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Zur Herstellung der wiederverwendbaren Rakete Falcon 9

Werden Zivilisten einst die Erdumlaufbahn erobern oder gar zu fernen Planeten fliegen? Glaubte man Elon Musks Plänen, im Jahr 2050 eine Stadt auf dem Mars zu bauen, so wäre alles möglich. Aber derzeit können Menschen in der Regel nur von Ferne bei der Erforschung anderer Planeten zusehen und daran teilhaben. Eine der Raketen, die dies möglich machen, ist die Falcon 9.

Die SpaceX Falcon 9 ist eine zweistufige Rakete, die teilweise wiederverwendbar ist. Sie soll die Weltraumforschung voranbringen und den Transport von Satelliten deutlich günstiger machen. Außerdem kann sie bemannte Raumschiffe in die Umlaufbahn bringen. Die neueste Version der ersten Raketenstufe der Falcon 9 kann zur Erde zurückkehren und mehrfach wiederverwendet werden.

Die Entwicklung der SpaceX Falcon 9 Rakete 

SpaceX unter der Leitung des Unternehmers und Milliardärs Elon Musk begann in 2002. Die ursprüngliche Idee war, die Luft- und Raumfahrt zu revolutionieren und das Weltraumreisen zu entwickeln. Der Hersteller und Musk begannen mit der Falcon 1. Die Rakete hatte eine Nutzlast von 670 kg. Es war die erste mit Flüssigtreibstoff betriebene Trägerrakete eines Privatunternehmens, die die Erdumlaufbahn erreichte. Nach drei Fehlstarts landete die Falcon 1 am 14. Juli 2009 zum fünften und letzten Mal.

Dann begann die Ära der Falcon 9 mit ihrem ersten Flug am 4. Juni 2010 von Cape Canaveral, Florida. Bereits zwei Jahre später, am 7. Oktober, schrieb die Falcon 9-Rakete als erste Versorgungsmission zur Internationalen Raumstation (ISS) Geschichte. Es war das erste mit Privatmitteln gebaute Raumfahrzeug und vor allem die erste wiederverwendbare Rakete. Im Jahr 2014 begannen die Tests der wiederverwendbaren ersten Raketenstufe von Falcon
9.

Am 8. April 2016 landete SpaceX zum ersten Mal erfolgreich einen Teil seiner Falcon-Rakete auf einem Drohnenschiff. Daraufhin führte SpaceX am 30. März 2017 den ersten Relaunch einer zuvor geflogenen Falcon 9-Erststufe durch. Die SES-10-Mission in jenem Jahr war die erste, bei der eine Kernstufe einer orbitalfähigen Rakete wiederverwendet wurde. Und die Art und Weise, wie SpaceX vor einem halben Jahr 53 Starlink-Internetsatelliten auf den Weg gebracht hat, hat bewiesen, dass das Unternehmen immer noch das Beste aus der Wiederverwendbarkeit macht.

In der Zwischenzeit, am 8. Februar 2018, fand der erste Falcon Heavy-Testflug statt. Obwohl die zentrale Kernstufe zerstört wurde, wurden zwei seitliche Booster erfolgreich geborgen und nach Cape Canaveral zurückgebracht. Wie John M. Logsdon in Falcon schrieb, wurde die Nutzlast, ein Tesla Roadster, ‘in eine Umlaufbahn um die Sonne gebracht.’ Nach all diesen Schritten, die darauf abzielten, Menschen von amerikanischem Boden aus in die Erdumlaufbahn zu schicken, war es endlich soweit. Mit Falcon 9 wurde daserste private bemannte Raumschiff gestartet, ein Crew Dragon mit den Astronauten Doug Hurley und Robert Behnken (2020).

Wie funktioniert Falcon 9?

Laut den Statistiken von SpaceX haben die Raketen der Falcon 9-Familie 127 Satelliten gestartet und an 135 vollständigen Missionen teilgenommen, wobei es nur zwei Ausfälle gab. Somit liegt die Erfolgsquote bei 98.43%. Und die neueste Falcon Heavy von 2018 hat bisher nur drei Missionen geflogen, aber es gibt weitere Pläne für die Zukunft.

Falcon 9 ist die weltweit erste wiederverwendbare Rakete mit Weltraum-Eignung. Die Wiederverwendbarkeit ermöglicht es SpaceX, die teuersten Teile der Rakete wieder zu verwenden, was wiederum die Kosten für den Zugang zum Weltraum senkt.

SpaceX

Abmessungen

Um die Technik der Falcon 9-Rakete zu beschreiben, sollte man ihre Abmessungen erwähnen. Die Rakete ist fast 70 m hoch, wiegt 549 Tonnen und entwickelt beim Start eine Schubkraft von über 7.500 Kilonewton. Damit kann die Falcon 9 eine Nutzlast von 22 t in eine Erdumlaufbahn und 8,3 t auf eine Bahn zum Mars befördern. Aber auf dem Roten Planeten hat das Unternehmen noch nichts gemacht. Elon Musk und SpaceX haben den Mars im Visier, denn sie wollen dort mit Menschen landen. 

Abmessungen

Zweistufige Raketenantriebe

Die Falcon 9 hat zwei Raketenstufen und verwendet in ihrer ersten Stufe neun Triebwerke, die in drei Dreierreihen angeordnet sind. Die metallene Octaweb-Struktur umschließt die Merlin-Triebwerke und ist prägend für die erste Stufe. Die Platzierung erfolgt so, dass sich ein Raketenmotor in der Mitte befindet und die anderen acht Motoren um ihn herum angeordnet sind.

