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Block D / DM

Vorgeschichte

Russische Raketenphilosophien unterscheiden sich sehr stark von denen in den USA. Während in den USA eine Rakete laufend in ihrer Leistung gesteigert wird durch neue Oberstufen, Tankverlängerungen, Startbooster oder sogar neue Triebwerke sind russische Raketen oft über Jahrzehnte weitgehend unverändert im Dienst. Braucht man eine stärkere Rakete und kann dies durch eine neue Oberstufe nicht lösen. So wird eine neue Rakete eingeführt. Extrembeispiel für diese Philosophien sind die seit 40 Jahren unveränderte Sojus/Molnija und die Delta, die auf 21 Hauptversionen zurückblicken kann und bei der seit 1988 kein Originalteil der ursprünglichen Delta mehr zu finden ist.

Block D ist in dieser Hinsicht eine Besonderheit: Es ist die einzige russische Oberstufe, die über Jahre hinweg weiter entwickelt wurde und die erste, die auch auf mehreren Raketen eingesetzt wurde.

Die Oberstufe Block D entstammte aus einem anderen Projekt und war für die russische Mondlandung gedacht. Aufgabe von Block D war es die modifizierte Sojus Kapsel mit dem Mondlander in einen Mondorbit zu bringen, wenn dieser nach 3 Tagen Flug erreicht wurde. Dann wäre wie bei Apollo der Mondlander abgetrennt worden. Nach der Landung auf dem Mond und dem Rückstart wären beide Astronauten von Block D mit ihrer Sojus zurückgebracht worden. Die Funktion des Block D war also mit dem des Crew Service Module (CSM) von Apollo vergleichbar.

Schon bevor das Mondlandeprogramm eingestellt wurde setzte man ab 1967 Block D als vierte Stufe der Proton ein. Man sparte sich so die Entwicklung einer vierten Stufe. Diese Stufe wurde über Jahre hinweg weiter entwickelt. Das "D" kommt von russisch "dopolitelnij" = "Ergänzung".

Das Triebwerk RD-58 fand dann noch in einer modifizierten Version ihren Einsatz in der Raumfähre Buran. Dort war es verantwortlich für größere Kurskorrekturen. Es brannte z.B. zweimal um einen kreisförmigen Orbit zu erreichen und um die Raumfähre zurück zur Erde zu bringen. Dafür hatte Buran 15 t flüssigen Sauerstoff und Kerosin an Bord.

Die Technologie von Block D

Block DBlock D verwendet nicht die bei den ersten 3 Stufen der Proton verwendete Treibstoffkombination Stickstofftetroxid / UDMH sondern die nicht lagerfähigen Treibstoffe flüssigem Sauerstoff (LOX) und Kerosin. Diese haben den Vorteil eine höhere Energiedichte als die Kombination Stickstofftetroxid und UDMH zu besitzen. Block D hat keine eigene Steuerung, sondern wird von der Nutzlast gesteuert. Die erste auf der Proton eingesetzte Version war eine Vorversion des Block D der Herkules Trägerrakete

Block D hat eine Masse von 13.36 t bei 5.5 m Länge und 3.715 m Durchmesser. Sein Triebwerk RD-58 liefert über 470 Sekunden 83.4 kN Schub. Der spezifische Impuls lag mit 3393 m/s etwa 7 % höher als bei der Drittstufe. Für die Wiederzündung gibt es zwei Steuerdüsen mit der Bezeichnung SOS (Erzeugniscode 11D79). Sie haben in separaten Tanks jeweils 55 kg Hydrazin und 56 kg Stickstofftetroxid. Diese treiben 2 Düsen mit 22 N, 2 Düsen mit 11 N und 1 Düse mit 44 N Schub an. Der geringe Schub dieser Pakete reicht aus eine winzige Beschleunigung zu erzeugen, die bewirkt, dass sich der Treibstoff wieder am Tankboden sammelt und es so beim Öffnen der Ventile nicht zu Bläschen in den Leitungen kommen kann. Block war für 7 Brennsequenzen ausgelegt, 5.5 m lang. Die Treibstoffe UDMH / Stickstofftetroxid sind hypergol, d.h. sie entzünden sich bei Kontakt.

