Muss es immer neu sein?

Mit dem Konflikt um die Ukraine hat (mit freundlicher Unterstützung durch SpaceX) in den USA die Diskussion um die RD-180 begonnen. Die Triebwerke stammen ja von Russland. Die Frage die sich nun stellt und die inzwischen auch Parlamentsausschüsse diskutieren, ist ob man sie nicht in den USA produzieren soll oder sollte man ein eigenes US-Triebwerk entwickeln, das man z.B. auch in der SLS einsetzen könnte.

Das leitet mich zu meinem heutigen Thema – lohnt es sich alte Triebwerke wieder zu bauen? Also sollte man ein neues US-Triebwerk entwickeln oder das RD-180 bauen, für das Lockheed-Martin wegen der Beteiligung an der Entwicklung die Lizenzen hat oder ein neues US-Triebwerk, das noch nicht existiert. Das gleiche hat man in der Diskussion bei den F-1 oder neuen Triebwerken in der SLS und selbst die SSME (RS-25) waren einigen SLS Kritikern zu alt.

Dann hört man immer so Vergleiche wie „Würden sie wenn es ein Auto wäre einen Chevrolet aus den Sechzigern nachbauen?“. Ich habe das schon mal aus technischer Sicht beleuchtet. Wenn man nur ansieht was „hinten rauskommt“, so lohnt es sich nicht. Egal welchen Triebwerksparameter man nimmt, man wird bei LOX/Kerosin Triebwerken seit den Sechzigern kaum eine Leistungssteigerung sehen, Bei LOX/LH2 seit den Achtzigern kaum eine. Zumindest wenn man beim gleichen Verfahren bleibt. Wenn man natürlich vom Nebenstromverfahren auf ein Hauptstromverfahren wechselt bekommt man noch eine Steigerung doch auch sie ist evolutionär, nicht revolutionär. Der Grund ist dass man die Effizienz bei den meisten Triebwerken kaum noch steigern kann. Sie sind vom Aufbau her relativ einfache Verbrennungsmaschinen und die Einflussmöglichkeiten sind begrenzt. Mischungsverhältnisse können nicht viel weiter erhöht werden, Brennkammerdrucke auch kaum. Düsenverlängerungen sind durch das verfügbare Volumen und die Masse auch Grenzen gesetzt. Anders als die Strukturen profitieren Triebwerke auch nicht von leichteren Legierungen oder CFK-Werkstoffen, weil diese die Verbrennungstemperaturen nicht aushalten.

Aus Performancegründen braucht man also keine neuen Triebwerke entwickeln. Das zweite sind die Kosten. Wenn man diese bestimmt so muss man sowohl die Produktionskosten wie die Entwicklungskosten berücksichtigen. Sie hängen von den Anforderungen ab. Die SSME waren teuer in der Entwicklung und Produktion – sie sollten wiederverwendbar sein und es gab extreme Anforderungen an Brennkammerdruck, Masse oder Förderleistung der Treibstoffförderung. Die RS-68 der Delta IV waren erheblich preiswerter in Produktion und Entwicklung. Sie haben dafür erheblich schlechtere Leistungsparameter. Es gibt auch den Fall der hohen Entwicklungskosten und geringen Produktionskosten, z.B. bei den F-1 die von den Leistungsdaten eher konventionell waren aber bis zum Exzess getestet wurden, weil sie 100% zuverlässig sein sollten.

So gesehen lohnt es sich sicher ein neues Triebwerk zu entwickeln, wenn man es längere Zeit einsetzen will und eine bestehende Alternative teuer in der Produktion ist. Das war auch die Intention warum die NASA bei der Ares von dem SSME auf das RS-68B umschwenkte. Bei der SLS rechnet sie wohl mit weniger Starts, denn nun ist das SSME wieder vorgesehen.

