Die Saturn und N-1 – Unterschiede in der Sicherheitsphilosophie

Ich habe mal eine Anzeige gesehen, in der man einen Metallkugelschreiber und einen abgekauten, kurzen Bleistift sah. Darunter stand sinngemäß, dass die NASA Unsummen für einen Kugelschreiber ausgab, der auch in der Schwerelosigkeit schreiben konnte und Russland das Problem mit einem Bleistift löste.

Ich treffe immer wieder auf die Meinung. Die russische Technik sei zwar veraltet, schwer, aber solide und unverwüstlich. Es sei eben eine andere Herangehensweise an die Probleme, die der Weltraum an die Technik stellt. Dafür würde auch die Benutzung des Bleistifts stehen.

Ich will diese unterschiedlichen Herangehensweisen an der N-1 demonstrieren, aber auch einige andere Dinge erwähnen und nicht zuletzt sagen, warum ich die russische Lösung in vielen Fällen für keine Lösung halte.

Fangen wir mal mit dem obigen Vergleich an. Das Problem ist, das er einem eine Schlussfolgerung aufdrängt, aber man nicht die Fragestellung weiß. Die NASA wollte einen Kugelschreiber, damit die Astronauten schreiben konnten und es musste ein Kugelschreiber sein, weil normales Papier im Weltraum einige Nachteile hat. Es ist zu dünn, nimmt Feuchtigkeit auf und fängt an sich zu wellen. Die Handbücher bestanden aus beschichtetem Papier. Das kann man aber nicht mit Bleistiften beschriften. Mal davon abgesehen, dass man die auch nachspitzen muss. Dann hat man ein neues Problem, das man lösen muss.

Russland hat eigentlich nicht das Problem gelöst, es hat es umgangen, indem es eben doch Papier oder besser Karton genommen hat, der ist dick genug, dass er nicht wellt. Und das ist die Art wie Russland in den Sechzigern und Siebzigern (wie es heute ist weiß man leider mangels aktueller Projekte nicht) Probleme „löste“. Man umging sie. Raumsonden und Satelliten – beginnend von Sputnik 1, enthielt die elektronische Ausrüstung in einem druckdichten Kompartiment, gefüllt mit Stickstoff, den ein Ventilator umwälzte. Man setzte sich mit dem Problem des Vakuums also nicht auseinander, entwickelte keine Kunststoffe, die die Temperaturen standhielten und nicht ausgasten oder eine Temperaturregulation, die auch im Vakuum und in der Schwerelosigkeit funktionierten, sondern man schuf erdähnliche Bedingungen. Das verschaffte vor allem einen Zeitvorteil. Die USA brauchten Jahre und etliche Fehlversuche, bis sie ein Kamerasystem hatten, das im Vakuum einen Film belichten und entwickeln konnte. Russland nutzt bei Luna 3 einen Prozess der zwar unter Schwerelosigkeit arbeitet aber nicht im Vakuum, damit konnte die Sonde schon 1959 erste Aufnahmen der Mondrückseite machen – wenn auch in bescheidener Qualität.

Auf der anderen Seite: die meisten dieser so konzipieren Sonden fielen trotzdem aus, einige sogar deswegen weil diese Abteilung Gas verlor und dann überhitzte. US-Sonden waren in der Summe zuverlässiger, weil man die weltraumtaugliche Hardware natürlich extensiv unter Weltraumbedingungen testen musste. Das konnten sich die Russen sparen.

