Die russische Lösung – Probleme umgehen, anstatt sie zu lösen – Teil 1

Als ich die letzten Artikel über die frühen sowjetischen Raum- und Mondsonden online gestellt habe – zuletzt vor einigen Tagen über das Programm E-6 – wurde ich wieder mal mit der Technik der Sonden konfrontiert. Es gibt aber auch viel zu den Raketenentwürfen zu sagen. In beiden finde ich, ist obiges Motto angebracht. Aber damit wir alle auf dem aktuellen Stand sind, fange ich mal mit der A-4 an, die ja in Ost und West Ausgangsbasis für die eigenen Raketen war.

Die A-4 hatte im Prinzip alle Probleme gelöst die eine einstufige Rakete aufwirft. Aber die Lösungen waren nicht optimal und die Rakete hatte eine sehr hohe Trockenmasse, der Strukturfaktor lag bei 4, also die Trockenmasse war ein Viertel der Startmasse. Einiges davon war der Tatsache geschuldet, dass die ganze Rakete aufschlug, während später der Sprengkopf abgetrennt wurde und die Rakete den Wiedereintritt nicht überlebte, bei der Redstone in ähnlicher Bauweise, war dies nicht nötig, der Strukturfaktor kletterte auf 6. Andere einfache Änderungen war das Ersetzen des Alkohol-Wassermischung durch Kerosin, was die Ausstömgeschwindigkeit der Gase erhöhte.

Diesen Weg der Optimierung der A-4 gingen beide Siegermächte, doch für leistungsfähige Raketen die kontinentale Distanzen überwanden, musste man neue Wege gehen.

Die A-4 startete wie jede Rakete senkrecht und neigte sich programmgesteuert bis zu einem vor dem Start einprogrammieren Endwinkel, der die Reichweite festlegte. Zur Neigung setzte sie Strahlruder ein, also in der Düse war ein Hochtemperaturfestes Ruder, das einen Teil des Flammenstrahls zur Seite ablenkte und so den Schubvektor veränderte. Das Ruder ist schwer und es bremst die Gase aus. Die heutige Lösung, zumindest sind schwenkbare Triebwerke. Doch es gab Zwischenschritte bis dorthin. Ebenso musste der Schub gesteigert werden. Die Turbine wurde bei der A-4 durch die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch Kaliumpermanganat angetrieben, moderne Raketentriebwerke verwenden dazu die Treibstoffe selbst. Auch dies musste erst entwickelt werden.

Letztendlich war die A-4 aber nur eine einstufige Rakete. Eine mehrstufige Rakete muss ihre Oberstufen nach dem Abheben zünden – in der Schwerelosigkeit wie sie nach Abschalten der Unterstufe eintritt, bilden Flüssigkeiten aber Kugeln, lösen sich von den Wänden, was schlecht ist wenn man das Triebwerk anlassen will, da so nicht garantiert ist, das die Treibstoffe dort sind wo die Leitungen aus dem Tank herausführen. Stufen die im Erdorbit erst gezündet werden, müssen dann nicht einige Sekunden, sondern mehrere Minuten überbrücken.

