Vor ca. 2 Jahren bin ich auf Ihre interessante Homepage gestossen. Zwischenzeitlich habe ich mit zwei anderen Ingenieuren eine Experimentalraketengruppe in der Schweiz gegründet www.spl.ch.
Leider habe ich auf Ihrer Seite nicht mehr viel neues entdecken können. Gehen die praktischen Versuche mit Hybrid und das Projekt Turbopumpe weiter?
Im folgenden möchten wir Ihnen unsere Meinung zum Artikel Big Dumb
Booster sowie zu Hybridantrieben geben.
Nach langem und intensivem Studium der einschlägigen Forschungsberichte
älteren und neueren Datums sowie nach eigenen Berechnungen und ersten
eigenen Versuchen (siehe www.spl.ch)
sind wir zum Schluss gekommen, dass es keinen sogenannt "leichter Weg"
in den Weltraum gibt.
Der Bau einer Trägerrakete ist in jedem Falle eine extrem anspruchsvolle
Aufgabe.
Zu glauben durch Anwendung von wenig erprobten Methoden (z.B.
Hybridantrieb) grundsätzliche Probleme elegant umschiffen zu können,
weil ein paar Leitungen und Ventile eingespart werden können, ist
schlicht naiv.
Als billiger und effizienter Oxydator kommt sowieso praktisch nur LOX in Frage. Hat man aber einmal die damit verbundenen Probleme: Tanks, Ventile, Materialkompatibilität, Vereisung etc. gelöst, ist das Handling einer zweiten flüssigen Komponente wie z.B. Kerosin vergleichsweise einfach zu beherrschen. Auch das höhere Sicherheitspotential eines Hybridantriebes sollte nicht überschätzt werden.
Bei grösseren Einheiten würde das Platzen eines Behälters
von einigen hundert Litern Volumen bei einem Druck von ein paar 10 bar
mit oder ohne Explosion katastrophale Auswirkungen auf eine Nutzlast haben.
Die Tatsache, dass der Hybridtreibstoff als solcher nicht explodieren kann,
heisst noch lange nicht, dass eine Hybridrakete als ganzes apriori viel
sicherer sein wird. (Mit diesen Feststellungen möchten wir den Hybridantrieb
als solchen nicht grundsätzlich in Frage stellen.) Nicht teilen können
wir den Irrglauben, dass sich durch wesentlich gröbere Fertigungstoleranzen
viel Geld sparen lässt. Mit modernen Maschinen, wie sie heute
in praktisch jedem Maschinenbaubetrieb stehen, können bei preisgünstiger
Fertigung relativ enge Toleranzen eingehalten werden.
Bei den kleinen Stückzahlen, die im Trägerraketenbereich
gebaut werden, sind die nackten Materialkosten sowieso nicht dominierend,
so dass sich die Verwendung von minderwertigen Werkstoffen nicht lohnt.
Es geht also darum, das bekannte Know-how und die einschlägigen
Tricks, sowie die Möglichkeiten der modernen Kompositmaterialien
und die Möglichkeiten der Mikroelektronik konsequent anzuwenden, ohne
in die klassischen Kostenfallen zu tappen. Das Resultat wird dann sicher
kein Dumb Booster, sondern eher ein Medium Sophisticated Booster sein.
Selbstverständlich sind auch wir der Meinung, dass man Raketen
in erster Linie bauen und nicht zelebrieren muss.
In den klassischen staatlichen Organisationen und Spacefirmen werden wahrscheinlich 90% der an Entwicklungen beteiligten Leute hauptsächlich für die Produktion von nutzlosen Papieren eingesetzt. Boshafterweise könnte man sagen, dass ein Teil dieser Leute sowieso für nichts anderes zu gebrauchen wäre. Zudem ist die traditionell extreme Arbeitsteilung auch Schuld, dass vieles nicht effizient abläuft und unnötige Energie für Schnittstellenprobleme verschwendet wird. Im Grunde genommen müssten ja die wesentlichen Dinge zum Bau z.B. eines Raketenmotores in 2 3 menschlichen Köpfen Platz finden.
Dagegen ist für uns aber auch klar, dass Gruppen, die zwar über ein paar geniale Ideen und viel Enthusiasmus verfügen, daneben aber in der Arbeits- und Versuchsdurchführung mangels Wissen, Können, finanziellen Mitteln und Infrastrukturen auf dem Niveau von Edelbastlern stecken bleiben, nicht die geringste Chance haben, etwas wirklich brauchbares hervorzubringen. Die zum Teil spektakulären Anfangserfolge führen leider oft zu falschen Schlüssen.
Zwischen der Fähigkeit eine Nutzlast von sagen wir 100 kg mit einer passiv stabilisierten einstufigen Rakete auf 100 km zu bringen und mit dem Fallschirm wieder zu landen und der Fähigkeit, eine Nutzlast von auch nur 20 kg in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, liegt mindestens ein Faktor 10 20 im Schwierigkeitsgrad!
