Mit diesem Beitrag über Angara und Sojus-5 Trägerraketen werde ich mein erneutes Intermezzo hier beenden. Danke!

Angara, Sojus-5 und neue Legierung News, kompakte Zusammenfassung mit Fakten und Hintergründen.

Im Rahmen von weiteren Flugdesigntests (LKI) startete im Dezember 2021 die Angara-5 Nr.3 mit einer neuer Persej Oberstufe. Zukünftig sollen diese Oberstufen im Rahmen der Orion-Entwicklungsarbeit auf den Angara-A5-Raketen vom Kosmodrom Wostotchny eingesetzt werden. Das Triebwerk mit einen Expansionsverhältnis von 500:1 hat einen spezifischen Impuls von 372s, dadurch erhöht sich die Nutzlast auf eine geostationäre Umlaufbahn um fast 20 %. Auch die Verwendung von Synthin, ohne das Motordesign zu ändern, ist möglich, dadurch steigt der Isp auf 380s. Das sowjetische Orbital-Raumschiff-Buran verwendete auch Synthin, was zu deutlich besseren energetischen Leistungen als bei Space Shuttle führte. Bei Buran wurde zum ersten Mal in der weltweiten Praxis ein kryogener Oxidator – flüssiger Sauerstoff und Treibstoff – ein nicht kryogener synthetischer Kohlenwasserstoffsynthin mit erhöhter Effizienz – für ein Antriebssystem eines Raumfahrzeugs verwendet.

Der Umzug der Angara Produktion von Moskau nach Omsk ist fast abgeschlossen, nicht aber die Bauarbeiten in Poljot und die Umrüstung und Schaffung neuer Produktionsstätten für die Trägerrakete. Insgesamt ist bis 2024 Produktionsstätten mit einer Gesamtfläche von über 100.000 m2 vollständig vorzubereiten. Die Befolgung dieser Prioritäten wird es nach Abschluss der Investitionsprojekte im Jahr 2024 bis zu acht schwere und zwei leichte Angara-Trägerraketen pro Jahr in den Produktionsmodus zu bringen. Ab 2022 ist geplant, mit der Herstellung der ersten Prototypen der modernisierten Angara-A5M-Rakete zu beginnen. Durch den Umzug nach Omsk, wird die Lieferung der Trägerraketen an die zwei Kosmodrome (Baikonur und Plessezk) die gleiche Zeit dauern, so können optimale Transportkosten sicherhergestellt werden, unabhängig davon, von wo aus der Start erfolgt.

Laut dem Generalplaner von KB Saljut sollen hoch moderne Technologien, die in der Omsk-Produktion eingesetzt werden (Reibschweißen und Rotationsextraktion), die Qualität der technologischen Prozesse gewährleisten, die mit traditionellen Methoden nicht erreicht werden können, darunter das fehlen von Spannungen im Metall, die einen äußerst positiven Effekt auf die Zuverlässigkeit der Rakete und auf die Möglichkeit, ein Raumschiff mit Kosmonauten an Bord zu starten.

Raketentanks

Derzeit werden bereits leistungsstarke und hochpräzise Anlagen zur Herstellung von Waferhintergrund für die Tanks der ersten / zweiten Stufe der Angara verwendet. Dazu kommen Blechen der AMg6-Legierung zum Einsatz, die in einer Atmosphäre aus inertem Argon geschweißt – traditionelles Lichtbogenschweißen ist für Aluminium nicht geeignet, da es schnell oxidiert (und sich entzünden kann) und Aluminiumoxid, das in die Naht gelangt, verringert die Festigkeit. Danach erfolgt die weitere Verarbeitung der Ringe, die Fräsmaschine schneidet identische quadratische Vertiefungen von etwa 10 Zentimetern Größe und zwei Zentimeter Tiefe (Wafer) in die Innenfläche des Rings. Dies dauert etwa einen Monat, bis zu dessen Ende sich der Ring von innen in eine „Waffel“ verwandelt. Ein übliches Verfahren, das auch in den Werkstätten der United Launch Alliance und im Werk der NASA bei Saturn-5 und auch bei der SLS-Trägerrakete zu sehen ist. Ja, um einen Raketenkörper herzustellen, braucht es riesige Werkstätten, spezialisierte und sehr teure Maschinen, Monate an Zeit und Dutzende Tonnen von Spänen die dabei abfallen.

