Die NK-33 Triebwerke – Teil 1

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Da mir gerade nichts neues einfällt bekommt ihr in den nächsten drei Tagen den neuesten Webaufsatz in drei Teilen vorgesetzt.

Immer wieder gibt es Triebwerke, die lange im Einsatz sind, oder die eingelagert und später „verbraucht“ werden. So die H-1 die als RS-27 bis 1989 eingesetzt wurden. Doch die NK-33 ragen aus dieser Masse heraus, weil sie heute noch, 40 Jahre nach dem Produktionsende gefragt sind.

Die Vorgeschichte

Dei NK-33 und NK-43 entstanden aus den NK-15 und NK-19. Diese beiden Triebwerke waren für die ersten drei Stufen der N-1 (30 NK-15 in der ersten und 8 in der zweiten Stufe und 4 NK-19 in der dritten Stufe) entwickelt worden.

NK-43 TriebwerkDie Entwicklung des NK-15 erfolgte erst 1962, wesentlich später als die Entwicklung des F-1 der Saturn V. Ab 1963/64 gab es eine 1:2 Attrappe und erst zwischen Oktober und Dezember 1967 durchlief es die Testphase. Zu diesem Zeitpunkt waren die UdSSR schon weit hinter den Amerikanern, die erste Saturn V hatte ihren Erstflug am 9.11.1967. Später verfuhr man mit den Triebwerken wie bei der Serienbauweise von anderen Gütern: Anstatt jedes zu testen wurde aus einer Charge eines herausgegriffen und intensiven Tests unterzogen welche die Einsatzbedingungen übertreffen und bis zur Zerstörung gingen. Die anderen Triebwerke einer Charge wurden bei erfolgreichen Tests als qualifiziert angesehen, ansonsten die ganze Charge verworfen. Insgesamt war das gesamte NK-15 Entwicklungsprogramm von Zeitdruck und Kostenproblemen geprägt, was auch zu dem Einsatz unausgereifter Triebwerke führte.

Nachdem man bei den ersten beiden Flügen sah, dass die NK-15 und das Steuersystem KORD nicht den Vorgaben genügten entwickelte Kusnezov ab Juli 1970 auf Basis der NK-15 das NK-33 Triebwerk. Es war ein Triebwerk der zweiten Generation und nicht einfach nur ein verbessertes NK-15. Ziel war ein erheblich zuverlässigeres Triebwerk mit wesentlich längerer Sollbetriebszeit. Anders als das NK-15 war das NK-33 bis zu fünfzehnmal wiederzündbar. Es war so möglich jedes Triebwerk vor dem Start zu erproben. Die bisherige Überprüfung einer Charge wich nun einzelnen Tests jedes Triebwerks vor dem Einbau in der Rakete. Auch hier näherte man sich der Saturn V an, bei dem das F-1 Triebwerk wiederzündbar war und ausgelegt für die mehrfache Sollbetriebszeit, obwohl es bei der Saturn V nur einmal gezündet werden musste und lediglich 150 Sekunden lang brannte.

Einzelnes NK-33 TriebwerkAnalog verbesserte man auch die Triebwerke NK-19 der dritten Stufe und entwickelte aus Ihnen die Triebwerke NK-43. Die Erprobung der NK-33 und NK-39 (Version des NK-33 für die zweite Stufe mit Anpassungen an den Betrieb in großer Höhe) fanden bis zum September 1972 statt und bei den NK-39 war die Erprobung erst im November 1973 abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt war das Apollo Programm schon beendet. Weitere Tests der NK-33 und NK-43 fanden bis 1975 statt.

Geplant war eine Version der Mondrakete, welche die geforderten 95 t Nutzlast in einen Erdorbit transportieren konnte. Für heutige Verhältnisse wurde enorm viel getestet. Von den Triebwerken NK-15 / NK-15V die in der Mondrakete in den ersten beiden Stufen eingesetzt wurden nicht weniger als 199 Entwicklungsexemplare und 382 Serienexemplare gebaut. Diese absolvierten 832 Tests mit einer Gesamtbrenndauer von 86.000 Sekunden. Zum Vergleich die F-1 Triebwerke der Saturn V absolvierten sogar 2471 Tests bis zum ersten Flug und die Haupttriebwerke des Space Shuttle 730 Tests. Die Endung „V“ für die Triebwerke der zweiten Stufe zeigt, dass diese für den Betrieb im Vakuum optimiert waren und eine viel längere Glockendüse hatten, als die NK-15 der ersten Stufe. Ansonsten waren die Triebwerke der ersten und zweiten Stufe identisch.