Die Entwicklung verlief in beiden Nationen relativ gleich. Es gab Zwischenschritte zu den heutigen Lösungen. Die Sowjetunion und die USA umgangen beide zuerst die Zündung einer Raketenstufe bei der Schwerelosigkeit. Bei der Atlas indem zwei der Haupttriebwerke und damit ein Großteil der Masse während des Flugs abgeworfen wurden, bei der Sojus indem die Außenbooster mit weniger Treibstoff nach Verbrauch abgeworfen wurden. Der zweite Schritt war dann die Zündung der zweiten Stufe, bevor die erste vollständig ausbrannte, so bei Block E der Sojus und der Titan II. Es fällt aber auf, dass Russland diese Übergangslösungen wesentlich länger betrieb und immer etwas hinterherhinkte. Das deutlichste Beispiel ist die R-7, sie wegen der hohen Nutzlasten lange Jahre von US-Spezialisten als Superrakete eingestuft wurde. Ernüchterung gab es als 1967 die Sojus in der Pariser Flugschau mal ausgestellt wurde – die erste Stufe hatte 20 Haupt- und 12 Steuerdüsen. Anstatt immer größere Triebwerke zu bauen blieb Russland beim, Schub der A-4 und bündelte und und anstatt sie zu schwenken gab es eben 12 Steuerdüsen. Der Gasgenerator arbeitete noch mit Wasserstoffperoxid und Kaliumpermanganat. Letztendlich nützten Russland die Umwege, wenig, so war Block L die erste Stufe Russlands, die auch im Weltraum gezündet werden konnte. Dafür hatten sie nun nicht wie die USA bei der Agena dafür gesorgt das auch im Vakuum Treibstoffreste an den Leitungen verblieben und ein ein System integriert das die Stufe während der orbitalen Freiflugphase stabilisierte. Sie haben eine Stufe die eigentlich nicht für Freiflugphase ausgelegt ist und nicht wiederzündbar war, um ein Stabilisierungssystem erweitert das diese Aufgabe übernahm. Vor der Zündung musste die Kontrolle von diesem Hilfssystem auf die Stufe übergehen und durch einen Konstruktionsfehler konnte es dabei zu einer Fehlausrichtung kommen, was Block L sofort wieder stoppte. Erneut zünden konnte man Block L auch nicht und so strandeten in den frühen Sechziger Jahren viele Nutzlasten im nahen Erdorbit.

Mitte der Sechziger divergierten die Entwicklungen. Die USA gingen bei der militärischen Raumfahrt zu Feststoffraketen über, und entwickelten Technologien diese besser zu steuern und neue Treibsätze als Abfallprodukt gab es nun auch Feststoffbooster und verbesserte Oberstufen für zivile Träger. Im zivilen Bereich wurden große Anstrengungen aufgewandt, um Wasserstoff als Treibstoff zu beherrschen. Die Sowjetunion hatte aber keine zivile Raketenentwicklung. Feststoffraketen entwickelte sie erst ein Jahrzehnt später. Stattdessen wurde die Technologie von flüssigen Raketentreibstoffen verbessert, Russland entwickelte als erste Nation Triebwerke mit einem Vorbrenner anstatt Gasgenerator. Dabei wird ein Teil einer Treibstoffkomponente mit der anderen vollständig verbrannt und man erhält sehr viel aber relativ „kühles“ Gas, dass dann die Turbopumpen antreibt. Für den Oxidator als die Hauptkomponente werden in den USA erst jetzt die ersten beiden Triebwerke (BE-4 und Raptor) entwickelt. So konnte Russland die Leistung ihrer nach wie vor flüssig angetriebenen Raketen weiter steigern. Der erste Einsatz dieser Technologie war bei der Proton.

Wasserstoff wurde dagegen nie ernsthaft in Betracht gezogen. Für die N-1 war als weitere Stufe eine Wasserstoffstufe vorgesehen, da selbst mit der Preburner Technologie die Nutzlast einer N-1 viel geringer als die einer Saturn V war und das russische Mondprogramm nur einen Kosmonauten landen konnte. Doch mit diesem Programm endete auch die Entwicklung. Russland kann es – das Triebwerk wurde zwanzig Jahre später zu Ende entwickelt – Im Auftrag von Indien die es seitdem in der GSLV einsetzen. Doch projektierte Oberstufen mit dem Triebwerk für die Angara bleiben nach wie vor Papierstufen. Für die Energija wurden dann tatsächlich große Wasserstofftriebwerke entwickelt – doch nach dem Aus dieser Rakete in keinem Projekt weiter verwendet,