Der Oxidator Sauerstoff befindet sich in einem Kugeltank oberhalb des Triebwerks. Der Verbrennungsträger Kerosin dagegen in einem torusförmigen Tank darunter und um das Triebwerk herum. Dadurch konnte Block D trotz seiner hohen Startmasse sehr kompakt gebaut werden. Der torusförmige Kerosintank ist um 3 Grad gegen die Horizontale geneigt, damit auch die letzten Reste des Kerosins genützt werden können.

Block D war in der ersten Version 6 mal wiederzündbar und für eine Betriebszeit von max. 12 Tage ausgelegt. Eine Isolation um den Sauerstofftank gewährleistet das der -183 ° kalte Sauerstoff nicht in dieser Zeit verdampft. Dies war nötig weil eine Mondmission auch so lange dauern konnte. Bei der Zündung brennen zuerst Steuerdüsen SOS um den Treibstoff am Boden der Tanks sammeln. Der Sauerstoff wird dann mit Triethylaluminat zur Entzündung gebracht und in die Verbrennungsflamme dann das Kerosin eingespritzt. Ein ähnliches System verwandte auch die Saturn V zur Zündung. Die Proton K / Block D wird heute nicht mehr eingesetzt.

Proton mit Granat SatellitDas Triebwerk RD-58 und sein Nachfolger RD-58M sind Glanzstücke der sowjetischen Triebwerksentwicklung. Im Westen hat man die Entwicklung von leistungsstarken Triebwerken mit "konventionellen" Treibstoffen Mitte der sechziger Jahre praktisch eingestellt. Neue Technologien wie Hochdrucktriebwerke oder geschlossene Kreisläufe, fanden ihre Anwendung in leistungsstarken Triebwerken wie dem SSME, aber man entwickelte keine neuen Triebwerke mit der Kombination Sauerstoff/Kerosin. Das RD-58 ist ein sehr leistungsfähiges Triebwerk. Sein spezifischer Impuls von 3393 m/s (RD-58) bzw. 3451 m/s (RD-58M) ist um 350-400 besser als bei westlichen Mustern. Erreicht wird dies durch einen Brennkammerdruck von 78 Bar und ein hohes Expansionsverhältnis von 189. Das Triebwerk wiegt 300 kg und hat einen Durchmesser von 1.17 m.

Der Nachfolger RD-58M ist mit 230 kg noch leichter und arbeitet bei 77.5 Bar Brennkammerdruck bei einem Entspannungsverhältnis von 189. Es hat einen Durchmesser von 1.17 m bei einer Höhe von 2.72 m und wurde von 1970 bis 1974 aus dem Triebwerk RD-58 entwickelt. Die Düse des Triebwerk RD-58M wird durch Sublimation von Graphit gekühlt.

Block D

Die Proton / Block D hatte anfangs etliche Ausfälle zu beklagen. Bei den frühen Mustern durch Ausfälle der ersten zwei Stufen, später vor allem durch den Block D. Er zündete nicht oder fiel kurz nach der Zündung aus. Etliche Mond und Planetensonden strandeten so im Erdorbit. Bei dem ursprünglichen Block D übernahm die Nutzlast die Steuerung, nachdem die dritte Stufe diese in einen erdnahen Orbit abgesetzt hatte. Mit dem Block D wurden in den späten sechziger Jahren vor allem Mond- und Marssonden gestartet. Auch die beiden ersten schweren Venera Lander wurden mit der Proton K / Block D gestartet. Die Nutzlast lag bei knapp 6 t zum Mond, 4.9 t zur Venus und max. 4.65 t zum Mars, also etwa 4 mal höher als bei der Molnija Trägerrakete. Diese wurde von der Proton als Standardträgerrakete für Planetensonden abgelöst.

Proton mit Phobos RaumsondeBlock D-1

Der Block D-1 war die erste Weiterentwicklung des Blocks D. Er verwendet ein verbessertes Triebwerk RD-58M und die Treibstoffzuladung wurde vergrößert. Mit dem Block D-1 wurden in den siebziger Jahren vor allem Venussonden, aber auch Satelliten in hochelliptische Umlaufbahnen (Granat, Astron und die letzte Lunasonde gestartet). Inzwischen war der Block D-1 soweit ausgereift, das alle Starts gelangen. Eventuell ist dies auch der Grund für die Weiterentwicklung, denn zahlreiche Starts des Blocks D scheiterten schon bei dessen Zündung im Orbit.

