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Man mag zu Herrn Musk und seinen Kapriolen in der sozialen und medialen Welt durchaus kritisch stehen, aber hier möchte ich doch mal ein paar Kirchlein zurück ins Raumfahrtdorf holen – der Reihe nach:
Daß rein flüssiggetriebene Großraketen durchaus eine Weile auf dem Starttisch hochlaufen, ist nicht ungewöhnlich, es fällt im Zeitalter der Feststoffbooster nur nicht mehr so doll auf. Wir haben uns dran gewöhnt, daß die Rakete abhebt, kaum daß die großen graubraunweißen Staubwolken aus dem Abgasschacht schießen, und sie dann auf einem dichten Rauchkegel aufsteigt. Das hat, neben Standard-Special-Effects-plugins im Kino, vier übersichtliche Gründe: i) ein Feststofftriebwerk zündet nicht, explodiert, oder läuft – innerhalb gut einer Sekunde, und ist bei seiner einmal getroffenen Wahl nicht zu stoppen; ii) bei 2-Großbooster-Konfigurationen wie Shuttle oder Ariane 5 schlägt die Rakete einen Salto, wenn sie nicht das selbe tun, weshalb man die Rakete praktisch im Moment der Zündung der booster von der Rampe entriegelt; iii) Flüssigtriebwerke kann man einregeln und abschalten, aber nicht ganz sofort; und iv) ist deren Abgas am Boden zunächst fast unsichtbar – bei Wassersprühvorhängen im Abgasschacht der Rampe sieht man überwiegend das verdampfte Wasser als reinweiße Kondenswolke rausgeblasen. Die Flüssigtriebwerke der Zentralstufe werden etwa 5 bis 20 Sekunden vor der Boosterzündung, also eben aus geschilderten Gründen dem Abheben an sich, gezündet und hochgefahren. Am schönsten zu sehen beim Shuttle wegen der seitlichen Anordnung und des in nur eine Richtung ausblasenden Wasservorhangs, und FreundInnen des Vintage Space klingt hier vielleicht T.J. O’Malley (links im Bild) im Ohr, "T-minus 18 seconds and counting, engine start" – so lang dauerte es bei der ursprünglichen Atlas.
Daß dann die Brocken heftig fliegen, ist erstmal grundsätzlich nicht ungewöhnlich bis ganz normal. Am schönsten kann man dies in dem IMAX-3D-Film Space Station (2002) sehen, worin 1998 eine damals schon weit über 100 mal geflogene Proton von ihrer etwa halb so oft genutzten, übrigens gänzlich trockenen Rampe abhebt, und dann … keine SPOILER! Erosion durch überschallschnelle Gase ist so eine Sache, die etwas unintuitiv ist. Daß Brocken vom seitwärts umgelenkten Abgasstrahl mitgerissen werden, ist klar. Man möchte gern annehmen, daß dort, wo er ziemlich senkrecht auf eine fest betonierte Fläche trifft, diese vom Staudruck des Abgases eigentlich nur noch fester an den Boden gepreßt würde.
Aber es fließen Überschallströmungen anders als der gewohnte Sturm; tatsächlich können sie als sogenannter Expansionsfächer sogar enge 180°-Knicke umlaufen und dabei beschleunigen. Das ist, als ob ein starker Landregen glatt ein dachziegelgedecktes Giebeldach herabläuft und plötzlich aus den Schindelspalten aufwärts in den Dachboden schießen würde. Im Gegensatz zum Wind erfährt ein ankommendes Gasmolekül in einer Überschallströmung nicht vorab eine Ablenkung durch Druckänderungen, bzw. gewissermaßen, auf was es da gerade zukommt, da sich Druckänderungen nur mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten, und so ab der Schallgeschwindigkeit nicht mehr entgegen der Strömung zurücklaufen können. Trifft sie auf ein Hindernis, stapeln sich die Moleküle sozusagen vor ihm; die sehr scharfe Übergangslinie von der freien Überschallströmung (dem Triebwerksstrahl) zur praktisch stehenden Luftschicht vor dem Hindernis (knapp über dem Boden) nennt man Stoß. Bei bewegten Objekten kennen wir sie als Überschallknall. Vor dem Stoß ist hier das Gas verdünnt, sehr heiß, und sehr schnell; dahinter noch heißer, sehr dicht und unter hohem Druck. Im Prinzip wird die Bewegungsenergie in Druck und zusätzliche Hitze umgesetzt. Das Gas kann nun durch ein Zusammenwirken beider Phänomene in feine Poren und Spalten des Bodenbelags eindringen und diese im Untergrund unter Druck setzen und die Umgebung stark erhitzen. Besonders am Übergang vom stoßverdichteten Staugebiet zum expandiert seitlich fließenden Bereich im Abgasschacht, der wild turbulent vor- und zurückspringt, kann das hochverdichtet eingekrochene Gas, das durch die feinen Spalten gedrosselt nicht ebensoschnell sich ausgleichen kann, wie ein Netzwerk von Sprengschnüren wirken. Fliegt von ihm angehoben erstmal eine Betonplacke weg und legt ihre Kanten als Angriffsflächen und weicheren Untergrund frei, folgt der Rest wie eine Lawine aus Blechdächern im Hurricane.
