Das RD180 – oder wie die USA immer noch von russischer Technik abhängig sind #89

Herzlich Willkommen zu Senkrechtstarter Dein

Youtube Kanal für alles über Raumfahrt. Ich bin Mo und heute geht es um das Arbeitspferd

der amerikanischen Raumfahrt - aus Russland. Viel Spaß!

Ok, jetzt gilts. Wenn Boeing diesen Starliner Start verkackt, weiß ich nicht wie sich das

Programm noch retten lassen soll. Zur Erinnerung Ende 2019 hat Boeing das erste Mal die Starliner

Kapsel in einen Orbit geschossen. Aber wegen eines Softwarefehlers, könnte die ISS nicht

erreicht werden. Der Kunde - die NASA, war

stinksauer. Besonders weil in der nachträglichen Untersuchung noch weitere Mängel aufgedeckt

wurden. Man einigte sich auf einen weiteren Testflug ohne Crew. Den Flug mit einer ATLAS V

muss Boeing aber aus eigener Tasche zahlen. Weil das so ein besonderer Flug ist und die

Uhrzeit für uns in Zentraleuropa auch einfach gut passt, werde ich den Start natürlich

streamen. Ik freu mir wenn du vorbei schaust. Zur Erinnerung der Crew Dragon von SpaceX,

der im gleichen comercial crew program der NASA entwickelt wurde, bringt seit über einem

Jahr zuverlässig Crew zur ISS. Und weiter: der Crew Dragon wird im September das erste

privat entwickelte Raumschiff sein, dass Touristen in einen Erdorbit bringt. Und ja nicht nur

die Kapsel sind Eigenentwicklungen, auch die Rakete und die Triebwerke hat SpaceX entwickelt.

Und das bringt uns zum heutigen Thema. Denn bei dem wichtigsten Raumflug für Boeing seit

Jahren, wird sich auf ein russisches Triebwerk verlassen. Das RD180.

Und kurz bevor ich die Folge aufgenommen habe hat sich der Spreadsheet-Guy von NASA Spaceflight

angekündigt. Diesen Mittwoch um 20:15 Uhr spreche ich mit Adrian über die neuesten

Entwicklungen in Bocca Chica und seine Einschätzung zur weiteren Testkampagne von Super Heavy.

Ich freu mich riesig drauf und wenn du auf Starship Entwicklung stehst, kann ich dir

versprechen, dass das ein extrem interessantes Live Interview wird.

Wie immer bei mir, findest du Quellen in den Eckigen klammern. Ich erzähle dir in dieser

Episode wie es dazu kam, dass die russische Raketen-Antriebstechnik zum Besten gehört,

was derzeit fliegt. Weiter warum sich die USA die Blöße geben, mit russischen Triebwerken

zu fliegen. Und wir schauen uns natürlich den Antriebszyklus des RD180 genauer an und

klären, warum die gestufte Verbrennung als Königsdisziplin bei Raketentriebwerken gilt.

Wenn dir das Thema heute gefällt, lass dem Video gern einen like da und wenn du neu auf

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Senkrechtstarter. Und wenn du mithelfen möchtest den deutschen Sprachraum mit Raketentechnik-Videos

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unterstützt. To the Moon! Das ist nicht nur das Motto von

so mancher Kryptowährung, sondern auch der Leitsatz des Spacerace in den 60er Jahren.

Dass wir in den 60er Jahren ein Raumfahrt Rennen zum Mond hatten, sollte allgemein bekannt

sein. Wie ich letztens in einem Livestream gestehen musste, ist die Saturn V, auch in

Zeiten von Falcon 9 und Starship, meine Lieblingsrakete. Ich hänge einfach am Apolloprogramm. Und

ja, das F1 der ersten Stufe ist bis heute das stärkste Einkammern-Raketentriebwerk

das mit flüssig Treibstoffen gearbeitet hat. Die Technik war bis auf die schiere Größe

aber eigentlich schon in den 60er Jahren - bis auf die Lösung für die Probleme mit der

Verbrennungsinstabilität - nicht besonders innovativ oder mutig.