Kommen wir zu den Trägerraketen. Da sehen wir schon bei der R-7 einen Unterschied. Zum einen natürlich die vielen Brennkammern. Aber das reichte nicht. Alle Triebwerke waren starr eingebaut. Ein kardanisch aufgehängtes Triebwerk ist deutlich aufwendiger. Man muss Aktoren bauen, um es zu schwenken. Damals meist pneumatisch, wobei die Pneumatik von einer Hydraulik getrieben wurde, die als Antrieb die Treibstoffe selbst nutzte die nach Passage der Turbopumpe hohen Druck hatten. Kardanisch aufgehängte Triebwerke haben dann noch das Problem, das die Turbopumpen schnell bewegliche Rotoren haben. Sie wirken wie ein Kreisel, und wenn die Turbopumpe mit dem Triebwerk gedreht wird, induziert das ein unerwünschtes Drehmoment. Alles Probleme, die man lösen muss. Russland umging es, indem zu den 20 Hauptbrennkammern in Block A-D noch 12 Steuertriebwerke mit kleinem Schub kamen, die drehbar waren, aber ohne Turbopumpen, rein druckgefördert. Daran hat sich bis heute nichts geändert. Als die Sojus 2.1v das NK-33 Triebwerk bekam wurde dieses wieder starr eingebaut. Nun musste man ein zusätzliches Triebwerk einbauen, das die Drehungen durchführt. Man entschied sich für das RD-0110, das in der dritten Stufe der Sojus eingesetzt wurde. Eine Lösung, aber man hat zwei Triebwerke, obwohl man nur eines bräuchte und damit ein höheres Risiko.

Als Russland im Laufe der Sechziger dann im Schub reduzierbare Triebwerke entwickelt nutzte man deren Fähigkeit für Richtungsänderungen baute sie aber immer noch fest ein. So umgesetzt bei der Proton. Das nächste Problem, das es zu lösen galt, war die Zündung einer Stufe in der Schwerelosigkeit. Dann hat man nämlich das Problem, das sich die Treibstoffe von der Wand lösen und es kann vorkommen, dass der Fluss zu den Triebwerken abreist und sie sich abschalten. Das Problem trat erstmals auf als man Oberstufen einsetzte, die erste war Block E bei der Wostok/Luna. Wie löste man es? Nun, wenn man nicht weiß wie man in der Schwerelosigkeit Stufen zündet, dann startet man sie gar nicht erst in der Schwerelosigkeit. Bei allen frühen russischen Raketen wurde die Oberstufe gezündet, kurz bevor die Unterstufe Brennschluss hat. Damit diese nicht explodiert ist die Oberstufe über einen Gitterrohradapter verbunden, durch den die Gase entweichen können. Das ist eine Lösung, wenngleich man so die Unterstufe nie ganz ausbrennen lassen kann und so Leistung verschenkt. Die USA setzten es bei der Titan II auch ein, doch das war eine ICBM, bei der die Brennzeit anders als bei einer Trägerrakete minimal ist. Sie sollte nie einen Orbit erreichen. Problem gelöst? Nein umschifft. Denn wenn man das Problem löst, dann kann man eine Stufe auch mehrfach zünden und das ist nötig für bestimmte Missionen. Die Kosmos B-1 hatte daher nur die Fähigkeit elliptische Umlaufbahnen zu erreichen. Für eine höhere kreisförmige Umlaufbahn hätte man nach dem Ausbrennen der Ersten und Zünden der zweiten Stufe eine Freiflugphase benötigt. Bei der Wostok nahm aufgrund der Tatsache und der dadurch nötigen Aufstiegsbahn die Nutzlast für höhere Umlaufbahnen dramatisch ab und Raumsonden hatten da man keine Parkbahn und nach Vermessen dieser Korrekturen durchgeben konnte eine höhere Bahnungenauigkeit, die dazu führte, dass Luna 1 den Mond verpasste.

Langfristig benötigte man aber die Fähigkeit. Für planetare Umlaufbahnen war sie unumgänglich, ebenso für höhere Kreisbahnen oder, wenn man das Apogäum nicht genau 180 Grad vom Startort entfernt haben wollte.