Das passiert auch in Großraketen sehr erfahrenen Betreibern, z.B. hat nach der Erfahrung von hunderten Starts im Kaliber der Falcon-9 die sowjetische Energia bei ihrem Erststart, ebenso wie jetzt die Super Heavy des Starship, ihre Startrampe regelrecht abgerissen, bei einem kurzen Kippmanöver nach dem Abheben.
Denn auch das Kippen von Großraketen im Startvorgang ist durchaus nicht unüblich, eben weil sich dabei nicht nur die Rakete so schnell wie möglich von der Rampe entfernt, sondern auch ihr mehrfach größerer Abgasstrahl. Kurz nach dem tatsächlich senkrechten Lösen von der Rampe werden dabei die Triebwerke etwas weg vom Startturm geschwenkt, so daß ihr zunehmend aus dem Flammenloch des Tisches wachsender Abgasstrahl etwas vom Turm weg bläst, nicht zu ihm gelenkt wird von der Flammenlochkante oder der Tischfläche, und den Turm mit all seinen Leitungen und Kabeln möglichst nur durch seine enorme Wärmestrahlung und Schallintensität beschädigen kann. Trotzdem sieht man oft schon nach Sekunden dessen Schutzfarbe und die Isolation der von der Rakete wegfallenden Verbindungsleitungen abrauchen. Dieses sanfte Manöver drückt das Heck der Rakete zwar zunächst etwas näher zum Turm, aber kippt im Gegenzug ihre Spitze auf einen von ihm weg weisenden Kurs. Bei einem Kippwinkel von wenigen Grad wird gegengesteuert. Nun hat sich der Mittelpunkt der Rakete schon etwas vom Turm entfernt, so daß der jetzt leicht zum Turm hin schwenkende Triebwerksstrahl ihn nicht mehr berührt, sondern in das Flammenloch des Starttisches bläst, oder auf dessen vom Turm abgewandten Rand, den man von empfindlicheren Installationen eher freihalten kann, während die Rakete langsam wieder in die Senkrechte kommt.
Diese Drehung kann man mit den Triebwerken in Neutrallage noch etwas überschießen lassen, wobei der Abgasstrahl mit vom Turm wegdreht, bis die Rakete in ihrem schneller werdenden Aufstieg seitwärts wieder in Richtung Turm gleitet, und erst dann gegensteuern, was wiederum eine Schwenkung des Abgasstrahls vom Turm weg bedingt, und etwa bei „tower clear“ oder etwas höher passiert, so daß sowohl der sich nach unten ausweitende Abgasstrahl den Turm möglichst verschont als auch seine nun auf voller Breitseite kommende Wärmestrahlung ihn nur aus möglichst großem Abstand beleuchtet.
Am besten kann man dieses Manöver bei längeren Aufnahmen von Starts der Saturn V aus der richtigen Blickrichtung oder von ihrem Flammenschlag auf den Starttisch sehen. Es mag nun beim Starship wie bei der Energia zu einer Verstärkung dieser Bewegung gekommen sein, vielleicht durch die Triebwerksausfälle. (Bei der Energia war es ein Verschlucker im Steuerungssystem, den es automatisch korrigierte.)
Triebwerksausfälle oder – häufiger – Tankperforationen durch zurückprallende, vom Triebwerksstrahl weggeschleuderte Objekte, sind auch nichts neues, und selbst bei größter Sauberkeit bei einem unerwarteten Teilabriß der Startrampe folgerichtig-unerwartet. Flüssigraketen mit mehr als etwa 3 Triebwerken verpacken den kontrollierten (also nicht-explosiven) Ausfall eines kleineren Anteils der Antriebe meist ganz gut. Bei eher wenigen Triebwerken, die deshalb nah beieinander liegen, kann der Schwenkbereich der verbleibenden Triebwerke den asymmetrischen Schub noch ausgleichen, und der fehlende Schub kann durch eine längere Brennzeit weitgehend kompensiert werden. Bei der Saturn V ist das bei Apollo 6 und 13 vorgekommen, mit Abschaltung von bis zu 2 von 5 Triebwerken.
Raketen mit vielen Triebwerken haben breitere Anordnungen, dann muß beim Ausfall eines äußeren Triebwerks das gegenüberliegende ebenfalls abgeschaltet werden, vor allem, wenn nicht alle schwenkbar sind. Diese Technik ist nicht ganz trivial, wie die sowjetischen Raumfahrer bei ihrer Mondrakete N1 leidvoll erfahren mußten, da aus den laufenden Daten von dutzenden Meßpunkten pro Triebwerk ‘live‘ ein unmittelbar bevorstehender Ausfall in Sekundenbruchteilen möglichst ohne Fehlalarm erkannt, und die richtige Kompensationsmaßnahme treffend umgesetzt werden muß. Dabei können die Maßnahmen um den Stufentrennungsvorgang und bei Brennzeitveränderungen der Stufen noch wesentlich variantenreicher werden und über die Steuerung einzelner Antriebe hinausreichen. Beim ersten Flug der N1 hätte die nach Rohrbrüchen brennende erste Stufe den kurzen Rest ihres Fluges noch fortsetzen können bis zur Stufentrennung; beim vierten und letzten Flug hätte man sie verfrüht abtrennen und mit der zweiten Stufe weiterfliegen können.