Auffällig an dem Einsatz ist der starke Rückgang der Startraten. Gab es bei Block D noch 39 Starts in 17 Jahren so waren nun nur noch 11 Starts in 13 Jahren. Die höhere Zuverlässigkeit erlaubte es die Zahl der Sonden zu reduzieren und so auch die Zahl der Starts.

Bei Block D und Block D-1 wurde die Oberstufe mit der Raumsonde oder Nutzlast von der dritten Stufe in einen Erdorbit befördert. Erst dann zündete Block D.

Der Block D-2

Diese Konfiguration wurde nur dreimal zum Start der schweren Raumsonden Phobos 1+2 und Mars 96 eingesetzt. Der Block D-2 erhielt nochmals mehr Treibstoff. Die genaue Nutzlast für einen Marsflug ist jedoch nicht zu ermitteln, da er immer nur mit einem Traktorblock eingesetzt wurde: Block D-2 brachte die Marssonde mit dem Traktorblock eine hochelliptische Umlaufbahn wo dann diese mit dem Traktorblock die restliche Geschwindigkeit aufbrachte. Es wurde immer nur das Gesamtgewicht Sonde + Traktorblock angegeben, das bei 6.22 t liegt.

Der Traktorblock wurde ursprünglich für die Venera 15+16 Mission entwickelt und ist als weitere 5.te Stufe zu betrachten. Er bringt zum einen die letzte nötige Geschwindigkeit auf um den Mars zu erreichen und bremst beim Mars die Sonde in eine Umlaufbahn ein. Aus ihm wurde später die "Briz" oder "Breeze" Oberstufe entwickelt. Beim Start von Mars 96 scheiterte Block D-2. Er brachte die Sonde auf eine unbrauchbare Umlaufbahn, so dass diese verglühte. Da bei allen 3 Missionen die Nutzlast mit Block D zu schwer für einen Erdorbit war wurde Block D nach der dritten Stufe gezündet und brachte die Sonden zuerst in einen elliptischen Erdorbit. Dort wurde dann der Traktorblock in Betrieb genommen.

Block D Block D-1 Block D-2
Einsatzzeitraum: 1967-1975 1976-1989 1988-1996
Starts: 39 11 3
Nutzlast: 4600 kg Mars, 5700 kg Mond, 5000 kg Venus 5760 kg Mond, 5000 kg Venus 6220 kg Mars*
Startmasse: 13360 kg 14000 kg 16900 kg
Leermasse: 1800 kg 1830 kg 1800 kg
Höhe: 5.5 m 5.50 m 5.50 m
Durchmesser: 3.715 m 3.715 m 3.1715 m
Triebwerk RD-58 RD-58M RD-58M
Schub: 83.4 kN 85.3 kN 85.3 kN
Brennzeit: 470 Sekunden 490 Sekunden 610 Sekunden
spezifischer Impuls 3393 m/s 3451 m/s 3451 m/s

Der Block DM

Block DMEine weitere Verbesserung bedeutete der Einsatz des Blocks DM Mitte der siebziger Jahre. Während weiterhin mit dem Block D-1 / D-2 Planetensonden gestartet wurden, transportierte der Block DM Nutzlasten in Geosynchrone oder den 19000 km hohen Glonass Navigationsorbit. Damit ist diese Kombination die einzige sowjetische Trägerrakete, die dies kann. Allerdings wird bei sowjetischen Satelliten mit dem Block DM der ganze Satellit in den geostationären Orbit befördert, nicht nur wie im Westen üblich in eine Transferbahn. Wie der Name es schon verheißt ist Block DM eine verbesserte Version von Block D.

