Die Lernkurve bei Raketen

Heute mal einen längeren Blog, ihr dürft ihn aber auch zwei Tage lang dafür lesen….

Wer mal Statements, besonders nach den ersten Flügen eines Trägers Revue passieren lässt, der wird oft folgendes hören:

• Zwei Fehlschläge bei den ersten 4-5 Flügen sind normal
• Drei Fehlschläge bei den ersten zehn Flügen
• Vier Fehlschläge bei den ersten zwanzig Flügen

Und in der Tat gibt es viele Beispiele für diese Regel, auch wenn es Ausnahmen gibt, sowohl in die Richtung zuverlässiger, wie auch weniger zuverlässig. Nun wie ist das zu erklären?

Es ist eine Lernkurve, die die Tatsache repräsentiert, dass man Raketen wegen der hohen Kosten nicht so testen kann wie andere technische Geräte, z.B. Flugzeuge. Ein Flugzeug kann beliebig oft starten und man kann Schäden beheben. So durchlaufen Zivil- und Militärmaschinen ein intensives Testprogramm vor der Auslieferung oder Zulassung. Gemessen daran wie viele Flüge auch heute noch erfolgen befinden sich die meisten Trägerraketenlinien noch in der Testphase.

Die Regel kann man auch anders interpretieren:

• Bei den ersten 5 Flügen gehen 40-50% aller Starts schief.
• Bei den nächsten 5 Starts ist es nur noch einer, also 20 %
• Und bei den nächsten 10 Starts erneut einer, also 10 %

Danach sollte die Zuverlässigkeit weiter zunehmen, aber da viele Träger sich sowieso nur bei einem Zuverlässigkeitswert um die 90 % einpendeln und dann andere Faktoren auch für Rückversicherungen wichtig werden ist dies dann nicht mehr so wichtig und auch nicht mehr in eine Regel zu packen.

Die Ursachen sind folgende:

Bei den ersten Starts treten grundlegende Designfehler auf. Warum erst beim Start? Ganz einfach weil noch so intensive Tests am Boden einiges nicht testen können – die Belastungen durch den Luftwiderstand, die Vibrationen die übertragen werden (die Stufen sind bei Tests fest montiert), das Vakuum und die Schwerelosigkeit, Die Kräfte die kompensiert werden müssen um die Ausrichtung im raum aufrecht zu erhalten. Dies erklärt die Fehlschläge bei den ersten Flügen

Später treten auch Fehler auf, die jedoch nicht automatisch einen Verlust bewirken. Fehler die nicht immer auftreten, nur unter bestimmten Umständen oder rein zufällig, so wie der klassische Wackelkontakt bei Ihnen daheim. Sie sind Ursache der nächsten Fehlstarts

Danach sollte ein Träger eine immer höhere Zuverlässigkeit erreichen. Fehlstarts sollten dann nur noch vorkommen, wenn es Nachlässigkeiten in der Produktion, Montage oder Qualitätskontrolle gibt oder sich etwas am System ändert.

Natürlich kann man diese Lernkurve verkürzen: Bemannte Träger mit viel besseren Werten zeigen dass es geht: Viel extensivere Tests (Das F-1 Triebwerk absolvierte 2471 Tests, das RS-68 nur 180 bis zum Erstflug), höhere Sicherheitsspannen und konservative Auslegung sind der Weg. Auf der anderen Seite kann die Erfolgsquote noch schlechter sein wenn man nachlässig ist wie die Falcon 1 oder Europa zeigen (im einen Fall durch Weglassen von erprobten und selbstverständlichen System um zu sparen, im anderen durch fehlende Zusammenarbeit zwischen den Herstellern der einzelnen Stufen).

