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Web Log Teil 72 : 8.8.2008-

Freitag 8.8.2008: Mathematik und Deutschlehrer

Kürzlich stieß ich beim Zappen über eine Podiumsdiskussion zum Jahr der Mathematik. Weil sie Ranga Yogeshwar moderierte blieb ich hängen. Es ging auch darum Mathematik in den Schulen attraktiver zu machen und vor allem den schlechten Ruf, denn sie in der Öffentlichkeit hat. Gerne wird dann verwiesen, das es Politiker gibt die offen sagen, sie hätten Mathematik niemals gebraucht (so verwundert es einen nicht, das unser Staat über 1200 Milliarden Euro Schulden hat).

Einer der Beteiligten sagte: "Mathematik hat in der Schule den Nachteil der Korrektheit, bei allen anderen Fächern kann man sich irgendwie herausreden, wenn man die Antwort nicht weiß, bei Mathe fällt das sofort auf. Andererseits ist das auch eine Chance. Bei Mathe hat der Schüler eine Chance seinen Rechenweg zu überprüfen und festzustellen ob er richtig liegt. Bei Deutsch ist ihm der Lehrer durch hunderte von Aufsätzen und Diskussionen die er schon gelesen hat haus hoch überlegen".

Dazu mal ein paar Anmerkungen: Nicht nur Mathematik ist eine korrekte Wissenschaft. Das gilt eigentlich für alle Naturwissenschaften. Wenn jemand formuliert:

NaOH + HCl HOCl + NaH

dann ist das so ziemlich falsch.... Eher findet man auf dem Mars Leben als dass diese Reaktion so abläuft.  ("Eher" weil natürlich in der Chemie der Ablauf einer Reaktion von den Bedingungen abläuft. Bei geeigneten Druck/Temperaturbedingungen, Katalysatoren und Entfernung von Produkten aus dem Gleichgewicht kann man eventuell auch diese Reaktion so umsetzen, aber sicherlich nicht bei "normalen" Temperaturen und Drücken). Aber es trifft doch einen Kernpunkt, der Naturwissenschaften von Geisteswissenschaften trennt.

Das zweite ist die Nachprüfbarkeit: Sie geht bei relativ einfachen Rechenaufgaben wie "Für unser Vesper haben wir 10 Weißwürste und 5 Brezeln gekauft und 10.75 Euro bezahlt. Gestern waren es 8 Weißwürste und 6 Brezeln für die wir 9.70 Euro bezahlt haben. Was kostet eine Weißwurst und eine Brezel?". Bei der Aufgabe "Integriere y = ln (x-sin 3 x) " dürfte es etwas schwieriger sein mit dem Nachprüfen, oder zumindest braucht man dazu genauso viele Kenntnisse von Integral und Differentialrechnung wie für die Lösung.

Ich war in der Schule in Mathe gut, in Deutsch nicht viel schlechter, und meist auch zwischen 2 und 3. Aber obwohl beide Fächer nicht zu meinen Lieblingsfächern zählten, war mir Mathe immer lieber. Warum? Im Nachhinein, nach einem naturwissenschaftlichen und einem technischen Studium weiß ich es: Es ist die fehlende Exaktheit von Deutsch.

Anders gesagt: Naturgesetze sind konstant: Unsere Erkenntnisse werden verbessert, verfeinert. Heute weiß man sicher mehr über Vererbung und biochemische Reaktionen als ich es in meinem Studium gelernt habe, doch ich wette, das der Zitronensäure Zyklus zur oxydativen Dephosphorylierung immer noch gilt.

Deutsch ist eine Vereinbarung: So schreiben wir Wörter, da setzen wir ein Komma. Und wenn die Politiker lustig sind, dann ändern sie dass, und wenn sie nicht zufrieden sind eben noch mal. Für mich ist Sprache und Schrift nur ein Werkzeug um mich auszudrücken. Die Form, und wie man nun ein Wort schreibt, ob Delfin mit f oder Delphin mit ph - ist absolut zweitrangig. Gerade weil ich englisch kann, finde ich die deutsche Sprache unnötig kompliziert. Vor allem was Gross/Kleinschreibung und Zusammen/Getrenntschreibung betrifft. Es mag noch schwierigere Sprachen geben - ich empfand französisch so, weil man vom klang des Worts kaum auf die Schreibweise rückschließen kann.

Aber die Rechtschreibung und Grammatik ist ja nur ein Teil von Deutsch. Zumindest kann man hier nachschlagen, obwohl es noch genügend Zweifelsfälle gibt, bei denen sogar die Duden Redaktion überfordert ist. Viel schlimmer empfand ich in der Oberstufe die Diskussionen von klassischen Werken, ob es Goethes Faust, Kabale und Liebe von Schiller oder Homo Faber von Max Fritsch.

