief bei der SuperHeavy nach der Abtrennung?

Die SuperHeavy fliegt nun genau dieses RTLS-Profil, etwas abgeändert. Daraus ergeben sich auch die gleichen Einschränkungen, so ist die Abtrenngeschwindigkeit niedrig - beim ITF-2 Flug waren es 5.600 km/h, was zu den 6.000 km/h bei einer RTLS der Falcon 9 passt und rund 2.400 km/h niedriger ist als bei der Falcon 9 bei einer Seelandung. Das hat auch einen großen Anteil an dem großen Unterschied der Nutzlast des Gespanns, wenn es wiederverwendet wird (100-150 t) und nicht wiederverwendet wird (250 t). Doch das kennt man auch schon von der Falcon 9 (6,5 t in GTO ohne Wiederverwendung, 5,5 t mit Seelandung und 3,5 t mit Landlandung).

Die folgende Tabelle habe ich nach dem offiziellen Startvideo angefertigt, dabei stütze ich mich nur auf die unteren Balken. Alle Zeitangaben sind auf etwa 1 Sekunde genau.

So, nun die Schlüsse, alles Spekulation, aber fundiert. Das die "heiße" Stufentrennung an der Explosion schuld ist schließe ich aus. Bei der heißen Stufentrennung treffen die Flammen der Triebwerke des Starships auf die untere Stufe. Ist diese nicht hinreichend geschützt, so kann der obere Tank explodieren. Doch zum einen fand die Explosion erst 40 Sekunden nach Stufentrennung statt, zum anderen gingen vorher die Triebwerke nacheinander aus, was nicht zu dieser Ursache passt.

Das Ziel ist relativ klar. Die SuperHeavy hat wie die Falcon 9 Erststufe bei einer Landlandung die Geschwindigkeit umzudrehen, nochmal zur Erinnerung - die angezeigte Geschwindigkeit ist die relativ zu einer Radarstation, sie setzt sich aus einer horizontalen und vertikalen Komponente zusammen und die vertikale wird durch die Drehung nicht beeinflusst. Das hat sie zum Teil erreicht, nimmt man aber die Daten einer Falcon 9 Stufe dann müsste sie auf eine Geschwindigkeit von unter 1.600 km/h kommen. Sie stoppt aber bei über 3.800 km/h.

Der offensichtlichste Grund ist, dass die Triebwerke nacheinander ausfielen. Schon beim Start der Drehung war eines aus. 13 Triebwerke sollten es sein, nur 12 gingen an. Sobald die Rakete gedreht wurde, gehen drei Triebwerke aus, die restlichen folgen 15 Sekunden später in kurzem Abstand. Dies ist mit Sicherheit nicht geplant. Damit dieses Brennmanöver möglichst wenig Treibstoff verbraucht, muss es möglichst kurz sein, also so viele Triebwerke wie möglich sollten einsetzt werden (dass es nicht alle 33 sind, liegt daran, dass die äußeren Triebwerke nicht schwenkbar sind, sie müssen dies aber sein, um die Rakete zu drehen).

Weiterhin auffällig ist, dass es ein Muster gibt. Es fallen zuerst die oberen Triebwerke aus. Schaut man sich die Lage der SuperHeavy sowohl in der Grafikeinblendung wie im Video selbst an, so fällt auf, dass sie nahezu am Schluss horizontal liegt, im Video sogar nach unten zeigt, aber das kann ein perspektivischer Fehler sein. Zu dem Zeitpunkt sind die Tanks zu 90+ Prozent leer. Dass einige Triebwerke während der ganzen Betriebsdauer nie aus gingen (mindestens drei im Zentrum waren nach MECO immer aktiv) hängt damit zusammen, denn ohne Schub herrscht Schwerelosigkeit und der Resttreibstoff formt sich zu einer Kugel und gelangt so nicht zu den Öffnungen am unteren Ende, wo die Leitungen für die Triebwerke liegen.

