Obwohl gegenwärtig modifizierte Versionen der Sojus-Trägerrakete getestet werden, der Jungfernflug der Angara nicht mehr weit entfernt ist und eine Ausschreibung zum Bau einer Rakete für das neue russische Raumschiff läuft, planen russische Triebwerks- und Raketentechniker die weitere Zukunft des Weltraumtransports und arbeiten an ihr.
Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Roskosmos, Chrunitschew, Energija, Skolkowo, Energomasch, Raumcon.
Das Konzept der Angara geht auf die 1980er Jahre zurück. Damals war das Ziel die Entwicklung eines modularen Trägers, der mit bewährten Treibstoffkomponenten wie RP1 (Kerosin mit Beimischungen) und flüssigem Sauerstoff eine Vielzahl von möglichen Nutzlasten auf beliebige Bahnen bringen kann. Damit soll vor allem die Proton abgelöst werden, die auch heute noch sehr giftige Treibstoffe einsetzt.
Triebwerke und Raketen, die heute geplant werden, setzen auf andere Treibstoffe oder sogar Antriebskonzepte, Effektivität steht im Mittelpunkt und Wiederverwendbarkeit wird ins Auge gefasst. Vor allem dadurch verspricht man sich bedeutende Kostensenkungen, die der Raumfahrt eine breitere Basis verschaffen könnten.
Viele Projekte der letzten Jahrzehnte aber wurden durch den politischen und gesellschaftlichen Umbruch in den 1990ern behindert oder gestoppt. In deren Folge litt die russische Raumfahrt lange Zeit unter Geldmangel, der auch heute noch seine Auswirkungen hat. Da man die bemannte Raumfahrt am Laufen halten wollte, mussten andere Bereiche vernachlässigt werden. Somit zogen sich Neuentwicklungen in die Länge, die Ausbildung wurde vernachlässigt, so dass nun Nachwuchs fehlt, wertvolle Techniker wurden schlecht bezahlt und wanderten teilweise ins Ausland ab. Selbstherrliche oder inkompetente Entscheidungsträger und frühkapitalistische Gier sorgten für weitere Stolpersteine, auch in jüngster Vergangenheit.
Langsam aber treten neue Projekte ans Licht der internationalen Öffentlichkeit und erfahren zudem eine zunehmende finanzielle Unterstützung, mittelfristiges Forschen und langfristiges Planen sind wieder möglich. Zu den herausragenden Zukunftsprojekten zählen verschiedene Entwicklungsreihen neuer Triebwerks- und Raketentechnik, die teilweise 30 Jahre in die Zukunft reichen. Vier davon sollen hier vorgestellt werden.
Bereits seit Jahrzehnten entwickeln russische Techniker an Triebwerken, die Methan verbrennen. Langsam trägt die Arbeit Früchte. Im Jahre 2010 wurde ein Triebwerk getestet, welches einen spezifischen Impuls von 3.630 m/s (370 s) realisierte und fast 20 Minuten lang lief. Auf dem Rücken dieses Erfolges modifiziert man nun ein bestehendes Oberstufentriebwerk mit 75 kN (psp = 3.875 m/s) für einen baldigen Einsatz beim Transport von Nutzlasten in den Geostationären Orbit. Außerdem möchte man das Triebwerk auch bei unbemannten Mondlandemissionen einsetzen. Zudem wird auch am Erststufentriebwerk RD 191M (M für Methan) entwickelt, was mit Methan effizienter arbeiten soll als das RD 191 mit Kerosin als Brennstoff. Dies könnte den Schub der 4 Zusatzraketen für den geplanten MRKN-Träger mit geringerem Aufwand von 8 auf 10 MN steigern. Zudem sollen auch RD 171 und RD 180 modernisiert werden. Wichtige Vorteile von Methantriebwerken gegenüber der konventionellen Kerosin-Version sind eine kompaktere Größe und damit verringerte Masse sowie eine stabilere Verbrennung.