Ich hatte immer ein Problem in einem Text mehr darin zu sehen, als darin geschrieben steht. Dementsprechend bin ich auch mit meinem Deutschlehrer aneinander gekommen, weil man den Text interpretieren musste. Irgendwo war immer ein Gleichnis, ein angeblicher tiefer Sinn oder sonst was versteckt. Meine Meinung war, das ich davon nichts in dem Text finden konnte und das alles wohl der Deutschlehrer wie Generationen vor ihm gelernt haben. Wenn der Autor das so wollte, warum hat er es nicht klar geschrieben oder gibt es von Goethe einen Zusatzband, wie man den Faust zu interpretieren hat?  Das ist ein wesentlicher Unterschied zu der Naturwissenschaft und da hat der Diskussionsteilnehmer recht: Wenn jemand sagt "Zwei mal drei ist vier und drei, videvid ist neune" dann ist das falsch -auch wenn es bei Pippi Langstrumpf lustig klingt. Jeder kann es nachprüfen. Bei Deutschlehrern ist man eigentlich auf Gedeih und Verderb abhängig ob man "richtig" interpretiert hat, oder zumindest Er die eigene Meinung akzeptieren kann. Das ist so wachsweich wie die Rechtschreibung, die sich ja auch alle paar Jahre ändert. Ich hatte recht viel Glück mit meinen Deutschlehrern, doch ich kenne auch welche die das nicht hatten.

Deutschlehrer sind unbeliebt. Warum? Weil sie die Angewohnheit haben andere zu korrigieren, meistens in der Form "Wer das nicht weiß muss dumm sein". Anders als andere Fachleute, können sie das, weil ja jeder Sprache benutzt, fast immer und überall. Wenn ich als Chemiker dasselbe tun will, so wäre es viel schwieriger. Zum einen speilt Chemie in dem Alltag keine große Rolle, zum anderen kann man niemanden als dumm hinstellen, nur weil er nicht weiß das Halon kein Halogen ist. Andere Anwesende haben nämlich genauso wenig Ahnung von Chemie. Weiterhin gilt fehlendes Wissen in Chemie (oder Mathematik) nicht als Makel. Anders ist es bei Deutsch, obwohl es mindestens so kompliziert ist wie Chemie. Mehr noch: Nehmen sie sich ein Wörterbuch: Den Inhalt müssen sie auswendig lernen. Eine chemische Formelsammlung ist da viel kleiner. Nicht umsonst ist Deutsch das einzige Fach das man von der 1.ten bis zur 13.ten Klasse hat. Chemie oder Physik müssen sich mit 3 Jahrgangsstufen begnügen. Trotzdem wage ich zu behaupten dass nicht alle Abiturienten Deutsch perfekt können.

Es ist kein Zufall, das der "Oberlehrer" bei uns ein Schimpfwort ist. Haben sie jemals sich überlegt was der Oberlehrer unterrichtet? Natürlich, er unterrichtet Deutsch, kein anderer Lehrer hat die Angewohnheit außerhalb der Schule jedermann zu korrigieren. Warum ist dem so? Es kann eine Berufskrankheit sein, die man eben als Deutschlehrer viel eher ausleben kann, als sie andere Lehrer können. Vielleicht ist es auch ein Minderwertigkeitskomplex, den Deutschlehrer haben und den sie so kompensieren: Seien wir einmal ehrlich: Was bitte kann ein Deutschlehrer außer Deutsch? Anders gefragt, wenn er entlassen wird, als was kann er in der Wirtschaft arbeiten? Ein Chemielehrer hat zumindest ein Chemiestudium bis zum Diplom vorweisen. Aber ein Deutschlehrer?

Die Deutschlehrer sind arme Schweine, die sich irgendwie bemerkbar machen müssen, und gerade deswegen gebe ich mir Mühe, in meine Website sehr viele Grammatik und Rechtschreibfehler einzubauen Damit hat dieser arme Berufsstand etwas zu tun - sofern er mangels fehlender Bildung überhaupt versteht wovon ich schreibe: Oder wie es ein Deutschlehrer mal im Gästebuch schrieb "Angesichts ihrer fehlerhaften Orthographie und Grammatik muss ich auch an ihrer fachlichen Qualifikation zweifeln". Er merkt nicht, dass er damit das Kernproblem berührt: Er hat selbst nicht die Fähigkeit das zu tun. Wenn ich einen fachlichen Fehler in einer anderen Website sehe, wenn mir jemand weiß machen will, das ein Methan/LOX Antrieb einen spezifischen Impuls von 4000 m/s (oder 400 s nach US Einheiten) aufweist, dann weiß ich das dies falsch ist oder ich kann durch Berechnung beweisen, das es falsch ist. Der Deutschlehrer konnte das nicht: Er musste mir glauben oder eben an meiner fachlichen Qualifikation zweifeln: Er kann eben nur Deutsch und sonst nix....