Die Untersuchung der FAA wird sicher lehrreich sein, jedoch wird sich auch das Dilemma der mittlerweile gewohnten Sicherheitskultur zeigen, die bei der FAA an der Flugunfalluntersuchung gewachsen ist und sich in der Öffentlichkeit an den überwiegend wahrgenommenen bemannten Flugplänen des Starship orientiert, die sicherlich und von vornherein immer in sehr weiter Zukunft lagen. Wer Musk 2016 in Guadalajara zuhören konnte, hat zwischen den Zeilen zum Greifen klar wahrnehmen können, daß er sich da garnicht sicher war, bemannte Flüge selbst noch erleben zu können.
Die Falcon-1 und -9 sind, obwohl sie von Anfang an und offen angesagt auf recht gerader Linie hin zu soetwas wie dem Starship entwickelt wurden, und nun in unserem Auftrag als ISS-betreibende Länder recht unspektakulär Astronauten dorthin tragen, bei weitem nicht so kritisch begleitet worden – eher amüsiert über den neureichen Raketen-Quax, der so viele spektakuläre Brüche baut.
Genau das, aber vorallem die Vielzahl von „unscheduled rapid disassemblies“ hat es erst ermöglicht, in kaum 10 Jahren eine konzeptionell völlig neue Raumfahrt bis in den Alltagsbetrieb zu entwickeln, was der steuerfinanzierten Raumfahrt in 6 Jahrzehnten nicht in Ansätzen gelungen ist, obwohl alle von SpaceX verwendeten Methoden und Verfahren schon noch länger zuvor auf dem Tisch lagen – die früheren Raumfahrtpioniere konnten sich nämlich garnicht vorstellen, eine Rakete einfach wegzuwerfen, wo es irgend noch vermeidbar war. Das kam ihnen nur als Unfall auf der ansteigenden Lernkurve unter. Das Konzept der Wegwerfrakete kam erst dazu, als sie nach Jahrzehnten der intensiven Ablehnung und allgemeiner der Lächerlichmachung der Erforschung des Weltraums im Zivilen, ausgerechnet vom stockkonservativen Militär endlich als nützlich erkannt wurden – und welche Schaffenskräftigen sind das nicht gerne, in voriger und völliger Unkenntnis der Zukunft des mittleren 20. Jhd.?
Tatsächlich kann man zeigen, daß in der Raumfahrt (und vielen anderen ähnlich gelagerten Bereichen) nur Versuch klug macht, das dann aber auch gleich am schnellsten und effektivsten. In der frühen Luftfahrt war es ebenso, bloß mangels Autopilot viel opferreicher. Die Intuition, daß solche Fehlschläge wie dieser erste Startversuch des Starship teuer und vermeidbar sind, liegt doppelt falsch. Mit am besten zeigt das die Entwicklung wiederverwendbarer Trägerraketen, die von einer beileibe nicht inkompetenten Raumfahrtagenturen- und Industriewelt für Milliarden immer wieder durchstudiert und doch nie gemacht wurde, bevor SpaceX sie in kaum 5 Jahren in der Praxis entwickelt hat. „Cost is people“ ist eine oft gegen die bemannte Raumfahrt mißinterpretierte Feststellung aus der allgemeinen Wirtschaft, die sich in Wirklichkeit auf die Kosten der Entwicklung bezieht. Eine gewisse Anzahl Expertisen und daher ein Minimum an Personen braucht es, um ein bestimmtes Projekt durchzuentwickeln. Ob dabei am Ende ein erfolgreicher Flug steht, vielleicht nach einigen Fehlschlägen, oder nur alle Dinge immer wieder zyklisch nach allen denkbaren Eventualitäten abstudiert worden sind – bei gleicher Laufzeit sind die Kosten praktisch gleich, da in solchen Einzelentwicklungen mit Sonderbauteilen in geringster Stückzahl alles außer den elementaren Rohstoffen letztenendes Personalkosten sind. Entwickelt man in der Praxis, also im Versuch und in der Akzeptanz von Fehlschlägen (ohne Opfer!), so weiß man sogleich sicher, was funktioniert und was verbessert werden muß. Andernfalls weiß man sicher nur, was alles einmal nicht funktionieren könnte.
Die nötige Risikoakzeptanz ist aber in unserer in glücklichen Friedens- und Wohlstandszeiten gewachsenen Bewertungskultur nicht mehr vorhanden, bis zum Lehrsatz „man testet doch nie, bevor man nicht 100%ig weiß, daß es funktioniert!“. Es führt dazu, um im Beispiel der Trägerraketen zu bleiben, daß man selbst bei moderaten Um- und Weiterentwicklungen nach jahrzehntelang vor- und mitlaufenden Studienphasen dann doch mal einige Jahre ohne eine eigene leben muß, auch wenn der nächste Erststart doch gleich funktioniert, was er sehr oft und trotz aller Theorie eben nicht tut. Aber die Nutzlasten dieser Jahre kann man glücklicherweise bei SpaceX verbringen lassen, zuvor waren die auch eher in der (militärischen) Praxis gewachsenen chinesischen oder postsowjetischen Systeme die Lückenfüller.