Gerade die N-1 zeigt den russischen Weg Probleme zu umgehen, anstatt sie zu lösen. Die NASA investierte nicht nur in die Entwicklung der Saturn V, sondern auch für Tests. Sie baute gigantische Teststände mit denen sogar eine ganze S-IC Erststufe mit 34.000 t Schub getestet werden konnten. Russland sparte dies. Die Stufen sollten im Flug erprobt werden. In einem Wettrennen zum Mond keine tolle Idee. Eine stufe kann man am Boden wieder abschalten, nach Fehlern suchen oder auch mehrmals testen. Ein Teststart ist immer aufwendiger als ein Bodentest, es gibt nur die Telemetrie, man kann aber keine Hardware inspizieren und scheitertet die erste Stufe, so wurden die oberen Stufen gar nicht getestet. Trotzdem wurden die Triebwerke einer S-IC und die Stufen mehrmals vor dem Start getestet und liefen dabei länger als beim späteren Start – nie fiel auch nur ein F-1 im Flug aus. Russland nahm von einer Charge der NK-15/33 Triebwerke willkürlich einige Exemplare heraus, testete diese und wenn sie okay waren, war die ganze Charge qualifiziert anstatt alle Triebwerke zumindest einmal zu testen – die ganze Stufe konnten sie mangels Testständen, welche die Last aufnahmen, nie testen. Ebenso bestand das Konzept dabei zwangsläufig mangels Tests ausfallende Triebwerke abzuschalten und zur Kompensation der Schubasymmetrie einfach ein gegenüberliegende Triebwerk abzuschalten. Das verdoppelt die Wirkung eines Ausfalls. Bei der Saturn V wurde dagegen der Schubvektor der andren Triebwerke angepasst. Wem das Konzept bekannt vorkommt: Genau so argumentiert ja nun Elon Musk beim Superbooster. Auch hier wird die Stufe nicht vorher getestet, und sie hat einen Schubüberschuss um den Ausfall einzelner Triebwerke abzufangen. Was den Superbooster von der N-1 aber unterscheidet, ist das heute die Kontrolle viel besser ist und die Auswirkungen eines Triebwerksausfalls wohl nicht so katastrophal sind.

In der Steuerungstechnik gibt es denn auch die größten Unterschiede. Eine Rakete kann man ohne digitalen Computer steuern. Bei der A-4 wurde dafür eine Kreisplattform geneigt, da die Achse raumfest bleiben will gibt die Plattform eine Kraft ab die verstärkt genutzt wird um die Triebwerke zu schwenken. So erreichte sie einen vor dem Start vorgegebenen Endwinkel. Ein Autopilot verfeinerte dies bei den späteren Raketen, indem es mehrere Neigeprogramme gab. Damit ist aber nicht eine alternative Route einschlagbar, falls es ein größeres Ereignis gibt, dazu braucht man für die Berechnung der Korrekturen einen Computer. Den Brennschluss löste bei der A-4 und ersten US-Raketen eine vor dem Start aufgeladene Batterie oder Kondensator aus. Sie wurde gezielt entladen wobei Beschleunigungssensoren die Höhe lieferten. War die Ladung aufgebraucht, sank der Strom aus der Batterie auf Null und das löste das Abschalten der Triebwerke aus. Als die Proton in den Neunziger Jahren als Trägerrakete angeboten wurde, gab es erste Dokumente über die Rakete und siehe da, rund 50 Jahre nach der A-4 arbeitete die Abschalteinrichtung noch genau so! Das war keine Ausnahme., als zehn Jahre später Starsem die Sojus vermarktete wurde sie modernisiert und erhielt ein rein digitales Computersystem. Daraus kann man ableiten, das die Sojus, die zu dem Zeitpunkt auch schon 50 Jahre auf dem Buckel hatte, noch kein voll digitales Steuersystem hatte. Russland blieb aber den Umgehungslösungen treu. Die dritte Stufe der Sojus bekam bei der Modernisierung ein neues Triebwerk. Das alte hatte vier Kammern, nicht schwenkbar. Durch Absenkung des Treibstoffflusses in die Kammern konnte man den Schubvektor steuern und so die Stufe. Das neue Triebwerk war nun moderner, aber damit man ja nichts ändern musste, hatte es erneut vier Kammern! Als dann als Resteverwertung für die von der N-1 übrig gebliebenen NK-33 Triebwerke die Sojus 2v entstand, hätte man ja ein NK-33 schwenkbar einbauen können. Aber man blieb bei der kruden Lösung und baute es die die RD-107/8 fest ein, und ein Triebwerk aus der Sojus Oberstufe mit vier Brennkammern zusätzlich als Ersatz für die Steuertriebwerke.

Soviel für heute. Morgen der zweite Teil der sich mit Raumsonden und Satelliten beschäftigt wobei her es noch mehr Umgehungslösung gibt.