So wird für die Sojus-5, die die Zenit ersetzen soll, zunächst im Hüttenwerk Kamensk-Uralski eine 650 Kilogramm schwere Bramme mit den Maßen 4,4 mal 1,7 Meter aus P-1580 gegossen. Um das Blech gleichmäßig zu machen, wird es auf dem Walzwerk mehrmals gewalzt, unter der Wirkung der Walzen wird das Blech nicht nur nivelliert, sondern auch kaltverformt – das heißt, seine Kristallstruktur ändert sich nicht und erhält zusätzliche Festigkeit. Anschließend wird die Bramme ca. 900 Kilometer nach Westen transportiert, zu Samara nach Progress. Hier wird es beidseitig gefräst und alle Unregelmäßigkeiten und Defekte beseitigt. In diesem Stadium werden ca. 120 Kilogramm der Legierung zu Spänen verarbeitet. Die verdünnte, aber bereits flache Platte wird gebogen und gewalzt, zu einem Zylindersektor gemacht und dann mit den anderen beiden verschweißt. Der so entstandene Ring wird in eine andere Werkstatt geschickt, um die Vertiefungen zu Fräsen und somit die weitere Reduzierung der Masse zu vollenden. Das Blech ist 5 mm stark und im Nahtbereich 7,4 mm.

Natürlich es gibt auch andere Verfahren, aber das ist auch ein anderes Thema. Nur so, das S7 Unternehmen verwendet auch die neue Legierung 1580, eine experimentelle magnesiumhaltige Legierung, die sich vom traditionellen AMg6 durch die Zugabe von 0,1 Prozent Scandium zur Erhöhung der Festigkeit unterscheidet. Im Gegensatz zu kaltverformtem AMg6 nimmt seine Festigkeit beim Erhitzen nicht ab, was bedeutet, dass die erste Stufe möglicherweise regenerierbar gemacht werden kann, sie übersteht den Durchgang durch die Atmosphäre ohne Qualitätsverlust.

Diese Ausrüstung befindet sich in Omsk, sie ist einzigartig, es gibt nicht mehr als ein Dutzend solcher Maschinen auf der Welt. Und in Zukunft neben dem Einsatz dieses Hochleistungsgerätes ist auch die Einführung des Reibschweißens in die Konstruktion von Tanks, wodurch die Qualität der Schweißnähte deutlich verbessern wird, was auch zu Erhöhung der Nutzlast führen wird. Einige dieser hochmoderner Anlagen stammen aus den westlichen Ländern (Frankreich) und die zukünftiger Bediener der Anlagen erhielten vor Ort eine entsprechende Einweisung.

Zu Beginn der Raumfahrt niemand wollte die dünnen Wände der Tanks mit Nietenlöchern oder punktgeschweißten Narben bedecken, und die Ingenieure fanden einen Ausweg. Mit anderen Worten, in ein dickeres Blech werden Stringer und Rahmen darin gefräst, damit werden die Tanks leichter bei hohen Stabilität. So entstanden die Waffel in den Tanks Anfang der 1960er Jahre.

Die erste „Waffel“-Rakete in der UdSSR war die experimentelle UR-200, bei der die „Waffel“ mit Chemikalien geätzt wurde (dann wurde die UR-200 die Grundlage der zweiten Stufe des Proton). Dieselbe Technik nutzte von Braun für die amerikanischen Träger der Saturn-Serie. Im Jahr 1964 wurde eine andere Art der Waffeln patentiert, hier handelt sich um eine dreieckige (Isogrid) und wurde fast zum Standard: Sie wird beispielsweise für die Tanks der zukünftigen Vulcan-Rakete verwendet. Wahrscheinlich liefert die bessere Festigkeit der Tanks, habe aber dazu keine Daten.

Noch ein technischer Vergleich: Wenn die Tank der ersten Stufe der Zenit-Trägerrakete aus einem glatten Blech bestehen würden, wären sie bei gleicher Festigkeit 3,2 Tonnen schwerer, d.h. die Stufe würde nicht 27,6 Tonnen wiegen, sondern 30,8 Tonnen – mehr als 10 Prozent mehr.

Sojus-5, einige Besonderheiten

Sojus-5 ist ein Träger der Mittelklasse, kann vom Kosmodrom Baikonur 17 Tonnen starten, mehr als doppelt wie bei Sojus-2. Das besondere auch: Die Nutzlastverkleidung in zwei Varianten, von 4,15 bis 5,2 Meter. Die Startkosten sollen bei etwa 50 Millionen Dollar liegen.

