Die NK-33: „Faule Triebwerke“?

Am 28. Oktober 2014 hob die Antares mit der fünften Cygnus ab. 15 s nach dem Abheben kam es zu einem Feuer in der Triebwerkssektion, die Antares 130 verlor an schub und damit Höhe. Kurz vor dem Aufschlag auf dem Boden wurde sie durch ein Kommando des Range Safety Officiers gesprengt. die Explosion richtete großen Schaden an und beschädigte das Launchpad.

Nach einem Jahr wurde bekannt das NASA und Orbital/ATK unterschiedliche Ursachen in ihren Abschlussberichten angaben. Die Primäre Ursache war dass ein Rotor innerhalb der Turbopumpe aus der Rotationsachse verschoben wurde und so mit anderen Teilen (dem Hydraulic Ballance Assembly, HBA) der Sauerstoff-Turbopumpe in Kontakt geriet. Die Reibungshitze entzündete dann ein Feuer das den flüssigen Sauerstoff zu einer Explosion des Triebwerks E15 führte. Wie es aber zu dem Versagen des Rotors kam, darüber gab es keine Einigkeit. Der NASA Untersuchungsbericht kam auf drei Ursachen. Jede, oder eine Kombination mehrerer kann die Explosion verursacht haben.

  • Die erste war „mangelnde Robustheit des Triebwerks“. Die Auslegung des Triebwerks machte die HBA empfänglich für das Auftreten von Feuern. Weiterhin war das Akzeptanz-Testprogramm nicht ausreichend um das Auftreten von Feuern zu erkennen und notfalls durch Maßnahmen zu verhindern.
  • Fremdkörper in der Turbopumpe. Man fand in forensischen Untersuchungen Silikate und Titan in der Turbopumpe. Deise Elemente kommen dort nicht vor. Allerdings waren es nur Spuren und es gab keine Anzeichen von Beschädigungen durch größere Bruchstücke. Daher ist offen ob Fremdkröper ein Versagen verursacht haben.
  • Fehler in der Fertigung des Gehäuses: Man entdeckte einen „Defekt“ (im Sinne einer Abweichung) in der Fertigung der Schmierung des Turbinengehäuses, der nicht mit den Vorgaben übereinstimmt. Dieser wurde schon vor dem Start entdeckt. Da dies kein Einzelfall war, man entdeckte diese Abweichungen in einem Testtriebwerk 1998, den Triebwerken E16,E17. Daneben bei einigen Turbopumpen die es als Reserve gab. Während E16 und das Testtriebwerk erfolgreich ihr Testprogramm durchliefen bzw. eingesetzt wurden, gab es bei E17 im Mai 2014 ein Feuer bei einem Akzeptanztest. Es konnte nicht geklärt werden, ob die Abweichung schon immer da war, oder eine Folge der Alterung nach 40 Jahren Lagerung war.

Weiterhin befand die NASA, das sowohl die Instrumentierung nicht ausreichend war um Fehler genau zu benennen, wie auch das Testprogramm der Triebwerke vor einem Einbau und die Tests ob das bei der Antares vorliegende Missionsprofil (das von dem in der N-1F abwich) keine Probleme bereitete nicht ausreichend war.

Die NASA gab dann Empfehlungen, so nicht mehr die AJ-26 einzusetzen ohne dass sie ein ausreichendes Testprogramm durchlaufen hatten, wie auch die Tests bei den neuen RD-181 zu intensivieren und nicht den Fehler zu wiederholen.

Orbital/ATK kam zu dem Schluss es gäbe nur einen Fehler der höchstwahrscheinlich die Ursache war. Dies sei ein Fertigungsdefekt, der schon vor 40 Jahren bei der Fertigung passierte. Ein Teil dass geborgen wurde, zeige „klar“ dass es hier einen Fehler in der Herstellung der Turbopumpe gab.

Es verwundert nicht, dass Orbital/ATK den Fehler auf früher verschieben, außerhalb ihrer Verantwortung. Die NASA befand allerdings auch programmatische Versäumnisse. Insgesamt habe man zu wenig Einblick in die Testhistorie zu Sowjetzeiten gehabt und auch die Tests in den USA seien unzureichend gewesen.

Wahrscheinlich wird sich so eine Streitfrage nie klären lassen: Wäre mit den NK-33 die N-1F erfolgreich geflogen? Einige NASA-Statements gehen in die Richtung dass auch die NK-33 schon beim Design Fehler hatten. Mangelnde Robustheit ist hier das Stichwort. Die NASA legte bei den Saturn V großen Wert auf Robustheit, dazu gehörte auch dass sich das Triebwerk von Abweichungen erholen konnte. So testete man die Einspritzung des Treibstoffs solange bis man eine Lösung fand, die damals bei den Zündung auftretende Druckschwankungen die sich in einer ungleichmäßigen Verbrennung niederschlugen im Griff hatte. Das waren damals Ursachen für Schubabfall bis hin zu Triebwerksausfällen.

Die erste Generation der Triebwerke der N-1 wurden selbst von Verantwortlichen als „faule Triebwerke“ mit einer erschreckend niedrigen Zuverlässigkeit beschrieben. Sollten die NK-33 dieses Schicksal teilen? Russland wies eine intensive Testhistorie vor, aber die NASA stellte fest, das Aerojet darin nur unzureichend Einblick hatte. Aerojet (bzw. später Orbital) setzten zu wenige Tests an, um sicher zu sein, dass die Triebwerke heute noch in Ordnung sind. Schlussendlich kann niemand sagen ob die Probleme nicht durch die 40 Jahre Lagerung entstanden. Besonders der Fund von „Fremdkörpern“ in der Turbopumpe erinnert an einen Fehlstart der N-1 Flug 5L scheiterte weil kurz nach dem Start Metallteile in die Oxydatorpumpe von Triebwerk 8 gelangten und diese zur Explosion brachten. Also genau die gleiche Ursache wie eine der Möglichkeiten nach NASA-Meinung. Offensichtlich scheint damals die Fertigung so schlecht gewesen zu sein, dass man in den Triebwerken mit Fremdteilen rechnen musste.

Die Möglichkeit die Triebwerke intensiv zu testen hatten sie, denn die NK-33 hatten eine Lebensdauer von 25.000 s, 17 Zündungen ohne Überholung weitaus länger als die Triebwerke später betrieben werden.

Aerojet und Orbital prozessierten dann wegen der durch den Unfall verursachten Kosten. Bevor es zu einem Urteil kam, einigte man sich über eine Zahlung von 50 Millionen Dollar seitens Aerojet an Orbital. Weitere Details wurden nicht veröffentlicht.

Links:

http://spacenews.com/nasa-orbital-differ-on-root-cause-of-antares-launch-failure/

http://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/orb3_irt_execsumm_0.pdf

http://spaceflightnow.com/2015/11/01/two-antares-failure-probes-produce-different-results/

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.