Die neue russische Rakete

Wie Jewgeni-7 schon mehrfach schrieb wird in Russland fleißig an neuen Technologien gearbeitet. Ich konnte ihn leider nicht dazu überreden diese in einem Gastblog zusammenzufassen. Er bevorzugt es lieber diese in zig verschiedenen Blogs als Kommentare einzustreuen, ohne Rücksicht auf das Blogthema. Bitte bezeichnet ihn aber nicht als Troll. Er legt offensichtlich russische Vorstellungen über Meinungsfreiheit als Basis und sieht das als einen Verstoß gegen §185 STGB (Beleidigung) (in Russland würde ich wohl längst eine Zelle mit Pussy Riot teilen.

Offensichtlich meint man einen Rückstand aufholen zu müssen oder sieht sich wie andere Firmen und Weltraum Organisationen durch SpaceX gefährdet und entwickelt daher an verschiedenen Fronten neuen Raketen oder zumindest neuen Konzepten und erforscht neue Technologien und Triebwerke. Nun gab es das schon früher. In Russland gab es schon immer Rivalitäten zwischen verschiedenen Kombinaten heute sind es Firmen. So wird gerade die Angara eingeführt, die von Chrunitschev gebaut wird. Nun präsentiert Progress die Sojus 5, die praktisch denselben Nutzlastbereich abdeckt. Schon die Sojus 2-1v ist eine Konkurrenz zur kleinsten Angara Version. Das führte schon früher und führt heute auch noch zum Test zahlreicher Technologien.

Unter diesem Aspekt ist sicher der Vorschlag des chemischen Konstruktionsbüro KBKhA für eine Trägerrakete „разруши́тель“ (Zerstörer). Diese soll die Startkosten radikal reduzieren. Basis ist – wenn wundert es nachdem Wasserstoff „out“ ist und man an Methan, Acetam und anderen Dingen forscht – ein neuer Treibstoff und zwar Tetraoxydacetylen, kurz TOA. TOA ist ein kapriziöses Molekül. Schon seine Herstellung ist schwierig. Erstmals 1972 synthetisiert ist die bisher gängigste Labormethode die, in ein in flüssigen Stickstoff gekühlten Actylengasstrom einen kleinen Sauerstoffstrom einzuladen der am Eintritt durch eine Elektrode zum Teil in Ozon verwandelt wird. Das Ozon reagiert mit dem Acetylen und in zwei Kältefallen werden  TOA und Sauerstoff wieder abgeschieden um die Bildung eines explosiven Gemisches zu verhindern. Solange man dies so, machte war  TOA sehr teuer, doch beim KBKhA hat man eine Methode für die großtechnische Produktion entwickelt. Näheres ist nicht veröffentlicht worden, aber es werden wohl Rhodium und Ruthenum als Katalysator eingesetzt und die Ionisation durch Quecksilberentladungslampen bewerkstelligt.  TOA wird dann immer noch nicht billig, die Herstellung kostet derzeit 500 Rubel, rund 6,70 € pro Kilogramm, doch es lohnt sich.

Was ist nun das besondere an  TOA? Das Molekül ist in sich instabil. Es steht unter großer innerer Spannung. Schon einmal hat man zyklisches Propen unter der Bezeichnung „Sintin“ eingesetzt um die Performance der Sojus-Trägerrakete zu steigern. Anders als Sintin ist  TOA aber gleichzeitig Brennstoff und Oxydator. Beim Zerfall wird der Sauerstoff das Kohlenstoffskelett oxydieren und es entsteht pro Molekül  TOA ein Molekül Wasser, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd. Beim  TOA passiert dies schon beim Verdampfen, das bei 47°C stattfindet. Die freiwerdende Energie wiederum führt zum verdampfen weiterer Moleküle und dadurch zu einer Explosion. Bisher wurde  TOA daher als Sprengstoff in Spezialfällen eingesetzt, wo man eine Druckwelle mit genau definierter Größe brauchte.

