Nachdem es mit hoher Geschwindigkeit aus dem Weltraum auf die Erde zurückgestürzt ist, treibt das größte Raumschiff von Elon Musk derzeit auf dem Indischen Ozean.
Heute früh nach Pekinger Zeit hob die stärkste Rakete in der Menschheitsgeschichte erneut von der Startrampe 2 des Starship-Basiss am Meeresstrand an der Grenze zwischen den USA und Mexiko ab.
Dies ist der 13. Testflug des SpaceX Starship und zugleich der zweite Start der V3-Version des Starships.
Moment der Zündung und des Aufstiegs beim 13. Testflug des Starships | Luftaufnahme von RGV
Vor zwei Monaten war die Premiere des V3-Starships voller spannender Momente: Die erste Stufe der Rakete kippte bei der Trennung unerklärlicherweise um fast 90 Grad, fünf Triebwerke ließen sich nicht normal neu starten, und das Triebwerk der zweiten Stufe erlosch unerwartet im Weltraum.
Daher hob die zweite V3-Starship diesmal mit einem „Bericht zur Korrektur von Fehlern“ für eine Wiederholungsprüfung ab.
Aufstiegsbild des 13. Testflugs des Starships | Max Evans / NSF
Die „Wiederholungsprüfung“ des V3-Starships
Das heute gestartete Starship besteht aus zwei übereinander gestapelten Teilen.
Die erste Stufe der Rakete mit der Nummer B20 ist 72 Meter hoch, entspricht 24 Stockwerken, fasst etwa 3650 Tonnen Treibmittel und ist mit 33 Raptor-3-Triebwerken ausgestattet.
Die zweite Stufe des Starships mit der Nummer S40 ist 52 Meter hoch, fasst etwa 1600 Tonnen Treibmittel und verfügt ebenfalls über eine volle Konfiguration mit Raptor-3-Triebwerken.
Anders als beim letzten Testflug beförderte das Starship diesmal 20 echte V3-Starlink-Satelliten in seiner Nutzlastkammer – echte Satelliten, die mit großem Aufwand gebaut wurden und eigentlich für den Betrieb im Netz vorgesehen waren.
Der gestapelte B20/S40-Starship-Komplex | SpaceX
Dieser Flug war noch ein suborbitaler Flug. Suborbital bedeutet, dass die Rakete die Atmosphäre verlässt und den Weltraum erreicht, aber nicht genug Geschwindigkeit hat, um die Erde zu umkreisen.
Das Starship ist durchaus in der Lage, eine Umlaufbahn zu erreichen, aber die Aufsichtsbehörden haben dies noch nicht genehmigt. Das bestimmt auch das Schicksal der 20 Satelliten: Sie kehren gemeinsam mit dem Starship wieder in die Atmosphäre zurück und verbrennen zu einer Reihe von Sternschnuppen.
2 Minuten und 18 Sekunden nach dem Start schalteten 30 der 33 Triebwerke der ersten Stufe aus, während 3 Triebwerke weiterliefen, um die Lage zu steuern. 3 Sekunden später zündete die zweite Stufe, die noch auf dem Rücken der ersten Stufe saß, direkt an, und die Abgase der 6 Triebwerke strömten durch den gitterartigen Zwischenstufenbereich und schoben die erste Stufe weg.
Dieses Manöver, bei dem die Zündung vor der vollständigen Trennung erfolgt, wird als Heißtrennung bezeichnet. Es spart Zeit und Aufwand, stellt aber eine Herausforderung für die Lagesteuerung dar. Beim ersten Flug des V3-Starships kippte die erste Stufe bei diesem Vorgang durch den Abgasstrom der zweiten Stufe um fast 90 Grad.
Nach der Trennung startete die erste Stufe erfolgreich die Rückzündung und flog zum vorgesehenen Landeplatz im Golf von Mexiko zurück.
Nach dem ursprünglichen Plan sollte B20 6 Minuten und 53 Sekunden nach der Zündung die Triebwerke zünden, um abzubremsen, und langsam an einem „virtuellen Landeplatz“ auf dem Meer niedergehen.
Ein virtueller Landeplatz bedeutet, dass SpaceX einen Kreis auf dem Meer markiert, so als stünde dort eine Startplattform, und die Rakete die gesamte Sequenz übt, von einem mechanischen Arm aufgefangen zu werden.
Aber beim heutigen Testflug zündeten mehrere Triebwerke nicht, als B20 zur Landung zündete, sodass die erste Stufe nicht genug abbremsen konnte und auf dem Meer aufschlug. Die geplante simulierte Bergung der ersten Stufe auf See wurde nicht abgeschlossen.
Auf der anderen Seite stieg die getrennte zweite Stufe S40 weiter auf und gab die 20 echten V3-Starlink-Satelliten nacheinander aus der Nutzlastkammer frei.