Am Beispiel der Fehlstarts der Ariane Familie kann man das sehr gut verdeutlichen. Aus technischer Sicht sind Ariane 1-4 und Ariane 5 zu unterscheiden. Hier die Ursache der Fehlstarts von Ariane:

Beim Start L02 am 23.5.1980 kam es zu einer Verbrennungsinstabilität in einem der vier Viking Triebwerke. Nach 64 s brannte die Wand des Triebwerks durch, und die heißen Gase beschädigten dessen Schwenkmechanismus. Das Triebwerk bewegte sich unkontrolliert in seiner Aufhängung. Die anderen drei Triebwerke versuchten gegenzusteuern, doch nach 104 s kam es zum Bruch der Struktur. Der Computer aktivierte die Selbstzerstörung, indem er Sprengschnüre an den Tanks zündete. Die Reste der Rakete konnten 25 km vor der Küste, nahe der Teufelsinsel, geborgen werden.

Es gab eine einjährige Pause, in der die Einspritzung geändert und getestet wurde. Man vergrößerte die 720 Bohrungen im Einspritzkopf, und die Geometrie wurde verändert. Seither wird jedes Einspritzsystem vor dem Start getestet, ob es einwandfrei zündet und sauber brennt. Weiterhin wurde beschlossen, die Ariane 2 und 3 auf das stabiler ver- brennende UH25 (statt UDMH) umzustellen. Es war also ein typisches Designproblem: Die Einspritzung neigte beim alten Einspritzkopf zu einer Instabilität.

Der erste operationelle Start L05 scheiterte hingegen am 9.9.1982. Nach 560 s Flugzeit versagte das HM-7 Triebwerk. Die Telemetrie zeigte, dass die Turbopumpe der dritten Stufe versagt hatte. Wahrscheinlichste Ursache war ein Ausfall der Schmierung oder die erhöhte Reibung von Teilen. Das Design der Pumpe wurde von unabhängigen Experten geprüft und verändert. Nach neun Monaten Tests und Modifikationen sowie insgesamt 15.000 s Tests mit dem HM- 7 Triebwerk gab es den nächsten Start.

(Das sind übrigens zwei Fehlstarts auf 5 Flüge – die Regel stimmt also)

Bei V15 erfolgte das Zündungssignal der dritten Stufe um 0,4 s zu früh (nominell 8,4 s nach Abschaltung der zweiten Stufe). Ein Wasserstoffventil hatte sich in dieser Zeit zu stark abgekühlt und war dadurch undicht geworden. Daher konnte für mehrere Sekunden Wasserstoff austreten. Als sich dann die Gase in der Brennkammer entzünden sollten, war ein falsches Mischungsverhältnis vorhanden und die Stufe zündete nicht. Der Hersteller SEP setzte zehn Vorschläge zur Lösung dieses Problems um. Es wurde angenommen, dass die Ursache des Versagens in einem Produktionsmangel lag. Schon drei Flüge später (V18) ging der Satellit Intelsat VA F14 verloren. Ursache war wiederum eine nicht erfolgreiche Zündung der dritten Stufe. Diesmal wurde eine unabhängige Untersuchungskommission eingesetzt. Es zeigte sich, dass eine um 0,2 s verzögerte Ausführung des Kommandos zur Zündung zu einer viel zu starken Explosion in der Brennkammer geführt hatte. Diese hatte eine Schockwelle erzeugt, welche sich über die Wasserstoffleitung ausbreitete und dabei Kavitation auslöste, d.h. eine Ausgasung des flüssigen Wasserstoffs. Als Folge war der Wasserstoffdruck im Gasgenerator zu gering, es konnte nicht genügend Gas produziert werden, und die Turbopumpe sprang nicht an. Es wurden 14 Maßnahmen zur Beseitigung dieses Fehlers vorgeschlagen und eine neue Zündung entwickelt. Diese wurde in zwei unterschiedliche Testtriebwerke eingebaut und ab dem 4.8.1986 in Vernon getestet. Der neue Zündmechanismus lieferte nun die dreifache bis vierfache Energie. Er hatte drei bis vier Flammen, um an verschiedenen Stellen die Zündung auslösen zu können. Die gleiche Maßnahme wurde für den Starter des Gasgenerators umgesetzt. Hier wurde auch die freigesetzte Gasmenge deutlich erhöht und das Mischungsverhältnis beim Start des Generators verändert. Die Mischung war nun bei der Zündung sauerstoffreicher und entzündete sich deshalb leichter.