Sonntag: 10.8.2008: Die Ariane 5 Erweiterungen

Im November tagt wieder der Ministerrat, der über de finanziellen Mittel der ESA beschließt. Beim letzten Treffen in Berlin beschloss man die Entwicklung einer neuen Oberstufe einzufrieren - also nicht einzustellen, aber auch nicht fortzuführen. Die Mittel sollten einem Rettungsplan für die Ariane 5 zugute kommen. Nun ist Ariane 5 wieder in sicherem Fahrwasser, die letzten 25 Starts waren allesamt erfolgreich. Es wäre also Zeit die Entwicklung wieder aufzunehmen. Das hat der frühere Arianespace Chef Frederick D'Allest auch kürzlich in einem Interview gefordert. Eine gute Gelegenheit die möglichen Ariane 5 Erweiterungen aufzuzeigen.

Heute transportiert die Ariane 5 mit der ESC-A Oberstufe 9600 kg in den GTO Orbit - das sind die Angaben für die Einzelnutzlast. Davon geht noch der Adapter ab und bei einem Doppelstart auch von der Hülle, welche den unteren Satelliten umgibt.

Die ESC-B Oberstufe hat ein schubstärkeres Triebwerk - 180 kN anstatt 66 kN. Daher kann sie mehr Treibstoff transportieren und sie nutzt den Treibstoff etwas besser aus. Die ESC-B Oberstufe wird 24.4 t anstatt 14.9 t Treibstoff einsetzen und 11.5 t in den geostationären Orbit und 23 t zur ISS transportieren. Ein weiterer Vorteil des ESC-B ist, das sie wiederzündbar ist. Sie kann also die EPS und ESC-A Oberstufe ersetzen.

Doch ist dies das Ende? Nein. Derzeit wird die Vega entwickelt und bei ihr kommen neue Technologien zum Einsatz wie z.B. große Gehäuse aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Bei der Vega ist die erste Stufe noch 95 t schwer, doch man hofft, das man diese Technik auch auf die 3 mal schwereren Ariane 5 Booster übertragen zu können. Diese würden dann nur noch 27 t anstatt 38.4 t wiegen und 10 t mehr Treibstoff transportieren können. Das bringt weitere 1000 kg Nutzlast.

Eine weitere Möglichkeit wäre ein schubstärkeres Vulcain 3 Triebwerk. Das Vulcain 2 Triebwerk hat 1350 kN Schub - mehr als das Vulcain 1. Doch immer noch weniger, als alleine die EPC beim Start wiegt. Das limitiert die Zuladung. So muss die ESC-B z.B. für ISS Missionen wieder 7 t Treibstoff ablassen, weil die Nutzlast dann höher ist.

Mehr Schub würde es erlauben, mehr Treibstoff in der EPC / und oder Oberstufe transportieren. Selbst wenn man die Stufen gleich groß lässt, kann man die Gravitationsverluste minimieren, die dadurch entstehen, dass die Rakete erst ihre Bahnhöhe erreichen muss. Je langer sie dazu braucht desto höher sind sie. Sie sind bei der Ariane 5 recht hoch und ein schubstärkeres Triebwerk könnte sie senken. Ein Vulcain 3 soll weiterhin billiger zu produzieren sein und einfacher aufgebaut. Der Schub wird wohl zwischen 1500 und 1700 kN liegen - je höher, desto mehr Optionen hat man für einen weiteren Ausbau. Ein Vulcain 3 würde weitere 1.5 t Nutzlast bringen.

Ariane 5 könnte so bis 2020 auf 14-15 t GTO Nutzlast oder 27 t zur ISS gesteigert werden.

Warum nimmt man nicht mehr Booster? Das ist eine Frage die ich immer wieder gestellt bekomme. Zwar sind die Booster sehr preiswert und eine Anpassung um mehr als zwei Booster einzusetzen wäre einfach. Aber sie haben einen Haken: Sie sorgen schon heute für einen hohen Beschleunigungspeak:

Ariane 5 Beschleunigung

Wie zu sehen, gibt es schon mit zwei Boostern eine Spitzenbeschleunigung von 4.3 G, die je nach Nutzlast bei der ESC-A auf 4.55 G ansteigen kann. Davon entfallen etwa 0.7 g auf die EPC, der Rest auf die beiden Booster. Mehr Booster würden diese Beschleunigungsspitze noch weiter erhöhen. Etwa 5.5 G ist das Maximum was heute für kommerzielle Nutzlasten üblich ist. Schon ein dritter Booster würde diese Grenze überschreiten.

Das ist also keine Lösung, doch könnte man bei dem Redesign der Booster natürlich über eine Veränderung des Schubprofils nachdenken oder eine längere Brennzeit. Ein dritter Booster könnte so noch unter 5.5 G Peak erreichen und würde nach meinen Berechnungen etwa 2 t mehr Nutzlast bringen.