Ganz anders sah es auf der östlichen Seite des Eisernen Vorhangs aus. Vor einer ähnlichen

Aufgabe stehend, entschied man sich in Russland das Problem der enormen Nutzlast, die für

einen Mondlandung nötig wäre, nicht durch Brute Force mit wenigen schubstarken Triebwerken

zu lösen, sondern durch viele extrem effiziente Triebwerke. Ein weiterer Faktor wird gewesen

sein, dass der Sowjetunion Wasserstoff zu teuer war und man so nicht den hohen Isp für

leichtere Oberstufen nutzen konnte. Allerdings erlitt das sowjetische Mondprogramm

mit dem Tod von Sergei Korolev 1966 einen herben Rückschlag. Letztendlich wurde das

N1 Programm nach 4 Fehlstarts anfang der 70er Jahre ziemlich unglorreich beendet..

Was weniger bekannt sein dürfte, ist die Tatsache, dass die NK33 Triebwerke die für

die sowjetische Mondrakete N1 entwickelt wurden aber nie flogen auch heute noch nach 50 Jahren

die Kerolox-Triebwerke des Westens, also Triebwerke die mit Kerosin und Flüssigsauerstoff arbeiten,

beim Thema Effizienz easy nass machen. Und für alle Fanboys da draußen: Einschließlich

des Merlin 1D von SpaceX! Tatsächlich konnten die amerikanischen Ingenieure

nach dem Fall des Eisernen Vorhangs, die Leistungsdaten dieser Triebwerke nicht glauben. Erst nach

dem ein NK33 in die USA gebracht und dort getestet wurde, war man überzeugt.

Wie diese Triebwerke nur knapp ihrer Zerstörung entgangen wären und wie in den 60er Jahren

von den Russen viele Probleme gelöst wurden von denen man in den USA glaubte, sie wären

nicht lösbar, das behandelt eine etwas angestaubte aber hervorragende Doku mit dem Namen “the

engine that came in from the cold”. Heute soll es ja aber um das RD180 der Atlas

V gehen. Was den Starliner von Boeing von der Startrampe wegbefördert. Während das

NK33 Triebwerk von Kusnetzov entwickelt und gebaut wurde, stammt das RD180 von Energomash.

Die Abkürzung RD steht dabei für (bitte Aussprache entschuldigen) „raketnyy dvigatel“

übersetzt einfach Raketenantrieb. Während das NK bei den Kusnetzov Triebwerken, so weit

ich weiß, auf den Leiter des Kusnetzov Design Büros Nikolai Kuznetsov zurückzuführen

ist. Bis auf die Technologie der Triebwerke, gibt

es zwischen den NK33 Triebwerken von Kusnetsov und dem RD 170 bzw RD180 keine direkte Verbindung.

Und da sind wir aber schon bei der Abstammungslinie des RD180. Denn eigentlich ist das RD180 ein

abgespecktes RD170. Das RD170 kennt der Fachkundige Raumfahrt Nerd natürlich als schubstärkstes

Flüssigraketentriebwerk aller Zeiten. Das unter anderem die Seitenbooster des Sowjetische

Buran Shuttles angetrieben hat. Kurz zum RD170: Eine Turbopumpe auf 4 Brennkammern.

Ähnlich wie wir das von den Sojus Triebwerken RD107 und RD108 her kennen.

Das RD180 setzt zwei Brennkammern und Düsen baugleich zum RD170 ein. Die verkleinerte

Turbopumpe beim RD180 wird dabei von einer Vorbrennkammer angetrieben und nicht von zwei

wie beim RD170. Man konnte also auf viele erprobte Teile des RD170 zurückgreifen. Der

Antriebszyklus ist bis auf die doppelte anzahl an brennkammern für RD170 und RD180 gleich.