Zum ersten Mal wird die experimentelle Aluminiumlegierung P-1580 für die Tanks der Sojus-5 verwendet. Im Vergleich zu der Legierung, die bei der Herstellung von Sojus-2 verwendet wird, weist es verbesserte mechanische Eigenschaften bei relativ akzeptablen Kosten auf.

Erstmalls bei der Herstellung von Sojus-5 kommt das Rührreibschweißen zum Einsatz. Laut der Leistungsbeschreibung kann die Anlage das Schweißen von Blechen mit einer Dicke bis ca. 30 mm ermöglichen.

Zum ersten Mal wird die neue Rakete eine Strapdown-Trägheitseinheit mit empfindlichen Elementen auf kleinen und leichten faseroptischen Gyroskopen verwenden. Der Bau des Sojus-5-Steuerungssystems unter Verwendung eines effizienten Hochgeschwindigkeits-Bordcomputers wird die Verbindung zwischen der Rakete und der Ausrüstung der Technik- und Startkomplexe minimieren. Dies wird den Produktvorbereitungsprozess vereinfachen, die Bodenausrüstung vereinfachen und die Kosten senken. Die Fähigkeiten des Bordcomputers gewährleisten den Einsatz aller Testmodi direkt an Bord und nicht an Bodengeräten.

Zum ersten Mal in der Praxis bei Progress wird in der zweiten Stufe ein kombinierter Boden für Oxidationsmittel- und Treibstofftanks verwendet. Dies ermöglicht es, die Masse der Struktur der zweiten Stufe zu reduzieren, sie im Vergleich zum traditionellen Schema zu erleichtern und auch die Abmessungen der Einheit zu reduzieren. So eine Lösung hatte auch die Saturn-5 (zweite oder dritte Stufe).

Triebwerk RD-0124MS: Arbeitet mit flüssigen Sauerstoff und Naphthyl, hat einen höheren spezifischen Impuls von 361 Sekunden. Jeder Motorblock kann in Übereinstimmung mit dem Stufenbetriebszyklus autonom mit verschiedenen Schubmodi betrieben werden. Der Schubvektor wird durch Auslenken jeder Kammer in zwei zueinander senkrechten Ebenen gesteuert, nicht vergleichbar mit RD-120 der Zenit Rakete mit den erforderlichen zusätzlichen Lenkmotor. Wenn wir RD-0124MS für Bedingungen auf Meereshöhe „neu berechnen“, erhalten wir einen spezifischen Impuls in Höhe von 334 Sekunden – und das ist immer noch viel besser als der des RD-180 Kerosin-Rekordhalters, und sogar höher als der des Methans Raptor von Elon Musk.

Gleichzeitig mit der Sojus-5 entsteht eine ultraleichte Trägerrakete Irkut (Startmasse um die 24 t) in zwei Versionen. Es wird eine bis zu 584 Kilogramm schwere Last in eine erdnahe Umlaufbahn mit einer Höhe von 200 Kilometern und einer Neigung von 51,7 Grad bringen können, bei einer geostationären Umlaufbahn beträgt die maximale Nutzlast 84 Kilogramm.

Neue Legierung P-1580 für Sojus-5

Weltraumstartsysteme und Raumfahrt erfordern Materialien, die die Anforderungen erfüllen. Bei NASA werden Hochentwickelte Aluminium-Lithium-Legierungen wie Airware 2195 und 2050 verwendet, ermöglichen eine stärkere, aber deutlich leichtere Architektur – mehr Nutzlast, eine höhere Umlaufbahn oder beides. Die Legierung 2050 in einer hochverformbaren und duktilen T34- oder T84-Ausführung wird sowohl für kryogene Tanks als auch für Besatzungsmodule ohne weiteres übernommen.

SpaceX geht einen anderen Weg: Ende 2018 kündigte Musk in einem Interview an, dass die superschwere Trägerrakete Starship, die Fracht zum Mond und zum Mars liefern kann, aus Edelstahl bestehen wird. Es ist einfacher, billiger und schneller. Ihm zufolge kostet 1 Kilogramm Kohlefaser 135 US-Dollar, nach Bearbeitung bis zu 200 US-Dollar. Außerdem braucht man viel davon. Aber der Preis für 1 kg Stahl beträgt etwa 3 US-Dollar. Und es ist kein Mangel, denn es gibt viele Hersteller von Edelstahlblechen auf der Welt. Es gibt bereits entwickelte und getestete Speziallegierungen, die Temperaturwechsel gut überstehen. Sie sind resistent gegen äußere Einflüsse und verursachen keine Mikrorisse, die zu Pannen und Unfällen führen können. Und Edelstahl mit Zusatz von Chrom und Nickel verträgt auch extrem niedrige Temperaturen von Raketentreibstoff. Als Ergebnis der Forschung wurde im März 2019 im Werk Musk eine millionenschwere Ausrüstung für die Herstellung eines Kohlefaser-Raketenkörpers demontiert. Und am 29. September 2019 sagte Musk bei der Präsentation eines Starship-Prototyps in Originalgröße, dass dank der Verwendung von Stahl nicht 400-500 Millionen US-Dollar für Materialien für eine Rakete ausgegeben würden, sondern nur 10 Millionen!