In dieser langzeitplanungssicheren Welt ist es selbst den allermeisten Fachleuten im geradezu wörtlich-körperlichen Sinne unvorstellbar geworden, daß die Raumfahrt, wie wir sie heute kennen und nützlich genießen, also 3-Achsen-stabilisierte erdbezogene Anwendungssatelliten im zumeist niedrigen Erdorbit, vermittels oft eher mäßig geeigneter Bauteile aus der Luftfahrt in gerade mal 2 Jahren „von Null“ zu allen wesentlichen Funktionen eines Satelliten und zum überwiegend erfolgreichen Regelbetrieb entwickelt wurde. Dies geschah übrigens genauso, wie es heute SpaceX macht – der Dauerkritik der öffentlichen Untersuchungsgremien entzogen, „…and the XIIIth was a charm“ am 11. August 1960, was die Startversuche betrifft. Das mit ganz ähnlicher Technologie und Ansprüchen und fast zeitgleich zu CORONA gestartete Ranger-Programm der NASA brauchte 8 Jahre zum erfolgreichen Flug, was heute eine normale Erdsatelliten-Entwicklungszeit ist. Obwohl alles wesentliche bereits seitdem erfunden und immer wieder verbessert und erprobt ist.
Das Ende der Risikoakzeptanz als Preis für den greifbaren Erfolg und miterlebbaren Fortschritt in der unbemannten Erkundung des Weltalls und der Erde aus dem Orbit kam spätestens Mitte der 1970er Jahre, sinnbildlich stehen dafür die letzten Doppelstart-Missionen Viking und Voyager. Die auf Null-Risiko-Priorität durchstudierte (d.h., westliche) Welt danach brauchte jeweils etwa zwei Jahrzehnte, um wieder zu Mond, Venus, Mars und Jupiter vorzudringen. Magellan war im wesentlichen Voyager 3, das flight spare, und glänzend erfolgreich; Mars Observer wurde verspielt, weil man Teile für Erdsatelliten als besonders risikoarm bewertete; und Galileo wurde am Ende eines ewigen und nie ganz gelösten cliffhangers ein doch noch recht erfolgreiches Lehrstück der Folgen des nicht-fliegens und der Halbwertzeit der einmal erworbenen Flugerfahrung.
In unserer Zeit kann der Wandel zu dieser Einstellung global katastrophale Folgen haben, denn er ist, anders als in der sehr kleinen Raumfahrtwelt durch NewSpace, noch nicht in Umkehr begriffen. Wer, der jetzt über seine Heizung und deren Primärenergiequelle nachdenkt, würde wohl einsteigen auf ein Konzept, das in weiten Teilen auf neuen Werkstoffen beruht, von denen einige noch nicht erfunden wurden, und das Belastungen aushalten muß, die ein Vielfaches von dem sind, was man bisher erlebt hat, und dabei zusammengesetzt sein müssen mit einer Präzision, die die der besten Mobiltelephone übersteigt, und das gemacht werden muß, und richtig gemachen werden muß, wobei wir es als Erste machen müssen, bevor die Zeit dafür vorüber ist, während wir uns dieser Herausforderung stellen, und allen anderen auch?
Wer den Klimawandel rechtzeitig stemmen will, wird’s müssen.
Wer vor‘m Ende des Jahrzehnts auf dem Mond sein wollte, hat’s vorgemacht.
…und Ted Sorensen hat’s Präsident Kennedy in der tiefsten Essenz unübertrefflich aufgeschrieben.
Zurück von der Erde zu Sterne und Weltraum: Da das Starship zuerst vorallem technisch-notwendig-große unbemannte Missionen gerade auch in der Astrophysik ermöglichen wird [1,2], ist sehr zu hoffen, und eigentlich alles nur erdenkliche dafür zu tun, daß seine Entwicklung weiter so voranschreiten darf, wie es SpaceX bisher nach der am Ende erfolgreicheren und billigeren und schnelleren Art der guten alten Zeit der Raumfahrt mit der Falcon-1 und -9 (vor)machen durfte – es ist wirklich der seidene Faden des behördlichen „darf“, der immer über dieser Entwicklung schwebte!
Die Gelegenheit dazu ist sehr zerbrechlich und heute sehr selten, aber manchmal, ganz selten, darf man es sogar bei uns auch mal ausprobieren, ob es noch so geht, wie früher.
