Man rated

Man rated – diesen Begriff findet man immer wieder in der Raumfahrt. Was damit gemeint ist habe ich schon an anderer Stelle erklärt, doch diesmal auch für die Allgemeinheit. Im Prinzip meint man damit das etwas für den bemannten Raumflug geeignet ist. Da man Kapseln, Raumgleiter oder Sicherheitssysteme wie einen Fluchtturm eigentlich nur für den bemannten Transport konstruiert hat sind sie automatisch „man rated“. Es gibt keinen Fall wo man aus einem unbemannten Raumfahrzeug ein bemanntes gemacht hat, aber den umgekehrten Weg ist man gegangen: Der Raumtransporter „Progress“ ist eine umgebaute Sojus Kapsel.

So findet man den Begriff nur bei Trägerraketen die üblicherweise beides transportieren: Menschen und Gegenstände. Wie jedes technische System ist eine Trägerrakete so konzipiert, dass man einen Kompromiss eingeht zwischen Sicherheit und Leistung. Bei den besten Trägerraketen die wir haben beträgt die Nutzlast etwa 5 % der Startmasse für einen erdnahen Orbit und etwa 2 % für den geostationären Übergangsorbit, in den heute am meisten  Nutzlasten befördert werden. Das lässt nicht viel Spielraum für Sicherheit. Eine Rakete ist z.b. so ausgelegt, dass sie etwa 10-15 % höheren aerodynamischen Belastungen aushält als vorgesehen. Bei einem Flugzeug beträgt die Sicherheitsspanne 40 %. Würde man eine Rakete mit einer Sicherheitsspanne von 40 % konstruieren, so würde die Leermasse erheblich ansteigen und die Nutzlastmasse rapide abnehmen.

Ein Passagierflugzeug mit 2 Triebwerken kann noch fliegen wenn eines ausfällt. Bei einer Trägerrakete kann man diese Redundanz nicht vorsehen. Neben dem Anstieg der Leermasse erhöht die natürlich auch die Belastung auf die Struktur, der Schub ist doppelt so groß und die Schubspitzen ebenfalls. Da ein Triebwerksausfall auch bei mehreren Triebwerken üblicherweise das Scheitern einer Mission bedeutet geht heute eher der Trend zu weniger Triebwerken.

Was macht dann man-rated aus? Nun dieser Begriff hat keine absolute Bedeutung. Bei den ersten Trägerraketen die verfügbar waren bestand „man-rated“ de Faktor nur darin dass man die Kontrollen bei der Herstellung verschärfte und einige zusätzliche Systeme einbaute die eine Fehlfunktion rechtzeitig erkennen konnten um die Kapsel an der spitze der Trägerrakete rechtzeitig abzusprengen bevor die Rakete außer Kontrolle gerät oder explodiert.

Richtige Gedanken hat man sich erst bei der Konstruktion der Saturn I und später der Saturn V gemacht. Sie waren die ersten Trägerraketen bei denen man schon bei der Konstruktion wusste, dass sie Menschen ins All tragen sollten. Wie bekam man dies hin ? Nun zum einen konnte man natürlich Redundanzen einbauen, wo es keine wesentlichen Auswirkungen auf die Leermasse hatte, z.b. bei dem Computer. Dieser war dreifach redundant ausgelegt und zu jedem Datenwort gab es 2 Bits um Fehler zu erkennen. Bei der Konstruktion ging man insgesamt sehr konservativ vor, d.h. nahm eine höhere Leermasse in Kauf zugunsten einer höheren Sicherheit.