Nur wenn man sehr viele Booster einsetzt (z.B sechs) hat man eine zweite Option: Vier am Boden zünden, die anderen zwei nach dem Ausbrennen. Das würde dann auch die Gravitationsverluste stark senken, ohne ein Vulcain 3, weil dann die Brenndauer auf 260 Sekunden ansteigt. Die Nutzlast läge dann bei 24-25 t in den GTO Orbit, also weitaus höher als heute und dieser Träger ist sicherlich nicht einer für die nächste Zukunft.

Es dürfte wahrscheinlicher sein, dass man wenn man jemals die 14-15 t Version angeht diese als letzte Ariane 5 auslegt und dann wieder einen neuen Träger konzipiert. Der Fokus liegt heute auf Ideen, zumindest die erste Stufe wiederzuverwenden, und dann hier keine Feststoffbooster sondern Methan/Kerosin oder Wasserstoff als Treibstoff einzusetzen. Das würde zwar nicht mehr Nutzlast bringen, aber die Kosten drücken. Die Doppelstartfähigkeit der Ariane 5 ist heute der Preisvorteil, vielleicht reicht in 15 Jahren der Transport eines Satelliten mit einem günstigeren Träger.

Montag 11.8.2008: Clusterung - Probleme und Chancen

Der Hinweis auf die Chang Zheng 5 und weil die Falcon 9 nun ja wieder im Gespräch ist bringt mich auf mein heutiges Thema: Das Bündeln von Raketentriebwerken und Stufen, Clusterung genannt. Zuerst mal die Grundidee die dahinter steht: Nehmen wir an, wir entwickele zwei Triebwerke von 80 kN und 1280 kN Schub (also dem 16 fachen des ersten). Und wir bauen diese in 4 Stufen ein:

Dann kann man mit diesen Stufen 4 Basisträgerraketen konstruieren:

Bei LOX/LH2 als Treibstoff entsprechen diese Raketen 1 t, 4 t und 16 t Nutzlast.. Mit der Nutzung dieser Stufen als Oberstufen und Zusatzbooster kann man diese Palette noch um weitere Modelle erweitern. In der Summe könnte man also mit zwei Triebwerkstypen alle bisherigen Trägerraketen von der Rockot Klasse bis zur Ariane 5 oder Delta IV Heavy ersetzen.

Die Vorteile scheinen zuerst auf der Hand zu liegen: Die Entwicklungskosten sind geringer, weil man nur zwei Triebwerke für alles hat, jedes Triebwerk wird in einer größeren Stückzahl gefertigt und dadurch günstiger zu produzieren. Warum tut man es dann nicht einfach?

Nun es gibt eine Reihe von Einwänden. Das erste ist, das es billiger ist, als erste Stufe Feststoffbooster einzusetzen als ein Triebwerk mit LOX/LH2. Die Typen mit 4 Triebwerken in der ersten Stufe könnte man also ersetzen durch zusätzlich angebrachte Feststoffbooster - Dann bräuchte man also noch zwei Typen von Feststoffboostern.

Der Haupteinwand der eingebracht wird ist die Zuverlässigkeit. Es steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit rapide an wenn man mehr Triebwerke einsetzt. Dieser Tatbestand ist unstrittig. Worüber es Diskussionen gibt, sind die Folgen. Bei der N-1 installierte man ein System, welches beim Ausfall eines Triebwerks das gegenüberliegende abschaltete. Genützt hat es nichts. Denn es gab bei den Ausfällen Beschädigungen der umliegenden Triebwerke oder es lagen systematische  Designfehler vor, die zum Versagen der Rakete bei jedem der vier Flüge führten.

Selbst wenn es gelingt, so fehlt Schub. In einem frühen Stadium des Flugs kann dies so viel sein, dass er nicht ausreicht die Bahn zu erreichen. Später kann dann eine zu niedrige, unbrauchbare Bahn resultieren. Ich kann natürlich zumindest für den letzten Fall Treibstoffreserven allokieren um dies aufzufangen, doch dann wird die Nutzlast recht klein und das ist ja auch nicht erwünscht.

Soll eine Rakete eine definierte Zuverlässigkeit haben und setzt man viele Triebwerke ein, so bedeutet dies, dass jedes einzelne eine viel höhere Zuverlässigkeit aufweisen muss als ein einzelnes Triebwerk. Das ist nicht unmöglich: Die Ariane 4 setzte bis zu 8 Triebwerke in der ersten Stufe ein, und entwickelte sich zum zuverlässigsten kommerziell verfügbaren Träger. Auch die Saturn V mit 11 Triebwerken in 3 Stufen kann als positives Beispiel angesehen werden. Im Normalfall ist aber ein solches Triebwerk erheblich teurer als ein vergleichbares mit weniger harten Anforderungen (F-1, J-2 Triebwerk) oder ich muss auf Leistung verzichten (Viking Triebwerke der Ariane 1-4). Beides ist suboptimal: Entweder es wird teurer oder die Nutzlast ist nicht so hoch wie sie sein könnte (Ariane 1 und die Atlas Centaur hatten beide 1.86 t Nutzlast. Die Ariane 1 wog 202 t, die Atlas Centaur nur 149.5 t.)