Bei genügend Schub wird der Resttreibstoff am Boden gesammelt und zwar, wenn die Beschleunigung hoch genug ist, auch wenn die Rakete horizontal fliegt. Das Ausgehen der Triebwerke von oben nach unten deutet nun darauf hin, dass sie keinen Treibstoff mehr bekommen, entweder weil der Schub zu gering ist - das würde ich bei 12 Triebwerken die über 25.000 kN Schub haben und einer weitgehend leeren Stufe ausschließen - oder meine Vermutung - der Treibstoff ausgeht. Dann bildet er schräg liegende Schicht, wie ein gekipptes Glas. So ist der Boden nicht vollständig bedeckt und dort sitzen eben die Triebwerke. Dafür reichen weitaus geringere Kräfte als eine Schieflage. Beim zweiten Ariane 5 Start L502 geriet die Zentralstufe EPC zunehmend in eine Rollbewegung, weil das dafür zuständige Korrektursystem zu schubschwache Triebwerke hatte. Als Folge entfernte sich der Treibstoff durch die Zentrifugalkraft vom tiefsten Punkt des Tanks, wo die Leitung zum Triebwerk liegt und das Vulcain hatte Brennschluss - der Satellitendemonstrator wurde auf eine zu niedrigen Bahn ausgesetzt.

Mich wunderte schon die lange Brennzeit von 159 s für die erste Stufe. Beim offiziellen Schub des Raptors 2 (230 t) und veröffentlichten spezifischen Impuls (3207 m/s Sealevel, 3.420 m/s Vakuum) werden in den offiziell 159 Sekunden über 3.690 t Treibstoff verbraucht. Ist dies der Vakuumschub, so ist die Menge etwas geringer, liegt aber immer noch bei 3.443 t. Da die Tanks nach bisheriger Verlautbarung nur 3400 t Treibstoff aufnehmen, ist das schon merkwürdig. Zudem gibt es ja noch 11 Prozent Resttreibstoff für die Drehung, Es kann aber sein, dass die Triebwerke am Schluss gedrosselt wurden, was den Treibstoffverbrauch senkt. Ein guter Kommentator würde dies mitteilen, aber das ist bei SpaceX leider nicht der Fall. Zudem gibt es einen Antrag bei der FAA der von 3.700 t Zuladung für die SuperHeavy spricht, ob diese verlängerte Version schon im Einsatz ist, ist offen. Die für den Autor wahrscheinlichste Möglichkeit ist, dass die Triebwerke nicht denn Nennschub erreichen.

In jedem Falle müsste SpaceX genügend Treibstoff in den Tanks lassen, um die Stufe zurückzubringen. Das wären, wenn man die Falcon 9 als Vergleich nimmt, bei einer Masse von bekannten 200 t etwa 450 bis 500 t, die Landung mit eingeschlossen. Also entweder ging der Treibstoff aus, oder bei dieser extremen Schräglage gelangte er zuerst nicht an die oberen Triebwerke, diese gingen aus, die Beschleunigung sank und so bekamen auch die darunter liegenden Triebwerke keinen Treibstoff und gingen aus - eine Kettenreaktion. Als Folge initiierte dann wohl das Selbstzerstörungssystem die Sprengung. Die Treibstofffrage klärt noch der folgende Teil des Artikels.

Die räumliche Lage der Stufe ist mir ein Rätsel. Leider gibt es ja diesmal - anders als beim ersten Testflug - keine Kamera in der Superheavy. So hätte man ihre räumliche Lage relativ zur Erde sehen können. Bei der Falcon 9 dreht sich zwar die Stufe, aber sie behält ihre räumliche Orientierung relativ zur Erde, das Ende mit den Triebwerken schaut also immer zur Erde. Nach der Abbildung und dem Video war dies bei der SuperHeavy nicht so. Das kann Zufall sein, doch da ich dies mit ursächlich für den Vorfall halte, denke ich, ist es dies nicht. Die Stufe wurde meiner Ansicht nach bei der Abtrennung "Flip-Manöver" zu stark gedreht, in dieser Position riss der Treibstofffluss ab und die Triebwerke gingen aus.

Eine andere Erklärung könnte sein, dass die Triebwerke auch so Probleme hatten. Schon beim Start sollten es 13 sein, es gingen aber nur 12 an. Ausgefallene Triebwerke kamen ja schon beim ersten Testflug und bei den Probezündungen vor. Ebenso wurde auch das Starship gesprengt, nachdem alle Triebwerke abgeschaltet wurden. Ich halte einen Ausfall wegen Triebwerksproblemen aber bei allen 12 Triebwerken für nicht wahrscheinlich.

