Derzeit arbeite ich an einer Erweiterung des Energija Aufsatzes, nachdem ich letzte Woche einen neuen Aufsatz über die Buran ins Web gestellt habe. Was mir dabei auffällt ist die geringe Nutzlast von Energija. Das Datenmaterial ist nicht sehr gut. Es gibt weitaus mehr Infos über Buran als über Energija, und so liegen Nutzlastangaben zwischen 88 und 105 t. Das verwunderte mich etwas, denn se gibt einige Gründe warum sie höher ein sollte:
- Das Space Shuttle als Vergleich, hat eine maximale Startmasse von 115 t
- Das Space Shuttle System wiegt aber mit 2022 t weniger als die Energija mit 2400 t
- Dabei hat die Energija leistungsfähigere Triebwerke in den Boostern und diese haben eine geringere Leermasse
- Die Leistungsdaten der Haupttriebwerke sind vergleichbar.
Nach diesen Fakten sollte die Nutzlast höher liegen, auch wenn man die Rakete z.B. mit der Saturn V vergleicht, die in etwa dieselbe Technologie einsetzt, allerdings mit noch schlechteren Werten bei den spezifischen Impulsen, also der Energieausbeute.
Der Schlüssel liegt in der Leermasse die in den Orbit befördert wird. Bei den Space Shuttles sind dies (LWT Version):
- Space Shuttle 115 t + Tank 29 t = 144 t.
- Energija: Buran 105 t + Zentralstufe 85 t = 190 t
In Wirklichkeit ist also Energija, wie zu erwarten leistungsfähiger. Das Problem liegt in der Leermasse des Zentralblocks (Block A) und die ist bei etwa 905 t Vollmasse zu hoch. Man kann es mit dem Space Shuttle als direktem Gegenstück vergleichen: 29 t für den LWT und 14.2 t für die Triebwerke (die Treibstoffmenge ist fast dieselbe). Selbst wenn man sie S-II als Gegenstück nimmt, ist die Zentralstufe sehr "massiv".
Daher sehe ich sehr große Entwicklungsmöglichkeiten. Die Zentralstufe der Energija ist so etwas, wie die erste Ausgabe mit einer neuen Technologie. Für die sowjetische Raumfahrt war der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff neu und es gab auch nicht wenige Probleme eine Stufe zu bauen, welche den Treibstoff kühl hält. Das auch die USA nicht aus dem Stand so etwas entwickelt haben, zeigt recht deutlich die Entwicklung der S-II und des Space Shuttle Systems. Die S-II Stufe wurde nach der S-IVB entwickelt und bei Apollo war sie der Hauptangelpunkt bei den Bemühungen die Nutzlast zu steigern. Das zeigt der Vergleich von der Saturn V von Apollo 8 und der von Apollo 15..
Das STS unterscheidet sich natürlich von der S-II. Schon alleine die Unterbringung der Triebwerke im Orbiter und das veränderte Mischungsverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff ergeben eine andere Massenbilanz. Doch auch hier sieht man die Tendenz zur Gewichtsreduktion, in den Schritten normaler Tank, Leichtgewichtiger Tank (ab STS-7) und Superleichtgewichtiger Tank. Die Tabelle informiert über die Verbesserungen des Masseverhältnisses bei beiden Trägern und stellt Energija als Vergleich an die Seite
| S-II Apollo 8 | S-II Apollo 15 | STS normaler Tank | STS LWT | STS SLWT | Energija Block A | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Vollmasse | 469,686 kg | 499,413 | 768000 kg | 761175 kg | 768180 kg | 905000 |
| Leermasse | 40188 kg | 35381 kg | 46.600 kg | 43795 kg | 40660 kg | 85000 |
| Sauerstoff: Wasserstoff | 5.2:1 | 5.2:1 | 6.0:1 | 6.0:1 | 6.0:1 | 6.0:1 |
| Schub/Gewicht | 1.09 | 1.05 | 0.823 | 0.839 | 0.823 | 0.882 |
| Voll/Leermasse | 11.86 | 14.11 | 16,45 | 17,47 | 18,89 | 10,64 |
In ihrer technischen Auslegung ist der Block A mit dem Space Shuttle vergleichbar, er wiegt jedoch 40-45 t mehr als der externe Tank und Triebwerke. Es sollte möglich sein, davon 30-40 t einzusparen, was voll der Nutzlast für einen Orbit zu gute käme, die dann auf 130-140 t ansteigen würde. Was würde dies an Nutzen bringen?