Für die Kosmos C kam man auf die erste Lösung. Die zweite Stufe hatte zwei Zündphasen. Dazwischen liefen die ganze Zeit kleine Triebwerke, die genügend Schub entwickelten, dass der Treibstoff am Tankboden blieb. Das verbraucht allerdings unnötigen Treibstoff. Für längere Freiflugphasen wie sie für die Molnija Satelliten und Raumsonden nötig waren (typisch 10 bis 30 Minuten Freiflugphase) kam man bei der Molnija-Version auf die folgende Idee: Oberstufe und Satellit gelangen zusammen in den Orbit. Das Gespann darf also nie schwerer als die Nutzlast der dreistufigen Sojus sein. Am Zielpunkt angekommen zündet ein Feststoffantrieb, der die Treibstoffe sammelt und dann das Haupttriebwerk. Es war nur eine Zündung möglich und das rächte sich. Denn das System, dass die Stufe bis dahin stabilisierte, damit sie bei der Zündung nicht falsch ausgerichtet ist, war eine Fehlkonstruktion und so schaltete die Stufe nach der Zündung bald wieder ab und die Nutzlast strandete in einem Erdorbit. Ein zweiter Versuch war nicht möglich.

Erst seit Einführung der Fregat / Breeze M hat Russland wiederzündbare Oberstufen. Alle diese „einfachen“ Lösungen entpuppten sich so in der Praxis nicht als einfach, sondern fehleranfällig,

Nach diesem allgemeinen Teil nun zur N-1. Natürlich sind grundsätzliche Unterschiede zur Saturn V im Design zu erkennen, doch darum geht es nicht in diesem Beitrag. Es ging um die allgemeine Sicherheitsphilosophie. Die war bei Wernher von Braun: testen, testen, testen. Eine ausgereifte Rakete war ihm wichtiger als ein Zeitplan. Selbst im Krieg vergingen zwischen dem ersten erfolgreichen Testflug einer A-4 und ihrem Einsatz zwei Jahre. Koroljow sah das lockerer. Soweit ich gehört habe, hat er sich nie besonders für die Sicherheitsaspekte interessiert. Es gab als inoffizielle Vorgabe, das es zwei reibungslose unbemannte Tests geben musste, bevor man bemann startet. Bei der N-1 hätte das bedeutet, dass wenn die nächsten beiden Tests gelungen wären, man bemannt gestartet wäre. Und das mit einer Rakete, die bei den vorherigen vier Flügen nicht mal zur Zündung der zweiten Stufe kam. Umgekehrt war der zweite Flug der Redstone im Mercuryprogramm MR-2 nicht reibungslos. Die Redstone, eine erprobte Rakete funktionierte, aber verbrauchte den Treibstoff zu schnell. Das löste das Sicherheitssystem aus, das einen vorzeitigen Brennschluss vermutete und es beschleunigte die Kapsel noch mehr, sodass sie weit vom Zielgebiet landete. Die einfachste Lösung wäre es gewesen, den Zeitgeber für die Auslösung des Fluchtturms anzupassen (was man auch machte). Trotzdem wollte von Braun einen weiteren Testflug in dem er die Teile die diesen Schubüberschuss verursachten durch andere ausgetauscht hatte und bekam ihn auch – die anderen Verantwortlichen im Mercuryprogramm hielten ihn für überflüssig stellten keine echte Kapsel und nannten in MR-BD. BD für Booster Development.

Man sieht: beide Chefs hatten sehr unterschiedliche Vorstellungen von Sicherheit. Das merkt man auch bei den Philosophien der Rakete.

