Wenn die Falcon Heavy nächstes Jahr (hoffentlich) abhebt, wird sie die größte und schwerste Rakete der Welt sein. Sie ist nicht die größte und schwerste Rakete aller Zeiten, aber beim heutigen Zustand der Raumfahrt gibt man sich auch mit der Hälfte davon zufrieden. Nach den letzten Angaben sollte die Falcon Heavy bis zu 53t in einen niedrigen Erdorbit bringen können, wenn kein Teil der Rakete wiederverwendet wird.
Diese Angaben haben sich in der Vergangenheit immer geändert. Denn die Entwicklung der Falcon Heavy ist vollständig von der Entwicklung der Falcon 9 Rakete abhängig, schließlich verwendet sie die gleichen Teile. Die Falcon Heavy hat bei SpaceX eine lange Geschichte. Schon bevor die erste Falcon 1 geflogen ist, gab es erste Konzepte die später geplante Falcon 9 nicht nur allein fliegen zu lassen, sondern ihr noch zwei weitere Raketenstufen als Booster zur Seite zu stellen. Das gleiche Prinzip gibt es heute auch bei der Angara 5 Rakete und der Delta IV Heavy, es war auch für die Atlas V geplant.
Dabei hat sich das Konzept immer zusammen mit der aktuellen Technik bei SpaceX weiter entwickelt. So hieß das erste Konzept noch Falcon 9-S9. Damals hatte SpaceX noch den Bau einer Falcon 5 Rakete geplant und folglich gab es auch einen Zwischenschritt in Form der Falcon 9-S5, bei der die Booster aus der ersten Stufe der Falcon 5 bestanden.
Weil sich der Markt für kleine und mittlere Satelliten nie so entwickelt hat, wie man es Ende der 90er Jahre erwartete, wurde das Konzept der Falcon 5 zusammen mit der Falcon 1 schließlich aufgegeben. Damit fiel auch die mittlere Falcon 9-S5. Überhaupt konzentrierte sich SpaceX nun hauptsächlich auf den Bau und die Verbesserung der Falcon 9. Die Merlin Triebwerke wurden immer leistungsfähiger und die Falcon 9 immer größer. Wenn man sich die Daten in der alten Wikipedia-Seite von Ende 2006 anschaut, dann hatte die Falcon 9-S5 in etwa die gleiche Nutzlast wie die heutige Falcon 9 Rakete ganz ohne Booster. Leider hat SpaceX nie eine offizielle Seite über die Geschichte der Entwicklung ihrer Raketen erstellt, so dass das Wikipedia Archiv hier als (suboptimaler) Ersatz dienen muss.
Der Grund dafür ist die ständige Weiterentwicklung des Merlin Triebwerks. 2006 ging man noch davon aus, dass das Merlin 1C Triebwerk beim Start einen Schub von etwa 380 kN haben würde. Neun Jahre später erreicht das Merlin 1D Triebwerk 756kN fast den doppelten Schub. Dazu kommt auch noch eine leichte Verbesserung des spezifischen Impuls des Triebwerks. Das ist wohl auch der wichtigste Grund für das ständige Aufschieben der Falcon Heavy. Lange Zeit konnte man durch Verbesserung der Triebwerke fast den gleichen Effekt erreichen, wie mit zusätzlichen Boostern.
Mit den immer leistungsfähigeren Triebwerken stieg aber auch das Leistungspotential einer Falcon Heavy mit zwei ersten Stufen als Booster. Während man 2006 bei der Falcon 9-S9 noch von etwa 25t Nutzlast in den niedrigen Erdorbit ausging, waren es bei der Falcon Heavy zuletzt 53t. Die basierte aber noch auf der “alten” Falcon 9 v1.1 Rakete mit reduziertem Schub und ohne unterkühlten Sauerstoff. Inzwischen ist diese Rakete aber veraltet und wird nicht mehr hergestellt. Die inoffiziell als Falcon 9 v1.2 bekannte “neue” Rakete wird durch den dichteren Treibstoff nicht nur einen höheren Schub haben, sondern auch ein höheres Startgewicht. Dazu kommt noch eine vergrößerte Oberstufe. Zusammen verbessert das die mögliche Nutzlast um etwa 20-30% im Vergleich zur Falcon 9 v1.1.
Diese Verbesserungen werden sich auch auf die neue Falcon Heavy übertragen. Allerdings ist noch nicht klar, wie genau die Nutzlast ausfallen wird. Denn das Konzept der Falcon Heavy mit 53t Nutzlast sah vor, dass die Treibstofftanks zwischen den Boostern an den Seiten und der mittleren Stufe verbunden werden (“Cross feed”). Der Treibstoff in den Tanks der Booster würde nicht nur dazu benutzt werden die Triebwerke der Booster anzutreiben, sondern auch die Triebwerke der mittleren Stufe. Im Ergebnis hätte man bei der Abtrennung der Booster immernoch eine vollständig gefüllte Raketenstufe, so als wären ihre Triebwerke nie gelaufen. Aus der zweistufigen Rakete mit Boostern wäre dann eine vollwertige dreistufige Rakete geworden, bei der die Triebwerke der zweiten Stufen die Triebwerke der ersten Stufe unterstützen.
Von diesem Konzept wurde zuletzt aber nur noch als eine mögliche Option gesprochen. Ohne Crossfeed wird man das gleiche tun wie bei der Delta IV Heavy und die Triebwerke der mittleren Stufe kurz nach dem Start so weit wie möglich drosseln um Treibstoff zu sparen. Dann hat man bei der Abtrennung der Booster immernoch große Mengen Treibstoff in der mittleren Stufe übrig und zumindest noch einen Teil des Effekts einer zusätzlichen Stufe “gerettet”. Man sprach ohne Crossfeed von einer Nutzlast bis zu 45t in LEO für die alte Variante und damit etwa 18t in GTO.