Treibstoffprognose

Man kann den Resttreibstoff erahnen, wenn man die beiden Balken unten auswertet. Wie schon beim Fehlen einer Grafik, an der man erkennen kann, ob die Rakete auf Kurs ist, ist der Balken als Indikator suboptimal.

Ich habe das mal zu drei Zeitpunkten mithilfe des Bildschirmlineals der Powertoys gemacht und zwar nur für den Treibstoff im Unterschuss (immer LOX):

Nachdem ich mal bei einem Falcon 9 Start nachschaute, ob die Geschwindigkeitsangabe bei SpaceX mit oder ohne Erdumdrehung ist und sich herausstellte, dass sie ohne Erdumdrehung ist, fehlen dem Starship als die Triebwerke abgeschaltet wurden noch 1.083 m/s für einen Orbit. Es gehen 1.200 t Treibstoff in die Tanks des Starships, davon sind noch 5,4 Prozent und 7 Prozent übrig, also zusammen 69 t.

Ebenso hat die SuperHeavy 3,8 Prozent des Treibstoff zwischen MECO und Abschalten der Triebwerke verbraucht, um die Geschwindigkeit von 5.662 auf 3.818 km/h zu reduzieren. Nimmt man an, dass sie 1.600 km/h erreichen muss, so müsste der Resttreibstoff weiter auf 2,7 Prozent sinken - reichlich wenig, denn da steht noch ein Abbremsungs- und Landeburn an.

Die 11 Prozent Resttreibstoff bei MECO erlauben es den Schub der Raptors zu berechnen (Brennzeit: 159 s, Vakuumimpuls: 3.420 m/s). Ich komme auf 65.087 kN Schub im Mittel, 1972,3 kN pro Raptor oder 87,4 Prozent des Nenn-Vakuum-Schubs.

Für die Differenz von 7 Prozent Methan und 5,4 Prozent LOX bei dem Starship vor der Explosion und diese gab zwei Monate später Elon Musk eine Erklärung ab:

"Flight 2 actually almost made it to orbit," he said. "If it had a payload, it would have made it to orbit because the reason that it actually didn't quite make it to orbit was we vented the liquid oxygen, and the liquid oxygen ultimately led to a fire and an explosion."

Man hat also aus dem direkt über den Triebwerken liegenden Sauerstofftank flüssigen Sauerstoff, das stärkste denkbare Oxidationsmittel abgelassen und natürlich verursacht dies ein Feuer wenn er in die Flammen der noch laufenden Triebwerke gelangt und schließlich explodiert der Sauerstofftank, was erklärt das Amataurastronomen noch den oberen teil intakt beobachten konnten. Anders als vom Kommentator behauptet war also das Selbstzerstörungssystem nicht aktiv. Das ist schon nicht mehr als fahrlässig zu bezeichnen.

Raptor 1 oder 2?

Der Treibstoffverbrauch leitet mich zu einer anderen Frage über, welches Raptor ist verbaut? Das Raptor 1 hat einen Brennkammerdruck von 250 Bar, das Raptor 2 einen von 300 Bar. Entsprechend verändert sich der Schub und der Treibstoffverbrauch. Das Raptor 1 hat einen Schub von 1.700 kN / 1.814 kN (Sealevel/Vakuum) für die SuperHeavy und von 1.900 kN beim Starship, beim Raptor 2 liegt der Schub im Vakuum bei 2.251 kN. Beide Angaben gelten für die Triebwerke mit kurzen Düsen.

Nimmt man die Anzeige im Video als eine Prozentanzeige so kann man folgendes ableiten:

• In 159 Sekunden wurden 89 Prozent des Treibstoffs der SuperHeavy verbraucht

• In 325 Sekunden wurden 93 Prozent des Treibstoffs des Starships verbraucht.

Nimmt man die offiziellen Angaben für den spezifischen Impuls (beim Starship gemittelt über die Triebwerke mit kurzen und langen Düsen), so ergibt folgender Verbrauch in diesem Intervall:

• Superheavy: 2.740 t bei Raptor 1, 3,566 t bei Raptor 2

• Starship: 1,056 t bei Raptor 1, 1.205 t bei Raptor 2

Klar ist das der Treibstoffverbrauch bei Raptor 2 höher ist als die Größe der Tanks (1.200 t beim Starship 3.400 t bei der Superheavy) und in beiden Fällen war ja noch Treibstoff in den Tanks. Damit muss dieser Start nicht mit dem vollen Schub von Raptor 2 erfolgt sein.