Kommentar Starship SuW 7/2023/18-19
13.06.2023, Thimo GrundmannDaß rein flüssiggetriebene Großraketen durchaus eine Weile auf dem Starttisch hochlaufen, ist nicht ungewöhnlich, es fällt im Zeitalter der Feststoffbooster nur nicht mehr so doll auf. Wir haben uns dran gewöhnt, daß die Rakete abhebt, kaum daß die großen graubraunweißen Staubwolken aus dem Abgasschacht schießen, und sie dann auf einem dichten Rauchkegel aufsteigt. Das hat, neben Standard-Special-Effects-plugins im Kino, vier übersichtliche Gründe: i) ein Feststofftriebwerk zündet nicht, explodiert, oder läuft – innerhalb gut einer Sekunde, und ist bei seiner einmal getroffenen Wahl nicht zu stoppen; ii) bei 2-Großbooster-Konfigurationen wie Shuttle oder Ariane 5 schlägt die Rakete einen Salto, wenn sie nicht das selbe tun, weshalb man die Rakete praktisch im Moment der Zündung der booster von der Rampe entriegelt; iii) Flüssigtriebwerke kann man einregeln und abschalten, aber nicht ganz sofort; und iv) ist deren Abgas am Boden zunächst fast unsichtbar – bei Wassersprühvorhängen im Abgasschacht der Rampe sieht man überwiegend das verdampfte Wasser als reinweiße Kondenswolke rausgeblasen. Die Flüssigtriebwerke der Zentralstufe werden etwa 5 bis 20 Sekunden vor der Boosterzündung, also eben aus geschilderten Gründen dem Abheben an sich, gezündet und hochgefahren. Am schönsten zu sehen beim Shuttle wegen der seitlichen Anordnung und des in nur eine Richtung ausblasenden Wasservorhangs, und FreundInnen des Vintage Space klingt hier vielleicht T.J. O’Malley (links im Bild) im Ohr, "T-minus 18 seconds and counting, engine start" – so lang dauerte es bei der ursprünglichen Atlas.
Daß dann die Brocken heftig fliegen, ist erstmal grundsätzlich nicht ungewöhnlich bis ganz normal. Am schönsten kann man dies in dem IMAX-3D-Film Space Station (2002) sehen, worin 1998 eine damals schon weit über 100 mal geflogene Proton von ihrer etwa halb so oft genutzten, übrigens gänzlich trockenen Rampe abhebt, und dann … keine SPOILER! Erosion durch überschallschnelle Gase ist so eine Sache, die etwas unintuitiv ist. Daß Brocken vom seitwärts umgelenkten Abgasstrahl mitgerissen werden, ist klar. Man möchte gern annehmen, daß dort, wo er ziemlich senkrecht auf eine fest betonierte Fläche trifft, diese vom Staudruck des Abgases eigentlich nur noch fester an den Boden gepreßt würde.
Aber es fließen Überschallströmungen anders als der gewohnte Sturm; tatsächlich können sie als sogenannter Expansionsfächer sogar enge 180°-Knicke umlaufen und dabei beschleunigen. Das ist, als ob ein starker Landregen glatt ein dachziegelgedecktes Giebeldach herabläuft und plötzlich aus den Schindelspalten aufwärts in den Dachboden schießen würde. Im Gegensatz zum Wind erfährt ein ankommendes Gasmolekül in einer Überschallströmung nicht vorab eine Ablenkung durch Druckänderungen, bzw. gewissermaßen, auf was es da gerade zukommt, da sich Druckänderungen nur mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten, und so ab der Schallgeschwindigkeit nicht mehr entgegen der Strömung zurücklaufen können. Trifft sie auf ein Hindernis, stapeln sich die Moleküle sozusagen vor ihm; die sehr scharfe Übergangslinie von der freien Überschallströmung (dem Triebwerksstrahl) zur praktisch stehenden Luftschicht vor dem Hindernis (knapp über dem Boden) nennt man Stoß. Bei bewegten Objekten kennen wir sie als Überschallknall. Vor dem Stoß ist hier das Gas verdünnt, sehr heiß, und sehr schnell; dahinter noch heißer, sehr dicht und unter hohem Druck. Im Prinzip wird die Bewegungsenergie in Druck und zusätzliche Hitze umgesetzt. Das Gas kann nun durch ein Zusammenwirken beider Phänomene in feine Poren und Spalten des Bodenbelags eindringen und diese im Untergrund unter Druck setzen und die Umgebung stark erhitzen. Besonders am Übergang vom stoßverdichteten Staugebiet zum expandiert seitlich fließenden Bereich im Abgasschacht, der wild turbulent vor- und zurückspringt, kann das hochverdichtet eingekrochene Gas, das durch die feinen Spalten gedrosselt nicht ebensoschnell sich ausgleichen kann, wie ein Netzwerk von Sprengschnüren wirken. Fliegt von ihm angehoben erstmal eine Betonplacke weg und legt ihre Kanten als Angriffsflächen und weicheren Untergrund frei, folgt der Rest wie eine Lawine aus Blechdächern im Hurricane.
Das passiert auch in Großraketen sehr erfahrenen Betreibern, z.B. hat nach der Erfahrung von hunderten Starts im Kaliber der Falcon-9 die sowjetische Energia bei ihrem Erststart, ebenso wie jetzt die Super Heavy des Starship, ihre Startrampe regelrecht abgerissen, bei einem kurzen Kippmanöver nach dem Abheben.
