Nach dem letzten Countdown Podcast erhielt ich einen Kommentar, der über das RS-25 Triebwerk, das vor kurzem von der NASA getestet wurde.

“Die RS-25er mögen vielleicht vor 40 Jahren entworfen worden sein, aber sie sind immer noch absolute High-Tech, die Physik dahinter hat sich ja nicht verändert. Noch immer ist das RS-25 das effizienteste Haupttriebwerk der Welt. Es wurde durchaus etwas am RS-25 verändert. Der Controller, also das Computergehirn des Triebwerks, wurde auf Basis des J-2X-Controllers neu entwickelt und die Isolierung verbessert.”

Dazu sollte man kurz etwas sagen. Die RS-25 sind die Haupttriebwerke des Space Shuttle. Sie wurden in den 1970er Jahren entwickelt und sollen auch in der nächsten Schwerlastrakete der NASA (SLS) verwendet werden. Die Entwicklung neuer Controller war allein schon deswegen nötig, weil die Computertechnik der damaligen Zeit so hoffnungslos veraltet war, dass man die alten Controller beim besten Willen nicht mehr auftreiben oder herstellen konnte. Da der Vorrat der RS-25 Triebwerke bei der Benutzung des SLS zur Neige gehen wird, hat man angefangen wieder neue RS-25 Triebwerke zu bauen.

Tatsächlich gehen sie sehr effizient mit dem Treibstoff um. Kein anderes Wasserstofftriebwerk hat gleichzeitig auch nur näherungsweise den hohen Schub des RS-25 zusammen mit dem hohen spezifischen Impuls. Sie wurden entworfen um mehrfach wiederverwendet zu werden und gleichzeitig die höchstmögliche Effizienz zu liefern. Damit ist klar, dass sie nicht zu den billigsten Triebwerken.

Es ist schwierig an konkete, aktuelle Zahlen zu kommen. Aber 1993 schätzte man die Kosten auf $50mio. Eines der drei Space Shuttle Triebwerke kostete damals also so viel wie eine ganze Delta II Rakete.

Die Triebwerke wurden im Laufe der Zeit leicht verbessert. Der maximale Schub konnte um 9% gesteigert werden, aber die Triebwerke blieben damit im wesentlichen unverändert. Es ist kein Vergleich zu den Verbesserungen anderer Triebwerke wie dem RL-10, dem Merlin oder dem Vulcain Triebwerk. Wenn man den Zeitrahmen von 40 Jahrzehnten bedenkt, hat es praktisch keine Änderung gegeben.

Es fällt schwer, diese Triebwerke noch als Hightech zu bezeichnen. Es sind Relikte einer Zeit, die für einen Zweck entwickelt wurden, der mit dem SLS nichts zu tun hatte. Eine höhere Effizienz kann dazu beitragen, entweder die Leistung einer Rakete zu verbessern oder die Größe einer Rakete bei gegebener Leistung zu reduzieren. Aber die Effizienz eines Triebwerks sagt allein noch nichts über die Effizienz der Rakete aus.

Die Rolle einer Rakete besteht darin, dass sie eine bestimmte Masse mit einer bestimmten Geschwindigkeit an einen bestimmten Ort zu bringen. Die Effizienz bemisst sich daran, wie groß der Aufwand dafür ist, das zu tun. Wenn man eine einfache Rakete mit einem wiederverwendbaren Triebwerk ausrüstet, dann ist das nicht effizient. Ein einfacheres, billigeres Triebwerk, das mehr Treibstoff und eine größere Rakete braucht, kann dabei viel effizienter sein.

Triebwerke die Kerosin und Sauerstoff einsetzen können zu niedrigeren Preisen sehr viel mehr Schub liefern. Gleichzeitig sind Treibstofftanks billig. Dazu kommt noch die niedrige Dichte von Wasserstoff/Sauerstoff Treibstoff. In Tanks der gleichen Größe könnte man die dreifache Masse Kerosin und Sauerstoff unterbringen. Man bräuchte in vielen Fällen noch nicht einmal eine größere Rakete um mit Kerosin eine größere Nutzlast zu transportieren. Man braucht nur Triebwerke mit mehr Schub. Die Effizienz der Triebwerke spielt dann schon fast eine untergeordnete Rolle.