Das ist das typische Beispiel für einen versteckten Mangel: Die Zündung erfolgte im Normalfall problemfrei, hatte aber keine Reserven um ein sauberes Hochlaufen bei einer kleinen zeitlichen Abweichung zu garantieren. Dann konnte ein zu wasserstoffreiches Gasgemisch entstehen das eine deutlich stärkere Zündung erforderte. Und es sind vier Fehlstarts bei den ersten 18 Flügen.

Der nächste gescheiterte Flug war V35: Die Ursache war ein Putzlappen, der in einer Wasserleitung in der ersten Stufe steckte. Er verstopfte den Zufluss für ein Triebwerk. 6,2 s nach dem Start fiel der Druck in Triebwerk D der Erststufe von 58,5 auf 30 Bar. Die Triebwerke A und C wurden daraufhin 8,5 s lang um 1,2 Grad gedreht, um den Schubverlust auszugleichen. Mit steigenden aerodynamischen Lasten wurde der Korrekturausschlag der anderen Triebwerke immer größer. Nach 90 s erreichten sie das Maximum. Danach konnte die Rakete nicht mehr in die aerodynamisch günstigste Lage gedreht werden. Elf Sekunden  später gab es Brüche in der Struktur, und die Selbstzerstörung wurde initiiert. Die Trümmer konnten in Französisch-Guayana geborgen werden und ermöglichten es die Ursachen heraus zu finden. Die französische Zeitung „Le Monde“ vermutete Sabotage. In der ganzen Produktion wurden anstelle von Stofftüchern nur Spezialpapiere benutzt. Zudem war das Tuch zweimal geknotet. Während der Weihnachtspause 1989/90 war die erste Stufe praktisch unbeaufsichtigt in einer Halle in Guayana gestanden. Es war auch eine zweite Anomalie aufgetreten, die aber nicht verantwortlich für den Fehlstart war. In einem der PAL-Booster (PAL 3) brach 2,4 s nach der Zündung ein Feuer aus. Dieses wurde von einem Treibstoffleck verursacht. Ebenso gab es eine undichte Stelle an der Brennkammer von PAL 3. Dieses kumulierte Auftreten beider Fehler parallel bei einem einzigen Start war schon sehr seltsam, zumal dies die einzigen Probleme mit einem PAL oder der Erststufe seit L02 waren und auch bleiben sollten. Die statistische Wahrscheinlichkeit dafür lag bei 1 zu 9.200. Die CNES-Untersuchungskommission konnte aber keinen Verursacher dingfest machen. Seitdem überwacht aber die Fremdenlegion den Startplatz Kourou bei anstehenden Starts. Im weiteren werden nun alle Leitungen auf freie Durchlässe überprüft. Dies erfolgt bei größeren Teilen durch Tennis- und Golfbälle, bei dünneren Leitungen endoskopisch.