Zweite Entwicklungslinie sind Triebwerke, die drei Treibstoffkomponenten verwenden. In der letzten Zeit rückte dabei Acetam (russ. Azetam), ein Gemisch aus Acetylen und flüssigem Ammoniak, in den Mittelpunkt. Dabei soll Acetam anstelle des bewährten Kerosin mit flüssigem Sauerstoff reagieren und damit einen bedeutend höheren Schub erzeugen. Man spricht hier von einer Nutzlasterhöhung bestehender Trägerraketen um bis zu 30% und verspricht sich auch wegen geringerer Transportkosten bedeutende Einsparungen. Gegenwärtig wird am Institut für angewandte Chemie in Zusammenarbeit mit Energomasch und Skolkowo eine Pilotanlage zur Produktion des Treibstoffs im Labormaßstab errichtet. Diese soll den Weg für eine großtechnische Produktion bahnen, die thermischen und thermodynamischen Eigenschaften des Treibstoffgemisches detailliert klären und das richtige Mischungsverhältnis bestimmen. Gegenwärtig plant man mit 32% Acetylen und 68% Ammoniak. Ein erster Testlauf eines modifizierten Triebwerks RD 161AC (AC für Acetam) mit etwa 30 kN Schub soll bereits 2013 oder 2014 erfolgen. Hierbei will man einen spezifischen Impuls von 3.875 m/s (395 s) erreichen. Anschließend will man auch an der Modifikation weiterer Triebwerke arbeiten und bis 2020 in einer neu zu entwickelnden RB-Oberstufe einsetzen. Modellrechnungen ergaben, dass sich damit die Nutzlast einer Angara 5 aus einem 200-km-Orbit bei 51 Grad Bahnneigung in die Geostationäre Bahn von 3,79 t auf 4,6 t steigern ließe.
Eine weitere Neuheit in der russischen Trägertechnik ist ebenfalls für die Angara vorgesehen. Dabei soll während des Fluges Triebstoff aus seitlich angebrachten Zusatzraketenstufen (sogenannten Boostern) in den sich langsam leerenden Tank der Zentralstufe umgepumpt werden. Damit könnte man die Booster zum Teil als Tanks „missbrauchen“ und deutlich früher abwerfen, als zum ursprünglichen Brennschluss. Dies brächte nach Berechnungen von Chrunitschew eine Nutzlaststeigerung um 8 bis 28%, je nach verfolgtem Konzept. Gegenwärtig untersucht man, wann und wohin das Umpumpen erfolgen soll. So prüft man Konzepte, bei denen zunächst 2 Booster in die anderen beiden geleert werden und deren Treibstoff anschließend oder parallel zum Auffüllen der Zentralstufe zu verwenden. Dabei würden die Zusatzstufen in zwei Etappen abgeworfen. Fester Besandteil ist dieses Konzept bei der Planung einer neuen Trägerrakete, welche die Bezeichnung MRKN trägt und seitlich mit wiederverwendbaren Boostern ausgerüstet werden soll. Die Zusatzraketen würden nach der Abtrennung zu einem speziellen Landeplatz fliegen oder gleiten und könnten kurzfristig und kostengünstig bis zu 25 Mal komplett wiederverwendet werden.
(Bild: Roskosmos)
Am Bedeutendsten für das Weiterkommen in unserem Sonnensystem ist aber die Entwicklung von nuklear-elektrischen Antriebssystemen. Hier erzeugt ein Kernreaktor elektrische Energie, die dazu genutzt wird, ein elektrisches Triebwerk zu betreiben. Als elektrische Triebwerke kommen beispielsweise Ionentriebwerke oder Plasmaantriebe infrage. Die russischen Techniker sehen die ferne Zukunft aber auch in Gaskern-, Festkern- oder MHD-Triebwerken.