Mit den Resttreibstoffmengen komme ich auf folgenden Schub:

• Superheavy: 87 Prozent des Nennschubs (2.251 kN) = ~ 1.972 kN

• Starship: 95,3 Prozent des Nennschubs (2.251 kN / 2.336 kN) = ~2.159 kN

Die beiden Angaben liegen innerhalb der Fehlergrenzen (ungenaue Angaben über die Triebwerke und nur sekundengenaue Bestimmung der Betriebszeit, Ablesung von analogen Angaben vom Bildschirm) nahe beieinander und sprechen für ein Raptor 2 mit etwa 275 Bar Brennkammerdruck. Das das Starship hier etwas höher liegt liegt daran, das Schub und spezifishcer Impuls bei der Superheavy anfangs dem auf Meereshöhe entsprechen und dann erst mit der Höhe ansteigen.

Es gibt natürlich noch Einflüsse auf das Ergebnis. So können die Triebwerke gedrosselt werden. Das würde ich bei der SuperHeavy ausschließen, denn mit 11 Prozent Resttreibstoff wiegt es bei MECO maximal 484 t, dazu kommen 1.420 t beim Starship. Selbst beim höheren Schub des Raptor 2 liegt die Beschleunigung bei maximal 38,6 m/s, deutlich unter der Grenze von 5 bis 6 g bei der Falcon 9 eine Schubreduktion erfolgt. Beim Starship sind es bei Abschaltung der Triebwerke (ohne Nutzlast) maximal 67 m/s. Was ich ausschließen kann, ist das der spezifische Impuls den hohen Wert hat den SpaceX reklamiert, denn dieser würde zu einem weiteren Minderverbrauch führen (für den Vakuumimpuls der Raptor 2 nehme ich z.B. 3.420 m/s an, den Wert den Tools wie RPA oder CEA2 für dieses Triebwerk errechnen und SpaceX gibt ihn mit 3.570 m/s an). Die genauen Werte finden sie auf meiner technischen Seite über das Gespann.

Nutzlast

Auf Basis von Elon Musks Aussage kann man annehmen, dass ohne Ablassen die Restsauerstoffmenge rund 7 Prozent wie beim Methan beträgt bevor das Starship explodierte. Das Starship war diesmal leer und so ist abschätzbar welche theoretische Nutzlast es befördern könnte, wenn es die fehlenden 1.083 m/s für einen Orbit aufgebracht hätte. Dann wären noch 38 t Treibstoff übrig. In dieser Größenordnung müsste die Nutzlast bei diesem Teststart liegen. Zu beachten ist, dass das Starship diesmal wahrscheinlich nur eine suborbitale Bahn durchlief, die sehr niedrig lag (bei Ausfall erst in 148 km Höhe also keiner stabilen Bahnhöhe). Für einen höheren Orbit, wie er für Satellitentransporte nötig wäre, wäre mehr Energie notwendig.

Die 38 t Treibstoff würden für eine Brennphase von 21,3 Sekunden reichen. Nach Flugplan hätte das Starship, aber erst in 25 Sekunden Brennschluss. Das spricht für einen erhöhten Treibstoffverbrauch, welcher den spezifischen Impuls weiter absinken lässt.

Modellierung des Teststarts

Die reale Nutzlast ist nur durch eine Modellierung zu klären. Die Modellierung des Teststarts von mir ist so angelegt, dass die Restmasse der Superheavy mit den Anzeige im Video bei Stufentrennung übereinstimmt. Beim Starship nahm ich wie oben erläutert einen Schub zwischen dem Raptor 1 und 2 entsprechend 275 Bar Brennkammerdruck an. Gegencheck: Nach dieser Modellierung ergeben sich folgende Eckdaten:

Ich habe auch verschiedene andere Simulationen durchgespielt, in allen ist die Abtrenngeschwindigkeit der Superheavy höher als im Video, das spricht für eine deutlich niedrigere Performance der Triebwerke.