Die zweite Stufe arbeitet mit nur einem Triebwerk, das mit flüssigem Sauerstoff betrieben wird. Außerdem benötigt er Kerosin in Raketenqualität für die Treibstoffe im Stromkreislauf des Gasgenerators. Die beiden Triebwerke erzeugen zusammen einen Schub von 845 kN.

Das Merlin-Triebwerk wird von SpaceX selbst gebaut und enthält eine Kombination aus raketentauglichem Kerosin, dem sogenannten Raketentreibstoff 1, und flüssigem Sauerstoff. Er ist unglaublich leistungsstark und einer der effizientesten Motoren, die je gebaut wurden. 

Trennung der Stufen

Jede mehrstufige Rakete braucht eine Zwischenstufe, die manchmal schwierig zu bauen ist, aber bei der Falcon 9 war es einfacher. Zur Trennung der Stufen verwenden die meisten Raketen ein ausgeklügeltes pyrotechnisches System aus explodierenden Bolzen. SpaceX hingegen verwendet eine rein pneumatische Methode der Stufentrennung.

Die Zwischenstufe verbindet die erste mit der zweiten Stufe. Das Triebwerk der zweiten Stufe ist in der Zwischenstufe untergebracht. Dadurch wird es in der ersten Flugphase gesichert. Die Stufentrennung findet statt, wenn sich zwei Stufen zum richtigen Zeitpunkt trennen (Moment der Stufentrennung), so dass die zweite Stufe sicher explodieren kann.

Jede mehrstufige Rakete braucht eine Zwischenstufe, die manchmal schwierig zu bauen ist, aber bei der Falcon 9 war es einfacher. Zur Trennung der Stufen verwenden die meisten Raketen ein ausgeklügeltes pyrotechnisches System aus explodierenden Bolzen. SpaceX hingegen verwendet eine rein pneumatische Methode der Stufentrennung.

Der historische Moment der Falcon 9 war der Flug des Raumschiffs Crew Dragon in die Erdumlaufbahn.. Eine autonome Kapsel mit berührungsempfindlichen Bedienelementen, die die Raumfahrer im Notfall betätigen können. In der Crew Dragon haben bis zu sieben Personen Platz, aber normalerweise sind nur vier Personen an Bord.

Payload

Der Laderaum der Falcon 9 besteht aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff, dessen Verkleidung etwa 3 Minuten nach dem Start abgesprengt wird. Dies schützt Satelliten auf ihrem Weg in die Umlaufbahn. SpaceX setzt die Bergung der Verkleidung zur Wiederverwendung bei künftigen Starts fort.

Laderaum

Die Landung ist der aufregendste Moment beim Raketenflug. Die erste Stufe von Falcon 9 hat vier Landebeine aus Kohlefaser. Sie werden bis zur Verwendung flach gegen den Rumpf gefaltet. Kaltgastriebwerke an Bord drehen die Rakete so, dass die Triebwerke nach vorne zeigen.

Der Landevorgang findet statt, wenn die Rakete das Staging durchläuft. Die erste Stufe beginnt, mit einer Geschwindigkeit von 4700 Stundenkilometern durch die Atmosphäre zu sinken. Die kalten Triebwerke an der Spitze drehen die Rakete um, so dass sie aufrecht steht. Der Motor wird gezündet, was ausreicht, um die Fallgeschwindigkeit auf 20 km/h abzubremsen. Dann klappen die Beine aus und die letzten Landeschritte werden eingeleitet. Drei der neun Merlin-Triebwerke zünden ein weiteres Mal, was als ‘Boostback Burn’ bezeichnet wird.

Hardware & Software

Der erste Teil der Raketenlandung läuft vollautomatisch ab. Viele Komponenten reagieren in Echtzeit, wenn unterschiedliche Bedingungen auftreten. Außerdem verfügt die mobile Startrampe über ein autonomes Flugabbruchsystem. Dank des Einsatzes von Computern können viele Risiken ausgeschlossen werden.

Falcon 9 hat drei Prozessoren mit Dual-Core x86. Es verwendet ein actor-judge-System, das die Sicherheit durch Redundanz erhöht. Jede Entscheidung wird mit den anderen beiden Kernen analysiert. So kann das System bei Unstimmigkeiten neu starten. Wenn es eine Übereinstimmung gibt, wird sie schließlich an PowerPC Microcontroller gesendet, die die Triebwerke und das Verhalten der Rakete steuern.

Preise

Was kostet die Falcon 9? SpaceX bietet die Falcon 9 und Falcon Heavy zu wettbewerbsfähigen Preisen an. Dieser Hersteller bietet auch Personenbeförderungen für gewerbliche Kunden an. Gut für Leute, die Astronauten zu alternativen Zielen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) transportieren wollen.

Die Zukunft der Raketentechnik

Wird Falcon 9 irgendwann zum Mond fliegen? Bestimmt. Firefly Aerospace hat dieses Raumschiff ausgewählt für die erste kommerzielle Mondlandung im Jahre 2023. Es soll 10 von der NASA gesponserte Forschungsnutzlasten zum Mond befördern.

Im November 2019 behauptete Elon Musk auf Twitter, dass drei Raketen pro Tag starten sollen. Das wären 1000 Starts pro Jahr. Außerdem plant Elon Musk bis weit in die Zukunft: 2050 soll der Bau einer Stadt auf dem Mars beginnen. Doch schon in vier Jahren wird die private Raumfahrtindustrie ihre erste unbemannte Reise zum Mars starten.

Das jüngste Ziel von SpaceX ist es, sich auf größere Missionen wie den Transport von Menschen und Nutzlasten zum Mond und zum Mars zu konzentrieren. Das Startsystem – Starship macht’s möglich. Und der SpaceX-Testabschuss des Starship SN20 fand
gerade am 12. November 2021 statt.

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