Wesentliche Unterschiede zum Block D sind ein eigenes Navigations- und Steuerungssystem. Block D wurde von Drittstufe ausgerichtet und hatte lediglich einen Timer der eine Zündung zu einem bestimmten Zeitpunkt auslöste. Im Normalfall steuerte die Nutzlast den Block D. Weiterhin gab es eine verbesserte Thermoisolierung, die Übernahme des Triebwerkes aus Block D-1 und eine verbesserte Wiederzündbarkeit durch mehr Treibstoff für die Vernierdüsen. 2-3 Zündungen von Block DM werden benötigt um die Bahn zu erreichen. Das Triebwerk verwendet ebenfalls das Triebwerk RD-58M. Verwendet können zwei Treibstoffe werden: Normales Kerosin (Schub 84 kN) und ein synthetischer Kohlenwasserstoff namens Sintin oder Zyklin. Der Schub ist bei der Verwendung von Sintin etwas kleiner (83.5 KN), der spezifische Impuls ist aber etwas höher, so dass die Nutzlast etwas höher ist.

Da die Nutzlasten in den geostationären Orbit gebracht werden müssen sind sie deutlich kleiner als die Planetensonden und wiegen maximal 2.2 Somit kann etwas mehr Treibstoff zugeladen werden. Block DM verfügt über eine Startmasse von 17.3 t, also 3.3 t mehr als Block D-2.

Block DM ist modular aufgebaut und besteht aus den Modulen Basismodul (mit Tanks), zwei Lageregelungsmodule mit Treibstoff, dem Triebwerk, dem automatischen Steuerung und der Verbindungsstruktur. Dies ermöglicht es, wenn eine Nutzlast zu schwer ist die Steuerung wegzulassen und Block DM wird wie Block D von der Nutzlast gesteuert. Dies spielt jedoch nur bei russischen Starts eine Rolle. Vor allem aber erlaubte das modulare Design eine leichte Anpassung von Block DM für die Zenit, welche in der Sea Launch Version nun auch den Block DM einsetzt.

Proton Block DMBlock DM kann nicht kontinuierlich rotieren sondern nur um 180 Grad um eine Referenzrichtung geschwenkt werden. Dies ist eine Einschränkung für Nutzlasten die normalerweise vor dem Abtrennen in leichte Rotation versetzt werden um die thermische Belastung zu minimieren bis die Satelliten voll ausgerichtet sind. Die Zündung erfolgt durch kleine Mengen von Hochsiedenden hypergolen Treibstoffen welche vor dem Sauerstoff und Kerosin in die Brennkammer eingespritzt werden und sich selbst entzünden. Dadurch ist Block DM auch mehrfach zündbar. Bis zu 5 Zündsequenzen sind möglich. Vier Vernierdüsen mit eigenem Treibstoff (UDMH/MNH) werden für die Lageregelung und zur Stabilisierung in Freiflugphasen eingesetzt. Die Menge an Lageregelungstreibstoff ist auf 150 kg erhöht worden.

Wie Block D wird die ursprüngliche Version heute nicht mehr eingesetzt, sondern die leistungsstärkeren Nachfolger. Von allen Proton Versionen absolvierte diese Version die meisten Starts, um die Sowjetunion mit einem Netz von Kommunikationssatelliten und Navigationssatelliten zu versorgen.

Block DM2

Ab 1982 wurde eine verbesserte Version des Blocks DM eingeführt. Neben einem verbessertem Lenksystem ist nun auch ein kontrolliertes Entleeren der Tanks nach Missionsende möglich, dadurch werden Explosionen, die zu einer größeren Anzahl von Trümmern führen, vermieden. Schlussendlich ist die GEO Nutzlast nun um 200 kg höher und liegt bei 2300 kg. Leider sind keine technischen Daten für den neuen Block DM-2 verfügbar, so das ich die Daten der Proton K / Block DM übernommen habe. Eventuell ist auch nur die Verwendung von Sintin anstatt Kerosin in der Oberstufe der Grund für die höhere Leistung. Im Jahre 1987 wurde das Steuerungssystem überarbeitet, nachdem es bei dem Start eines Navigationssatelliten versagt hatte. Block DM-2 ist mit 7.1 m Länge nochmals 90 cm länger als Block DM.

Die einzige westliche Nutzlast die jemals mit einer Proton K-DM2 gestartet wurde war der Inmarsat III F6 im Jahre 2004. Die Version ist heute noch im Einsatz für den Start russischer Kommunikationssatelliten.

Block DM-2M / Block DM-3 / Block 4 / Block DM5

BLOCK DM3Eine Modifikation des Bocks DM-2 machte ihn um 120 kg leichter, vor allem durch Einsparungen bei der Navigations- und Steuerelektronik. Diese zusätzlichen 120 kg steigern die Nutzlast. Block DM-2M wird nur bei den modernsten russischen Kommunikationssatelliten eingesetzt, evt. sind diese für andere Varianten zu schwer.