Triebwerke

Der wohl sicherheitstechnisch kritischste Teil der Rakete sind die Triebwerke. Daher widmete von Braun ihnen auch große Aufmerksamkeit. Das F-1 war moderner als das H-1, aber es verwandte dieselben Konstruktionsprinzipien wie frühere US-Triebwerke. Das Hauptstromverfahren, das sicherlich zumindest theoretisch bekannt war, wurde nicht eingesetzt und die technischen Werte waren moderat. Von den technischen Werten waren schon die ersten NK-Triebwerke besser. Sei es spezifischer Impuls oder Schub/Gewichtsverhältnis. Aber sie wurden extensiv getestet. Es gab insgesamt 2.771 Zündungen, davon 1.110 über die volle Brenndauer mit einer Gesamtdauer von 239.124 s. Sechs Triebwerke wurden jeweils über 5.000 Sekunden lang betrieben. Zweimal wurden aus der normalen Produktion zwei Triebwerke herausgegriffen und auf ihre volle Lebensdauer von 2.250 s und zwanzig Zündungen getestet. Zusammen mit den Akzeptanztests hatten die Triebwerke nach dem letzten Flug 1.280.527 s Betriebsdauer in 3.248 Zündungen akkumuliert. Davon entfielen nur rund 10.000 s auf die 13 Flüge.

Diese Bilanz konnten die NK-Triebwerke nicht aufweisen. Es waren hier 832 Tests mit 86.000 s. Die Zeitdauer und die Testzahl sind beeindruckend, wenn auch nicht so hoch wie beim F-1. Zum Vergleich, das Vulcain absolvierte 280 Tests mit 86000 Sekunden. Die Testzahl ist dabei der wichtigere Parameter, da das Vulcain mehr als fünfmal länger arbeiten muss, als ein NK. Nicht ignorieren kann man die Triebwerksanzahl. Das Vulcain braucht viel weniger Tests, weil es nur ein Triebwerk ist. Paradoxerweise: je mehr Triebwerke eine Rakete hat, desto zuverlässiger muss eines sein, da ein Ausfall meist zu einem Missionsverlust führt. Man würde also erwarten das bei 30 Triebwerken die NK-Triebwerke stärker getestet wurden als die F-1 und das ist nicht der Fall.

Ein Rätsel für mich ist die Qualitätskontrolle. Die ersten NK-Triebwerke waren ohne Überholung nur einmal zündbar (das waren auch die F-1, doch man konnte sie ja nach jeder Zündung mit einem neuen Startsystem ausstatten). Die F-1 wurden trotzdem vor jedem Start viermal gezündet, mit zusammen 495 s Brennzeit, (später maximal 165 s lang betrieben) – einzeln, zusammen, in der Stufe eingebaut. Bei den NK-Triebwerken baute man jeweils eine Charge von sechs Triebwerken. Davon nahm man zwei heraus und testete diese. Bestanden diese den Test, so wurden die anderen eingebaut, wenn nicht wurden sie verschrottet. Jedes Mal, wenn ich das schreibe, muss ich in Gedanken den Kopf schütteln. So was funktioniert nur bei systematischen Fehlern, nicht bei zufällig verteilten Fehlern.

Sicherheitsphilosophie

Beide Träger hatten in den ersten Stufen eine „Engine-out“ Kapazität. In der Beziehung war die N-1 sogar besser. Bei ihr dürfte schon beim Start ein Triebwerk ausfallen, bei der Saturn V erst nach 30 Sekunden. Zudem hatte die N-1 diese Fähigkeit bei den ersten drei Stufen, die Saturn V nur bei den ersten zwei. Allerdings hatte die N-1 auch fünf Stufen. Das Handling war aber unterschiedlich. Bei der Saturn V wegen der schwenkbaren Triebwerke wurden diese schräg gestellt, um die Asymmetrie auszugleichen. Bei der N-1 mit fest eingebauten Triebwerken muste man das zugehörige entgegengesetzte ebenfalls Triebwerk abschalten.