Nun für Buran primär nicht so viel. Es ist davon auszugehen, dass Buran wie das Space Shuttle ausgelegt ist eine bestimmte Nutzlast zu transportieren und man nicht einfach diese beliebig steigern kann. Beim Space Shuttle sind etwa 5 t mehr möglich, nimmt man dies auch bei Buran an, so kann man Energija nur dazu nutzen die Bahn anzuheben. Die MIR befand sich auf einer erdnahen Bahn um die Nutzlast für die Sojus Raumschiffe zu maximieren. Bei der ISS war es eher die rasch absinkende Nutzlast des Space Shuttles. Sobald man eine Raumstation aber aufgebaut hat, ist diese niedrige Bahn von Nachteil, man muss laufend Treibstoff zur Station befördern um sie anzuheben. ohne sie würde die ISS in einem Jahr 100 km an Bahnhöhe verlieren und nach 2 Jahren wieder in die Atmosphäre eintreten. Nur 100 km mehr Höhe hebt die "Überlebenszeit" auf 5 Jahre an, und weitere 100 km steigert sie auf mehr als ein Jahrzehnt. Man kann die zusätzliche Nutzlast von Energija nutzen um Buran in eine elliptische Bahn zu bringen die in der gewünschten Höhe liegt. Die Treibstoffreserven des Orbiters werden dann nicht benötigt um die Bahn auf diese Höhe anzuheben. Eine 500 km hohe Bahn mit 35 t Nutzlast wäre so möglich. Die zweite Möglichkeit wäre es die Anzahl der Booster zu reduzieren. Mit 2 Boostern wäre die heutige Nutzlast startbar. Das würde die Kosten natürlich senken.
Viel mehr Sinn würde die Energija als Schwerlastrakete für Marsunternehmen machen. In der Tat gab es in NASA Plänen von 1997 auch die Idee, sie dazu einzusetzen. Heute ist davon keine Rede mehr. Nicht nur weil die NASA mit der Ares V selbst eine Rakete in diesem Nutzlastbereich entwickelt. Sondern auch weil es heute illusorisch ist die Produktion der Energija wieder aufzunehmen. 20 Jahre Produktionsstipp haben ausgereicht, um die Fertigungsanlagen zu demontieren und die Startanlagen verfallen zu lassen. Vor allem haben sich die Russen in den letzten Jahren als sehr wackeliger Bündnispartner erwiesen. Die ersten zwei russischen Module – von der NASA bezahlt – wurden zu spät geliefert und mussten bald gewartet werden, weil Teile schlecht gefertigt waren. Eigene Module Russlands wurden gestrichen und stattdessen nutzte man die Sojus Kapseln um Touristen oder Astronauten von Drittnationen wie jetzt die südkoreanische Astronautin gegen Bares zu starten.
Eine andere Frage ist es, wie es mit der Zuverlässigkeit der Energija aussieht. Schließlich werden beim Start 8 Triebwerke mit 12 Brennkammern gezündet. Da es nur zwei Starts gab, kann man darüber nur spekulieren. Zum einen zeigte das geplante Buran Testprogramm mit zahlreichen unbemannten Testflügen die sowjetische vorsichte Haltung. Zum anderen sind leicht modifizierte Triebwerke der Booster bis heute im Einsatz bei der Zenit Trägerrakete und dort die Ursache zahlreicher Fehlstarts. doch auch dies ist nicht 1:1 übertragbar, denn wiederum modifizierte Triebwerke der Zenit trieben seit einigen Jahren die amerikanische Atlas an – bislang ohne einen Fehlstart, Aufgrund meiner Erfahrungen mit Triebwerkstechnologien würde ich dazu tendieren die Zuverlässigkeit niedriger anzusetzen als beim Space Shuttle. Feststofftriebwerke sind nach dem Start nicht mehr abschaltbar, aber sie sind recht zuverlässig. Viel häufiger gab es das Versagen der komplizierten Maschinerie von Gasgeneratoren, Turbinen, Turbopumpen, Brennkammern bei Trägern mit flüssigen Treibstoffen. Oftmals kann man rechtzeitig reagieren – das war auch der Hintergrundgedanke bei der Konzeption der Energija, aber nicht immer. Man denke nur an die Explosion einer Zenit auf der Startrampe im Januar letzten Jahres.
Energija konnte nicht zeigen wozu sie fähig ist, positiv oder negativ. Schade eigentlich.