Ursache also: Mängel in der Qualitätskontrolle oder Sabotage

Am 24.1.1994 versagte bei V63 die Sauerstoff-Turbopumpe 80 s nach Zündung der dritten Stufe. Bereits 60 s nach der Zündung zeigte sich eine Erhitzung der Pumpe, 19 s später sanken die Geschwindigkeit und Förderleistung, und der Brennkammerdruck fiel ab. Eine Sekunde später schaltete sich die Pumpe ab. Schon am Ende desselben Jahres scheiterte erneut eine Ariane. Bei V70 entwickelte der Gasgenerator der dritten Stufe eine zu geringe Leistung, sodass der Schub des HM-7B nur 70% des Nominalwerts betrug. So hatte die H10-III nach 740 s noch 700 kg Treibstoff an Bord, und die Bahn war durch den zu niedrigen Schub zu tief. Der Satellit PanAmSat 3 verglühte in der Atmosphäre. Beide Vorfälle wurden untersucht. Sie schienen eine gemeinsame Ursache zu haben. Eine Verschmutzung, die bis zur LOX-Turbopumpe gelangte, konnte sowohl die erhöhte Reibung bei der LOX-Turbopumpe, als auch die zu geringe Leistungsabgabe erklären. Als Reaktion darauf wurden nun Filter in die LOX Treibstoffleitung eingebaut und die Inspektionen der dritten Stufe verstärkt. Es gab keinen Hinweis darauf, dass die konstruktiven Änderungen bei der H10-III, deren erster Flug V70 war, etwas mit dem Problem zu tun hatten. Es blieb auch ungeklärt, wie eine solche Verschmutzung in die dritte Stufe oder in die Leitungen hatte kommen können.

Also auch hier Produktionsprobleme oder fehlende Qualitätskontrolle. Ariane 4 sollte danach 74 mal ohne Fehlstart fliegen und eine Erfolgsquote von 97,4 % erreichen. Nun zu Ariane 5.

Beim Jungfernflug war die Ursache ein Softwaremodul, das unverändert von der Ariane 4 übernommen worden war. Zu diesem Thema gäbe es mehr zu schreiben (und ist auch im nächsten Buch mehr nachzulesen). Aber hier nur soweit die Erklärung dass die Software einen Überlauf hatte, der bei Ariane 4 wegen des langsameren Starts nicht auftreten konnte. Tests der Software wurden nur nachlässig durchgeführt. Anstatt das Flugprofil mit einem Drehtisch nachzubilden wurde nur simuliert und die Software nur mit den Werten gefüttert die man erwartete, die aber nicht den beim Flug auftretenden entsprachen. Also ein typischer Entwicklungsfehler.

Auch der zweite Testflug war noch nicht voll erfolgreich. Die Satelliten wurden in einem 524 × 27.000 km Orbit entlassen. Das Perigäum und die Inklination der Bahn waren korrekt, doch der erdfernste Punkt hätte bei 36.000 km Höhe liegen müssen. Die Ursache war eine vorzeitige Abschaltung der EPC. Dadurch fehlten 200 m/s Geschwindigkeit für den Orbit. Die Analyse zeigte, dass die EPC nach Ab­trennung der beiden Booster ein Rollmoment aufwies, dass immer stärker wurde, je länger die Stufe brannte. Nach Verbrauchen des Treibstoffs für die Rollachsenregelung führte das Rollmoment zu einer Rotation von 5,5 U/min. Die Rotation bewirkte, dass der Treibstoff vom tiefsten Punkt der Tanks wegbewegt wurde. In Folge bewirkte das Abreißen des Treibstoffflusses das Brennschlusssignal für die EPC.

Als Ursache wurde ein Drehmoment durch die Kühlkanäle der Vulcain-Düse ausgemacht, die spiralförmig gewunden sind. So erzeugte das austretende Kühlgas eine Drehbewegung. Am Boden konnte diese nie beobachtet werden, da das Triebwerk fest im Teststand montiert ist und die Kräfte klein sind im Vergleich zum Schub. Ariane 5 hat in der VEB ein System zur Kompensation von Rollbewegungen. Kleine Triebwerke zersetzen dazu Hydrazin. Es erwies sich aber als unterdimensioniert. Die Veränderungen bestanden zum einen in einer Verbesserung des Systems zur Kontrolle der Rollbewegung. Das alte System konnte ein Moment von 280 Nm auffangen. Das neue System konnte 2.000 Nm kompensieren. Bei V502 trat ein maximales Rollmoment von 900 Nm auf. Weiterhin wurde die Kühlung des Vulcain überarbeitet, damit ein geringeres Drehmoment auftritt.