Für westliche Kommunikationssatelliten mussten einige Änderungen an der Rakete durchgeführt werden. Neben der Nutzlastverkleidung, die größer als bei den russischen Satelliten ist, und erst nach 351 sec anstatt 183 sec abgeworfen wird waren vor allem Anpassungen an Block DM für die Nutzlast nötig. Manche Autoren führen diese Anpassungen als neue Versionen an (Block DM-3 bzw. DM-4). Beide sind Variationen des Blocks DM-2 bzw. DM-2M.

Block DM-3 ist ausgelegt mit einem Nutzlastadapter der Firma Saab Nutzlasten von 3 t in einen 12000 × 36000 km Orbit von 7 Grad Inklination zu befördern, während Block DM-4 ausgelegt ist 2.1 t direkt in den GEO Orbit zu befördern. Die größere Nutzlastverkleidung und die spätere Abtrennung senkt wieder etwas die Nutzlast. Dafür kann mehr Treibstoff zugeladen werden, da die Nutzlast kleiner ist

Proton K / Block DM3Daneben gibt noch eine weitere Modifikation des Blockes DM-2: Für das Iridiumsystem sind größere Nutzlasten in einen niederen Orbit zu transportieren. Eigentlich ist eine Proton dafür völlig überdimensioniert. Damit dies geht, hat man den Block DM-2 verstärkt und Treibstoff weggelassen. Dieselbe Konfiguration findet nun auch bei einigen russischen Satelliten Anwendung.

Die Proton DM wird heute von ILS (International Launch Services) vermarktet, die nicht mehr zwischen den einzelnen Untervarianten unterscheiden sondern nur von einer "Proton K-Block DM" spricht. Dabei handelt es sich um Starts der Proton K / Block DM-3. Für diese gibt ILS folgende Nutzlasten an:

Block DM Block DM-2 Block DM-3
Einsatzzeitraum: 1974-1990 1982- 1996-
Starts: 67 101 37
Nutzlast GSO 0° 2100 kg 2300 kg 1880 kg
Startmasse: 17550 kg 17300 kg 17495 kg
Leermasse: 2300 kg 2300 kg 2440 kg
Höhe: 6.20 m 7.10 m 7.10 m
Durchmesser: 3.715 m 3.715 m 3.1715 m
Triebwerk RD-58 RD-58M RD-58M
Schub: 83.4 kN 85.3 kN 85.3 kN
Brennzeit: 610 Sekunden 600 Sekunden 600 Sekunden
spezifischer Impuls 3451 m/s 3451 m/s 3451 m/s

Auf der Proton wird Block-DM seit 1999 von der Breeze M Stufe abgelöst. Diese arbeitet mit lagerfähigen Treibstoffen. Zwar ist der spezifische Impuls, also die Energieausbeute geringer als bei Block DM. Doch dies wird ausgeglichen durch eine größere Startmasse von 21 t bei gleicher Leermasse. Vor allem aber erlaubt der lagerfähige Treibstoff einen längeren Betrieb. Dies erlaubt mehr Zündungen um den endgültigen geostationären Orbit zu erreichen. Das steigert die Nutzlast für den geostationären Orbit. Die Breeze M erlaubt so etwas größere Nutzlasten und ist flexibler einsetzbar. Nachdem Breeze M einige Jahre lang exklusiv nur bei den Starts von ILS, einem russische-amerikanischen Joint Venture welche die Proton im Westen vermarktet eingesetzt wurde, wird sie mittlerweile auch für den Transport von russischen Satelliten benutzt.

Einsatz auf der Zenit

Die modernste russische Großrakete, die Zenit war nie eine Konkurrenz für Ariane oder andere Transporte in den geostationären Orbit. Mit nur 2 Stufen hätte es diesen nicht einmal leer erreichen können. Boeing, Energija, Jushnoje und Kvaerner haben nun ein gemeinsames Unternehmen gegründet um die Zenit auch in diesen Marktsegment zu etablieren. Das Unternehmen wurde Sea Launch getauft, weil die Starts von See aus erfolgen.

