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Langer Marsch 5 (Chang Zheng 5)

Die Langer Marsch 5 (CZ-5) ist Chinas erste Neuentwicklung seit Jahrzehnten. Der Anspruch ist recht groß – eine Rakete soll alle anderen Typen ersetzen. Sie soll modular sein, umweltfreundliche Treibstoffe (LOX und Kerosin) und in größerem Maße Wasserstoff/ Sauerstoff einsetzen. Es gibt zwar für die LM-3 eine Oberstufe mit dieser Treibstoffkombination, doch die anderen Typen, wie die CZ-2E und CZ-2F, nutzen diese Kombination nicht. China bekam in den frühen Neunzigern RD‑120 Triebwerke und eventuell auch deren Konstruktionspläne. Das RD-120 ist das Zweitstufentriebwerk der Zenit, von dem auch eine Variante mit Betrieb auf Meereshöhe das RD-120K konstruiert wurde. China betrieb nun das auch in anderen Teilen der Wirtschaft Chinas gängige Reengineering, baute das RD‑120 nach, um es zu studieren. Das RD‑120 ist eines der modernsten Triebwerke Russlands und so dauert es zwei Jahrzehnte bis China seine eigenen Nachbauten erfolgreich testen konnte. Auf Basis des RD‑120 entstanden zwei Triebwerke: das YF-100 mit 120 t Schub, eine leicht im Schub gesteigerte Version des RD‑120K und das die gleiche Technologie verwendende YF-115 mit 17 t Schub. Zusätzlich wurde das LOX/LH2 Triebwerk YF-77 mit 50 t Schub entwickelt. Dessen Entwicklung war noch schwieriger und für Verzögerungen im Programm verantwortlich.

Das YF-77 muss entsprechend den Abbildungen mit dem Nebenstromverfahren arbeiten. Es ist ein „Auspuff“ für die Abgase des Gasgenerators zu sehen. Es gibt zwei separate Turbinen für Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Turbinen machten noch Probleme, beim zweiten Start der Langer Marsch 5 am 2.7.2017 entwickelte die Rakete durch Probleme der Turbine zu wenig Schub, sodass die Mission nach 356 s scheiterte. Daraufhin wurde die Turbine komplett umkonstruiert und geplante Missionen wie die Chang‘E-5 Mondmission verschoben. Die Rakete konnte erst nach 908 Tagen erneut starten. Das Triebwerk ist nur in einer Achse schwenkbar in der Zentralstufe eingebaut.

Die YF-100 können, basierend auf dem Hauptstromverfahren. Sie waren bei der Entwicklung die problematischeren Triebwerke, zwei von vier Testtriebwerken gingen bei Tests verloren. Das YF-100 wurde von 2000 bis 2012 entwickelt. Das Mischungsverhältnis von Kerosin und Sauerstoff kann um 10 % schwanken, was die Restmengen an Treibstoff in den Tanks reduzieren soll. Ihre Nennbetriebsdauer beträgt 200 s. Bei den Zentralstufen werden in zwei Achsen schwenkbare Versionen eingesetzt. Bei den Boostern nur in einer Achse schwenkbare.

Auf diesen vier Triebwerken entstehen folgende Stufen:

• 5,00 m Kernstufe: Zwei Triebwerke YF-77 mit 2 × 500 kN Schub (CZ-5)

• 3,35 m Booster / Stufe: Zwei Triebwerke YF-100 mit 2 × 1.200 kN Schub (CZ-6,7,8)

• 3,35 m Oberstufe: Vier Triebwerke YF-115 mit je 176,5 kN Schub (CZ-7).

• 2,25 m Booster / Stufe: Ein Triebwerk YF-100 mit 1.200 kN Schub (CZ-7,8).

• 3,35 m Oberstufe: Zwei Triebwerke YF-75D mit 2 x 157 kN Schub (CZ-5)

• 3,0 m Oberstufe: Ein Triebwerk YF-75D mit 157 kN Schub (CZ-7,8).

Betont wurde schon bei der Entwicklung, dass die 2,25 m und 3,35 m Stufen auch als eigenständige erste Stufen ge­nutzt werden können. Aus ihnen entstanden dann die Chang Zheng 6 bis 8, um damit die Langer Marsch 2 bis 4 abzulösen. Von den größeren Typen waren ursprünglich sechs Versionen geplant, die jeweils die 5 m Kernstufe mit unterschiedlichen Boostern einsetzen. Drei Versionen für LEO Transporte ohne Oberstufe und drei für GTO-Transporte mit Oberstufe.