Nun zum Casus Knacksus:: Lohnt es sich ja oder nein? Und wie immer gibt es keine allgemeingültige Antwort. Wenn ich eine bestimmte Rakete entwickele, dann sind die Produktionskosten am geringsten, wenn ich ein großes anstatt mehrerer kleiner Triebwerke einsetze. Eine Saturn V S IC Stufe mit fünf F-1 (6670 kN Schub) kostete in der Produktion z.B.21.3 Millionen Dollar, die kleinere Saturn 1C mit acht H-2 von jeweils 890 kN Schub dagegen 9.4 Millionen Dollar. Pro kN Schub war die S-1C also 2.5 mal preiswerter als die S-1B trotz weniger Triebwerke.

Sofern ich also nur eine Rakete entwickele, wird es immer am günstigsten sein in jeder Stufe nur ein Triebwerk einzusetzen. Das ganze ändert sich wenn ich nicht eine Rakete entwickele sondern eine Familie die einen breiten Nutzlastbereich abdecken soll. Dann sinken die Produktionskosten pro Triebwerk, weil ich weniger verschiedene Typen produziere. Weiterhin reduziere ich die Entwicklungskosten gravierend da ich nicht verschiedene Raketen neu entwickeln muss, sondern den Aufwand nur einmal tätige.

Diese Vorteile muss ich gegen die Nachteile des Ausfallsrisikos abwägen. Wenn ich die bisherigen Designs durchgehe scheint so ein Optimum bei um die 10-12 Triebwerken in der Rakete zu sein. Ariane 4 hatte bis zu 10, die Saturn V 11, die Proton bis zu 12. (Wobei die Zuverlässigkeit der Proton auch nicht besonders hoch ist). Auch die Langer Marsch 5  Familie liegt mit maximal 12 Triebwerken in diesem Bereich.

Ob dies auch noch bei der Falcon 9 Heavy so ist? Diese wird 28 Triebwerke einsetzen. Ich glaube nicht. Dazu müsste SpaceX dreimal zuverlässigere Triebwerke entwickeln als die Chinesen, die immerhin damit Erfahrung haben (und trotzdem 14 Jahre für die Entwicklung der Chang Zheng 5 angesetzt haben). Bislang hat kein einziger Start einer Falcon 1 mit nur zwei Triebwerken geklappt. Die Ursachen lagen bis auf den ersten Fehlstart nicht bei einem Triebwerk, doch es zeigt eben wie hoch die Kompetenz von SpaceX ist, wenn Designfehler z.B. bei der Stufentrennung erst bei einem Testflug bemerkt werden. Wie zuverlässig kann man dann ein das Merlin !C einstufen?

Die 27 Triebwerke bei der Falcon 9 Heavy sind eine Notlösung, das ist recht deutlich sichtbar. Zum einen ist das Voll/Leermasse Verhältnis von den 3 Boostern zu der zweiten Stufe sehr schlecht. Zum anderen stammt das Merlin 1C von der Falcon 1 ab, einer Rakete für 420 kg schwere Nutzlasten. Damit braucht man überhaupt so viele Triebwerke. Würde SpaceX ein leistungsfähigeres Triebwerk zur Verfügung stehen, so würden sie sicher dieses einsetzen. Aber die Entwicklung eines solchen Triebwerks kostet mehr Geld und das hat man bei SpaceX nicht. Daher muss man auf das zurückgreifen was man hat.

Die Performance ist daher auch nicht besonders hoch. Nehme ich die Daten von SpaceX, so kann ich ihre Nutzlasten nicht nachvollziehen. Nehme ich die Daten der Falcon 1 als Basis, so komme ich auch Differenzen zu SpaceX Werten:

  SpaceX Bernd Leitenberger
Falcon 9 LEO 12.5 t 7.0 t
Falcon 9 GTO 4.64 t 1.2 t
Falcon 9 Heavy LEO 29.61 t 17.0 t
Falcon 9 Heavy GTO 15.01 t 5.0 t

Ich schreibe das, weil ich damit rechne, das SpaceX uns bald wieder mit "neuen, korrigierten" Werten überraschen wird. Für die die es nachvollziehen wollen: Die Raketengrundgleichung mit folgenden Daten lösen:

Rakete: Falcon 1

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
2800942015778021663
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
12285113602981
245815443109

Rakete: Falcon 1e

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
4775710101367802 1391
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
14203025772981
24581544 3109

Rakete: Falcon 9

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
32273012302500102281770
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
1267350170002982
25165032003041

Rakete: Falcon 9 Heavy

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
86041350632000102281770
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]
1801750510002982
25160032003041

Die Daten der Falcon 1/1e stammen von SpaceX und sind vollständig. Die anderen sind aus den kümmerlichen Daten auf der Website zurückgerechnet. Ich habe die gesamten Verluste der Falcon 1, für die ja Daten vorliegen für die Falcon 9 und 9 Heavy übernommen. Ich wage auch zu prognostizieren, das die Falcon 9 Heavy kein zuverlässiger Träger sein wird. Schaun mer mal....