Die Entwicklung eines nuklear-elektischen Antriebs in der Sowjetunion begann bereits in den 1970er Jahren. Hier wurden auch verschiedene Tests im Weltraum angestellt. In den 1980er Jahren begannen dann Arbeiten an Kernreaktoren der Megawattklasse. Diese Arbeiten kamen rund 15 Jahre zum Erliegen und wurden vor Kurzem wieder intensiv aufgenommen. Mittlerweile sind sie fester Besandteil eines staatlichen Konzepts zur Weiterentwicklung von Antriebstechnik für Raumfahrzeuge und werden entsprechend gefördert. Derzeit entwickelt man ein Transport-Energie-Modul (TEM) mit einer elektrischen Leistung von 1 MW bei einer Wärmelsitung von 3,5 MW. Hierbei arbeiten Rosatom, das Kurtschatow-Institut und Niket zusammen. Das Modul soll 22 Meter lang werden, einen Durchmesser von 4 Metern besitzen, seine großen Kühlradiatoren in einer Erdumlaufbahn entfalten und leer eine Masse von etwa 14 t besitzen. Der Reaktor selbst bringt 2,7 t auf die Waage. Das Modul ist zudem am Ende mit 16 Triebwerken versehen, welche das Stützmedium mit einem spezifischen Impuls von mindestens 70 km/s (7.000 s) ausstoßen sollen. Später soll der spezifische Impuls deutlich höher liegen, wobei man bereits derzeit recht optimistisch ist, dieses Ziel (200 km/s) zu erreichen. Im Labor hat man bereits Spannungen von 30 kV erreicht, mit denen elektrische Ladungsträger wie Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Die Ausschreibung läuft zwar bis 2015, bereits ein Jahr zuvor soll allerdings mit den Bodentests begonnen werden. Im Weltraum könnte das experimentelle Antriebssystem erstmals 2017 getestet werden. Den Bau des Systems möchte man im übrigen Energija anvertrauen.
Die zweite Ausbaustufe, ein TEM mit einer elektrischen Leistung von 6 MW soll um 2020 in Angriff genommen werden. Es soll eine Leermase von 40 t besitzen und laufend Lasten aus niedrigen Erdorbits in höhere oder zum Mond befördern. Dabei ist man zwar monatelang unterwegs, da der Gesamtschub trotz der hohen Austrittsgeschwindigkeiten noch relativ gering ist, insgesamt soll sich das bis zu 15 Jahre einsetzbare Aggregat aber deutlich kostensenkend bemerkbar machen. Man könnte praktisch beim Start von Geostationären Lasten die Oberstufe einsparen und dann für große Kommunikationssatelliten vergleichsweise kleine Raketen zum Start von der Erde einsetzen.
Außergewöhnlichstes Vorhaben ist allerdings das 25-MW-Modul, das in einem Zeitrahmen von 25 Jahren entwickelt werden soll. Mit ihm wäre es möglich, die Flugzeit zum Mars bei günstiger Stellung der beiden Planeten zueinander mit einem 480-t-Raumschiff auf 30 Tage zu senken und einen regelmäßigen Pendelverkehr zwischen Erde und Rotem Planeten einzurichten. Auch bemannte Missionen zu anderen Planeten oder Asteroiden ließen sich realisieren. Zunächst müssen aber erst einmal die Vorstufen realisiert und reprobt werden. Zur Umsetzung arbeitet man an vielen Aspekten des Systems gleichzeitig. So genügt es nicht, einen entsprechend kompakten Reaktor zu schaffen. Kürzlich hat man Fortschritte beim Bau der Turbine bekannt gegeben, die bei etwa 60.000 Umdrehungen pro Minute und 1.350 °C Gastemperatur praktisch 15 Jahre ununterbrochen zuverlässig funktionieren muss. Mit heutigen Materialien hat man gegenüber dem Entwicklungsstand vom Anfang der 1990er Jahre eine Masseverringerung um etwa 30% erreicht. Dies gelang durch die Verwendung keramischer Materialien, wie Siliziumcarbid mit verschiedenen Beimischungen und Nanobeschichtung. Damit erzielte man bei oben angegebener Temperatur sowohl eine größere Härte als auch eine bessere Biegefestigkeit.
Russische Raketeningenieure und Techniker arbeiten aber auch an den Raketen der unmittelbar nächsten Generation. Um von der Erde ins All zu gelangen, benötigt man nach wie vor chemische Raketen. Im Sommer 2011 wurde ein Beschluss gefasst, das RD 175 mit 10 MN Schub für eine russische Schwerlastrakete zu entwickeln. Ebenso wird viel Geld für die Entwicklung der Triebwerke RD 191 (6 Mrd. Rubel) und RD 193 (1 Mrd. Rubel) ausgegeben. Wir können also in den kommenden Jahren viel Neues aus dem Osten erwarten.
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