Den russischen Ingenieuren von RUSAL ist es gelungen, einen völlig neuen wissenschaftlichen und industriellen Ansatz zur Entwicklung von wirtschaftlich legierten Aluminium-Scandium-Legierungen, deren Gießtechnologie und thermomechanischer Verarbeitung zu entwickeln. Dadurch haben ScAlution-Legierungen 40-50% höhere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Legierungen ohne Scandium. Der Einsatz dieser Legierungen entspricht den aktuellen Herausforderungen für die globale Industrie. Bisher wurden Aluminium-Scandium-Legierungen nur in der Luftfahrt- und Sportindustrie verwendet. Drei Hauptfaktoren haben ihre weit verbreitete Verwendung verhindert: die hohe Konzentration von Scandium – bis zu 0,25%, die erheblichen Kosten für Scandiumoxid – bis zu 2.000 US-Dollar pro Kilogramm und das Fehlen eines großen und zuverlässigen Herstellers von Scandiumoxid.

RUSAL hat als weltweit erster Hersteller eine geschlossene Produktionskette geschaffen – von der Herstellung von Scandiumoxid bis zur Herstellung von Fertigprodukten. Das neue Material erhielt die Bezeichnung P-1580, eine ausländische Klassifikation hat eine andere Bezeichnung.

Die Herstellung erfolgt mit einen neuen Verfahren, international bekannt als Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), eines der aktuell schnellsten additiven Fertigungsverfahren für Metalle. Die Aluminiumlegierung P-1580, eine experimentelle magnesiumhaltige Legierung mit dem Zusatz von 0,1 % Scandium als Legierungselement zur Festigkeitssteigerung, hat aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und der guten mechanischen Eigenschaften große Perspektiven für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Als Weiterentwicklung der Linie wurde eine Legierung entwickelt, die nur 0,03 % Scandium enthält, bei gleichzeitig 20 % höherer Festigkeit bei gleichbleibender Herstellbarkeit.

Durch den Einsatz der Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung 1570c, die vom Allrussischen Institut für Leichtmetalllegierungen entwickelt und von den Spezialisten von RKK Energia verbessert wurde, war es möglich die Masse der Bauteile von Träger- und Raumfahrzeugen, gegenüber der AMg6-Legierung um 20 % zu reduzieren. Die neue P-1580 Legierung, da sie weniger Scandium enthält, ist natürlich billiger. Das heißt, in Bezug auf die Kosten liegt es näher an AMg6 und in Bezug auf die Festigkeit ist es 1570 nicht unterlegen, sondern besser. Die neue Legierung vereint somit die Materialeigenschaften und die wirtschaftlichen Parameter der Produkte sehr effektiv.

Die Verwendung von Kohlefasern in der Raumfahrt (darunter für Bugverkleidungen und diversen Raketenteilen) führte zu einer Verringerung der Produktmasse von 30- 50 % und erhöhte dementsprechend die Ausgangsnutzlast. Als nächstes folgen Rahmen und Komponenten des Antriebssystems. Es wird auch daran gearbeitet an der Entwicklung von Kraftstofftankdesigns für Trägerraketen unter Verwendung von Polymer-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, einschließlich für kryogene Kraftstoffe – flüssiger Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas.

