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Die Space Shuttle Haupttriebwerke

Einleitung

Die Space Shuttle Haupttriebwerke (Space Shuttle Main Engines (SSME) waren die leistungsfähigsten, die in den USA jemals entwickelt wurden und sind nach dem Einstellen des Energija Programmes auch die weltweit leistungsfähigsten. Ihre Entwicklung war außerordentlich schwierig und sie wurden während der Einsatzdauer des Space Shuttles laufend weiter verbessert. Sie wurden bis in jüngste Zeit für weitere Projekte vorgeschlagen und sollen die SLS antreiben.

Da es sich einerseits um die komplexesten Triebwerke handelt. Andererseits die Entwicklungsgeschichte sehr gut dokumentiert ist und die Triebwerke dann auch noch über dreißig Jahre weiterentwickelt wurden habe ich vier einzelne Aufsätze verfasst:

• Der erste Artikel befasst sich vor allem mit der Vorgeschichte, der technischen Beschreibung der Triebwerke und des Testprogramms
• Daran schließt sich die Beschreibung der Entwicklung, ihrer Probleme und Upgrades an
• Dieserer letzte Teil gibt einen Ausblick auf die Zukunft und enthält vor allem die Tabellen mit den technischen Daten.
• Der Triebwerkskontroller, der an den Triebwerken zur Steuerung angebracht ist, wird in einem eigenen Aufsatz gewürdigt.

Die SSME in anderen Projekten

Die SSME waren die leistungsfähigsten je gebauten US-Triebwerke. Sie waren wegen der hohen Anforderungen sowohl an Sicherheit, wie auch an Leistung sehr teuer. 1988 kostete ein Triebwerk so viel wie eine Delta Rakete, rund 33 Millionen Dollar. 1993 wurde ein Preis von 40 Millionen Dollar angegeben, die letzten Einsatzexemplare kosteten nach der NASA 50 Millionen Dollar. Das ist recht viel, auch wenn die Kosten inflationskorrigiert leicht gesunken sind (die 50 Millionen Dollar bei der Ausmusterung entsprechen 29 Millionen im Jahr 1988). Ein neues Triebwerk, das nicht so sehr auf Leistung optimiert ist und nicht eine so lange Lebensdauer hat wie das RS-68 ist daher trotz 50% mehr Schub deutlich billiger und wurde daher von der NASA bei der Ares V vorgezogen. Aufgrund der Kosten war ihr Einsatz in anderen Projekten nur bedingt sinnvoll.

Der erste projektierte Einsatz war im Shuttle-C, dem Carrier Shuttle. In den ausgehenden Achtziger Jahren, als das US-Militär auf Weisung von Präsident Reagan an dem Raketenabwehrsystem SDI arbeitete (populärer als "Star-Wars" bekannt) studierte die NASA einen unbemannten Shuttle. Er sollte als Schwerlasttransporter die vielen Weltraumwaffen wie Partikel- und Laserkanonen transportieren. Es gab verschiedene Konzepte. Die einfachsten hätten praktisch ein Shuttle verwendet, bei dem man alle Systeme für die Mannschaft ausgebaut hätte. Es wäre auch wie ein Shuttle gelandet. Diese hatten eine Nutzlast von 38 bis 45 t. Konzepte die auf die Flügel verzichteten und teilweise auch den Nutzlastraum durch eine einfache Nutzlasthülle ersetzten hätten eine erheblich höhere Nutzlast aufgewiesen. Dieser Shuttle wäre nicht wiederverwendbar gewesen. Auch dachte man an weniger (zwei) oder mehr (vier) Triebwerke. Mit der Einstellung von SDI, Anfang der Neunziger verschwanden alle diese Konzepte in der Schublade.

Im Constellation Programm waren die SSME zuerst als Antrieb der zweiten Stufe der Ares I wie auch der der Zentralstufe der Ares V vorgesehen. Für den ersten Zweck war nachteilig, dass sie nicht für eine Zündung im Flug qualifiziert waren. Die NASA befand, das die Anpassung des J-2S, das Ende der sechziger Jahre getestet wurde, einfacher war als die des SSME und ersetzte es in der Ares I. Bei der Ares V war der Preis, der zu hoch war. Fünf RS-68B sollten erheblich weniger kosten (pro Stück 20 anstatt 50-60 Millionen Dollar). Allerdings musste die Stufe nun erheblich größer werden, weil dieses Triebwerk den Treibstoff weitaus weniger gut ausnutzt.