Damit benötigt man nur einen Treibstoff und keine zwei, was den Aufbau der Rakete deutlich vereinfacht. Vor allem aber ist  TOA der ideale Treibstoff für einen Triebwerkstyp, denn man schon lange theoretisch kennt, aber nie eingesetzt hat. Es ist das Puls-Explosions-Raketentriebwerk. Das Pulsraketentriebwerk verhält sich zum normalen Raketentriebwerk wie das in der V-1 eingebaute Puls-Staustrahltriebwerk zu einem Düsentriebwerk, es ist verdammt viel einfacher aufgebaut. Während ein normales Raketentriebwerk kontinuierlich arbeitet, zündet ein Pulstriebwerk mehrere hundert Male pro Sekunde. Jedes Mal baut sich kurzzeitig ein Brennkammerdruck auf, der dann wieder abnimmt bevor der nächste Puls zündet. Die Brennkammerwand wird so jedes Mal nur von der äußeren Wolke der Explosionsfront, getroffen die stark abgekühlt ist. Sie muss wie die Düse nicht aktiv gekühlt werden und kann sehr einfach aufgebaut werden. Der einzige Nachteil von Puls-Raketentriebwerken sind die selbst an der Brennkammerwand hohen Spitzendrücke von bis zu 500 bar, etwa doppelt so hoch wie heute bei kontinuierliche arbeitenden Triebwerken auftretende Drücke. Im Zentrum können es noch mehr sein über 5000 bar. Die hohen Drücke ergeben sich aus der Treibstoffmenge pro Explosion, die zumindest bei Stufen, die vom Boden aus starten, nicht zu klein sein dürfen, damit die Rakete überhaupt abhebt.

Mit normalen Treibstoffen ist ein Explosions-Pulsraketentriebwerk kaum umsetzbar. zu groß ist das Risiko eine unvollständigen Durchmischung für die es kaum Zeit gibt und dadurch ungleichmäßige Verteilung von Temperatur und Druck, die dann bald zu einer Beschädigung der Brennkammer und unregelmäßigem und unsymmetrischen Schub führen. Ein Einkomponententreibstoff wie das  TOA weist diesen Nachteil nicht auf, noch besser: es zersetzt sich selbst explosiv ohne mit einer Flamme in Berührung zu kommen, so erreicht man eine gleichmäßige Verbrennung.

Aufgrund der hohen Drücke, aber kleinen Temperaturen haben sich die Techniker des KBKhA für eine Brennkammer und Düse aus CF-Werkstoffen entschlossen. Allerdings nicht wie bisher CFK-Werkstoffe, die wären zwar fest genug, würden dem Druck aber nicht nachgeben und würden zu wenige Zyklen überleben, schließlich soll das Triebwerk wiederverwendbar sein. Es ist stattdessen eine Matrix aus Kohlefasern in Kunstgummi aus Polyisoterpen. Dadurch kann die Brennkammer Verbrennungsspitzen, wie sie immer wieder vorkommen, mit hohem Druck nachgeben und wird größer um sich bei Druckabfall wieder zusammenzuziehen. Auch dieses Verhalten erhöht den Schub und die Energieausbeute. Belegt ist die Wand mit einem weiteren Gummigemisch aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, das als Themalschutz verkohlt.

Die Konstruktion des Triebwerks RD-0815 der „Zerstörer“ ist relativ einfach. Der einzelne Treibstofftank steht unter Druck, anfangs 40 bar, später durch den Treibstoffverbrauch auf 6 Bar absinkend. Es gibt keine aktive Förderung. Zur Zündung wird ein Einwegventil geöffnet. Es schließt sich automatisch, wenn auf der Brennkammerseite ein höherer Druck als in den Tankleitungen herrscht. Das  TOA tritt in die Brennkammer ein, verdampft und explodiert dabei. Kurzzeitig baut sich so ein Schub auf, bis durch den abströmenden Treibstoff der Druck abfällt. Das öffnet erneut das Ventil, erneut kann Treibstoff eintreten bis der Gegendruck das Ventil wieder schließt. In der Tat waren Ventile die mehrere Hundert Male pro Sekunde sich öffnen und schließen und dies über rund 300 s, die Betriebszeit der Rakete lang auch die größte technische Herausforderung. Sie sind das einzige Teil der Rakete das nach jedem Flug erneut werden soll.

Mit steigender Tankentlehrung sinkt der Druck in den Tankleitungen ab und damit sinken die Pulse pro Sekunde ab, da jeder immer länger dauert bis der Druck auf den Tankdruck abfällt. So gibt es eine natürliche Schubregelung die dafür sorgt, dass die Rakete niemals eine Beschleunigung von 3 g überschreitet. KBKhA hat über fünf Jahre an der Technologie geforscht. Allerdings erwies sich  TOA doch als als schwer beherrschbar. Immer wieder gab es Druckspitzen von 2000 bar, die Brennkammern zerstörten. Der Durchbruch kam als man Methan zu dem  TOA mischte. Ursprünglich gedacht um das teure  TOA einzusparen senkt eine Zumischung von 33% Methan den spezifischen Impuls von 390 auf 382 ab, aber führt vor allem zu einem gleichmäßigen Verbrennungsverhalten. Es gibt nun keine Druckspitzen über 500 bar an der Brennkammerwand, 90% der Impulse bleiben unter 400 bar.