Der erster Sputnik bestand aus zwei halbkugelförmigen Leistungsschalen mit 58 cm Durchmesser aus Aluminium-Magnesium-Legierung AMg6 2 mm dick mit Andockrahmen. Das Wostok Raumschiff bestand aus: AMg6, AMg2 und AMg3 Legierungen, die Rohrleitungen aus D16, D19, AK6 und AK8-Legierungen. Die Treibstofftanks der Rakete wurden aus der AMg6-Legierung hergestellt. Gießereilegierungen wurden in lebenserhaltenden Systemen verwendet. Die Tank-Kugeln der N1 wurden aus einer AMg6-Legierung die seit langem in sowjetischen Raketen verwendet wird, hergestellt und mit Hilfe von leistungsstarken Beschlägen aus neuen hochfesten B93-Legierung miteinander verbunden. Auch die Wostok, Sojus, Angara haben die gleiche Legierung, bei Energia waren alle Elemente des Oxidationsmittel- und Flüssigwasserstofftankgehäuses aus hitzegehärteter Aluminiumlegierung 1201.

Zur Zeit sind folgende vielversprechende Entwicklungsbereiche:

– Beherrschung der Herstellung von strukturell thermisch ungehärteten Legierungen des Al-Mg-Sc-Systems
– Entwicklung neuer Strukturlegierungen auf Basis des Al-Li-Systems
– Entwicklung und Entwicklung der Herstellung von funktionellen Aluminiumlegierungen und Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen (CM) für verschiedene Zwecke

Triebwerkskosten

Nach meiner Quelle beträgt der Preis des Antriebssystems von 9 Merlin-Triebwerken für die Falcon-9-Rakete = 11 Millionen US-Dollar. Das ist sehr wenig im Vergleich zu RD-191 oder zu RD-181, wo der letztere bei rund 11 Millionen Dollar liegt. Möchte hier kurz eingehen, wie wir die Kosten um die Hälfte senken könnten.

Wenn wir die Leistung (Druck in den Pfaden) nur um 20 Prozent reduzieren, ist es auf Basis des RD-191 möglich, einen Motor zu produzieren, der um die Hälfte oder mehr billiger ist. Wir können einfache und billigere Materialien verwenden, es ist nicht erforderlich, dass Rhenium vorhanden ist und Niob ist einen Cent wert. Auch die Bearbeitung und das Schweißen werden vereinfacht.

Die nominale Leistung des RD-191 Billig wird nicht mehr als 0,8 betragen, u.a.:

– aufgrund einer Abnahme der Temperaturen im Gasgenerator

– im Allgemeinen aufgrund einer Abnahme der thermischen Spannungen in den Motorknoten

Dadurch wird es möglich sein, weniger hitzebeständige Legierungen zu verwenden (billigere, wo weniger Rhenium, Ruthenium, Wolfram mit Molybdän, aber mehr Kobalt, Niob, Vanadium vorhanden sind) und gleichzeitig leichter, schneller und einfacher zu schweißen und auf Werkzeugmaschinen zu bearbeiten, leichter zu löten usw. Wenn der Motor einfacher herzustellen ist, ist es klar, dass er billiger ist. Die Rechnung ist eindeutig, wenn die Temperaturen im Triebwerk um durchschnittlich 150 °C gesenkt würden, so ist die Produktion eines solchen Motors etwa 2-mal billiger als der des RD-191.

Probleme mit RD-190

Bei der Entwicklung des RD-191-Triebwerks wurde ein Problem bei der Gewährleistung eines stabilen Betriebs bei starker Schubdrosselung (unter 38 Prozent des Nennwertes) festgestellt, was sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Triebwerks auswirkt. Dieses Problem manifestiert sich im Auftreten von niederfrequenten Schwingungen des Triebwerksschubs (ca. 4 Hertz) beim Umschalten in den Modus von 38 Prozent des Nennschubwertes und darunter, so die russische Dokumente. Das Dokument stellt fest, dass niederfrequente Schwingungen zu Schwingungen der Strukturelemente des Triebwerks führen, was zu Resonanzen und Zerstörung der Rakete führen kann. Erschütterungen reduzieren die Ressourcen der Pipelines, was zu ihrem Ausfall und in der Folge zu einem unvorhersehbaren Motorbetrieb führen kann.

Niederfrequente und hochfrequente Schwingungen waren die wichtigste „Kinderkrankheit“ von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken. Die ersten, denen sie begegneten, waren die Konstrukteure der V-2-Raketen. Sie kämpften auf unterschiedliche Weise damit – durch Modifikation der Brennkammern, durch Hinzufügen verschiedener Arten von Dämpfungsvorrichtungen an der Struktur, durch Ändern der Länge und des Durchmessers der Rohre.