Rakete: Super Heavy / Starship ITF2

Simulationsvorgaben

Wichtige Aufstiegspunkte

Modellierung Starship das einen Orbit erreicht

Eine zweite Modellierung umfasst nun die eines Vehikels das tatsächlich einen Orbit erreicht. Bei dieser Modellierung gibt es einiges zu beachten. Alle Massen und Abmessungen sind die von SpaceX publizierten. Die spezifischen Impulse aber die von Tools berechneten, da die von Elon Musk veröffentlichten Werte zum Teil physikalisch nicht erreichbar sind. Offen ist natürlich, ob diese Veröffentlichung von Wunsch- oder Zielwerten auch auf die Massen zutrifft, doch anders als bei den spezifischen Impulsen ist dies nicht direkt wiederlegbar.

Die angegebene Nutzlast ist die für eine energetisch optimale Bahn, wobei ich die Trennhöhe wie beim ITF-2 ansetzte. Diese energetisch optimale Bahn ist aber selbst bei einer normalen Rakete nicht immer möglich, zum Beispiel um Max-Q möglichst hoch zu legen könnte eine Rakete steiler starten als es optimal wäre. Bei der Wiederverwendung ist die energetisch optimale Bahn nicht automatisch die beste, denn dann ist auch die Trenngeschwindigkeit am höchsten, damit das Starship möglichst wenig Energie aufbringen muss. So ist die Trenngeschwindigkeit bei der optimalen Bahn 200 m/s höher als beim Teststart - alleine diese 200 m/s Mehraufwand kosten 16 t Nutzlast.

Mit den von SpaceX angegebenen spezifischen Impulsen kommt das Starship tatsächlich auf 150 t Nutzlast, 20 t für den Landetreibstoff abgezogen, realistisch auf 130 t. Doch diese spezifischen Impulse sind nach Berechnungen des DLR und mir mit den von SpaceX angegebenen Eckdaten nicht erreichbar. Die untere Modellierung für einen Orbit mit denn Brennzeiten von ITF 2 erfolgte daher mit den mit Tools errechneten spezifischen Impulsen. Der Schub wurde berechnet, er ergibt sich dann aus Treibstoffzuladung, Brennzeit und spezifischen Impuls. Dieses Starship hat eine Nutzlast von 130 t in einen Orbit, wiederum ohne den Treibstoff für die Landung und das Verlassen des Orbits berechnet, der nach den Testflügen auf etwa 20 t abgeschätzt werden kann. Netto also 110 t.

Die Performance kann noch etwas steigern, wenn die 300 Bar Brennkammerdruck erreicht werden, aber nicht viel. So ist verständlich, dass SpaceX inzwischen auch an einem Starship V3 arbeitet, das 19 m länger als die derzeitige Version ist und noch schubkräftigere Raptor 3 einsetzen soll.

Rakete: Super Heavy / Starship ITF2 Orbit

Simulationsvorgaben

Wichtige Aufstiegspunkte

Fazit

Wie beim ersten Teststart bleiben viele Fragen offen. Was passierte mit der SuperHeavy nach MECO? Warum verabschiedete sich SpaceX von der Stufentrennungsmethode nach dem ersten Teststart (angeblich soll man nach Elon Musk gar keine Stufentrennung probiert haben. Das ist aus zwei Gründen falsch: zum einen dreht sich die SuperHeavy zur Stufentrennung (nach dem damals veröffentlichten Prinzip) und genau diese Drehung wurde auch eingeleitet, stoppte aber nicht mehr. Zum zweiten wird die Stufentrennung bei jeder Rakete vom Bordcomputer gesteuert, da wird nicht auf ein Funksignal der Missionskontrolle gewartet, dieses Manöver ist kritisch und von internen Messungen abhängig. Selbst bei den ersten mehrstufigen Raketen (in den Fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts) erfolgte dies automatisch).

Die wichtigste Frage ist aber: Wie kommt man bei SpaceX auf die Idee, während des Flugs Treibstoff abzulassen, vor allem wenn das Starship leer ist und so problemlos einen Orbit erreichen sollte. Warum lässt man den Treibstoff nicht im Orbit ab? Das brachte diesem Start einen Eintrag in meine Rubrik "Schlamperei in der Raumfahrt".

© der Bilder: SpaceX,NasaSpaceflight. Artikel verfasst am 24.1.2025, Artikel zuletzt geändert am 24.1.2024.

Bücher des Autors über Trägerraketen

Wie man an dem Umfang der Website sieht, sind Trägerraketen eines meiner Hauptinteressen. Es gibt inzwischen eine Reihe von Büchern von mir, auch weil ich in den letzten Jahren aufgrund neuer Träger oder weiterer Informationen über alte Projekte die Bücher neu aufgelegt habe. Sie finden eine Gesamtübersicht aller Bücher von mir bei Amazon und hier beim Verlag.