Bisher hat man ein Demonstrationstriebwerk RD-0815 mit 8,15 kN Schub gebaut und getestet. Die Serienrakete soll ein RD-0471 mit 470 kN Schub einsetzen. Sie ist wie folgt projektiert:

Die Tranks bestehen erstmals vollständig aus CFK-Werkstoffen. Dadurch erreicht die „Zerstörer“ ein Voll/Strukturmasseverhältnis von 40. Dadurch und durch den trotzdem hohen spezifischen Impuls von 3748 m/s kommt die Zerstörer mit nur einer Stufe aus. Die auf 380 t Startmasse projektierte Rakete wird 6,5 t in einen GTO befördern oder 32 t in einen LEO-Orbit. Sie soll auch später vollständig wiederverwendbar sein. Dazu wird nach der Mission ein sphärischer Schutzschild aus zwei Teilen um die Triebwerke gefahren, der mit einem leichtgewichtigen Hitzeschutzschild aus Quarzziegeln wie beim Space Shuttle besetzt ist. Das Abbremsen aus dem Orbit erledigen normale Triebwerke mit Hydrazinantrieb, da das  TOA aus Sicherheitsgründen nach Erreichen des Orbits in den Raum entlassen wird (durch die Kälte im Weltraum explodiert es dabei nicht). Sie steuern auch die Ausrichtung beim Wiedereintritt. Durch die Form und den Schwerpunkt sollte der Hitzeschutzschild nach vorne zeigen, mit den Düsen kann man aber die Lage notfalls nachkorrigieren. Eine Landung ist auf Land in einer der Wüsten/Steppenregionen Russlands geplant. Zuerst werden Fallschirme entfaltet, die Landung wird dann noch zusätzlich durch Airbags abgebremst.

Der Startort ist noch nicht abschließend festgelegt. Vor allem für GTO Starts ist von Nachteil, dass die Rakete ohne Oberstufe die Inklination kaum anpassen kann. Daher wird von Russland der Start mit der Odyssey erwogen, die nun RKK-Energija gehört nachdem Boeing aus Sea Launch ausstieg. Dann müsste die Rakete allerdings aus dem Wasser geborgen werden, was bisher noch nicht untersucht wurde.

KBKha gibt die Kosten einer Trägerrakete durch den einfachen Aufbau zu 20 Millionen Dollar an, davon kostet der Treibstoff alleine 3 Millionen Dollar. Bei Wiederverwendung könnte er auf die Hälfte sinken, wenn die Rakete mindestens zehnmal wiederverwendet werden kann.  Größere Versionen wären durch die Kombination mehrerer Module möglich, kleinere relativ einfach durch Verkürzen der Tanks. Die Rakete ist vor allem hin zu kleineren Nutzlasten nicht beliebig skalierbar. Um die Brenndauer konstant zu halten arbeiten kleinere Versionen mit niedrigerem Tankdruck. Sinkt dieser unter 15 bar, etwa 40% des normalen Wertes so reicht der Schub beim Start nicht mehr zum Abheben aus. Zudem verschlechtert sich das Strukturverhältnis. Mit verkürzten Tanks hätte die Zerstörer noch 145 t Startmasse bei lediglich 2 t LEO Nutzlast – diese sinkt bei der einzelnen Stufe überproportional stark ab.

Nächstes Jahr soll über die Entwicklung der Zerstörer beraten werden. Man rechnet damit, dass wenn die Rakete erfolgreich fliegt, sie alle anderen Typen ersetzen wird, die Kostenvorteile sind zu offensichtlich.

4 thoughts on “Die neue russische Rakete

  1. Bernd, zunächst danke für deine Worte, ja und mit dem schreiben von Gastblogs hast du absolut Recht. Bei mir spielen aber Zeitliche und sprachtechnische Faktoren noch eine Rolle, erfordert hohen Zeiteinsatz bei der Übersetzung und mit der deutschen Rechtschreibung habe ich den Kampf um den Satzbau und Kommasetzung aufgegeben.

    Noch ein Wort an die Kritiker, alle Infos und Daten kommen von der Raumfahrtindustrie selbst oder werden von TASS oder RIA weitergegeben, sind somit verifizierbar. Von besonderen Bedeutung sind aber die Fachpublikationen wo die Entwickler ihre Arbeiten mit Berechnungen und Tabellen selbst vorstellen. So wurde in „Kosmische Technologien“ 2013 die Trägerrakete Energija-5KW mit Wasserstoffoberstufe und 4 kleinen Feststoffbeschleuniger vorgestellt. Die Trägerrakete ausgehend von technischen Daten, ist bis heute die beste Entwicklung aller russischer Träger, bei einer Startmasse von etwa 510 Tonnen kann sie 21 Tonnen auf LEO beförden. Für den Auftraggeber ist der Träger für Wostotschny nicht interessant, auch mit Recht.