Wir sind gespannt auf Ihre Antwort, vielleicht ergibt sich eine fruchtbare Diskussion.
Mit freundlichen Grüssen
SPL
H.U. Ammann
Antwort FAR vom 20.3.2000
Sehr geehrter Herr Ammann,
herzlichen Dank für Ihre Kommentare und für Ihr Interesse. Ihre Web Site ist beeindruckend und Ihre praktische Arbeit ebenfalls. Ihre Resourcen scheinen unsere jedenfalls zu übersteigen. Weiterhin viel Erfolg!
Ja, es ist leider wahr, an unserer Web Site hat sich wenig geändert und auch die praktische Arbeit geht mangels Resourcen nur langsam voran. Außerdem können wir ja nur in unserer Freizeit an den Projekten arbeiten. Immerhin haben wir im letzten Jahr einige Publikationen vorgenommen (IAF und DGLR-Kongreß) und Patente in den USA und GB verfolgt und teilweise schon erhalten.
In einem jedenfalls haben Sie recht: Wie der preiswerte Weg in's All aussehen wird, kann heute wohl niemand verbindlich beantworten (wohl eher dürfte klar sein, wie es nicht gehen wird). Immerhin zeigt Ihre Zuschrift und die Tatsache, daß Sie überhaupt eine praktische Arbeit auf diesem Gebiet aufgenommen haben, doch zumindest eines: Auch Sie scheinen nicht zu glauben, daß Raketen so kompliziert sein müssen, wie sie derzeit überwiegend gebaut werden. Damit hätten wir schon eine wichtige Übereinstimmung entdeckt. Dies soll natürlich nicht heißen, daß Raketenbau an sich trivial sei, wie Sie ganz richtig bemerken. Der wachsenden Probleme wenn man orbitalisieren will, sind wir uns natürlich auch durchaus bewußt. Immerhin gibt es heute viele Komponenten "off the shelf", die in den 40er und 50er Jahren den Raketenbauern "die Köpfe zerbrochen" haben - denken Sie nur an Lageerkennung im Raum und -regelung oder Steuerungsaufgaben, Meßsensorik und Telemetrie. Es kommt also darauf an, daß sich überhaupt ein Team einmal ernsthaft die Aufgabe gestellt hat, eine kostenreduzierte Rakete zu bauen. Dies ist zwischenzeitlich erfreulicherweise der Fall, insbesondere auch in den USA auf privat-kommerziellem Gebiet und teilweise in großem Stil. In Europa entwickeln sich die Dinge sehr viel zaghafter - wir zumindest haben Kontakt zu Gruppen in Dänemark, England, Holland - und jetzt auch in der Schweiz. Insofern hat die öffentliche Diskussion (die ja nicht nur von uns getragen wird), etwas gefruchtet. Übrigens mag ich das Schlagwort "Big Dumb Booster" aus den von Ihnen genannten Gründen auch nicht mehr so sehr, ich bevorzuge heute den Begriff "Complexity-Reduced Rocket". In diesem Schlagwort steckt, wie ich meine, die eigentliche Kernaussage.
Nun zu einigen Punkten:
Es darf nicht der Eindruck entstehen, daß wir gegen Kerosin als Treibstoff seien - im Gegenteil: Kerosin und LOX sind eine gute und leistungsstarke Paarung, insbesondere für Unterstufen. Nur am Rande sei bemerkt, daß allerdings auch H2O2 als Oxydator diskussionswürdig ist - siehe hierzu auch die Projekte von Beal Aerospace, die kürzlich ein 400 Tonnen MCD-Triebwerk getestet haben, immerhin das schubstärkste Flüssigtriebwerk in den USA seit den Zeiten der Saturn V. Ferner könnte man überlegen, statt Kerosin Methan zu verwenden. Dies ergibt einen wesentlich höheren ISP und da die beiden kryogenen Flüssigkeiten temperaturmäßig nahe beieinander liegen, könnte man vermutlich sogar eine Tankkuppe einsparen.
Daß wir selbst trotzdem mit Hybridtriebwerken experimentieren, ist in erster Linie Ergebnis dreier Überlegungen.
1) Sicherheit
Die Sicherheitsaspekte schätzen Sie m.E. falsch ein. Bei einer Explosion geht es nicht in erster Linie um die Auswirkungen auf die Nutzlast, sondern um die Auswirkungen auf Sie! Der Tag wird kommen, da werden Ihnen Brennkammern explodieren (vielleicht ist das ja schon geschehen). Verbrennungsinstabilitäten, Dimensionierung akkustischer Resonanzräume, Druckrückkopplungen in das Leitungssystem, Zündverhalten etc. lassen sich eben schwer berechnen. All diese Dinge führen bei einer Hybridrakete jedenfalls nicht zu lebensgefährlichen Versagern. Schon die betankte Rakete ist eine Gefahr - Sie werden gar nicht vermeiden können, daß mal ein Tröpfchen Kerosin "daneben geht" oder daß es mal zu einer statischen Entladung kommen kann. In der Sovjetunion hat es genau deshalb eine Katastrophe mit (ich glaube um die) 100 Toten gegeben. Unfälle sind eben Un-Fälle, weil man sie nicht erwartet.