Doch das ist nur ein Aspekt. Man muss auch gewährleisten, dass der Ausfall keine Folgen hat. Im Extremfall kann ein Triebwerk explodieren und so die Nachbartriebwerke beschädigen, wie bei der N-1 mehrmals passiert. Die N-1 verlies sich auf das Sicherheitssystem Koord. Das F-1 hatte in den Leitungen unterhalb der Turbopumpe Schalter. Es waren drei mit leicht unterschiedlichen Auslöseschwellen einige Bar unterhalb des Nenndrucks. Sobald der Nennschub erreicht war, wurden sie hineingedrückt und damit aktiv. Sank er dann ab so gab es, sobald zwei Schalter umsprangen an die IU ein Signal (bei der Saturn IB wurden die Triebwerke sogar selbst abgeschaltet), die dann Aktionen traf. Denn wie schon geschrieben – erst nach 30 Sekunden dürfte ein Triebwerk gefahrlos ausfallen musste die Steuerung eine Entscheidung treffen – Fluchtturm auslösen, Rakete aufs Meer steuern, Triebwerk abschalten. Kord bei der N-1 hatte auf den ersten Blick eine ähnliche Aufgabe, nur das es hier fünf Parameter pro Triebwerk waren. Doch KORD war mit der Aufgabe auch überfordert. Die IU der Saturn V musste 5 Signale von 5 Triebwerken verarbeiten, KORD 150 von 30 Triebwerken. Was mich wundert – und das hat nichts damit zu tun, das die erste Stufe der N-1 nie als Ganzes getestet zu tun, ist das man keinerlei Vorbereitungen traf, das ein Triebwerk das explodiert nicht die anderen beschäftigt – so was gab es bei den F-1 auch nicht, aber da hatte man ja den Fokus darauf gerichtet, dass ein Ausfall gar nicht erst vorkommt.

Ich schreibe eigentlich nur über die erste Stufe, weil man die oberen Stufen ja nie in Aktion sah. Sie sind aber auch unkritischer, weil dann die Atmosphäre passiert ist. Man kann dann alle Triebwerke abschalten, das Raumschiff abtrennen und landen. So wurden auch die J-2 weitaus weniger intensiv getestet als die F-1.

In meinem neuen Buch, in dem auch die N-1 ein Kapitel von 60 Seiten Umfang bekommen hat, benutzte ich die Formulierung, das das russische Mondprogramm „mit der heißen Nadel gestrickt“ war. Und das trifft es. Recherchiert man, so findet man so viele Versäumnisse, Wagnisse. Nur mal als Ergänzung: Am Mond angekommen sollte ein Astronaut über die Oberfläche der Sojus zum Mondlander klettern, dort dann einsteigen und zusammen mit der letzten Stufe Block D landen. Die reichte aber nicht für die komplette Landung aus, sondern war in geringer Höhe ausgebrannt und nun wurde sie abgetrennt und das Mondlandertriebwerk gezündet. Also ich möchte das nicht machen. Nach dem Rückstart wäre der Kosmonaut erneut ausgestiegen über den Mondlander zur Sojus geklettert, zusammen mit den Gesteinsproben und dort wieder eingestiegen – aus Gewichtsgründen gab es keinen Kopplungstunnel zwischen Sojus und Mondlander. Wenn das in einem Science-Fiction Film erschienen wäre, es wäre zu abenteuerlich gewesen, doch so war es geplant, einfach, weil die N-1 nicht die Nutzlast hatte, die die Saturn hatte und man Gewicht einsparen musste.

Fazit

In der Summe finden wir das Wernher von Braun der Sicherheit großen Rahmen einräumte. Bei den ersten Raketen, A-4, Redstone, Jupiter vor allem durch Zuverlässigkeit, also intensive Erprobung. Das ist das Level, das heute zahlreiche russische Raketen haben – einfach durch die lange Einsatzhistorie. Betrachtet man die ersten Jahre, so sieht das deutlich anders aus. Die Saturn, gebaut für bemannte Einsätze wurde dagegen so konstruiert, dass sie von Anfang an möglichst sicher war. Das geschah durch Redundanz – die hatte die N-1 bis auf den Ausfall ganzer Triebwerke nicht, daher habe ich es hier auch komplett weggelassen – intensive Prüfungen und zumindest bei den Triebwerken konservative Betriebsparameter. Dafür waren die stufen sehr leichtgewichtig, auch besser als die der N-1.