Nach dem Verlassen der Kammer entfalteten die Satelliten ihre Solarpaneele und Phased-Array-Antennen, nahmen Kontakt zu den Bodenstationen auf, bauten Laserkommunikationsverbindungen zu den aktiven Starlink-Konstellationen im Weltraum auf und übten den gesamten Ablauf vor der Inbetriebnahme.
Sechs der Satelliten waren mit Kameras ausgestattet, die nach dem Freisetzen extra zurückblickten, Fotos vom Starship machten, seine Hitzeschutzkacheln scannten und die Bilder in Echtzeit zur Erde übertrugen. SpaceX hat sogar mehrere Hitzeschutzkacheln absichtlich weiß gestrichen, um sie als Referenzziel zu verwenden und zu prüfen, ob Kacheln während des Fluges abfallen.
Nach dem Freisetzen der Satelliten absolvierte S40 eine entscheidende Wiederholungsprüfung: Das einzelne Triebwerk zündete im Weltraum erfolgreich neu.
Um die Genehmigung für den Umlaufbahnflug zu erhalten, muss das Starship nachweisen, dass es jederzeit sicher zurückkehren kann, also über eine zuverlässige kontrollierte Fähigkeit zur Verlassen der Umlaufbahn verfügt. Andernfalls wäre ein hundert Tonnen schweres großes Objekt mit Hitzeschutzkacheln, das unkontrolliert im Weltraum schwebt, eine Gefahr für die gesamte Menschheit.
Beim letzten Testflug wurde dieses Experiment wegen eines Triebwerkfehlers abgebrochen, was einer der Gründe war, warum dieser Flug nur suborbital stattfand.
Am Ende des Fluges tauchte das Starship S40 wieder in die Atmosphäre ein. Zehntausende Hitzeschutzkacheln auf der windzugewandten Seite widerstanden der aerodynamischen Erhitzung von Tausenden von Grad, dann passte die Rakete ihre Lage mit 4 Steuerflächen an, zündete zum Abbremsen und landete senkrecht im vorgesehenen Seegebiet des Indischen Ozeans.
Die 20 Satelliten hatten dieses Schicksal nicht: Sie hatten keine Hitzeschutzkacheln und verwandelten sich durch die starke Reibung in der Atmosphäre in eine Reihe von Sternschnuppen, die diese Reise beendeten.
Erwähnenswert ist, dass das Starship S40 nach der Landung auf See nicht wie früher explodierte, sondern intakt auf dem Wasser schwamm und sogar normal Telemetriedaten zur Erde übertrug. Aus dem offiziellen Livestream von SpaceX geht hervor, dass die Hitzeschutzkacheln auf der windzugewandten Seite des Raumschiffs weitgehend intakt sind.
Fehler erkennen, korrigieren und sofort weiterfliegen
In der Luft- und Raumfahrtbranche wird der Prozess, nach einem Raketenausfall die Ursache gründlich zu ermitteln und vollständig zu korrigieren, umgangssprachlich als „Nullstellung“ bezeichnet. Das bedeutet, das Problem bis zur Wurzel zu verfolgen und vollständig zu beheben, ohne offene Punkte zu hinterlassen.
Die Nullstellung in der traditionellen Luft- und Raumfahrt dauert oft Monate oder sogar Jahre, während die Geschwindigkeit der Nullstellung bei SpaceX in der Branche als „Lichtgeschwindigkeit“ bekannt ist: Im Februar dieses Jahres schlug das Triebwerk der zweiten Stufe einer Falcon-9-Rakete bei einem Starlink-Start die Verlassen der Umlaufbahn fehl. Von der Unfalluntersuchung bis zur abgeschlossenen Korrektur vergingen nur 5 Tage.
Der heutige Testflug des Starships ist eine umfassende Überprüfung der Ergebnisse der Nullstellung der drei großen Anomalien beim ersten Flug des V3-Starships.
Die erste Anomalie trat im Moment der Trennung von erster und zweiter Stufe auf.
Beim letzten Flug trafen die Abgase der gezündeten zweiten Stufe auf die erste Stufe, und die drei verbliebenen Triebwerke der ersten Stufe schoben zusätzlich. Die beiden Kräfte koordinierten sich nicht gut, erzeugten ein asymmetrisches Drehmoment, und das damalige Steuerprogramm hatte nicht genug Fehlertoleranz für diese Abweichung. Infolgedessen kippte die erste Stufe um fast 90 Grad und gefährdete fast den sicheren Abstand bei der Trennung der Stufen.
SpaceXs Lösung bestand darin, die Zündzeitfolge der Triebwerke zu ändern und gleichzeitig die Fehlertoleranz des Steuerprogramms zu verbessern, damit die erste Stufe nach der Trennung den Weg frei gibt.
Das Lageverhalten der ersten Stufe bei der heutigen Heißtrennung ist das direkte Ergebnis dieser Korrektur.
Die zweite Anomalie konzentrierte sich auf das Antriebssystem.
Beim letzten Flug traten bei 5 der 33 Raptor-3-Triebwerke der ersten Stufe beim Zünden zum Rückflug Anomalien auf.