2) Kosten
o.g. Überlegungen erfordern hohe Testserien bei Flüssigtriebwerken (vergl. hierzu die Untersuchungen von Dietrich E. Koelle im "Journal of Reducing Space Mission Cost". Fakt ist, daß die Versagerquoten für Feststoff, Flüssig/Flüssig und Hybrid im gleichen (niedrigen) Bereich liegen. Hierauf weist interessanter Weise gerade Prof. Schmucker (der "Hybridraketen-Pabst") in verschiedenen Publikationen hin. Was jedoch fehlt, ist eine Analyse, mit welchen ungleich höheren Mehrkosten diese gleiche Sicherheitsstufe bei Feststoff und Flüssig/Flüssig erkauft werden muß. Noch nie gab es bei Hybridtriebwerken einen "hard start", selbst Resonanzen mit Spitzendrücken über dem Doppelten der Brennkammernenndrücke haben nicht zu Versagern geführt. Bei Flüssigtriebwerken gehen die Tests, um z.B. in einen 98,5% Verläßlichkeitsbereich zu kommen "hinterher in's Geld". Um von 98,5% auf 99,5% Sicherheit zu kommen, sind typischerweise mehr als 400 weitere (!) Tests erforderlich bei 50% höheren Projektkosten (Koelle, s.o.).
Zur Kostenreduktion trägt auch die Einfachheit des Aufbaus eines Hybridtriebwerkes bei. Wir hatten ja als eines der wichtigsten MCD-Kriterien die Reduktion der Teilezahl zur These erhoben. Hier genügt folgende einfache Betrachtung: wir bauen Brennkammern, die aus lediglich 10 einfachen (!) Teilen bestehen (incl. Treibstoff) und für denselben gleichzeitig "Tank" darstellen. Auch wenn ich glaube, daß sich Flüssig/Flüssig Triebwerke wesentlich teilereduziert bauen lassen, glaube ich doch nicht, daß Sie es schaffen werden, für Brennkammer inclusive einem Tank, Zuleitung und Ventil einen derart niedrigen "part count" zu demonstrieren.
3) Optimierungsansätze
Es gibt einige Optimierungsansätze bei Hybridraketen, die nur durch Beischlag kristalliner Substanzen (Stichwort Metallhydride) erreichbar sind. Hierauf will ich an dieser Stelle nicht näher eingehen.
Erlauben Sie mir noch einen Kommentar zum Stichwort "Fertigungstoleranzen". Hierzu ein Beispiel, in dem wir (fairerweise) die Hybridrakete mit einem Feststofftriebwerk vergleichen. Dieses hat ja bekanntermaßen eine noch geringere Komplexität als die Hybridrakete. Feststoffe werden "seit alters her" mit guten Ergebnissen gegossen. Der Übergang von kleineren Triebwerken auf ein Triebwerk der Größe der Ariane V Booster jedoch stellte einen gewaltigen Schritt dar. Innerhalb der Gußsegmente kam es zu Sedimentationen der Komponenten, zu Spannungen, Lunkern und Rißbildungen (welche bekanntermaßen bei Feststoffen verheerende Folgen haben) etc. Ich kann Ihnen sagen, daß es viele hundert Millionen DM und hunderte von Experimenten gekostet hat, diese Probleme in den Griff zu bekommen, ganz zu schweigen von den besonderen Problemen der Treibstoffmischung in menschenleeren automatisierten Fabriken (aus Sicherheitsgründen), der aufwendigen Prüfung der gegossenen Segmente durch Ultraschall, Röntgen, Probenahme etc.
Diese Probleme fallen beim Hybridtreibstoff alle weg. Weder Lunker noch Risse stellen irgendein Gefährdungspotential dar, aufwendige Prüfungen durch Ultraschall, Röntgen usw. können daher völlig entfallen. Dies ist, wie ich meine, ein schönes Beispiel für deutlich niedrigere Fertigungstoleranzen bei den Hybridraketen im Vergleich zum Feststofftriebwerk.
Abschließend möchte ich Ihnen recht geben, was die Chancen kleiner Gruppen angeht, im "Raketenmarkt" Fuß zu fassen. Die sind vermutlich gering. Immerhin sind sie aber heutzutage (siehe Einleitung) nicht mehr chancenlos. Es sollen ja auch Leute schon in ihrer Garage Computer gebaut haben! Fakt ist, daß wir alle unsere Chancen nur im Versuch ausloten und verifizieren können. Irgendwann wird dann aber der entscheidenden Punkt kommen, auch die Kapitalseite professionell darstellen zu müssen. In den USA gelingt dies immerhin - für Europa wäre es sicher ein Novum, Raketenbau über Risikoinvestments zu finanzieren. Wir werden sehen.
Mit freundlichen Grüßen
Tom Stinnesbeck