Die Delta IV wiegt 250 Tonnen beim Start und bringt 4,5 Tonnen in den GTO. Das sind 1,8% der Startmasse. Im Tank der ersten Stufe hätten statt 200 Tonnen Wasserstoff und Sauerstoff auch etwa 600 Tonnen Kerosin und Sauerstoff platz. Der Atlas V reichen für die gleiche Leistung der Delta IV schon 300 Tonnen Kerosin und Sauerstoff aus, während sie ein billigeres Triebwerk benutzt. Ganz ähnliches gilt für die Falcon 9, die überall auf möglichst einfache und billig Triebwerke zurück greift.

1 / 2 / Auf einer Seite lesen

Kommentare (14)

  1. #1 dgbrt
    19. August 2015

    Wasserstoff/Sauerstoff Triebwerke machen nur bei Oberstufen Sinn. Das Space Shuttle hätte sechs Mal so viele SSME (RS-25) benötigt, um ohne die Booster abheben zu können. Warum die Dinger schon beim Start gezündet wurden bleibt ein Rätsel. Um die zu Testen, hätte man die auch kurz vor dem Start einmal zünden können.

    Die effizienteste Rakete ist wohl bis heute die Saturn V. In den Oberstufen Wasserstoff aber in der ersten Stufe Kerosin. Da waren keine Booster nötig. Und alle Triebwerke (F-1 und J-2) waren noch ausbaufähig. Das war extra so geplant.

    Wenn man also die SLS effizient machen möchte, dann bitte mit billigeren Wasserstofftriebwerken. Und diese erst dann zünden, wenn die erste Stufe (die Booster) ihren Dienst getan haben. Der externe Tank beim Shuttle war deswegen so groß, weil er Treibstoff für achteinhalb Minuten Brenndauer fassen musste.

    • #2 wasgeht
      19. August 2015

      Warum die Triebwerke beim Start gezündet werden, ist kein Rätsel. Man kann anschauen, ob sie ordnungsgemäß zünden und funktioneren. Es behebt einen Unsicherheitsfaktor vollständig. Wenn es dabei Probleme gibt, bricht man den Start ab und fertig.

      Man kann in der Luft leider nicht rechts ran fliegen und dem Triebwerk einen Tritt verpassen.

      Beim Space Shuttle ist das nicht unverständlich. Bei der Ariane 5 dagegen schon. Das zusätzliche Risiko wäre die zusätzliche Leistung wert gewesen.

  2. #3 dgbrt
    19. August 2015

    @wasgeht:
    Jedes neue Shuttle hat auf der Startrampe genau diese Triebwerke getestet und einen Probelauf gemacht ohne abzuheben. Wenn eines der Triebwerke dann doch nach über zwei Minuten Flug versagt hätte, wäre das vergleichbar mit den ohnehin bekannten Abbruchszenarien.

    Testen vor dem Start, zünden nur als zweite Stufe. Das spart viel Verbrauch in der Oberstufe. Der externe Tank hätte kleiner sein können und die Leistung der Booster vermutlich trotzdem ausgereicht (habe ich jetzt nicht nachgerechnet, vielleicht hätten die Bosster ein wenig mehr Pfeffer benötigt).

  3. #4 dgbrt
    19. August 2015

    Einen hab’ ich noch:
    Die zweite und dritte Stufe der Saturn V hat auch nicht auf der Rampe testen können.

  4. #5 Turi
    19. August 2015

    Ich dachte immer, die Shuttletriebwerke wurden genutzt, um den asymmetrischen Luftwiderstand und die ungleiche Massenverteilung der Startkonstruktion auszugleichen.
    Hätte dafür schon die Triebwerke der Boosterraketen ausgereicht? Oder überschätze ich den Einfluss den die asymmetrische Bauweise auf die Flugeigenschaften hatte?

  5. #6 dgbrt
    20. August 2015

    Die Triebwerke haben das Shuttle eher aus dem Gleichgewicht gebracht. Bei der Zündung kippte das alles nach vorne, um dann aber wieder zurück zu schwingen. Genau in dem Moment, wo der Stack wieder senkrecht war, wurden dann die Booster gezündet. Gegenüber den Boostern hatten die drei SSME keine Chance.

    Die SSME konnte man zwar im Schub reduzieren, hat man auch bei der maximalen Belastung beim Start so gemacht, aber die größte Reduzierung des Schubs passierte durch das sehr präzise definierte Abbrennverhalten der Booster.