Denn auch das Kippen von Großraketen im Startvorgang ist durchaus nicht unüblich, eben weil sich dabei nicht nur die Rakete so schnell wie möglich von der Rampe entfernt, sondern auch ihr mehrfach größerer Abgasstrahl. Kurz nach dem tatsächlich senkrechten Lösen von der Rampe werden dabei die Triebwerke etwas weg vom Startturm geschwenkt, so daß ihr zunehmend aus dem Flammenloch des Tisches wachsender Abgasstrahl etwas vom Turm weg bläst, nicht zu ihm gelenkt wird von der Flammenlochkante oder der Tischfläche, und den Turm mit all seinen Leitungen und Kabeln möglichst nur durch seine enorme Wärmestrahlung und Schallintensität beschädigen kann. Trotzdem sieht man oft schon nach Sekunden dessen Schutzfarbe und die Isolation der von der Rakete wegfallenden Verbindungsleitungen abrauchen. Dieses sanfte Manöver drückt das Heck der Rakete zwar zunächst etwas näher zum Turm, aber kippt im Gegenzug ihre Spitze auf einen von ihm weg weisenden Kurs. Bei einem Kippwinkel von wenigen Grad wird gegengesteuert. Nun hat sich der Mittelpunkt der Rakete schon etwas vom Turm entfernt, so daß der jetzt leicht zum Turm hin schwenkende Triebwerksstrahl ihn nicht mehr berührt, sondern in das Flammenloch des Starttisches bläst, oder auf dessen vom Turm abgewandten Rand, den man von empfindlicheren Installationen eher freihalten kann, während die Rakete langsam wieder in die Senkrechte kommt.
Diese Drehung kann man mit den Triebwerken in Neutrallage noch etwas überschießen lassen, wobei der Abgasstrahl mit vom Turm wegdreht, bis die Rakete in ihrem schneller werdenden Aufstieg seitwärts wieder in Richtung Turm gleitet, und erst dann gegensteuern, was wiederum eine Schwenkung des Abgasstrahls vom Turm weg bedingt, und etwa bei „tower clear“ oder etwas höher passiert, so daß sowohl der sich nach unten ausweitende Abgasstrahl den Turm möglichst verschont als auch seine nun auf voller Breitseite kommende Wärmestrahlung ihn nur aus möglichst großem Abstand beleuchtet.
Am besten kann man dieses Manöver bei längeren Aufnahmen von Starts der Saturn V aus der richtigen Blickrichtung oder von ihrem Flammenschlag auf den Starttisch sehen. Es mag nun beim Starship wie bei der Energia zu einer Verstärkung dieser Bewegung gekommen sein, vielleicht durch die Triebwerksausfälle. (Bei der Energia war es ein Verschlucker im Steuerungssystem, den es automatisch korrigierte.)
Triebwerksausfälle oder – häufiger – Tankperforationen durch zurückprallende, vom Triebwerksstrahl weggeschleuderte Objekte, sind auch nichts neues, und selbst bei größter Sauberkeit bei einem unerwarteten Teilabriß der Startrampe folgerichtig-unerwartet. Flüssigraketen mit mehr als etwa 3 Triebwerken verpacken den kontrollierten (also nicht-explosiven) Ausfall eines kleineren Anteils der Antriebe meist ganz gut. Bei eher wenigen Triebwerken, die deshalb nah beieinander liegen, kann der Schwenkbereich der verbleibenden Triebwerke den asymmetrischen Schub noch ausgleichen, und der fehlende Schub kann durch eine längere Brennzeit weitgehend kompensiert werden. Bei der Saturn V ist das bei Apollo 6 und 13 vorgekommen, mit Abschaltung von bis zu 2 von 5 Triebwerken.
Raketen mit vielen Triebwerken haben breitere Anordnungen, dann muß beim Ausfall eines äußeren Triebwerks das gegenüberliegende ebenfalls abgeschaltet werden, vor allem, wenn nicht alle schwenkbar sind. Diese Technik ist nicht ganz trivial, wie die sowjetischen Raumfahrer bei ihrer Mondrakete N1 leidvoll erfahren mußten, da aus den laufenden Daten von dutzenden Meßpunkten pro Triebwerk ‘live‘ ein unmittelbar bevorstehender Ausfall in Sekundenbruchteilen möglichst ohne Fehlalarm erkannt, und die richtige Kompensationsmaßnahme treffend umgesetzt werden muß. Dabei können die Maßnahmen um den Stufentrennungsvorgang und bei Brennzeitveränderungen der Stufen noch wesentlich variantenreicher werden und über die Steuerung einzelner Antriebe hinausreichen. Beim ersten Flug der N1 hätte die nach Rohrbrüchen brennende erste Stufe den kurzen Rest ihres Fluges noch fortsetzen können bis zur Stufentrennung; beim vierten und letzten Flug hätte man sie verfrüht abtrennen und mit der zweiten Stufe weiterfliegen können.