    Durch die radikale Reformen in der Raumfahrt werden neue effiziente Strukturen geschaffen und vieles wird vereinfacht und Doppelarbeiten vermeiden. So hat Putin die Raumfahrtagentur Roskosmos zum 1 Januar 2016 aufgelöst. Jetzt sind alle Betriebe der Raketen- und Raumfahrtbranche unter einem Dach vereinigt, so wie bei Rosatom. Nur ein Beispiel was Chrunischew jetzt macht, dazu gehören der Börsengang, Einführung neuester Technologien, Grundstückverkäufe als auch endlich die massive Entlassung von Mitarbeiter in allen Bereichen. Mit der Serienproduktion der Angara die ab 2020-22 beginnt, kommt auch eine vollständige digitale Plannung und Produktion zum Einsatz als auch andere Pilotprojekte der Weltspitze zum Einsatz. Dazu auch folgendes von Interfax letzter Tage:

    1) Bei RKZ wo die Proton und Angara entstehen, hatten die Mitarbeiter die Möglichkeit zusätzliche Entschädigung zu erhalten wer bis zum 21 Dezember freiwillig geht. Dort werden im laufenden Jahr 2000 Mitarbeiter entlassen.

    2) Im Chrunischew Zentrum wurden im zentralen Büro die Hälfte der Mitarbeiter entlassen, etwa 600 Leute.

    3) Im KB Saljut (Konstruktionsbüro) werden etwa 25% alle Mitarbeiter und Konstrukteure entlassen.

    Mit den Massnahmen soll die Arbeitsproduktivität bis 2018 um 300% wachsen, im gleichen Zeitraum steigt das Einkommen der Mitarbeiter um 80%, auch die pro Kopf Produktion wird sich von 2 Millionen (2013) auf 5,1 Millionen Rubel erhöhen.

  2. Zunächst die schlechte Nachricht. Das Budget für die Weltraumfahrt wurde deutlich gekürzt, auf 1,41 Billionen Rubel bis 2025 und sämtliche Arbeiten für eine Mondlandung wurden eingestelt. Die Schwerlastträgerakete kommt erst um 2035, die Technologien werden aber schon jetzt entwickelt die bis 2025 zum Einsatz kommen. Putin möchte so einen Träger trotz wirtschaftlicher Probleme und Rogozin steht auf Methan, es wird also eine politische Entscheidung geben.

    Trägerraketen die kommen:

    1) Angara-A5W, eine Roskosmos Ausschreibung, also der Einkauf, wurde am 18 Dezember mit umfangreichen technischen Daten im PDF Format mit einen Wert von 32 398 611 000 Rubel veröffentlicht. Jeder kann also nachlesen, Abruf der Daten ist aber erst nach Registrierung möglich. Insgesamt werden aber 60 Milliarden notwendig sein.

    2) Im Rahmen der OKR Feniks arbeiten entsteht in Samara die Sojus-5 Trägerrakete. Die Entwicklung wurde etwas verändert, die Zentralstufe der Sojus-5.1 wurde so verändert das sie als erste Stufe der Schwerlastträgerrakte fungieren wird. Am 30 Dezember wurde das vom Rogozin auch offiziel verkündet, für mich aber schon längst bekannt.

    Um die Nutzlast der Sojus-5.1 zu erhöhen. war im Sommer noch die Rede von der Entwicklung von Feststoffboster mit einen Schub von 100 Tonnen, eine offizielle Info.

    3) Entwicklung von Technologien für eine senkrechte Landung von Raketenstufen, steht im neuen Föderalen Weltraumprogramm. Auch keine Neuigkeit. Komarow lobte auch den gelungenen Versuch des privaten US-Unternehmens SpaceX.

    4) Der Methnaschwerlastträger hat zumindest heute folgende Daten, Änderungen sind aber möglich.

    A) Zentralstufe hat etwa 7,7 Meter im Durchmesser und einen RD-0164.
    B) 8 Booster (Feniks=Sojus-5.1) mit einen Durchmesser von 3,6 Meter und einer Länge von 30 Meter (der Transport wäre somit kostensparend auch mit der Eisenbahn möglich) und je einen RD-0164 Triebwerk.