Der Plan wurde später dahin gehend revidiert, dass zuerst nur zwei Typen entwickelt werden. Die CZ-5A, die dem Typ C in der Tabelle entspricht und die CZ-5B, die dem Typ F entspricht. Die Entwicklung der 2,25-m-Booster wurde zurückgestellt. Die Entwicklung begann 2004 mit dem Ziel eines Jungfernflugs 2012, doch erst am 19.9.2015 erfolgte der erste Test der abgeleiteten CZ-6. Verzögerungen gab es durch das YF-77 Triebwerk, aber auch die Strukturen der großen Zentralstufe. Sie wird im Rührreibschweißverfahren hergestellt. Das ist der heutige Stand der Schweißtechnik. Mittlerweile wurde der Schub des YF-77 von 500 auf 700 kN angehoben, primär, indem der Brennkammerdruck von 81 auf 102 bar erhöht wurde. Wie bisherige Triebwerke aus China ist es relativ schwer. Zwei YF-77 sind, fest miteinander verbunden, der Antrieb der Zentralstufe. Die Booster mit 3 m Durchmesser werden dafür auch bei der langen Marsch 6 bis 8 als Zentralstufe eingesetzt. Die kleineren 2 m Booster bei der langen Marsch 7 (vier Stück) und CZ-8 (zwei Sttück), jedoch nicht bei der langen Marsch 5. Ebenso ist die lange Marsch 5 die einzige Version mit einer kryogenen Zentralstufe.

Die Oberstufe setzt das YF-75D ein. Es wurde seit 2006 aus dem YF-75 der CZ-3 entwickelt. Anders als dieses und das YF-77, arbeitet es mit einem geschlossenen Kreislauf, nach dem Prinzip des Expander Cycle. Zusammen mit dem Staged Combustion Cycle des YF-100 beherrscht China damit alle drei Hauptantriebsverfahren mit Turbopumpen.

Zentralstufe und Booster haben getrennte Tanks. Die Isolation des Wasserstofftanks ist 3 cm dick. Fast 90 % des Gewichts machen die Treibstoffe mit 165,3 t Masse aus. Es wird eine Alumniumkupferlegierung AL-2219 eingesetzt, ähnliche Legierungen wie die AL 2210 sind auch bei anderen Nationen die Standardlegierungen für Stufen. Die Triebwerke sind sowohl bei Boostern wie Zentralstufe nur in einer Richtung schwenkbar.

Die Tanks der Booster wurden von der langen Marsch 3 abgeleitet, woraus sich auch der Durchmesser von 3,35 m ergab. Die beiden Tanks sind getrennt, der Kerosintank ist der untere Tank. Die um 15 Grad geneigte Spitze schließt zur Zentralstufe auf, während die kleineren Booster der CZ-7 und 8 kegelförmige Spitzen haben, die nicht an die Zentralstufe aufschließen.

Die Oberstufe setzt zwei Triebwerke des Typs YF-75D ein. Sie sind wie die der Zentralstufe um 4 Grad nur in einer Richtung schwenkbar. Für die Kontrolle der beiden anderen Achsen setzt China 18 Triebwerke des Typs YF-85 ein, die gasförmigen Sauerstoff und Kerosin verbrennen. Sie führen wahrscheinlich auch die Achsenkontrolle nach Abtrennung der Booster durch. Bei der Oberstufe hat der Wasserstofftank 5 m Durchmesser, der Sauerstofftank nur 3,35 m Durchmesser. Der Durchmesser der Stufe beträgt aber durchgängig 5 m. Dies ermöglicht es eine Steuereinheit und eine Nutzlasthülle einzusetzen, egal ob die Oberstufe eingesetzt wird oder nicht. Sie kommt bei Starts in den GTO oder Missionen zu Mond oder den Planeten zum Einsatz. Für LEO-Missionen wird die CZ-5B ohne Oberstufen eingesetzt werden.

Die Steuereinheit vermittelt zwischen dem Durchmesser der Rakete von 5 m und der Nutzlastverkleidung von 5,2 m. Die Struktur besteht aus Kohlefaserverbundwerkstoffen.

Die ersten Starts der CZ-5 setzten immer eine zusätzliche Yuanzheng-2 (YZ-2) Kickstufe ein, die nach den Beschreibungen einem Apogäumsantrieb entspricht und fest mit der Nutzlast verbunden ist. Sie verwendet zwei Triebwerke YF-50D mit einem hohen Schub von 13 kN. Der lagerfähige Treibstoff UDMH mit NTO erlaubt Missionen mit bis zu 7 Stunden Dauer, wie sie für geostationäre Satelliten nötig sind. Varianten dieser Stufe werden als Oberstufen auch bei der CZ-3B und 3C eingesetzt, dort vor allem für Starts der Bijou-Navigationssatelliten. Die angegebene Brenndauer von 1105 s passt allerdings nicht zu dem Schub von 13 kN und der angegebenen Masse von 1,8 t. Dafür müsste alleine der Treibstoff 4,66 t wiegen. Ich vermute das 1,8 t die Trockenmasse sind. Die würde auch mit der GEO-Nutzlast von 6 t korrespondieren. Dann müsste die Stufe betankt allerdings 8 bis 8,4 t wiegen. Die YF.50 sind pumpgefördert. Der Treibstoff befindet sich in Kugeltanks.