Die Entwickler des RD-191 fanden einen Weg, um mit niederfrequenten Schwingungen umzugehen: Sie fügten der Oxidationsleitung zwischen der Oxidationspumpe und dem Gasgenerator ein modifiziertes Dreistellungsventil hinzu. Wenn der Motor mit reduziertem Schub läuft, beginnt dieses Ventil im geschlossenen Zustand zu arbeiten und bietet zusätzlichen hydraulischen Widerstand. Bei den Tests stellte sich heraus, dass dieser Zusatz die Amplitude der Schubschwingungen deutlich reduzieren kann und das Triebwerk erfüllte bereits die Anforderungen der Angara-Entwickler.

Das Problem wurde bis 2019 jedoch nicht vollständig gelöst. „Bei einzelnen Exemplaren des Motors treten beim Betrieb in niedrigen Modi niederfrequente Vibrationen auf, woraus wir schließen können, dass die Wirkung der Verwendung eines Dreistellungsventils bei verschiedenen Exemplaren des Motors unterschiedlich sein kann. Zur weiteren Verbesserung der RD-191-Raketentriebwerke ist es wichtig, das Phänomen der niederfrequenten Schwingungen genauer zu untersuchen“, so die Autoren des Berichts.

Fakt: Eine Drosselung bis auf 30% des Nennmodus von Raketentriebwerken wurde weltweit erstmals festgelegt. Typischerweise beträgt der Regelbereich 50 % bis 100 %. Was passiert im 30% Modus mit Aggregaten? Um es klar zu machen, es ist, als würde man in einem Auto mit Schaltgetriebe nicht ab dem ersten, sondern ab dem vierten Gang losfahren, das ganze Auto vibriert und zittert. Das gleiche passiert mit dem Raketentriebwerk. Bei einem Raketentriebwerk mit einer solchen Drosselung beträgt die Temperatur im Gasgenerator beispielsweise 90 Grad und im Nennmodus 600 Grad.

Warum so starke Drosselung?

Die Besonderheit der Angara-A5-Raketen ist die Paketanordnung der ersten und zweiten Stufe, d.h. vier Blöcke der ersten Stufe umgeben den Block der zweiten. Aus diesem Grund muss das Triebwerk des Zentralblocks gedrosselt werden – das heißt, der Schub muss auf 30% des Nennmodus reduziert werden.

RD-191M

Im Februar 2021 wurde bekannt gegeben, dass die Gründung einer Holding für Raketentriebwerke unter der Leitung von NPO Energomasch abgeschlossen wurde. Der Prozess läuft seit 2015. In einer Holding sind nun fast alle heimischen Kompetenzen im Bereich Raketenantrieb und Antriebe für Raumfahrzeuge vereint.

Die Entwicklung der Konstruktionsdokumentation für diesen Motor ist fast vollständig abgeschlossen, auch die Zusammenarbeit hat sich komplett geändert. Fast alles, was bisher außerhalb der integrierten Struktur des Raketentriebwerksbaus eingekauft wurde, wird heute in den Betrieben der Holding gefertigt. In Perm steht der Bau eines neuen, modernen Werks zur Produktion dieses Triebwerks kurz vor dem Abschluss und die Materialbeschaffung für die Fertigung der ersten beiden RD-191M läuft. Das erste Exemplar soll Mitte 2022 gefertigt werden und noch im selben Jahr am Standort in Khimki mit der Erprobung beginnen. Ab 2023 ist die Serienfertigung für Flugtests zu erwarten. Durch eine ganze Reihe von Maßnahmen, darunter der Umzug an den Standort Perm, der Einsatz moderner Technologien und die Optimierung von Produktionsabläufen, helfen die Kosten des Triebwerks zu senken.

Bei der Entwicklung des RD-191M werden das Design und die technologischen Grundlagen für die RD-191-, RD-171M-, RD-180- und RD-181-Triebwerke maximal genutzt, was die Entwicklungskosten erheblich reduziert. Um die Produktion von RD-191M zu meistern, sind mehr als 1.200 neue technische Prozesse und 3.500 Werkzeugkonstruktionen notwendig. Darüber hinaus werden in den Jahren 2020-2022 sechs bestehende Prüfstände modernisiert und fünf weitere sollen konstruiert und gefertigt werden. Der Montagestandort für das RD-191M-Triebwerk soll im ersten Quartal 2022 organisiert werden.