Neuigkeiten

Zuletzt noch einige Neuigkeiten, gute und schlechte. Was wollt ihr zuerst hören? Ach ja, die schlechte Nachricht? Also mich hat wieder die Rechercheunlust gepackt, also mit weiteren Bänden zum Apolloprogramm wird es noch dauern. Es gibt ein einige Gründe. Zum einen – bemannte Raumfahrt ist nicht mein Ding, mein Hauptinteressengebiet. Band 1 behandelte die Saturn, eine Trägerrakete, das hat mich interessiert, aber der Rest des Programms, na ja eher weniger. Ich spiele mit dem Gedanken den Erscheinungstermin der drei Bücher auf unendlich zu verschieben, dann hätte ich wenigstens den Kopf frei für zwei ebenfalls im Mittelstadium sich befindlichen Büchern über Ernährung und Computer.

Das ich für diese Blogeinträge – sofern sie lange genug sind – mehr bekomme als für die Bücher in denen viel mehr Arbeit steckt macht es wie ihr euch denken könnt, auch nicht einfacher. Ich überlege aber ob ich mein eigenes Niveau absenke. Also die Bücher sind ja primär für mich selbst. Sie enthalten alles was ich wissen möchte. An den Kommentaren hier im Blog erkenne ich aber, dass meine Leser ein anderes Niveau haben und vielleicht finde ich ja eines das zwischen den heutigen Büchern und dem Niveau liegt das viele andere Raumfahrtbücher haben. Da die meiste Zeit nur für Recherche draufgeht würde das die Sache beschleunigen. Zudem werden sie so nicht so lang.

Es gibt aber auch zwei, nein drei, gute Neuigkeiten. Ich habe ja schon zwei große Bände über Raketen geschrieben, 700 und 600 Seiten stark. Die sind nun auch schon einige Jahre alt und es wäre an der Zeit für eine Neuauflage. Aber die US-Trägerraketen sind schon an der Grenze die der Verlag setzt. Und 600 Seiten bei den internationalen Trägerraketen sind auch nicht handlich. Seit langem hatte ich vor, die US-Trägerraketen in einzelne Bände aufzuspalten. Das erlaubt es dann auch die Neuauflage auf den letzten Band mit den neu erschienen Trägern zu beschränken.

Ich habe das nun angefangen. Dieses Jahr erscheinen noch zwei Bände über die kleinen frühen US-Trägerraketen (Vanguard, Juno, Redstone, Project Pilot und Scout) und einer über die Titanfamilie. Wenn nächstes Jahr die Delta 4 Geschichte ist, folgt die Delta Familie und 2025 sollte auch die Atlas V Geschichte sein und der Band über die Atlas Familie folgt.

Da fiel mir auf, dass man noch die russischen Raketen aus dem zweiten Band ausklammern kann. Da gab es seit Jahren kein neues Modell und angesichts Russlands Engagement wird da auch nichts folgen. Wenn die Ariane 6 startet wären die europäischen Raketen dran und Japans H-III steht auch vor dem Start. Indien hat nach der SSL auch keine weiteren Raketenpläne, dann wären bis auf die chinesischen Träger auch in einigen Jahren die internationalen Raketen abgehakt. Die neuen US-Trägerraketen wie auch neuen chinesischen Raketen sind aber echte Probleme. Denn über sie gibt es fast keine Fakten. In dem Zeitalter der Verseichtung muss man nichts mehr wissen, man braucht nur Videos.

Wer die beiden Bücher schon hat, sollte nicht kaufen, ich aktualisiere zwar die Texte und ich übernehme Veränderungen, die aus anderen Büchern stammen, so das längere Kapitel über die Redstone aus dem Buch „Das Mercury Programm“ oder Teile über die Titan IIIE aus dem Voyagerbuch und das N-1 Kapitel aus dem Buch über die Saturn Familie. Daneben ist das Layout nun wieder großzügiger mit größerer Schrift und größeren Abständen und breiteren Rändern. Die ersten beiden Bücher haben so 160 bis 170 Seiten Umfang, während es im Original rund 200 für beide Trägerfamilien waren. Sie werden wahrscheinlich unter 15 Euro kosten (also 14,99 Euro…). Das ist verglichen mit dem was für andere neue Raumfahrtbücher verlangt wird, relativ preiswert. Band 1 (Kleine US Träger) ist schon beim Korrekturleser, bei Band 2 (Titan) bin ich gerade beim Durchlesen, Band 3 (Russische Trägerraketen) folgt noch dieses Jahr. Also zumindest nominell liege ich damit bei den Veröffentlichungen doch gut oder?