Dasselbe galt für dritte und vierte Stufe. Auch hier waren die Triebwerke identisch. Auch hier setzte die dritte Stufe 4 Triebwerke und die vierte nur eines ein. Technisch gesehen wurde der Mondlandekomplex L-3 zu dem die vierte Stufe schon gehörte von einem anderen Konstruktionsbüro entwickelt. Dieses griff für die fünfte Stufe auf ein Triebwerk des Typ RD-58 zurück, also keines der NK Serie von Kusnezow.

Die erste Version der Mondrakete setzte folgende Triebwerke ein:

  • erste Stufe : 30 x NK-15
  • zweite Stufe 8 x NK-15V
  • dritte Stufe : 4 x NK-9V
  • vierte Stufe (Stufe 1 des Mondkomplexes L-3) : 1 x NK-9V
  • fünfte Stufe (Stufe 2 des Mondkomplexes L-3) : 1 x RD-58

Die Triebwerke NK-33 und NK-43

NK-33Für spätere Versionen der Mondrakete wurden die moderneren Varianten NK-33 (Erststufe) und NK-43 (Zweitstufe) entwickelt. Diese kamen nicht mehr zum Einsatz. Ab Exemplar 8 sollten die NK-33 und NK-43 die NK-15 ersetzen. Die 250 Triebwerke, die dafür gebaut wurden, absolvierten sogar 677 Tests mit 108.000 Sekunden Brenndauer. Dabei gab es 35 Probleme. Wobei die letzten 246 Tests des NK-33 und die letzten 86 des NK-43 ohne Probleme verliefen. Die Triebwerke gelten anders als die NK-15/19 als ausgereift, leider wurde das Mondprogramm eingestellt, bevor ein NK-33 / NK-43 Triebwerk in einer Mondrakete eingesetzt werden konnte.

Die Triebwerke waren noch leistungsfähiger, als ihre Vorgänger. Sowohl der Schub war höher als auch die Ausströmgeschwindigkeit der Gase. Der Brennkammerdruck wurde sogar verdoppelt. Es handelt sich um Hochdrucktriebwerke nach dem Prinzip des Hauptstromverfahrens, oder im englisch Sprachgebrauch „staged Combustion“. Hier die Kerndaten des NK-33:

  • Das NK-33 hat einen Schub von 1746 kN am Boden bei einem spezifischen Impuls von 3247 m/s im Vakuum. (NK-15: 1510 kN Bodenschub und 3119 m/s spezifischer Impuls).
  •  Das NK-43 einen Vakuumschub von 1790 kN und einen spezifischen Impuls von 3404 m/s. (NK-15V: 1648 kN Schub und spezifischer Impuls 3393 m/s).
  • Eine Neuerung beim NK-33 gegenüber dem NK-15 aber auch anderen Triebwerken dieser Größenklasse war die Möglichkeit der Schubregulierung und die Fähigkeit bei sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zu arbeiten. Das NK-33 kann bis auf 2040 kN im Schub gesteigert werden. Sie sind aber auch im Schub um 50 % drosselbar. Zudem erreichen Sie den Maximalschub auch innerhalb von 1.75 Sekunden, so dass die Belastung der Startanlage klein ist.
  • Sollbetriebszeit am Stück: 600 s, maximale Betriebszeit am Stück: 1.200 s
  • Sie können mit sich ändernden Mischungsverhältnissen von 20% bei den Treibstoffen auskommen.

Die Reduzierung des Schubs macht das vorzeitige Abschalten von sechs Triebwerken zu Brennschluss der ersten Stufe nicht mehr notwendig und es erlaubt die Fähigkeit mit wechselnden Mischungsverhältnissen auszukommen, die Treibstoffe vollständig zu verbrauchen. Eine derartige Technik wurde in der Saturn S-I und S-IVB Stufe eingesetzt, war aber für die N-1 zumindest bei der ersten Generation nicht geplant.