Vor allem aber erreichte man Sicherheit durch extensive Tests. Im Mittelpunkt des Interesses standen hier natürlich die Triebwerke. Die linke Grafik zeigt einen Verglich des Testprogramms dreier Raketentriebwerke. Zum einen das RS-68, ein Triebwerk das aus dem SSME entwickelt wurde und in der Delta 4 eingesetzt wird und für unbemannte Starts qualifiziert ist. Nach weniger als 180 Tests hat man den ersten Flug mit diesem Triebwerk gewagt. Das nächste ist das SSME, das Triebwerk des Space Shuttles. Dieses wurde wesentlich intensiver getestet, nach 730 Tests, also 4 mal als bei dem RS-68 wagte man den ersten Flug. Das F-1 Triebwerk war bei 700 Tests noch in der Entwicklungsphase, aber wies nur wenig mehr vorzeitige Abbrüche des Tests auf als das SSME zu einem Zeitpunkt als man es schon für den Flugeinsatz vorsah. Nun begann erst das Testprogramm des F-1. Der erste Flug (bei nur wenig mehr vorzeitigen Abbrüchen) fand nach 2471 Tests statt ! Das geht natürlich nicht auf diese Grafik, diese müsste dazu 4 mal breiter sein. Ein Problem beim F-1 wie auch allen Triebwerken vorher waren Verbrennungsinstabilitäten. Diese konnten zur Triebwerkszerstörung führen. Man hat beim F-1 Triebwerk diese gezielt provoziert indem man Sprengbomben in der Brennkammer platzierte, deren Schutzumhüllung nach wenigen Sekunden durch die Hitze zerstört wurde. Diese Versuche wurden so lange durchgeführt bis man durch Modifikationen des Einspritzkopfes die Instabilitäten beseitigt hatte (verstanden hat man das Phänomen bis heute nicht vollständig).

Solch intensive Testprogramme sind teuer. Haben Triebwerke sie einmal durchlaufen und sind sie dann auch noch im Einsatz zuverlässig (dies gilt sowohl für die Triebwerke der Saturn wie des Space Shuttle) so ist die Versuchung natürlich groß diese erneut einzusetzen.  Bei den ersten Entwürfen für das Space Shuttle war so auch gedacht das F-.1 Triebwerk anstatt Feststoffboostern einzusetzen. Später waren sie immer wieder in der Diskussion für projektierte Schwerlastraketen. Selbst bei den nun zu entwickelten Raketen Ares I+V wurde ihr Einsatz vorgeschlagen.

Für diese hat die NASA keine große Auswahl an Triebwerken. Im Prinzip gibt es die SSME und die Triebwerke der Saturn V (F-1 und J-2). Das F-1 arbeitet mit  Kerosin/Sauerstoff und eine Erststufe mit diesen Treibstoffen wäre zu teuer. Bleibt noch das J-2, das noch während des Saturn Programms zum J-2X weiterentwickelt wurde. Die Entwicklung des J-2X hatte das Ziel durch einen geschlossenen Kreislauf der Abgase wie beim späteren SSME den Schub und die Energieausbeute zu steigern. Auch dieses wurde in den 60 er Jahren extensiv getestet und war für den Einsatz in verbesserten Saturn Trägerraketen gedacht.

Es gab in den letzten beiden Jahren hier Diskussionen, die seltsamerweise darauf hinaus liefen, dass man die SSME (von denen man noch eingelagerte Exemplare hat und weitere kommen nach Stilllegung der Shuttle Flotte hinzu)  durch das J-2X ersetzte. Das erscheint widersinnig, da dieses Triebwerk erheblich älter ist und anders als das SSME niemals im Einsatz war. Wahrscheinlich sprechen wirtschaftliche Gründe dafür. Das war wohl auch der Grund, warum man auf das RS-68 bei der größeren der beiden Raketen gewechselt ist. Dieses ist nicht man rated, aber diese Rakete soll auch nicht Besatzungen transportieren, sondern Fracht in einen Erdorbit. Die letzte Stufe verwendet dann wiederum ein J-2X, so dass auch hier wieder ein „man rated“ Triebwerk eingesetzt wird.

Natürlich fehlte es nicht an Vorschlägen von Boeing und Lookheed-Martin die Technologie ihrer Raketen (Atlas V und Delta 4) einzubringen. Doch in internen Untersuchungen schätzte man die Kosten diese Raketen „man rated“ zu machen so hoch ein, dass  es billiger wäre auf 40 beziehungsweise 30 Jahre alte Triebwerke zurückzugreifen. Wer hätte das gedacht – Die von Wernher von Braun entwickelte Triebwerkstechnologie aus den 60 er Jahren wird 50 Jahre später erneut eingesetzt um wieder zum Mond zu fliegen – Gibt es eine schönere Hommage an dieses Genie der Raketentechnik ?