Schauen wir uns diesen Antriebszyklus mal genauer an:

Die Kerosinseite ist relativ einfach zu verstehen. Wir haben einen Tank mit RP1, also verfeinertes

Kerosin. Es wird über eine extrem leistungsstarke Pumpe zuerst in die Kühlung des Triebwerks

gedrückt und von dort in die beiden Brennkammern, wo es mit dem Sauerstoff reagiert und dann

in einer chemischen Hochzeit heiße Teilchen mit hoher Geschwindigkeit produziert. Über

die angeschlossene Lavaldüse werden die Teilchen weiter beschleunigt um die Austrittsgeschwindigkeit

und damit die Effizienz zu maximieren. Einzige Anforderung an die Treibstoffseite:

Der Druck des Treibstoffs muss so hoch sein, dass er sich gegen den Brennkammerdruck einspritzen

lässt, obwohl noch in der Triebwerkskühlung Druck verloren geht. Funfact, da die Booster

des Buran in späteren Versionen wieder verwendbar sein sollten, wurde das RD170 auf diesen Einsatzzweck

optimiert und hat das bei 20 Tests mit einem Triebwerk hintereinander auch bewiesen. Leider

wurde es aber nie wiederverwendet geflogen. Zurück zum Antriebszyklus des RD180. Kommen

wir zur Sauerstoffseite. Auch hier brauchen wir eine Pumpe, die einen adäquaten Strom

in das Triebwerk sicherstellt. Nach der LOX Pumpe, also der Pumpe für den

flüssigen Sauerstoff, wird es dann interessant. Denn der gesamte Sauerstoffstrom fließt zunächst

in die Vorverbrennung. In diese Vorbrennkammer wird zu dem flüssigen Sauerstoff ein kleiner

Teil RP1 gegeben. Ein Zünder setzt dieses Gemisch dann in Brand. Die Hitze führt zur

Vergasung des flüssigen Sauerstoffs, was das Volumen schlagartig um 800% vergrößert.

Um Platz zu finden, setzt das Gas zur Flucht nach vorn über die Turbine an. Die Turbine

entzieht dem Gas einen Teil der Energie in diesem Druck, und treibt mit der gewonnene

Leistung die RP1- und die Sauerstoffpumpen an. Im Abgas der Turbine befindet sich nun

viel Sauerstoff plus einen kleinen Teil der Verbrennungsprodukte des vollständig zersetzen

RP1. Dieses Gemisch trifft sich jetzt mit dem Treibstoffstrom in der Hauptbrennkammer

zum großen Zündeln.Nicht nur können wir durch die sauerstoffreiche Vorverbrennung

relativ einfach sehr hohe Brennkammerdrücke erzeugen, was Effizienz und Schubdichte erhöht,

sondern wir verlieren weder Treibstoff, Druck oder Wärme über einen offenen Nebenstrom.

Der gesamte Massenstrom geht durch die Brennkammer und erzeugt Impuls, also Vortrieb für unsere

Rakete. Das ist der Hauptgrund, warum dieser Zyklus beim Thema Effizienz / ISP so überlegen

ist. Aber wir haben noch weitere Vorteile wie das

gasförmige Eindrücken des Sauerstoffs was den Verbrennungswirkungsgrad verbessert bzw.

die Autorisation beim Einspritzen verbessert. Denn entgegen der Intuition, brennen flüssiger

Sauerstoff und flüssiges RP1 nicht besonders gut. Erst wenn die Oberfläche schön groß

ist, damit möglichst jedes Sauerstoffmolekül schnellstmöglich ein Treibstoff Molekül

findet, haben wir die Möglichkeit in der kurzen Verweilzeit, den die Stoffe in der

Brennkammer haben, alles an chemischer Energie aus den Stoffen herauszuholen. Und das bringt

uns zu einem weiterer Vorteil dieses Zyklus: Wir können das Gemisch so einstellen, dass

wir genau das richtige Verhältnis für die Verbrennung treffen. Das heißt, dass wir

von keiner Komponente zu viel haben. Denn alles zu viel kostet Effizienz.