Das NK-43 ist anders als das NK-15V wiederzündbar. Die Triebwerke können bis zu 16.000 Sekunden (oder maximal 17 Zündungen) ohne Überholung betrieben werden und haben eine Lebensdauer von maximal 25.000 Sekunden oder 25 Zündungen. Diese hohe Lebensdauer erlaubt es auch ein Triebwerk ausgiebig zu testen bevor man es in die Rakete einbaute. Viel spricht also dafür, dass man die Triebwerksprobleme mit dieser zweiten Generation gelöst hatte.
NK-33 Testlauf
Sowohl NK-15 wie auch NK-33 verbrannten Sauerstoff und Kerosin im Verhältnis von 2.80:1. Im Vorbrenner wurde das Arbeitsgas für die Turbine erzeugt indem der Sauerstoff im Überschuss verbrannt wurde. Das Arbeitsgas wurde dann in die Brennakmmer zur Nachverbrennung eingespritzt. Die Leistung der Turbine und damit des Triebwerks konnte variiert werden indem man den Sauerstoffüberschuss variierte. Bei dem NK-33 betrug das Regelungsverhältnis 50 bis 105 Prozent des Nominalschubs. Eine Erhöhung bis auf 135 Prozent des Nominalschubs ist möglich, wenn man Abstriche an der Gesamtbrenndauer macht. Sauerstoffreiche Vorbrenner werden auch in den Triebwerken RD-170/171, 180 und 191 eingesetzt, die noch etwas höhere Leistungsdaten als das NK-33 aufweisen. In den USA wurde dies Technologie nie eingesetzt, zahlreiche russische Triebwerke werden aber nach dem Prinzip des Staged Combustion betrieben und alle nutzen Kerosin/Sauerstoff. Die Düse besteht aus zwei Lagen Wellblech die verschweißt wurden, diese einfache Konstruktion hat eine sehr hohe Festigkeit und kann leicht von dem Kerosin zur Kühlung durchflossen werden. Das NK-43 setzt zur besseren Ausnutzung des Energiegehaltes eine längere Düse ein, unterscheidet sich sonst aber nicht von dem NK-33.

Ein Teil des Arbeitsgas diente nach Passage der Turbine zur Lageregelung der Rakete um die Rollachse indem es durch 8 Düsen freigesetzt wurde. Andere Teile des Arbeitsgases wurden mit Kerosin versetzt, damit abgekühlt und dienten zur Druckbeaufschlagung des Kerosintanks. Der überwiegende Teil wurde jedoch in die Brennkammer mit dem Treibstoff eingespritzt und diente so zur Druckerhöhung. Das Triebwerk verwandte als eines der ersten russischen Triebwerk also einen geschlossenen Kreislauf. Anders als bei vielen anderen russischen Treibwerken gab es auch nur eine Brennkammer pro Turbine.

Die Triebwerke der Herkules mussten an der Grenze des technisch möglichen arbeiten. Das lag daran dass man auf Wasserstoff als Treibstoff verzichtet hatte. Dieser Treibstoff war damals noch technisches Neuland und bereitete besondere Probleme wegen seiner niedrigen Temperatur. Durch die Verwendung von Wasserstoff bei der Saturn V in den oberen 2 Stufen konnte diese bei gleicher Startmasse jedoch erheblich mehr Nutzlast als die Herkules transportieren, obwohl Wernher von Braun bewusst bei allen Triebwerken konventionelle Ansätze wählte, der Sicherheit wegen.

Die Triebwerke der N-1 mussten dagegen das Maximum an Leistung herausholen, was man aus der Treibstoffmischung Kerosin/Sauerstoff gewinnen kann. So gab es einen geschlossenen Kreislauf, der die Treibstoffausnützung verbesserte. Das Mischungsverhältnis Sauerstoff zu Kerosin ist hoch (höhere Brennkammertemperaturen) und der Brennkammerdruck ist hoch. In der Tat gibt es bis heute kein Triebwerk für diese Treibstoffkombination mit einem höheren spezifischem Impuls – der wichtigsten Kenngröße für ein Triebwerk. In vielen Designmerkmalen ähneln die späteren NK-33/43 Triebwerke mehr dem Space Shuttle Triebwerk als dem F-1 der Saturn. Trotzdem ist die Treibstoffkombination der Wasserstoff unterlegen und die N-1 beförderte eine geringere Nutzlast als die Saturn V.

Größe NK-15 NK-15V NK-33 NK-43
eingesetzt in 1 Stufe 2 Stufe 1 Stufe 2 Stufe
interner Produktcode 11D52 11D52V 11D111 11D112
Entwicklungszeitraum 1962-1972 1962-1972 1970-1974 1969-1974
Einsatz N-1 Flug 1-7 N-1 Flug 1-7 N-1F Flug 8ff N-1F Flug 8ff
Höhe 2.70 m 2.34 m 3.71 m
Breite 1.50 m 2.00 m 1.50 m 2.50 m
Gewicht 1247 kg 1345 kg 1340 kg 1396 kg
Schub Boden 1510 kN 1510 kN
Schub Vakuum 1544 kN 1648 kN 1680 kN 1755 kN
spez. Impuls Boden 2913 m/s 2923 m/s .
spez. Impuls Vakuum 3118 m/s 3393 m/s 3247 m/s 3404 m/s
Brennkammerdruck 78.5 Bar 78.5 Bar 145.7 Bar 145.7 Bar

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