Für die SLS sind derzeit wieder die SSME als Antrieb geplant. Vier werden als Antrieb benötigt. Die 16 noch vorhandenen Triebwerke reichen für vier Flüge, dann müssen neue gebaut werden. Die ausgestellten Space Shuttles haben nur Attrappen. Die Originaltriebwerke wurden in eine Langzeitlagerung überführt. Warum nun die NASA wieder eine Kehrtwende macht, nachdem sie für die Ares V schon die RS-68B selektiert hatte (die allerdings auch erst aus dem RS-68 entwickelt werden sollten) kann man spekulieren. Vielleicht weil die SLS weniger Triebwerke einsetzen soll als die Ares V (vier SSME bei der SLS, fünf ursprünglich bei der Ares V, schließlich reichte auch deren Schub nicht aus, weshalb man auf die RS-68 umschwenkte). Die persönliche Meinung des Autors ist es aber, das bei dem derzeitigen per Gesetz eingefrorenem NASA Budget (=real sinkend weil es Inflation gibt) und der Tatsache das das Constellation Programm ehe es richtig begonnen hatte eingestellt wurde, die NASA erst mal eine Lösung sucht die einige Flüge erlaubt ohne viel zu kosten. 4 Starts kann man mit den vorhandenen Treibwerken machen, da nur einer alle zwei Jahre stattfinden soll, reicht das mindestens bis 2023. Bis dahin ist entweder die SLS eingestellt oder eine ordentliche Finanzierung vorhanden.

Technische Daten

Neben den Haupttriebwerken sind im Heck noch Unterstützungssysteme untergebracht die den Treibstoff in die Triebwerke befördern, Ventile betätigen oder Druck aufbauen

System	Masse
LH2 Subsystem: Leitungen, Dump	1.293 kg
LOX System: Leitungen, Dump,	1.111 kg
GH2 System: Vor dem Start Druckbeaufschlagung, Ventile	46 kg
GOX System: Vor dem Start Druckbeaufschlagung, Ventile	45 kg
GH2 System: Vor dem Start, beim Start und Shutdown spülen der Preburner, pneumatische Betätigung von Ventilen, Betätigung von Aktoren. Beim Wiedereintritt Spülen und Druckbeaufschlagung aller Leitungen zu den Triebwerken sowie anderer Orbitersysteme	884 kg
GN2 System: Vor dem Start Spülen der LOX Leitungen	7 kg
Verschiedenes: Sensoren die Entleerung des ET signalisieren, Druckbeaufschlagungsregler und Steuerung der Ventile, Hitzeschutzschild für die SSME etc.	306 kg
Gesamt: Unterstützungssysteme	3.684 kg

Die Zuverlässigkeit der Triebwerke wurde im Laufe der Zeit enorm gesteigert. Bei der Einstufung des Risikos waren sie anfangs zu 48,4% an einem katastrophalen Ereignis beteiligt. Bei der letzten Generation war nicht nur das Gesamtrisiko des Space Shuttles eines Ausfalls auf rechnerisch 1/568 gesunken, die Triebwerke machten auch nur noch 26,3% dieses Risikos aus.

Es gibt nicht das SSME. Bedingt durch die Änderungen an den Triebwerken wird man je nach Zeitpunkt unterschiedliche Daten finden. Ich habe hier soweit möglich die Daten der ersten Fluggeneration (STS-1) mit denen der letzten Exemplare gegenübergestellt.

Quellen:

Quellen: NASA-TP-1932 19820003911: Space Shuttle Main Engine Controller

Space Shuttle Main Engine - The Relentless Pursuit of Improvement

Space Shuttle Main Engine - Thirty Years Of Innovation

NASA N91-28270: SPACE SHUTTLE MAIN ENGINE CERTIFICATION FOR MANNED SPACE FLIGHT

SHUTTLE PROPULSION OVERVIEW – THE DESIGN CHALLENGES

Space Shuttle Technical Conference Part 2

Space shuttle Main Engine: Certification for Manned Space Flight

R.A. Heppenheimer: The development of the Space shuttle 1972 bis 1981

Boeing: Space Shuttle Main Engine Orientation

Artikel erstellt am 4.10.2013

Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

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