Ich beschränke mich in diesem Abschnitt auf die aktuellen Werke. Für die in Europa entwickelten Trägerraketen gibt es von mir zwei Werke:

Europäische Trägerraketen 1 behandelt die Vergangenheit (also bei Drucklegung): Das sind die nationalen Raketen Diamant, OTRAG und Black Arrow und die europäischen Träger Ariane 1 bis 4 und Europarakete.

Europäische Trägerraketen 2 behandelt die zur Drucklegung 2015 aktuellen Träger: Ariane 5, Vega und die damaligen Pläne für Vega C und Ariane 6.

Wer sich nur für einen der in den beiden besprochenen Träger interessiert, findet auch jeweils eine Monografie, die inhaltlich identisch mit dem Kapitel in den Sammelbänden ist, nur eben als Auskopplung.

Weiter gehend, alle Raketen die es weltweit gibt, behandelnd, gehen zwei Bände:

US-Trägerraketen

und

Internationale Trägerraketen (im Sinne von allen anderen Raketen weltweit)

Auch hier habe ich 2023 begonnen, die Bände aufzusplitten, einfach weil der Umfang für eine Aktualisierung sonst weder handelbar wäre bzw. an die Seitengrenze stößt, die der Verlag setzt. Ich habe auch bei den Einzelbänden nochmals recherchiert und den Umfang erweitert. Bisher sind erschienen:

US Trägerraketen 1 mit den frühen, kleinen Trägern (Vanguard, Juno, Scout)

US Trägerraketen 2 mit der Titan-Familie

2023 wird noch die erste Auskopplung aus den internationalen Raketen über russische Träger erscheinen. Nach und nach werden alle Raketen dann in einzelnen Monografien geordnet nach Trägerfamilien oder Nationen dann aktualisiert auf den aktuellen Stand, so besprochen.

Für die Saturns gibt es noch einen Sonderband, den ersten in der Reihe über das Apolloprogramm.

Alle bisherigen Bücher sind gerichtet an Leute, die wie ich sich nicht mit oberflächlichen Informationen oder Zusammenfassung der Wikipedia zufriedengeben. Wenn sie sich nicht für Technik interessieren, sondern nette Anekdoten hören wollen, dann sind die bisherigen Bücher nichts für Sie. Für dieses Publikum gibt es das Buch „Fotosafari durch den Raketenwald“ bei dem jeder Träger genau eine Doppelseite mit einem Foto und einer Beschreibung hat. (Also etwa ein Zehntel der Seitenzahl auf den ich ihn bei den beiden obigen Bänden abhandelte). Das Buch ist anders als die anderen Bände in Farbe. Ab und an macht BOD als Print on Demand Dienstleister Mist und verschickt es nur in Schwarz-Weiß, bitte reklamieren sie dann, ich als Autor kann dies nicht beeinflussen.

Als Autor würde ich mich freuen, wenn sie direkt beim Verlag bestellen, da ich da eine etwas größere Marge erhalte. Dank Buchpreisbindung und kostenlosem Versand ist das genauso teuer wie bei Amazon, Libri und iTunes oder im Buchhandel. Über eine ehrliche Kritik würde ich mich freuen.

Alle Bücher sind auch als E-Book erschienen, üblicherweise zu ²/₃ des Preises der Printausgabe – ich würde sie gerne billiger anbieten, doch da der Gesetzgeber E-Books mit 19 Prozent Mehrwertsteuer besteuert, Bücher aber mit nur 7 Prozent, geht das leider nicht. Ein Vorteil der E-Books - neben dem einfacher recherchierbaren Text ist, das alle Abbildungen, die im Originalmanuskript in Farbe, sind auch in Farbe sind, während ich sonst - um Druckkosten zu sparen - meist auf Farbe verzichte. Sie brauchen einen pdf-fähigen Reader um die Bücher zu lesen. Sofern der Verlag nicht weiter für bestimmte Geräte (Kindle) konvertiert ist das Standardformat der E-Books ein DRM-geschütztes PDF.

Mehr über meine Bücher finden sie auf der Website Raumfahrtbuecher.de und eine Liste aller Veröffentlichungen findet sich auch bei meinem Wikipediaeintrag.

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