Die Verbesserungen der Falcon 9, mehr Treibstoff und mehr Schub, werden diesen Verlust aber wieder ausgleichen können. Ganz genau lässt sich die Frage nur schwer beantworten. Durch das Unterkühlen des Sauerstoffs steigt die Kapazität der Tanks (in Tonnen) um etwa 7%. Die Dichte des Sauerstoffs steigt um etwa 10%, aber der macht nur etwa 70% des Treibstoffs aus. Die Tanks der zweiten Stufe wurden zusätzlich etwas vergrößert, was gerade der Falcon Heavy hilft, für die die oberste Stufe ein gewisser Flaschenhals ist.
Man könnte sich jetzt diese Zahlen nehmen und an die Raketengleichung setzen, aber das war nicht alles. Die Triebwerke liefern jetzt etwa 20% mehr Schub, die Rakete hat aber weniger als 10% zusätzliches Gewicht. Sie beschleunigt am Anfang schneller, wodurch die Gravitationsverluste sinken, aber die Reibungsverluste in der Atmosphäre steigen. Deswegen wird man die Triebwerke früher drosseln um die aerodynamische Belastung zu reduzieren und ein insgesamt anderes Flugprofil fliegen. Das alles zusammen macht die Schätzometrie recht schwierig, zumal die Falcon Heavy eine ganz andere Aerodynamik als die Falcon 9 hat. Das Ergebnis wird dadurch in jedem Fall verbessert, aber es ist schwer zu sagen, um wieviel genau.
Dazu kommt noch die Möglichkeit, dass SpaceX möglicherweise die Tanks für die Booster verlängert und so die Treibstoffmenge um einige hundert Tonnen erhöht. Denn anders als bei der zentralen Stufe hätten die Booster fraglos noch “Platz nach oben”. Der Durchmesser der Tanks ist dabei leider eine feste Größe, die nicht nur durch die Produktionsanlagen festgelegt ist, sondern auch von der Notwendigkeit die Tanks per Schwerlasttransport über Straßen durch Brücken, Tunnels etc. zu fahren. Das könnte aber auch die Länge begrenzen.
Wegen all dem lohnt es sich kaum eine genaue Berechnung anzustellen, weil ohnehin zu viele Unbekannte dabei sind. Ausgehend von den Verbesserung bei der Falcon 9 ohne Booster ist eine Erhöhung der Nutzlast von 20% aber realistisch. Das würde ausreichen um auch ohne Crossfeed auf eine Nutzlast von 54t in LEO un 21,6t in GTO zu kommen. Mit Crossfeed würden die Nutzlasten wohl nochmal um 20% steigen, auf 65t in LEO und 26t in GTO.
Diese Zahlen sind mit der Block 1 Variante des SLS gut vergleichbar, über die ich schon geschrieben habe. Denn bei der zählt die gesamte Masse der Oberstufe, samt Tanks, Triebwerken und Treibstoff mit zur 70t “Nutzlast” in LEO. Die GTO Nutzlast gibt Boeing in dem Link mit 25t an. Der Unterschied ist nur, dass die Falcon Heavy diese Leistung mit relativ herkömmlicher Technik und ohne $10 Milliarden Dollar Budget erreicht.
Das Spiel mit dem anhängen zusätzlicher Booster an eine Rakete könnte man natürlich auch noch weiter auf die Spitze treiben. Bei der Angara Rakete will man schließlich auch 5 identische Raketenstufen zusammen schließen. Würde man das gleiche mit der Falcon Heavy tun, käme man auch ohne Crossfeed sofort in den Bereich von etwa 90t LEO und 36t GTO Nutzlast – abhängig davon wie groß man die Oberstufe baut.
Ohnehin ist die Oberstufe das größte Problem der Falcon Heavy. Die ist mit etwa 110-120t Treibstoff in etwa genauso schwer wie die “Exploration Upper Stage” (EUS) der verbesserten SLS Varianten. Mit nur 340s hat sie einen sehr schlechten spezifischen Impuls. Würde man an ihrer Stelle die EUS mit 465s benutzen, könnte man die Nutzlast in die höheren Orbits und Richtung Mond oder Mars deutlich steigern. Anstatt eines Masseverhältnis (leer/voll) von 1:5 bräuchte man nur noch ein Masseverhältnis von 1:3,25. Auch wenn die EUS wohl eher 10t statt nur 4t wiegt (die Oberstufe der Falcon 9 ist äußerst leichtgewichtig), bliebe eine Nutzlast von etwa 30t statt 21,6t übrig – noch ganz ohne Crossfeed oder die Benutzung von vier Boostern. (Mit den 4 Boostern käme man über den Daumen gepeilt in den Bereich von 50t GTO Nutzlast – in etwa so viel wie der Block 1B des SLS.)
Aber eines muss klar sein: Es spricht bei SpaceX niemand davon eine Falcon Heavy mit vier Boostern zu bauen und es spricht bei der NASA niemand davon die EUS auf eine Falcon Heavy zu montieren. Und selbst wenn man es tun würde, käme die Falcon Heavy nie an die Leistung des voll ausgebauten SLS Block 2 heran.
Der wichtigste Vorteil der Falcon Heavy ist ein ganz anderer. Die Hardware ist vorhanden, die Startrampe steht bereit. Die Finanzierung ist gesichert und erste Kunden für kommerzielle Nutzlasten gibt es auch schon. Der erste Flug wurde nur wegen des Fehlstarts der Falcon 9 im Juni auf nächstes Jahr verschoben. Keine Rakete fliegt so schlecht wie eine Rakete die nur auf dem Papier existiert.
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