Die Untersuchung der FAA wird sicher lehrreich sein, jedoch wird sich auch das Dilemma der mittlerweile gewohnten Sicherheitskultur zeigen, die bei der FAA an der Flugunfalluntersuchung gewachsen ist und sich in der Öffentlichkeit an den überwiegend wahrgenommenen bemannten Flugplänen des Starship orientiert, die sicherlich und von vornherein immer in sehr weiter Zukunft lagen. Wer Musk 2016 in Guadalajara zuhören konnte, hat zwischen den Zeilen zum Greifen klar wahrnehmen können, daß er sich da garnicht sicher war, bemannte Flüge selbst noch erleben zu können.
Die Falcon-1 und -9 sind, obwohl sie von Anfang an und offen angesagt auf recht gerader Linie hin zu soetwas wie dem Starship entwickelt wurden, und nun in unserem Auftrag als ISS-betreibende Länder recht unspektakulär Astronauten dorthin tragen, bei weitem nicht so kritisch begleitet worden – eher amüsiert über den neureichen Raketen-Quax, der so viele spektakuläre Brüche baut.
Genau das, aber vorallem die Vielzahl von „unscheduled rapid disassemblies“ hat es erst ermöglicht, in kaum 10 Jahren eine konzeptionell völlig neue Raumfahrt bis in den Alltagsbetrieb zu entwickeln, was der steuerfinanzierten Raumfahrt in 6 Jahrzehnten nicht in Ansätzen gelungen ist, obwohl alle von SpaceX verwendeten Methoden und Verfahren schon noch länger zuvor auf dem Tisch lagen – die früheren Raumfahrtpioniere konnten sich nämlich garnicht vorstellen, eine Rakete einfach wegzuwerfen, wo es irgend noch vermeidbar war. Das kam ihnen nur als Unfall auf der ansteigenden Lernkurve unter. Das Konzept der Wegwerfrakete kam erst dazu, als sie nach Jahrzehnten der intensiven Ablehnung und allgemeiner der Lächerlichmachung der Erforschung des Weltraums im Zivilen, ausgerechnet vom stockkonservativen Militär endlich als nützlich erkannt wurden – und welche Schaffenskräftigen sind das nicht gerne, in voriger und völliger Unkenntnis der Zukunft des mittleren 20. Jhd.?
Tatsächlich kann man zeigen, daß in der Raumfahrt (und vielen anderen ähnlich gelagerten Bereichen) nur Versuch klug macht, das dann aber auch gleich am schnellsten und effektivsten. In der frühen Luftfahrt war es ebenso, bloß mangels Autopilot viel opferreicher. Die Intuition, daß solche Fehlschläge wie dieser erste Startversuch des Starship teuer und vermeidbar sind, liegt doppelt falsch. Mit am besten zeigt das die Entwicklung wiederverwendbarer Trägerraketen, die von einer beileibe nicht inkompetenten Raumfahrtagenturen- und Industriewelt für Milliarden immer wieder durchstudiert und doch nie gemacht wurde, bevor SpaceX sie in kaum 5 Jahren in der Praxis entwickelt hat. „Cost is people“ ist eine oft gegen die bemannte Raumfahrt mißinterpretierte Feststellung aus der allgemeinen Wirtschaft, die sich in Wirklichkeit auf die Kosten der Entwicklung bezieht. Eine gewisse Anzahl Expertisen und daher ein Minimum an Personen braucht es, um ein bestimmtes Projekt durchzuentwickeln. Ob dabei am Ende ein erfolgreicher Flug steht, vielleicht nach einigen Fehlschlägen, oder nur alle Dinge immer wieder zyklisch nach allen denkbaren Eventualitäten abstudiert worden sind – bei gleicher Laufzeit sind die Kosten praktisch gleich, da in solchen Einzelentwicklungen mit Sonderbauteilen in geringster Stückzahl alles außer den elementaren Rohstoffen letztenendes Personalkosten sind. Entwickelt man in der Praxis, also im Versuch und in der Akzeptanz von Fehlschlägen (ohne Opfer!), so weiß man sogleich sicher, was funktioniert und was verbessert werden muß. Andernfalls weiß man sicher nur, was alles einmal nicht funktionieren könnte.
Die nötige Risikoakzeptanz ist aber in unserer in glücklichen Friedens- und Wohlstandszeiten gewachsenen Bewertungskultur nicht mehr vorhanden, bis zum Lehrsatz „man testet doch nie, bevor man nicht 100%ig weiß, daß es funktioniert!“. Es führt dazu, um im Beispiel der Trägerraketen zu bleiben, daß man selbst bei moderaten Um- und Weiterentwicklungen nach jahrzehntelang vor- und mitlaufenden Studienphasen dann doch mal einige Jahre ohne eine eigene leben muß, auch wenn der nächste Erststart doch gleich funktioniert, was er sehr oft und trotz aller Theorie eben nicht tut. Aber die Nutzlasten dieser Jahre kann man glücklicherweise bei SpaceX verbringen lassen, zuvor waren die auch eher in der (militärischen) Praxis gewachsenen chinesischen oder postsowjetischen Systeme die Lückenfüller.