Das ist ein recht gutes Beispiel für Dinge die sich erst beim Testflug zeigen: Da eine Stufe am Boden fest montiert ist kann man das Rollmoment nicht bestimmen, zumindest nicht wenn es so gering im Vergleich zum Hauptschub ist.

Noch einmal sollte Ariane 5 eine Nutzlast in einem falschen Orbit aussetzen. Beim Flug 510, am 12.7.2001. Die Satelliten wurden in einem 17.545 × 594 km Orbit mit 2,9 ° Neigung zum Äquator ausgesetzt. Geplant war ein 35.853 × 858 km hoher Orbit, mit einer Neigung von 2 Grad. Als Ursache konnte eine Verbrennungsinstabilität bei der Zündung des Aestus-Triebwerks ausgemacht werden. Dies führte zu einer Reduktion des Schubs auf 80% des Normalwertes und zu einem vorzeitigen Brennschluss, 80 s zu früh, da eine Treibstoffkomponente vorzeitig verbraucht war. Es gab eine Feedbackschleife zwischen dem Fördersystem und der Instabilität, die zu einem erhöhten MMH-Verbrauch führten. Sehr bald konzentrierte sich die Untersuchung auf den Triebwerksstart, bei dem die Instabilität auftrat. Nach einer Variation der Startparameter konnte die Instabilität, verbunden mit einer Druckspitze auch beim Bodenversuch bei einem kurzzeitig zu hohen Monomethylhydrazinfluss beobachtet werden und es zeigte sich eine Anfälligkeit des Triebwerks beim Start. Weitere Tests erfolgten, um diese Situation zu vermeiden und führten schließlich zu einer Verschiebung des Fluges 511. Nach 70 Zündungen und zehn kompletten Testläufen wurde eine „weichere“ Zündsequenz erarbeitet, die das Phänomen vermeidet.

Auch hier: Die Zündsequenz klappte meist, aber eben nicht immer – ein typischer versteckter Mangel. Das sind drei Fehlstarts bei 10 Flügen – ganz im Sinne der Regel.

Den bislang letzten Fehlstart gab es bei L517, dem Jungfernflug der Ariane 5 ECA. 96 s nach dem Start gab es einen Druckverlust im Kühlsystem des Vulcain 2-Triebwerks. Nach Abtrennung der Booster, 137 s nach dem Abheben, nehmen die Unregelmäßigkeiten rapide zu. Als 187 s nach dem Abheben die Nutzlastverkleidung abgesprengt wurde, fing die Rakete an den Kurs zu verlassen und begann einen trudelnden Flug, der sie zuerst auf eine Spitzenhöhe von 150 km brachte, dann aber wieder Richtung Erdboden führte. 455 s nach dem Start wird die Rakete aus Sicherheitsgründen in einer Höhe von 60 km gesprengt.

Anders als beim Jungfernflug war es nicht möglich Trümmer zu bergen, so musste die Telemetrie als Beurteilungsgrundlage herangezogen werden. Es zeigten sich zwei Ursachen: Zum einen gab es durch eine zu hohe thermische Belastung der Schubdüse zuerst eine Rissbildung in den Kühlröhrchen. Danach durch diese Risse zu einem Kühlmittelverlust, der dann zu einem Durchbrennen der Röhrchenstruktur führte. Das Zweite war eine mangelnde mechanische Stabilität der Düse unter Vakuumbedingungen, die sich in einem axialen Ausbeulen äußerte. Nach Ansicht der Untersuchungskommission war dies die Hauptursache für das Versagen.

Auch hier ein typischer Designmangel in einem nun neu eingeführten System – der Vulcain 2 Düse, die anders aufgebaut ist als ihr Pendant bei Ariane 5. Das Ausbeulen unter dem Vakuum war am Boden nicht beobachtbar, weil es da eben kein Vakuum gibt. Das sind vier Fehlstarts unter den ersten 20 Flügen – und seitdem fliegt Ariane erfolgreich, nun schon seit 39 Starts,,,