Es gibt zwei Nutzlastverkleidungen von jeweils 5,20 m Durchmesser und 12,27 bzw. 20 m Länge. Die längere wiegt 4 t, die kürzere 2,4 t. Sie bestehen aus zwei Häuten aus Kohlefaserverbundwerkstoff, dazwischen befindet sich Polyacrylamidschaum der sowohl Vibrationen, wie auch Lärm dämpft. Anders als bei anderen Trägern werden die beiden Hälften nicht pyrotechnisch gesprengt, sondern zwei Drehverschlüsse verbinden die Hälften. Dies soll die Gefahr von Beschädigung der Nutzlast reduzieren. Für die Nutzlast ist ein Innendurchmesser von maximal 4,5 m nutzbar.

Die CZ-5 soll auch bemannt eingesetzt werden. Da die neue Zentralstufe mit 5,00 m Durchmesser nicht mehr per Bahn transportiert werden kann, entsteht eine Fabrik zur Produktion nahe des Startzentrums in Hainan (Wengchang). Ein Start von den drei älteren Weltraumbahnhöfen aus ist nicht geplant.

Im November 2005 war der Erststart der CZ-5 noch für 2012 vorgesehen, doch zu diesem Zeitpunkt wurde gerade erst die Fabrik für die Zentralstufe fertiggestellt. Die Kosten für diese Fabrik betragen 4,5 Milliarden Yuan (657 Millionen US-Dollar). Auch die hohen Investitionskosten könnten ein Hindernis sein. Bisher waren in Jahrzehnten von Chinas Trägerprogramm nur Investitionen in die beiden Oberstufen der Langer Marsch 3 und 4 nötig. Alle anderen Stufen basierten auf den schon entwickelten Stufen für Inter­kontinentalraketen und deren Triebwerken. Dagegen handelt es sich bei der Langer Marsch 5 um eine komplett neu entwickelte Trägerraketenfamilie. Alleine die In­vestitionen in einen Raumfahrt-Themenpark am Startgelände beziffert China mit 875 Millionen Dollar.

Hier eine Übersicht der Stufen und ihres Einsatzes in der neuen Familie. Voneinander abstammende Stufen sind farblich markiert: Insgesamt ist das System zumindest bei der Benennung nicht systematisch so ist die Version mit Oberstufe mal mit Buchstabe "A" bezeichnet (CZ-7A), mal die Version ohne Oberstufen (CZ-5B). Nach der Nutzlast beträgt die Reihenfolge CZ-6, CZ-7, CZ-8, CZ-5. Bei den Jungfernflügen dagegen CZ-6, CZ-5, CZ-8 und CZ-7.

Die meisten Angaben im Datenblatt mussten anhand der wenigen oben erwähnten bekannten Daten berechnet oder geschätzt werden. Es führt alle möglichen Stufen auf. Die CZ-5B setzt aber nur Booster und Zentralstufe ein.

Langer Marsch 9 – 10

Aufgrund des Starts der Chang Zheng 11 im September 2015 stellt sich die Frage, wo die zwischen der Langen Marsch 7 und 11 liegenden Familienmitglieder liegen. Es handelt sich bei den Langer Marsch 8 bis 10 um keine in der Entwicklung befindlichen Raketen.

Die Chang Zheng 8 ist eine Parallelentwicklung zur CZ-7, jedoch mit etwas geringerer Nutzlast. Sie wird auch Chang Zheng 6A genannt, da sie aus dieser Rakete hervorgeht.

Die Langer Marsch 8 setzt zwei YF-100 Triebwerke in der ersten Stufe ein, der Durchmesser von 3,35 m bleibt, sodass davon auszugehen ist, dass es das K3-1 Modul der Langer Marsch 5 ist. Die zweite Stufe hat ebenfalls 3,35 m Durchmesser. Sie könnte die bisherige erste Stufe der CZ-6 sein. Zwei Feststoffbooster mit 2 m Durchmesser unterstützen die Erststufe. Der Durchmesser dieser Booster passt zur ersten Stufe der Langen Marsch 11.