Ok, also klingt doch mega geil. Gestufte verbrennung ist offensichtlich the shit. Warum haben das

dann die Amerikaner nicht auch gemacht? Bzw. warum dachten sie, es wäre nicht möglich?

Das klären wir gleich. Hat dir mein Video bis hierher gefallen? Dann

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Aber zurück zu den Amerikanern und warum sie die Technik der russischen Triebwerke

nicht für technisch machbar hielten. Tatsächlich mussten sie das NK33 erst in den USA selbst

testen bevor sie die Leistungsdaten der Russen glaubten.

Haben Coca-Cola und die vielen Burger die Ingenieure von Aerojet Rocketdyne fett und

faul gemacht? Entwicklungsudgets von mehreren Milliarden Dollar und dann ein russisches

Triebwerk mit Technik aus den 60er Jahren. Haben wir westlichen Ingenieure keinen Selbstrespekt?

=D Spaß bei Seite. Es gab tatsächlich gute

Gründe, warum man sich von dieser Technologie auf den ersten Blick abschrecken lassen kann.

Gerade wenn man überhaupt keine Erfahrung damit hat.

Kommen wir vielleicht zu dem offensichtlichsten. Sauerstoff. Auch wenn wir den zum Leben brauchen,

ist elementarer Sauerstoff eine ziemliche Bitch. In Deutschland richtet der Sauerstoff

in unserer Umgebungsluft jedes Jahr Korrosionsschäden von mehreren % der gesamten Wirtschaftsleistung

an. Und das ist unter Umgebungsbedingung! Du weißt vielleicht noch aus dem Chemieunterricht,

dass Reaktionsgeschwindigkeit Temperatur abhängig ist. Das heißt je höher die Temperatur umso

größer das Korrosionsproblem. Und jetzt kommen wir auf die Schnapsidee in

einem heißen Raketentriebwerk mit Sauerstoff zu spielen? Das heißt, wir bauen uns im Prinzip

einen Brennschneider in unser Triebwerk. Denn genau so funktioniert Autogenes Brennschneiden.

Nicht etwa durch die Hitze der Flamme können wir mehrere cm Stahl durchschneiden, sondern

die Flamme erhitzt nur das Werkstück. Das eigentliche Schneiden, übernimmt der Sauerstoff.

Der reagiert bei der temperatur so schnell mit dem Werkstück, das wir beim fressen zusehen

können. Und das wollen wir in einem Raketentriebwerk

tun? Da ruft die sauerstoffreiche Verbrennung förmlich nach dem Darwin Award. Wie haben

die russischen Entwickler das! hinbekommen? “Stahl erzählt von Sibierien. Stahl gefühlsmäßig

so tot und abgestumpft das Stahl gesagt: Sauerstoff, zisch ab.”

Nee, Quatsch. Gelöst wurde das Problem einfach durch extrem gute Ingenieure und Materialwissenschaftler.

Denn die wichtigste Voraussetzung war die Entwicklung von speziellen Materialien genau

für diesen Anwendungsfall zu nennen. So wurde ein spezieller rostfreier Stahl entwickelt,

der den extremen Bedingungen aus Temperatur und hohem Sauerstoffgehalt widerstehen konnte.

Zudem hatte man bei der Entwicklung der ersten Triebwerke mit geschlossenem Zyklus mit Kusnezow

als Designbüro einen Experten für Flugzeugturbinen an der Hand, der das wichtigste und komplexeste

Teil die Turbopumpe für den Anwendungsfall optimieren konnte und auf die Erfahrung aus

dem Flugzeugturbinenbau zurückgreifen konnte. Vermutlich zieht jeder, der sich mit dieser

Technik beschäftigt, vor dieser Leistung seinen Hut

Aber warum der Hustle? Jetzt wirst du dir vielleicht denken: Ja, dann lass die Turbine

doch einfach treibstoffreich verbrennen! Im Prinzip eine gute Idee und das Spaceshuttle

hat das zum BSP so gemacht. Das Problem bei der treibstoffreichen Verbrennung liegt darin,

dass eben mehr Treibstoff als Oxidator vorhanden ist. Während bei Wasserstoff eine unvollständige

Verbrennung kein Problem darstellt, heißt unvollständiges Verbrennen bei Kerosin oder

RP1 klebrige lange Ketten undefinierter Länge. Und diese klebrigen Verbrennungsrückstände

bilden Klumpen und versauen dir dein schönes Triebwerk. Während der optische Aspekt vielleicht

noch vernachlässigbar sein könnte, haben wir bei der Einspritzung ein echtes Problem.