    C) STK-1, Nutzlast…. 80 Tonnen
    D) STK-2, Nutzlast…130 Tonnen
    E) STK-3, Nutzlast…175 Tonnen, mit einer Wasserstoffoberstufe

    Es ist schon eine sehr gute und sehr effektive Lösung mit radikaler Vereinfachung und den gleichen Triebwerken. Die Methan Schwerlastträgerrakete wenn sie kommt, werden wir auch ein Novum bei der Montage in Russland sehen. Die erfolgt analog senkrecht wie bei der Saturn-5 auf einer gigantischer mobiler Platform. Die Fläche für die Gebäude haben eine Länge von über 344 Meter und eine Breite von über 220 Meter. Das Hauptgebäude ist 180 Meter hoch, hat eine Länge von 118 Meter und eine Breite von 50 Meter. Der Technische Komplex befindet sich 5 km von der Startrampe (UKSS) entfernt.

    Am 15 Dezember erfolgte auch eine Mitteilung von NPO Avtomatiki über die Entwicklung von Steuerungssystemen für die Sojus-5. Auf den Trägerraketen haben heute die Rechenkomplexe eine Masse von etwa 5 kg, auf der Sojus-5 von nur 400 Gramm und übermorgen werden die Rechner 10-50 Gramm wiegen, so die Info des Generaldirektors L. Schalimow.

  3. Zitat: Nun präsentiert Progress die Sojus 5, die praktisch denselben Nutzlastbereich abdeckt. Schon die Sojus 2-1v ist eine Konkurrenz zur kleinsten Angara
    Dazu folgendes: Nutzlastspektrum der Sojus-5

    1) Sojus-5.1…..9,2 Tonnen…..Startmasse…268,7 T
    2) Sojus-5.2….16,5 Tonnen… Startmasse…575 T
    3) Sojus-5.3….26-30 Tonnen..Startmasse…690,2 T

    Zu 1, damit wird die alte unwirtschaftliche Sojus-2 vollständig abgelöst.
    Zu 2, auch vorgesehen für PTK Raumschiffe, 14,4 Tonnen
    zu 3, auch für PTK Mondraumschiffe, 20-26 Tonnen je nach Aggregat Sektion

    Damit sind auch die kleinen Angara-A3 fraglich bzw. nicht mehr notwendig, gegenwärtig finden dazu keine Arbeiten. Die Angara-1 kann 2 und 3,8 Tonnen beförden.

  4. Der Chef von GK Roskosmos Komarow, hat sich erneut auf einen Kongress über die Raumfahrtbranche beklagt, die leide an grossen Rückstand und sehr niedriger Arbeitsproduktivit. Bezugnehmend zu FKP 2016-25 sagte Komarow, das die finanziellen Möglichkeiten Russlands reichten derzeit nicht aus um kosmische Spitzenprojekte zu verwirklichen. Nun, das ist aber für mich nicht neu. Mit der ständigen Unterfinanzierung hat Roskosmos ein effizienz Problem das immer der Weltspitze nachlaufen wird, neue Projekte werden ständig verschoben.

    Bezugnehmend zu OKR Feniks (Sojus-5 vs. Enegija-1K), hat eine Quelle aus der Raumfahrt nähere Angaben gemacht, es geht um eine Trägerrakete mit RD-171 Triebwerken (Technologie der 70-er Jahre) die immer mehr Anhänger finden.

    1) Das Interesse an Zenit Ersatz, eine Monoblock Rakete, ist gross.
    2) Durch eine Energija-1K wären Starts vom Baikonur (Baiterek), Wostotschny und von Sea Launch möglich.
    3) Die Vorgehensweise kann Gelder einsparen (aber nicht die Startkosten), neue Startkomplexe sind nicht nötig.
    4) Der Träger kann als URM für die spätere Schwerlastträgerrakete fungieren.

    Damit steht die Aussage aber im Wiederspruch was Rogozin am 30 Dezember sagte. Nun, ohne entsprechende Gelder sollte Russland ein Teil seiner Raumfahrt lieber aufgeben. So betrug die Bruttoinlandsproduktion Russlands 2015 nur 2,09 Billionen Dollar, der deutschen dagegen 3,02 Billionen Euro.

    Auf der anderen Seite sehen wir drastische Steigerung der Gelder für Militärs. So hat sich das Budget der Militärs von 2011 bis 2015 verfünffacht, betrug im letzen Jahr 3,3 Billionen Rubel (81 Milliarden $) was 4,2% vom BIP entspricht. Russland hat 2013 erstmals mit seinen Militärausgaben zu BIP die USA überholt.

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