Die CZ-6A/8 hat eine Nutzlast von 4.000 kg in den SSO, entsprechend etwa 5.000 bis 6.000 kg in den LEO. Mit einer Oberstufe des SAST mit lagerfähigen Treibstoffen und dem TY-1 Triebwerk, das mehrere Starts erlaubt, wäre sie auch geeignet, Raumsonden zu starten.

Die Langer Marsch 9 ist eine projektierte Serie von Schwerlastraketen. Sie sollen eine Nutzlast von 130 t in den LEO oder 50 t in eine Mondtransferbahn transportieren. Als Entwicklungszeitraum wird 2020 bis 2025 angegeben. Das Design ist noch nicht abschließend festgelegt. Zwei Entwürfe tauchen in Publikationen auf.

In beiden Entwürfen wird eine Zentralstufe von 9 m Durchmesser von vier Boostern unterstützt. Entweder vier Boostern mit LOX/Kerosin und 3,35 m Durchmesser mit jeweils 320 t Gewicht, angetrieben von einem YF-650 Triebwerk oder vier Boostern mit festen Treibstoffen und je 1.000 t Startschub. Die Startmasse beider Versionen beträgt rund 3.600 t.

Im ersten Fall wäre die Zentralstufe 1.756 t schwer, angetrieben von vier YF-650, die LOX/Kerosin verwenden, plus einer Oberstufe mit zwei YF-220 die LOX/LH2 einsetzen und 500 t Startmasse. Diese Version ist 98 m hoch. Alle Tanks sind getrennt.

Im zweiten Fall wäre die Zentralstufe nur 1.000 t schwer, setzt dafür fünf YF-220 ein. Die Oberstufe wiegt nur noch 200 t und setzt ein YF-220 ein und Oberstufe/Zentralstufe nutzen beide LOX/LH2. Die Oberstufe nutzt einen Integraltank, die Zentralstufe getrennte Tanks. Diese Version wäre 101 m hoch.

Der Name Chang Zheng 10 / Langer Marsch 10 ist bisher mit keinem Projekt verbunden. Warum ist nicht bekannt. Eine Unglückszahl, wie bei uns die 13, ist die 10 aber nur in einigen Regionen, vielmehr gilt die Zahl 4 als Unglückszahl – und es gibt ja die Langer Marsch „4“.

Die CZ 5 bis 7 Familie. Wiedergabe der Grafik mit freundlicher Genehmigung von Norbert Brügge.

Artikel verfasst 2016, Artikel zuletzt geändert: 13.1.2021

Links

China Great Wall Industry Corporation

Astronautix Long March Family

Sinodefense

Space Launch Report

Bücher des Autors über Trägerraketen

Wie man an dem Umfang der Website sieht, sind Trägerraketen eines meiner Hauptinteressen. Es gibt inzwischen eine Reihe von Büchern von mir, auch weil ich in den letzten Jahren aufgrund neuer Träger oder weiterer Informationen über alte Projekte die Bücher neu aufgelegt habe. Sie finden eine Gesamtübersicht aller Bücher von mir bei Amazon und hier beim Verlag.

Ich beschränke mich in diesem Abschnitt auf die aktuellen Werke. Für die in Europa entwickelten Trägerraketen gibt es von mir zwei Werke:

Europäische Trägerraketen 1 behandelt die Vergangenheit (also bei Drucklegung): Das sind die nationalen Raketen Diamant, OTRAG und Black Arrow und die europäischen Träger Ariane 1 bis 4 und Europarakete.

Europäische Trägerraketen 2 behandelt die zur Drucklegung 2015 aktuellen Träger: Ariane 5, Vega und die damaligen Pläne für Vega C und Ariane 6.

Wer sich nur für einen der in den beiden besprochenen Träger interessiert, findet auch jeweils eine Monografie, die inhaltlich identisch mit dem Kapitel in den Sammelbänden ist, nur eben als Auskopplung.

Weiter gehend, alle Raketen die es weltweit gibt, behandelnd, gehen zwei Bände:

US-Trägerraketen

und

Internationale Trägerraketen (im Sinne von allen anderen Raketen weltweit)

Auch hier habe ich 2023 begonnen, die Bände aufzusplitten, einfach weil der Umfang für eine Aktualisierung sonst weder handelbar wäre bzw. an die Seitengrenze stößt, die der Verlag setzt. Ich habe auch bei den Einzelbänden nochmals recherchiert und den Umfang erweitert. Bisher sind erschienen:

US Trägerraketen 1 mit den frühen, kleinen Trägern (Vanguard, Juno, Scout)

US Trägerraketen 2 mit der Titan-Familie

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Mehr über meine Bücher finden sie auf der Website Raumfahrtbuecher.de und eine Liste aller Veröffentlichungen findet sich auch bei meinem Wikipediaeintrag.

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