Die Düsen, die den Treibstoff für die Verbrennung schön zerstäuben sollen würden nach kürzester

Zeit verstopfen und vorbei wäre es mit unserer gleichmäßigen Verbrennung. Hach Brennkammer-Einspritzung:

auch ein riesen Thema. Kriegt auch noch ein Video ;)

Dieses Problem mit dem verkleben haben Wasserstoff und Methan nicht, was ihre Verwendung in treibstoffreichen

Vorverbrennung der jeweiligen Treibstoffturbopumpe zulässt. Das bringt uns zu einem weiteren

Problem nämlich dem Abdichten. Während zum BSP das Raptor Triebwerk mit zwei Turbopumpe

keinen übermäßigen Aufwand für die Abdichtung der Welle betreiben müssen, besteht bei einer

einzigen Welle natürlich die Gefahr, dass sich Oxidator und Treibstoff schon vorab Mischen

und die Verbrennung an Stellen stattfindet, die zur Sprengung des Triebwerks führt. Das

ist besonders bei Wasserstoff ein echtes Problem, weil der so verdammt klein ist. Der kleine

Schwerenöter will einfach überall hinein kriechen

Andererseits ist die Anordnung von Turbine und beider Pumpen auf einer Welle durch ihre

Einfachheit und reduzierten Komponenten natürlich extrem bestechend. Triebwerke mit Kerosin

/RP1 können im Gegensatz zu kryogenem Wasserstoff relativ konventionell abgedichtet werden.

Und nicht nur, dass die Amerikaner in den 90er Jahren erkennen mussten, dass die russische

Raketentriebwerkstechnik der amerikanischen weit voraus ist, auch konnten sie in Russland

viel günstiger produziert werden. Und so kam es, dass die ursprünglich als Interkontinentalrakete

entwickelte Atlas seit 2000 mit russischen Triebwerken fliegt.

Das muss man sich mal auf der Zunge zergehen lassen: ursprünglich waren Atlas Raketen

mit Atomsprengköpfen auf Russland gerichtet. Und heute bringen russische Triebwerke einige

der wichtigsten amerikanischen Missionen in den Weltraum:

New Horizons, Curiosity, OSIRIS-Rex, Perseverance und eben auch den Starliner von Boeing, um

nur ein paar zu nennen. Was sagt die Zukunft? Nun ja, die Stimmung

zwischen Russland und den USA ist durch eine Vielzahl von Ereignissen wohl so schlecht

wie seit dem kalten Krieg nicht mehr und so würde man die Abhängigkeit von der russischen

Technologie eigentlich gern beenden. Auf der anderen Seite hat Russland die Nutzung des

RD180 für militärische Nutzlasten verboten. Gerade diese Nutzlasten, sind für ULA aber

ein sehr einträgliches Geschäft auf das man so verzichten muss bzw an andere Träger

verliert. Hust Falcon 9 Hust. Funfact: Bis zum heutigen Tag, ist noch kein

einziges amerikanisches Triebwerk mit einer sauerstoffreichen gestuften Verbrennung ins

All geflogen. Das dürfte sich auch erst mit dem BE4 von Blue Origin ändern. Ich glaube

aber das wir vorher mit dem Fullflow staged raptor eine neue evolutionsstufe in den Orbit

fliegen sehen. Aber zurück zur Atlas und dem RD180: Seit

dem ersten Atlas III Start mit einem RD180 im Jahr 2000 wurden 116 Triebwerke an ULA

geliefert von denen 90 Stück bisher zum Einsatz kamen. Und auch das spricht für die russische