Obwohl die Struktur des Raptor-3 stark vereinfacht wurde, ist die zuverlässige Neuzündung in der Höhenniederdruckumgebung eine schwierige Herausforderung für Sauerstoff-Methan-Triebwerke.
Das Ergebnis der Nullstellung war, dass der Hardware bei der Neuzündung in großer Höhe nicht genug Reserve zur Verfügung stand, was bedeutet, dass die im Design vorgesehene Sicherheitsreserve zu knapp bemessen war. Dazu hat SpaceX die Hardware verbessert und die Zündungen wiederholt auf dem Prüfstand am Boden getestet.
Aber beim heutigen Zünden der ersten Stufe zur Landung zündeten mehrere Triebwerke nicht erfolgreich, was zeigt, dass die Zuverlässigkeit der Raptor-3-Triebwerke noch verbessert werden muss.
Die dritte Anomalie war am spektakulärsten.
Beim letzten Flug erlosch eines der vakuumtauglichen Triebwerke der zweiten Stufe etwa 40 Sekunden nach der Trennung plötzlich. Glücklicherweise verfügte das Starship über eine redundante Antriebsleistung. Mit der verlängerten Betriebszeit und dem erhöhten Schub der übrigen Triebwerke wurde der Flug gerettet. Aber der Preis war, dass das geplante Experiment zur Zündung zum Verlassen der Umlaufbahn abgesagt werden musste.
Wie bereits erwähnt: Ohne den Nachweis der Fähigkeit, die Umlaufbahn zu verlassen, kann keine Genehmigung für den Umlaufbahnflug erhalten werden. Das zwang das Starship zu einem weiteren suborbitalen Flug.
Bei der Nullstellung stellte sich heraus, dass das Problem sowohl an der Zuverlässigkeit der Triebwerkshardware als auch an der Software für die Verwaltung der Treibmittel während des Gleitflugs im Weltraum lag. SpaceX hat eine doppelte Lösung erarbeitet: Die Verwaltungslogik für kryogenes Treibmittel optimieren und gleichzeitig die Flugverfahren überarbeiten, um diesen Vorgang einer strengeren Überwachung zu unterziehen.
Dass S40 im Umlaufbahnabschnitt heute normal funktionierte und die Zündung im Weltraum auf Anhieb gelang, bestätigt den Erfolg der Korrekturmaßnahmen.
Neben der Behebung der alten Probleme testete dieser Testflug auch mehrere Verbesserungen am Wärmeschutzsystem: An den hinteren Steuerflächen wurden mehrere experimentelle Hitzeschutzkacheln angebracht, einige mit integrierten Sensoren, um die tatsächliche Belastung der Kacheln unter hohem Stress zu messen. Die Hitzeschutzkacheln am Rand des Triebwerksraums wurden mit verbesserten Verbindungsmechanismen ausgestattet, um reale Flugdaten für verschiedene Lösungen zu sammeln.
Die Hitzeschutzkacheln des Starships waren früher berüchtigt für ihre schlechte Qualität: Schon eine statische Zündung konnte die Kacheln herumwirbeln. Von überall her zerbrochenen Kacheln bis zum Widerstand des gesamten Wiedereintritts hat dieser Schwachpunkt sich allmählich verbessert, und er ist eine der letzten Hürden für die schnelle Wiederverwendung des Starships.
Der sich im Bau befindliche Spitzenkegel der zweiten Stufe des Starships in der Werkstatt, wo kleinere weiße Hitzeschutzkacheln zu sehen sind – diese werden für zukünftige Missionen verwendet | NasaSpaceFlight
Was wurde für die verbrannten 20 Satelliten gewonnen?
Was die Branche heute wirklich verwirrt, sind die 20 echten V3-Starlink-Satelliten. 20 Satelliten, die mit großem Aufwand gebaut wurden, flogen nur ein paar Dutzend Minuten im Weltraum, bevor sie in die Atmosphäre eintraten und verbrannten.
Der Hauptgrund ist natürlich „viel Geld und keine Sorgen“, aber das V3-Starlink ist keine einfache Vergrößerung der aktuellen Starlink-Satelliten, sondern ein komplett neu entwickelter riesiger Satellit.
Jeder Satellit wiegt etwa 2 Tonnen, die Solarpaneele haben nach dem Entfalten eine Fläche von etwa 257 Quadratmetern (maximal erweiterbar auf etwa 500 Quadratmeter) und seine Form gleicht der eines Boeing-737-Flugzeugs.
Die Stromerzeugungsleistung beträgt etwa 20-25 Kilowatt, in der maximal erweiterten Konfiguration kann sie über 100 Kilowatt erreichen, was dem Stromverbrauch von mehr als einem Dutzend Haushalten entspricht.
Die Kommunikationsbandbreite eines einzelnen Satelliten zur Erde beträgt bis zu 1 Tbps, mehr als das 10-fache des aktuellen Hauptmodells V2 Mini. Ein einziger Satellit reicht aus, damit Hund