Doch lohnt es sich ein uraltes Triebwerk wie das F-1 nochmals zu bauen? Man verweist darauf, dass sich Technologien im Laufe der Zeit verändert haben wie z.B. Schweißverfahen. Doch das ist kein Hindernis. Es ist ja nicht so, dass man es mit denselben Verfahren wieder bauen muss wie früher. Nur die Eigenschaften müssen dieselben sein. Ein Paradebeispiel ist das SSME. Technisch heißt es RS-25 und die derzeitige Version ist das RS-25E. Am Buchstaben sieht man, dass es einige Subversionen gab. De Fakto hat man in den vierzig Jahren zwischen Design und letztem Test so ziemlich alles am Triebwerk ausgewechselt. Teilweise verbessert, teilweise nur Verfahren geändert. So war die Brennkammer ursprünglich aus vielen Profilen zusammengeschweißt. Die letzte Version dagegen gegossen, was deutlich preiswerter ist. Das einzige was nicht verändert wurde war die Düse. Die wäre beim nächsten Upgrade dran gewesen. Das bedeutet obwohl das Triebwerk in Schub und Masse weitgehend gleich bleib haben sich Technologien in der Fertigung geändert. Das gleiche gilt auch für den Nachbau anderer Triebwerke wie der F-1.

Was aber in jedem Falle eingespart wird ist der Entwicklungszyklus. Schaut man sich den bei bekannten Triebwerken an, so sieht man, das man sehr bald einen funktionsfähigen ersten Prototyp hat, doch bis dieser das Testprogramm durchlaufen hat vergehen Jahre und das ist das teuerste an den Tests. Das SSME erreichte z.B. 1977 das 100% Schublevel über die volle Brennzeit. Danach wurde es aber noch drei Jahre lang weiter getestet. Das Vinci erreichte dieses Level 2010 – sieben Jahre vor Qualifikationsende. Die Tests sind das teure an einem Triebwerk. Doch nur sie erlauben es zum einen Probleme zu untersuchen indem man bewusst Abweichungen provoziert (z.B. das Treibstoffverhältnis variiert, Verbrennungsinstabilitäten induziert etc.). Zwar tendiert man heute dies zu verkürzen, doch wenn die Ansprüche höher sind, z.B. bei Oberstufen Triebwerken testet man doch intensiv. Das Vinci wird 45.000 s in 150 Tests absolvieren. Beim RS-68 das in der ersten Stufe der Delta eingesetzt wird genügte ein Drittel der Testdauer. Newcomer wie SpaceX kommen sogar mit nur 1.970 s Testzeit in 28 Tests aus,

Diese aufwendigen Tests die viel Geld und Zeit kosten können entfallen bei einem Nachbau. Dessen Kinderkrankheiten hat man schon ausgemerzt. Ja es ist sogar geflogen, was getestete Triebwerke nicht sind. So gesehen spricht viel für einen Nachbau, vor allem wenn das Triebwerk passt, also in Schub und Brenndauer zur geplanten Stufe passt.

Was allerdings auffällig ist, ist das es in den letzten Jahren deutlich teurer geworden ist. Nach dem Artikel soll der Aufbau einer Produktion 5-8 Jahre dauern. Problematisch ist, dass man zwar die Triebwerke in Lizenz bauen darf, aber sie nicht mitentwickelt hat. Man hat nur Einsicht in die Testunterlagen. Netterweise eine Folge der ITAR Regeln, die einen Technologieexport von den USA verhindern sollen…

Wie teuer es wird weiß man noch nicht. Eine erste Charge von 220 Millionen wird gerade genehmigt. Geschätzt wird mit 1 Milliarde für die US-Produktion. Doch sicherlich wird dann das produzierte Triebwerk teurer sein. Russland verkauft sie für 10 Millionen Dollar pro Stück. Sie haben in etwa den gleichen Schub wie ein RS-68, das kostet 25 Millionen Dollar.

Das vernünftigste wäre es die Atlas aufzugeben, was die Delta verbilligen würde (höhere Stückzahlen) und man braucht auch keine zwei RL-10 Versionen mehr. Eventuell kann man auch die Atlas SRB an der Delta einsetzen, denn diese sind mit 46 t etwas schwerer als die GEM-60 und sollten so die Nutzlast steigern. Was als Manko bleibt ist dass man die Nutzlast bei der Delta 4 nicht so fein dosieren kann. Doch Boeing hat auch Versionen mit sechs Boostern vorgeschlagen die diese Lücke füllen könnten. Allerdings hat dann die Antares in einigen Jahren ein ähnliches Problem, denn ihre NK-33 werden nicht mehr gefertigt bzw. selbst wenn sie erneut gefertigt werden, dann dürfte man wenn man konsequent ist sie nicht kaufen. Ein RD-180 hätte zwei NK-33 ersetzen können.