Dienstag 12.8.2008: Lügen, verdammte Lügen und Statistiken

Die Falcon mit ihrem letzten Fehlstart, die Diskussion hier im Blog und auch die neuerliche Revision, hat mich dazu bewegt, mal meine Arbeit an meinem zweiten Buch über den ATV ruhen zu lassen und mich mehr mit der Falcon zu beschäftigen. Ich bin gerade dabei den Artikel nach Falcon 1 und 9 zu trennen und den Falcon 1 Artikel zu ergänzen und habe eine Kopie der SpaceX Website gemacht (zur leichteren Recherche).

Dabei stieß ich auf eine Studie der Firma Futron im Auftrag von SpaceX. SpaceX betont ja immer, dass wesentliche Designkriterien der Falcon waren die Zuverlässigkeit zu erhöhen, indem sie die Systeme möglich einfach machten. So hat man ja auf Retroraketen verzichtet, denn in 24 % der Fehlstarts von US Trägern von 1984-2004, lag es an der Stufentrennung. Klar, ein System das nicht vorhanden ist, kann nicht ausfallen und eine Stufe, die nicht auf Abstand gebracht wird, kann kollidieren. Man sollte vielleicht überlegen was gefährlicher ist. Fehlende Prallbleche in Treibstofftanks können keine Probleme machen, aber das Moment, das durch Treibstoffschwappen erzeugt wird, kann ein Triebwerk zum Abschalten bringen. So geschehen bei den Testflügen 3 und 2.

Sber zurück zur Überschrift: Nirgendwo wird so mit Statistiken gelogen wie bei der Raumfahrt. Lockheed Martin macht seine Atlas Statistik über 3 Generationen der Atlas mit unterschiedlichen ersten Stufen, weil es besser aussieht oder man sagt nur "der 26.ste erfolgreiche Start hintereinander" - Da weiß ich schon, dass der 27 ste vorher ein Fehlstart war.

In Russland ist man da noch phantasievoller, da zählt man separat nach Versionen (Sputnik, Vostok, Voschod, Sojus (mindestens 3 Subversionen) und Molnija und kommt so zumindest bei der Sojus auf gute Statistiken. Die anderen Modelle? Fragen sie lieber nicht.....

Oder man erklärt einfach bei der Proton alle frühen Starts, die von vielen Fehlschlägen begleitet waren, zu Testflügen und fängt mit der Nummerierung neu an.

In diesem Dokument fand ich folgende Grafik.

Futron Statistik

Beschriftet ist es als "Expected Failure Rates Due to All Causes Based on Historical Average Subsystem Failure". Also erwartete Fehlerrate basierend auf der durchschnittlichen Fehlerrate in der Vergangenheit, wobei als Datenmaterial alle Flüge zwischen Oktober 1984 und September 2004 genommen wurden.

Das erste was mir auffällt: Wie kann ich eine noch nicht existierende Trägerrakete mit anderen vergleichen, auf der Basis historischer Werte? Von dieser Rakete gibt es ja keine historischen Werte! Inzwischen gibt es sie, und die zu erwartende Fehlerrate aufgrund historischer Werte liegt nicht bei unter 3 % sondern bei satten 100 %.

Das nächste ist der Sinn der Statistik. Zuerst einmal finden sich nur aktuelle Träger darunter. So fehlt z.B. die gesamte Titan Familie. Selbst bei den aktuellen Trägern ist die Auswahl recht selektiv. Einerseits werden von der Delta 2 zwei Versionen unterschieden, aber wo bleiben die anderen? Auch von der Taurus gab es mehr Versionen.:

Launch Vehicle Launches Success Launch success [%]
ARPA Taurus 2 2 100,00
Atlas V 401 2 2 100,00
Atlas V 521 1 1 100,00
Delta 4M 2 2 100,00
Delta 4M+(4,2) 1 1 100,00
Delta 7320-10 4 4 100,00
Delta 7326-9.5 3 3 100,00
Delta 7420-10C 7 7 100,00
Delta 7425-10 1 1 100,00
Delta 7425-9.5 3 3 100,00
Delta 7426-9.5 1 1 100,00
Delta 7920-10 6 6 100,00
Delta 7920-10C 13 13 100,00
Delta 7920-10L 2 2 100,00
Delta 7920-8 1 1 100,00
Delta 7920H 1 1 100,00
Delta 7925 34 33 97,06
Delta 7925-10 2 2 100,00
Delta 7925-8 2 2 100,00
Delta 7925-9.5 16 16 100,00
Delta 7925H 2 2 100,00
Minotaur 1 2 2 100,00
Pegasus 4 4 100,00
Pegasus H 4 4 100,00
Pegasus XL 20 17 85,00
Pegasus XL/HAPS 5 5 100,00
Pegasus/HAPS 2 1 50,00
Space Shuttle 101 100 99,01
Taurus 1110 1 1 100,00
Taurus 2110 2 1 50,00
Taurus 2210 1 1 100,00
Taurus 3210 1 1 100,00