In dieser langzeitplanungssicheren Welt ist es selbst den allermeisten Fachleuten im geradezu wörtlich-körperlichen Sinne unvorstellbar geworden, daß die Raumfahrt, wie wir sie heute kennen und nützlich genießen, also 3-Achsen-stabilisierte erdbezogene Anwendungssatelliten im zumeist niedrigen Erdorbit, vermittels oft eher mäßig geeigneter Bauteile aus der Luftfahrt in gerade mal 2 Jahren „von Null“ zu allen wesentlichen Funktionen eines Satelliten und zum überwiegend erfolgreichen Regelbetrieb entwickelt wurde. Dies geschah übrigens genauso, wie es heute SpaceX macht – der Dauerkritik der öffentlichen Untersuchungsgremien entzogen, „…and the XIIIth was a charm“ am 11. August 1960, was die Startversuche betrifft. Das mit ganz ähnlicher Technologie und Ansprüchen und fast zeitgleich zu CORONA gestartete Ranger-Programm der NASA brauchte 8 Jahre zum erfolgreichen Flug, was heute eine normale Erdsatelliten-Entwicklungszeit ist. Obwohl alles wesentliche bereits seitdem erfunden und immer wieder verbessert und erprobt ist.
Das Ende der Risikoakzeptanz als Preis für den greifbaren Erfolg und miterlebbaren Fortschritt in der unbemannten Erkundung des Weltalls und der Erde aus dem Orbit kam spätestens Mitte der 1970er Jahre, sinnbildlich stehen dafür die letzten Doppelstart-Missionen Viking und Voyager. Die auf Null-Risiko-Priorität durchstudierte (d.h., westliche) Welt danach brauchte jeweils etwa zwei Jahrzehnte, um wieder zu Mond, Venus, Mars und Jupiter vorzudringen. Magellan war im wesentlichen Voyager 3, das flight spare, und glänzend erfolgreich; Mars Observer wurde verspielt, weil man Teile für Erdsatelliten als besonders risikoarm bewertete; und Galileo wurde am Ende eines ewigen und nie ganz gelösten cliffhangers ein doch noch recht erfolgreiches Lehrstück der Folgen des nicht-fliegens und der Halbwertzeit der einmal erworbenen Flugerfahrung.
In unserer Zeit kann der Wandel zu dieser Einstellung global katastrophale Folgen haben, denn er ist, anders als in der sehr kleinen Raumfahrtwelt durch NewSpace, noch nicht in Umkehr begriffen. Wer, der jetzt über seine Heizung und deren Primärenergiequelle nachdenkt, würde wohl einsteigen auf ein Konzept, das in weiten Teilen auf neuen Werkstoffen beruht, von denen einige noch nicht erfunden wurden, und das Belastungen aushalten muß, die ein Vielfaches von dem sind, was man bisher erlebt hat, und dabei zusammengesetzt sein müssen mit einer Präzision, die die der besten Mobiltelephone übersteigt, und das gemacht werden muß, und richtig gemachen werden muß, wobei wir es als Erste machen müssen, bevor die Zeit dafür vorüber ist, während wir uns dieser Herausforderung stellen, und allen anderen auch?
Wer den Klimawandel rechtzeitig stemmen will, wird’s müssen.
Wer vor‘m Ende des Jahrzehnts auf dem Mond sein wollte, hat’s vorgemacht.
…und Ted Sorensen hat’s Präsident Kennedy in der tiefsten Essenz unübertrefflich aufgeschrieben.
Zurück von der Erde zu Sterne und Weltraum: Da das Starship zuerst vorallem technisch-notwendig-große unbemannte Missionen gerade auch in der Astrophysik ermöglichen wird [1,2], ist sehr zu hoffen, und eigentlich alles nur erdenkliche dafür zu tun, daß seine Entwicklung weiter so voranschreiten darf, wie es SpaceX bisher nach der am Ende erfolgreicheren und billigeren und schnelleren Art der guten alten Zeit der Raumfahrt mit der Falcon-1 und -9 (vor)machen durfte – es ist wirklich der seidene Faden des behördlichen „darf“, der immer über dieser Entwicklung schwebte!
Die Gelegenheit dazu ist sehr zerbrechlich und heute sehr selten, aber manchmal, ganz selten, darf man es sogar bei uns auch mal ausprobieren, ob es noch so geht, wie früher.
Und es geht.
Und es ist spottbillig.
Und es macht wirklich Spaß! [3]
Herzliche Grüße,
Thimo Grundmann
[1] Elvis et al., Physics Today 76 (2), 40–45 (2023), https://doi.org/10.1063/PT.3.5176 , https://pubs.aip.org/physicstoday/article/76/2/40/2869438/Accelerating-astrophysics-with-the-SpaceX
[2] Schael et al., 2019, https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.162561 & SuW 6/2017
[3] Grimm et al., 2019, https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2018.11.001 , https://elib.dlr.de/122168/ & Grimm & Hendrikse, 2019, https://doi.org/10.1016/j.mex.2019.08.010 , https://elib.dlr.de/125352/