    Die drei Wasserstoff-Triebwerke wurden erst wichtig, als die zwei Feststoff-Monster ausgebrannt waren. Da war dann aber der externe Tank noch relativ voll und die SSME haben sehr schräg gegen diese Konstruktion feuern müssen. Bei mehr als 50 Kilometern Höhe ist diese schräge Lage aber wegen des fehlenden Luftwiederstands größeres Problem mehr. Auf 2 km Höhe wäre das Teil so einfach auseinandergebrochen.

  6. #7 Waterhouse
    20. August 2015

    “Wenn man den Zeitrahmen von 40 Jahrzehnten bedenkt, hat es praktisch keine Änderung gegeben.”

    Sollte es nicht 4 Jahrzehnten heissen?

    • #8 wasgeht
      20. August 2015

      Ja.

  7. #9 Zenit
    20. August 2015

    Du hast recht, bei einem Raketentriebwerk kommt es nicht nur auf Effizienz im Hinblick auf Treibstoffnutzung, sondern auch auf eine kostengünstige Bereitstellung an. Vor allem bei einer Rakete wie dem SLS, die relativ selten fliegen soll und bereits teuer ist. Aber auch da ist das RS-25 top: 15 Triebwerke standen nach dem Ende des Shuttle-Programms in einer klimatisierten Halle im KSC (inzwischen ist ja ein 16. dazugekommen.) Diese Triebwerke mussten nicht neu gebaut werden, sie mussten nicht aufwendig modernisiert werden. Sie waren im Prinzip einsatzbereit, es mussten nur kleinere Modifikationen abgeschlossen werden, wie du schon sagst. Gerade wenn du an einem guten “Preis-Leistungsverhältnis” interessiert bist, musst dir doch ein Stich ins Herz gehen, wenn 15 leistungsfähige, flugbereite Triebwerke in einem Museum versauern und stattdessen für teures Geld ein Nachfolger entwickelt wird, der gerade mal bei einem Raketenstart pro Jahr zum Einsatz kommt. ;)

    • #10 wasgeht
      20. August 2015

      Ja, aber wenn man jetzt anfängt neue Triebwerke davon zu bauen (und das tut man!), dann gilt das nicht mehr.

  8. #11 Zenit
    20. August 2015

    @wasgeht: Da muss man unterscheiden zwischen “Neue Triebwerke bauen” und die Produktion wieder aufnehmen. Mit den neuen Triebwerken, die bereits gebaut werden, meinst du wahrscheinlich das neue RS-25 #2063 (https://www.youtube.com/watch?v=HtE_61ZR67Y). Sowas ist aber nicht besonders teuer. Man hat aus übriggebliebenen Ersatzteilen ein neues Triebwerk zusammengebaut, das ist kein großer Aufwand (verglichen mit einem kompletten Neubau).

    Die Produktion soll auch wieder aufgenommen werden, da laufen momentan noch die Verhandlungen zwischen der NASA und Aerojet. Und das würde tatsächlich teuer werden, wenn man das gleiche RS-25 einfach nochmal baut. Das ist aber nicht geplant. Weil die Triebwerke für das SLS nicht auf Wiederverwendbarkeit ausgelegt werden müssen und inzwischen fortschrittlichere Fertigungstechniken (Stichwort 3D-Druck) existieren, sollen das Design und die Herstellung des Triebwerks vereinfacht werden. So will man dann Kosten sparen. Genaue Details darf ich dazu noch nicht verraten, bald sollte es aber eine Ankündigung von offizieller Seite geben.

  9. #12 LasurCyan
    20. August 2015

    Stichwort 3D-Druck

    Da bin ich jetzt aber neugierig, Zenit. Was für Teile an einem Raketentriebwerk lassen denn sich so ausdrucken?

  10. #13 Zenit
    20. August 2015

    Die NASA forscht da schon eine gewisse Zeit dran. Sie haben z.B. zwei Einspritzköpfe (http://www.nasa.gov/press/2014/august/sparks-fly-as-nasa-pushes-the-limits-of-3-d-printing-technology/#.VdYeyjYVgcQ) oder ein Umlenkblech für die Pogo-Wellen (ja, die heißen wirklich so) (http://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/j2x/turbocover2.html) gedruckt. SpaceX ist da schon einen Schritt weiter, die haben schon mehrere Brennkammern des kleineren SuperDracos gedruckt und ein Ventil für ein Merlin-Triebwerk, das tatsächlich geflogen ist.

  11. #14 LasurCyan
    21. August 2015

    Vielen Dank, Zenit, für die interessante Info!