Das gemeinschaftliche Unternehmen besteht aus den Herstellern der Zenit (Jushnoje), des Block DM (Energija), einer Bohrplattform (Kvaerner) und Boeing mit seiner Erfahrung in der Vermarktung und vor allem einem Vertrag mit Hughes zur Beförderung von Satelliten. Für den Start des Block DM, der erheblich schwerer als die normale Nutzlast ist, wurde das Triebwerk der zweiten Stufe etwas im Schub gesteigert und heißt nun RD-171. Neu sind auch der Bordcomputer und die Navigation.

Die Proton K / Block DM

Das modulare Design von Block DM machte eine Anpassung für die Zenit sehr einfach. Wesentliche Änderungen gab es nur in den Verbindungen zur Zenit und zu den Nutzlasten. Darüber hinaus gibt es ein moderneres (und leichteres) Steuerungs- und Kommunikationssystem.

Die Zenit kann mit Block DM SL Satelliten von bis zu 6.0 t Gewicht in den GTO Orbit befördern. Sea Launch bietet die Zenit auch in zweistufiger Ausführung an. Dann wird die Standard Zenit Verkleidung von 13.65 m Länge und 3.90 m Durchmesser verwendet. Diese Version ist bislang aber noch nicht gestartet, weil Kunden fehlen die Nutzlasten von 10-13 t in niedrige Orbits befördern wollen. Auch die dreistufige Version kann nur einen Satelliten starten, obgleich die Nutzlast von 6000 kg ausreichend wäre für zwei mittelgroße Satelliten. Es sind aber Sekundärnutzlasten mitführbar. Das strukturelle Limit von Block DM SL beträgt 6100 kg.

Die Zenit wird dabei automatisch von einer umgebauten Ölbohrplattform von 131 m Länge und 28.000 t Gewicht gestartet. Die Startvorbereitungen geschehen auf einem 198 m langen 30.000 t schweren Transportschiff. Die Zenit eignet sich für einen solchen Start besonders, da sie rasch den Schub aufbaut. Solange eine Rakete nicht abgehoben hat überträgt sie ihre Kraft auf die Struktur des Startplatzes, das sind bei der Zenit immerhin ein Schub von 720 t.

Der Start der ersten zwei Stufen erfolgt wie bei der Zenit. Die Nutzlastverkleidung wird nach 229 Sekunden abgeworfen. Bei einer GTO Mission wird das RD-120 der zweiten Stufe nach 429 Sekunden heruntergefahren und bis 504 Sekunden nach dem Start arbeiten die Vernierdüsen weitere. Danach brennt Block-DM zum ersten mal für 270 Sekunden und erreicht dabei einen 180 km hohen Parkorbit. Nach 1800 Sekunden wird Block DM im Apogäum nochmals für 425 Sekunden gezündet und erreicht die endgültige 220 × 36000 km GTO Bahn. Es ist auch nur eine Zündsequenz von Block-DM möglich, doch dies ergibt eine niedrigere Perigäumshöhe von 200 km. Dafür ist die Nutzlast um 66 kg höher.

Durch den Start von einer mobilen Plattform aus kann der Satellit dort gestartet werden, wo es geographisch am günstigsten ist. Bei polaren Orbits ist dies nahe Hawaii, bei geostationären Orbits nahe der Weihnachtsinseln (0°N, 154° Ost) am Äquator. Man schätzt dass das Unternehmen "Sea Launch" 400-500 Millionen USD in die Zenit investiert hat.

Block DM Block DM SL Block DM-3
Einsatzzeitraum: 1974-1990 1999- 1996-
Starts: 67 12 37
Nutzlast GSO 0° 2100 kg 2500 kg 1880 kg
Startmasse: 17550 kg 19711 kg 17495 kg
Leermasse: 2300 kg 3861 kg 2440 kg
Höhe: 6.20 m 5.60 m 7.10 m
Durchmesser: 3.715 m 3.715 m 3.1715 m
Triebwerk RD-58 RD-58M RD-58M
Schub: 83.4 kN 85.3 kN 85.3 kN
Brennzeit: 610 Sekunden 650 Sekunden 600 Sekunden
spezifischer Impuls 3451 m/s 3451 m/s 3451 m/s

Büchertipps

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© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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