Das zweite ist das verwendete Datenmaterial. Nehmen wir zwei Extreme: Die Delta IV Heavy hatte bis zu diesem Zeitpunkt noch gar keinen Start hinter sich: Trotzdem wird hier eine Prognose abgegeben, die sich ja nur auf den bisherigen Delta IVM Flügen beziehen kann. (die ja alle glückten). Aber das sind gerade mal 3 Flüge. Das Space Shuttle flog dagegen 101 mal (davon 100 mal erfolgreich) die Delta 2 in allen Mustern 98 mal, (davon 97 mal erfolgreich). Wie man dann auf Fehlstartquoten von 4 und nahezu 6 % kommt ist nicht nachvollziehbar, wobei es gerade bei diesen beiden Trägern ja genügend Starts, für eine aussagekräftige Statistik gibt.

Die Wirklichkeit holt natürlich solche statistischen "Lügen" ein (gelogen ist schon die angegebene Genauigkeit von 4 Stellen - es sind deutlich weniger, wie man an dem mehrfachen Auftreten von gleichen Prozentangaben erkennen kann - Dies wäre bei 4 Stellen Genauigkeit sonst doch etwas viel Zufall).

Die Delta IV Heavy hat nach 2 Flügen eine Zuverlässigkeit von 50 % und die Falcon 1 nach 3 Flügen eine von 0 % - Die Ausfallwahrscheinlichkeit betrug nicht 2.845 %, sondern 100 %....

Besonders interessant ist natürlich, wenn man sich die SpaceX Dokumente sich zu Gemüte führt. Da ist der Tenor dann so: 52 % der Fehler bei einem Start haben ihre Ursache in dem Triebwerk, deswegen haben wir es auch ganz einfach gebaut. 28 % hatten als Ursache die Stufentrennung, daher benutzen wir nur Pneumatik und keine Retroraketen.

Vielleicht sollte man es anders ausdrücken: Wir können die Rakete nur so billig produzieren, wenn wir auf so "Luxus" wie Retroraketen und Prallbleche verzichten. Wenn dann ein Start nicht klappt, ja dann müssen wir eben mal nachbessern. Die Nutzlast wird ein bisschen kleiner (bei der Falcon 1 von 670 auf 420 kg geschrumpft), die Rakete teurer (von 5.9 auf 7.9 Millionen Dollar Startpreis gestiegen) und natürlich dauert es ein bisschen länger sie einzuführen, aber die Kunden haben ja Zeit zu warten...

Mein absolute Lieblingslektüre sind die Updates von Elon Musks, die sind fast so schön, wie Extra 3 oder Kalkofes Mattscheibe. Da hörte ich nach jedem Fehlstart "Alles hat zu über 90 % geklappt, nur ganz kleine Probleme, die wir innerhalb von ein paar Wochen besteigt haben. Der Startplan bleibt davon unberührt." Und dann dauert es 12-18 Monate bis der nächste Test stattfindet ("Kleine Probleme") die Nutzlastangabe wird jedesmal nach unten korrigiert und die Rakete teurer. Und: Das Problem wird nicht mal korrigiert, denn die Kollision beider Stufen wurde ja schon beim letzten Fehlstart als Anomalie aufgeführt. Eine bessere Realsatire gibt es nicht. Dumm nur, das manche sie glauben, oder zu faul sind die Updates auf SpaceX nicht mal chronologisch (von hinten nach vorne) zu lesen um zu erkennen wie der Hase läuft.

Den neu bearbeiteten Falcon 1 Artikel - auch mit einer genauen Aufschlüsselung wie SpaceX Angaben "korrigiert" und das das Stufentrennungsproblem schon beim letzten Start auftrat und man damals meinte das Merlin 1C würde weniger Restschub haben und man könne so weitermachen, anstatt Retroraketen einzubauen (die Falcon ist der einzige Träger den ich kenne der meint auf Retroraketen verzichten zu können, wenn nicht die zweite Stufe zündet, bevor die erste ausgebrannt ist).

Ach ich freue mich schon auf den nächsten Start, mal sehen welches System das sei eingespart haben dann den Fehlstart verursacht und wie die Nutzlast dann weiter absinkt.... Und mal sehen was aus dem geplanten nächsten Start im September wird: Jedesmal wenn von "Wochen" die Rede war um ein Problem zu lösen wurden 12-18 Monate draus.