RD-0150

Alle Arbeiten an der vorläufigen Konstruktion wurden durchgeführt, die für die dritte Stufe der Angara-A5W-Rakete bestimmt ist. Fakt: Russland ist das einzige Land auf der Welt, das die Wasserstofftechnologie nicht nutzt. Gleichzeitig kommt dem hocheffizienten und energiereichsten Brennstoffpaar Sauerstoff und Wasserstoff aufgrund der geografischen Lage Russland eine besondere Bedeutung zu. Interessant: In den 1990er Jahren half Russland Indien beim Bau eines Wasserstoff-Raketentriebwerks, und selbst hat bis heute noch keinen. Das Triebwerk mit Laserzündung hat einen Schub von 55t, einen Isp von 469s und Brennkammerdruck 16,5 MPa. Es ist eine neue Entwicklung, die aber auch Erfahrungen von RD-0146 und RD-0120 Implementiert wurden.

Angara-A5M

Ab 2024 wird die Modernisierte Angara Ausgeliefert, die wird bis zu 27 t Nutzlast befördern. Nun zu den Unterschieden. Die Trägerrakete Angara-A5M ist mit Triebwerken der ersten und zweiten Stufe mit erhöhtem Schub ausgestattet, dabei soll der Schubmodus 110% betragen, das ergaben die Tests. Die Erhöhung des Triebwerksschubs war zunächst kein Selbstzweck. Es ging primär um die Anforderungen für einen bemannten Start zu sichern, bei denen strengere Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Triebwerke gestellt werden. Russische Vorschriften besagen, dass Raketentriebwerke im sparsamen Modus arbeiten müssen, um eine Person in die Umlaufbahn zu bringen. Aber die Angara-A5 hat Triebwerke die in seinen Eigenschaften mit hoher Last arbeiten ( RD-191 übertrifft in seinen technischen Fähigkeiten alle bisher entwickelten Flüssigtreibstoffmotoren dieser Klasse). In diesem Zusammenhang wurde beschlossen, das Design der Brennkammer zu ändern. Der Effekt: wenn das Triebwerk im gleichen Modus arbeitet, gibt mehr Schub ab. Bei bemannten Starts arbeitet das Triebwerk aber im reduzierten Modus, d. h. unter seiner Nennleistung, aber mit größerer Zuverlässigkeit. Darüber hinaus ist es durch den Übergang zum Einsatz neuer Produktionsanlagen gelungen, die Masse der Rakete deutlich zu reduzieren. Die Überlagerung dieser zweier Richtungen – eine Abnahme der Masse und eine Erhöhung des Triebwerksschubs wird dazu führen, dass Angara-A5M mehr als 27 Tonnen Nutzlast vom Kosmodrom Wostotchny in eine erdnahe Umlaufbahn bringen kann, während Angara-A5 – mehr als 24 Tonnen.

Angara-A5P

Das neue Raumschiff ist mit einem Notfallrettungssystem und die Rakete ist mit einem Notfallschutzsystem ausgestattet. Dieses System ermöglicht eine Zeitspanne von weniger als 5 Millisekunden, um eine potenziell abnormale Situation in den Triebwerken zu erkennen und einen Befehl an die Ventile zu senden, die die Kraftstoffzufuhr absperren und den Motor in nicht mehr als 20 Millisekunden in einen sicheren Zustand überführen. Wenn die Reaktionszeit länger ist, entwickelt sich eine abnormale Situation, die zu irreversiblen katastrophalen Folgen führen kann.

Dazu folgende kurze Anmerkung: Das KORD-System der N1 Trägerrakete, das zunächst nur 4 Parameter verarbeitet hat, war sehr störanfällig und Träge, hatte auch unzureichendes System von Algorithmen um eine Gefahr zu erkennen, konnte die Rakete nicht vor dem ultraschnellen Prozess der Triebwerksexplosion retten. Als schwierigstes Problem bei der Entwicklung des Systems erwies sich der Schutz des KORD vor Störungen, insbesondere die von der Hauptstromquelle der Rakete ( ATG, ein dreiphasiger Bordturbinengenerator mit einer Spannung von 60 Volt und einer Frequenz von 1000 Hertz) ausging, dies führte zur Ausgabe eines falschen Signals zum Abschalten der Triebwerke Nr. 12 und Nr. 24 beim ersten Start der Trägerrakete. Diese Schwachstellen des KORD, darunter die von ATG ausgingen, die Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Störeinflüssen mit einer Frequenz von 1000 Hertz, die zeitweise das Alarmsignal im KORD-System überstieg, wurden zu spät entdeckt. Jede N1 Trägerrakete war mit zwei Turbinengeneratorquellen ausgestattet (eine am Blok A für die erste Stufe und die zweite am Blok B für die zweite und dritte Stufe), die mit Druckluft, Stickstoff oder Helium angetrieben wurden, also mit Produkten (Gaskomponenten) die an Bord der Rakete im Überschuss vorhanden sind.