Technik. Wenn man sich die frühphase der Atlas Entwicklung ansieht fragt man sich wie

man damals den Mut behilt dass das DIng schon irgendwann verlässlich fliegt…

Weil das RD180 so überragende Dienste für die Atlas geleistet hat, wurde auch über

die Möglichkeit der Produktion des RD180 unter Lizenz in den USA nachgedacht. Irgendwas

sagt mir, dass das deutlich teurer wäre als sie in Russland einzukaufen. Da die Vulcan

von ULA die die Atlas V in Zukunft ablösen soll, durch Lieferschwierigkeiten des BE4

Triebwerk von Blue Origin erstmal keine Triebwerke hat, dürfte die Atlas V auch auf weiteres

mit RD180 Triebwerken fliegen. Aktuell hat man ja auch noch einige auf Lager. Eine Anforderung

beim Start der Kooperation mit dem Lieferanten Energomash war, dass man immer genug Vorrat

an Triebwerken hat um notfalls 4 Jahre ohne neu Lieferungen weiter starten zu können.

Das wäre wohl der Zeitraum den man für eine Eigenentwicklung bräuchte. Zusätzlich könnte

man ja Notfalls auch mit SpaceX fliegen. Auch wenn das ULA wohl überhaupt nicht schmecken

würde. Mit einem Vorrat an Boostern ist man was die Vorlaufzeit solcher Startes angeht

kann SpaceX mit Sicherheit auch deutlich flexibler auf einen spontanen Bedarf reagieren als ULA.

Gerade erst wurde die wichtige Europa Clipper Mission, eine Forschungsmission der NASA zum

Jupitermond Europa, für knapp 180 mio $ auf eine Falcon Heavy gebucht. Ursprünglich sollte

sie mit dem SLS gestartet werden. Das war dem Steuerzahler aber wohl nicht mehr zu vermitteln.

Durch die entscheidung der NASA für die Falcon Heavy von SpaceX und gegen das SLS hat die

NASA dem amerikanischen Steuerzahler nämlich mal eben über 1 Mrd. $ gespart. Mehrkosten

entstehen natürlich durch die längere Flugzeit aber die 3 Jahre dürften wahrscheinlich immer

noch nicht diese 1 Mrd. $ auffuttern… Ich weiß ja nicht wie dir das geht, aber

ich finde das immer total süß, wie Konzerne von freiem Markt und deregulierung faseln,

aber wenn dann ein neuer Player die Bühne betritt, wird rumgeheult und nach Subventionen

geschrien. Aber da wären wir wieder beim Thema selbstrespekt...

Jetzt dürfen wir uns aber erstmal auf einen Atlas V Start mit Starliner freuen. Wie anfangs

angedeutet werde ich den Start Live streamen und auf Deutsch was zur eingesetzten Technik

erzählen. Und unabhängig davon ist es doch auch einfach geil einen Raketenstart live

zu verfolgen. Am besten mit anderen Raumfahrtnerds. #teamspace Los geht's diesen Freitag um

20 Uhr. Und wenn du wissen willst was in Boca Chica

bei SpaceX abgeht nicht vergessen diesen Mittwoch hab ich Adrian den Spreadsheet Guy von NASA

Space FLight zu gast. Vor der Verabschiedung: Vielen Dank Aeneas

für die Skript Korrektur! Und natürlich Dankeschön an euch die Community fürs liken

kommentieren und teilen meiner Videos. Besonderer Dank geht wie immer an meine Schutzengel,

die mich durch eine Patreon Mitgliedschaft unterstützen. Vielen Dank dafür – ihr

macht diesen kleinen, aber feinen deutschen Nischenkanal möglich und helft so mit Menschen

für die Raumfahrt zu begeistern. Wenn Du diese und weitere Entwicklungen in

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ja lass mir gern einen like da. Bis nächste Woche. Immer schön senkrecht bleiben. Dein Moe