Mittwoch 13.8.2008: Zeit für Entscheidungen

Im November ist die nächste Ministerratssitzung der ESA in Den Haag. Diese Treffen alle paar Jahre, legen den Kurs der ESA für die nächsten Jahre fest - meist werden dort die größeren Projekte beschlossen oder über ihr Weiterführen entschieden, also Dingen wie Ariane 5 Entwicklung, Columbus oder die Cornerstone Missionen.

Die ESA wird wahrscheinlich (neben anderen Dingen) zwei wichtige Punkte zu entscheiden haben:

  1. Will man die ESC-B Entwicklung wieder aufnehmen oder vielleicht sogar neue Maßnahmen ergreifen um die Ariane 5 weiter in der Nutzlast zu steigern?
  2. Wie soll es bei Europas Beteiligung an der ISS weitergehen? Die bisherigen Verträge laufen 2013 aus.

Es ist unwahrscheinlich, dass man den ersten Punkt wiederaufnimmt, dann gehen nochmals ein paar Jahre ins Land und die ESC-B wird sicher nicht vor 2016 verfügbar sein. Vielleicht zu spät für ein Trägersystem, das für Europas Bestreben nach einem unabhängigen Zugang zum Weltraum steht, für das wir von den Amis anfangs belächelt wurden, das sich aber zu dem kommerzielle erfolgreichsten Transportmittel in den Weltraum entwickelt hat und an dem über 10000 Arbeitsplätze in ganz Europa hängen. Ein System das wesentlich höhere Rückflüsse in Form von Steuereinnahmen einbringt als der Staat für es investiert.

Das Europa sich weiter an der ISS beteiligen wird gilt dagegen als unstrittig. Fast alle rechnen mit einer Verlängerung. Es wird im Gegenteil, sogar damit gerechnet, das man das ATV weiter entwickeln wird, zuerst zu einem Träger der Fracht auch zur Erde zurückbringen kann (das soll noch für 300 Millionen Euro bis 2013 zu machen sein) und dann in einer zweiten Stufe zu einem bemannten Raumschiff von und zur ISS für 5 Astronauten. (Das soll über 1 Milliarde Euro kosten und erst 2019 verfügbar sein - da könnte es sein, dass es die ISS nicht mehr gibt und ob man mit 1 Milliarde bei einem bemannten Raumschiff auskommt halte ich auch für zweifelhaft).

Europas Beteiligung an der ISS wird etwa 8 Milliarden Euro kosten (http://www.esa.int/esaHS/ESAQHA0VMOC_iss_0.html) das umfasst Columbus und die ATV Entwicklung und Flüge, aber auch gravierende Mehrkosten durch den verzögerten Ausbau der Station. Die Kosten für Ariane 5 sind schwerer zu fassen, weil es durch die Fehlstarts Mehrkosten gab, doch ich schätze es dürften etwa 6.5 Milliarden Euro sein. (Addition des Entwicklungskosten der Ariane, des Evolution Programmes und des Rettungsplanes ergibt 5.9 Milliarden Euro).

Für die 8 Milliarden Euro erhält Europa 8.3 % an der ISS Crewzeit und an den Ressourcen, das ist bei 120 Wochenstunden (3 Astronauten braucht man alleine für die Stationssysteme) nicht mal der Anspruch, dauernd einen Astronauten an Bord zu haben. Vom eigenen Labor kann man von 10 Racks nur 5 selbst nutzen. Bei einem ATV Flug pro Jahr kostet die ISS Europa jedes Jahr etwa 350 Millionen Euro nur für dieses System.

Für die 6.5 Milliarden Euro hat Europa das weltweit erfolgreichste und leistungsstärkste Trägersystem entwickelt. Mit einem Backlog über 3 Jahre. Derzeit wird die Produktion angekurbelt um alle Aufträge bedienen zu können. Jeder Träger wird in Europa gefertigt, sichert Arbeitsplätze und kostet kein Geld, sondern bringt Geld über die Steuereinnahmen in den Staatssäckel.

Vor allem aber kann ich mich mit Ariane identifizieren. Sie ist eine europäische Erfolgsstory, sie ist unserer unabhängiger Zugang zum Weltraum. Bei der ISS sind wir nur ein Juniorpartner und haben nicht viel zu sagen, nur viel zu zahlen. Morgen Abend startet erneut eine Ariane 5 - mit Superbird 7 für Japan und AMC-21 für die USA. Die beiden Satelliten im Gewicht von 7276 kg liegen weit unterhalb der maximalen Nutzlast der Ariane 5 EC-A, weswegen man die Reserven nutzt um die Inklination von 7 auf 2 Grad zu verringern. Es ist der 5.te Ariane 5 Start in diesem Jahr, die letzten 26 Flüge waren allesamt erfolgreich.

Für mich ist die Entscheidung einfach, welches Projekt ich bevorzugen würde.

 


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