Bei Brennversuchen in Kujbyschew, wo ein N1 Triebwerk explodierte, war das KORD-System nicht in der Lage rechtzeitig die anbahnende Störung zu erkennen und das Triebwerk sofort abzuschalten. Mir ist eine Überlieferung bekannt, wo in einer Sitzung einer Kommission der geniale Gluschko das Wort ergriff, er sagte: „…dass kein Diagnose- und Überwachungssystem in der Lage sei, faule Motoren zu heilen.“

Zur Erinnerung: Gluschko war aus persönlichen Gründen, er verlangte mehr Zeit für seine Entwicklungen, bei der N1 Entwicklung nicht dabei und Kusnezow hatte mit Raketentriebwerken kaum Erfahrung. Auch das Projekt GR-1 wurde eingestellt, weil Kusnezow war nicht in Lage entsprechende moderne Triebwerke zu liefern, er war somit für die N1 eine absolute Fehlbesetzung. Erst nach dem Fehlstart der 7L war Gluschko bereit, an der Modernisierung der N1 sich zu beteiligen, deren Start als N1F für Ende 1974 vorgesehen war. Selbst wenn der Start der N1F erfolgreich gewesen wäre, was vieles dafür sprach, haben die Verantwortlichen das Interesse verloren und Gluschko hat 1974 nach der Übernahme des OKB sämtliche Arbeiten zu N1F eingestellt.

Die im Dekret festgelegte Startzeit der Flugversuche erforderte eine Beschleunigung der Arbeiten, und im September 1967 wurde beschlossen, die Feinabstimmung des Motors abzuschließen. Zu diesem Zeitpunkt wurden insgesamt mehr als 400 Tests mit einer Gesamtzeit von fast 40.000 Sekunden durchgeführt. Davon wurden etwa 200 Prüfungen als bedingt anerkannt, deren Ergebnisse den in der Vorschrift des OKB 1 festgelegten Parametern und Eigenschaften entsprachen. Die letzte Entwicklungsstufe des Triebwerks NK 15 waren die abteilungsübergreifenden Tests (MVT) im Oktober 1967, die die Ergebnisse der Bodenerprobung des Triebwerks zusammenfassten. Unter Berücksichtigung des optimistischen (loyalen) Ansatzes (d.h. sofern keine konstruktiven und technologischen Mängel und grobe Fertigungsfehler bei der Entwicklung und Herstellung von 3 Raketenstufen und 42 darauf befindlichen Triebwerken auftraten), lag die mathematische Erwartung für einen erfolgreichen Start der N1-Trägerrkete beim ersten Start bei nicht mehr als 67% bei einem Konfidenzniveau von 0,9.

Zum Vergleich die RD-0120 Triebwerke der Energia: Die hatten eine Zuverlässigkeit von 0,993. Möchte hier erwähnen, das seit der Entwicklung der RD-170 und deren Modifikationen bis RD-191 mehr als 1200 Brennkammer hergestellt und mehr als 4500 ihrer Brandtests durchgeführt wurden, das ist schon eine gewaltige Leistung und eine unschätzbare Datenbank.

Noch ein Wort zu Notfallschutzsystem: Ein Brand- und Explosionsschutzsystems (SPWP) ist für einen bemannten Start zwingend Notwendig, den hatte auch die Energia Trägerrakete. Kurz nach dem Start der Energia-Buran folgte ein Feueralarm, daraufhin hat das SPWP sofort mit entsprechenden Gegenmaßnahmen reagiert. Bei N1 Trägerrakete wurde erst bei L4 Flug entschieden, aufgrund der Ergebnisse der Unfallursachenanalyse beim ersten Start, ein Freon-Feuerlöschsystem mit Sprühdüsen über jedem Triebwerk einzuführen.

In der Angara-A5M für bemannte Starts wird jedes universelle Raketenmodul mit einem solchen System ausgestattet sein. Darüber hinaus, aufgrund der Besonderheiten der Flugbahn des bemannten Starts, um starke Überlastungen zu vermeiden und den Betrieb mit dem Notfallschutzsystem zu gewährleisten, werden Änderungen am Kontrollsystem der Angara-Rakete – A5M vorgenommen. Da Angara-A5M und Angara-A5P zu 95 % identisch sind, ist später eine Modifikation geplant, die alle Aufgaben erfüllen kann.

G. Kowalski