Space Launch System – Die Kernstufe

Die Technologie des Space Launch Systems, in einer dreiteiligen Artikelreihe. Teil 1: Die Kernstufe (engl. Core Stage)

Autor: Martin Knipfer.

Die Kernstufe des Space Launch Systems (SLS) dient dazu, die enormen Mengen an flüssigem Treibstoff aufzubewahren, damit ihn die vier RS-25 Triebwerke verbrennen und so den nötigen Schub erzeugen können. Sie basiert auf dem Außentank (External Tank, ET) des Space Shuttles und besteht aus fünf Hauptkomponenten:

Ein RS-25 Triebwerk, auf einem Teststand installiert.
(Bild: NASA/SSC)

1. Triebwerke:

Die wichtigsten Komponenten des RS-25.
(Bild: NASA)

Am unteren Ende der Hauptstufe des SLS sollen vier Haupttriebwerke vom Typ RS-25 angebracht sein. Bei handelt es sich um die SSMEs (Space Shuttle Main Engines), die Haupttriebwerke des Space Shuttles. Sie verbrennen extrem kalten flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff, um so Schub zu erzeugen. Und das gelingt ihnen sehr gut: Obwohl das Design noch aus den 70ern stammt, ist das RS-25 immer noch eines der leistungsfähigsten und effizientesten Triebwerke der Welt. Nach der Einstellung des Space Shuttle-Programms 2011 verfügte die NASA noch über 15 verwertbare Triebwerke, ein 16. wurde inzwischen aus Ersatzteilen zusammengebaut, fast alle haben bei Space Shuttle-Flügen ihre Zuverlässigkeit demonstriert. Dieser Bestand reicht für vier SLS-Flüge, danach müssen neue RS-25 gebaut werden, weil die Triebwerke anders als beim Space Shuttle nicht erneut verwendet werden. Momentan verhandelt die NASA mit der Herstellerfirma Aerojet Rocketdyne über eine Wiederaufnahme der Produktion. Man hofft, dabei durch verbesserte Herstellungstechnologien und ein vereinfachtes Design die Kosten zu senken.

Ein RS-25 während einer Testzündung aus der Nähe betrachtet.
(Bild: NASA/SSC)

Obwohl die Triebwerke nach all den Jahren immer äußerst leistungsfähig (die vier Turbopumpen eines Triebwerks wären dazu in der Lage, ein Schwimmbecken in gerade mal 20 Sekunden leerzupumpen, die Leistung der vier RS-25 ist vergleichbar mit der von 32 Kernkraftwerken) und effizient sind, sind doch für den Einsatz am SLS Modernisierungen und Änderungen nötig. Diese betreffen vor Allem die Kontrolleinheit, die dazu dient, den Treibstofffluss zu steuern. So kann der produzierte Schub und damit auch die Flugbahn und Geschwindigkeit der Rakete verändert werden. Genauso ist die Kontrolleinheit auch dafür zuständig, das Triebwerk zu starten und auszuschalten. Das bisherige „Computergehirn“ des RS-25 ist über 20 Jahre alt und dementsprechend veraltet. Die neue Kontrolleinheit verfügt über ein modernisiertes Design auf Basis der Kontrolleinheit des J-2X Triebwerks und eine neue Software. Da bei SLS-Flügen eine stärkere Erwärmung der Düse sowie höhere Treibstoffdrücke und niedrigere Treibstofftemperaturen erwartet werden, wurde des weiteren die Isolierung der Düse verstärkt und die Startsequenz geändert.

Technische Daten: RS-25

Schub (Meereshöhe): 1.860 kN
Schub (Vakuum): 2.279 kN
Spezifischer Impuls (Meereshöhe): 366s
Spezifischer Impuls (Vakuum): 452s
Länge: 4,3m
Durchmesser: 2,4m
Treibstoff: Flüssiger Wasserstoff, flüssiger Sauerstoff (LH2/LOX)
Kosten (neu): 50 Millionen Dollar

Das Vertical Assembly Center in der MAF, eine Schweißvorrichtung, mit der der LH2-Tank gefertigt werden soll, wird mit mit einem Tankring und einem Tankzylinder beladen.
(Bild: NASA)

2. LH2-Tank
Der LH2-Tank dient dazu, den unter -250 Grad Celsius kalten flüssigen Wasserstoff, mit dem das SLS angetrieben werden soll, aufzubewahren. Obwohl er vom Volumen ausgehend wesentlich größer als der LOX-Tank ist, ist er befüllt deutlich leichter. Der Grund dafür liegt darin, dass flüssiger Wasserstoffs wesentlich leichter als flüssiger Sauerstoff ist. Der LH2-Tank wird in der Michoud Assembly Facility (MAF) mithilfe von Rührreibschweißen hergestellt, einer State-Of-The-Art Fertigungstechnologie. Er besteht aus mehreren Bauteilen aus einer leichtgewichtigen Aluminium-Legierung, nämlich von oben nach unten aus einem kuppelförmigen Tankdom, einem Tankring, fünf Tankzylindern, einem weiteren Tankring und einem weiteren Tankdom. Der LH2-Tank befindet sich über den RS-25 Triebwerken und unter dem LOX-Tank.

Technische Daten LH2-Tank

Länge: 42m
Durchmesser: 8,4m
Material: Aluminium 2219

Eine Computergrafik des Teststands 4697, mit dem unter anderem der LOX-Tank strukturell getestet werden soll.
(Bild: NASA/MSFC)

3. LOX-Tank
Die Aufgabe des LOX-Tankes ist es, den unter -180 °C kalten flüssigen Sauerstoff, der als Oxidator in den RS-25 Triebwerken dient, aufzubewahren. Er ist zwar wesentlich kleiner als der LH2-Tank (er verfügt über nur zwei statt fünf Tankzylinder), ist jedoch befüllt aufgrund des höheren Gewichts des flüssigen Sauerstoffes deutlich schwerer. Befüllt wird er –genauso wie der LH2-Tank- über zwei TSMUs (Tail Service Mast Umbicials). Dabei handelt es sich um zwei Halterungen auf der Startplattform mit beweglichem Arm, durch den flüssiger Treibstoff geleitet werden kann. Zum Betanken werden sie an die Hauptstufe herangeschwenkt. Der Inhalt des LOX-Tanks wird über eine lange Leitung an der Außenseite zu den Triebwerken befördert. Die Lage des zylinderförmigen LOX-Tanks ist über dem LH2-Tank und unter der ICPS (Interim Cyrogenic Propulsion Stage)-Oberstufe.

Technische Daten LOX-Tank

Länge: 16m
Durchmesser: 8,4m
Material: Aluminium 2219

Die Hauptstufe des SLS mit schwarz-weißer Lackierung der Isolierung.
(Bild: NASA)

4. Zwischenstufenstrukturen
Die Hauptstufe des SLS wird über zwei Zwischenstufenstrukturen verfügen: Eine zwischen dem LH2- und dem LOX-Tank und eine über dem LOX-Tank. Sie dienen dazu, die Tanks der Hauptstufe miteinander und mit der Oberstufe zu verbinden. An der unteren Zwischenstufenstruktur sind außerdem die beiden Feststoffbooster montiert, von wo aus ihr enormer Schub auf die restliche Rakete übertragen wird. Eine weitere Aufgabe der Zwischenstufenstrukturen ist es, die zwischen den Tanks angebrachten Avionikysteme geschützt aufzunehmen. Bei diesen elektronischen Systemen handelt es sich sozusagen um das Nervensystem des SLS, sie steuern die Rakete während des Fluges. Die eingesetzten Flugcomputer werden die leistungsfähigsten sein, die jemals in einer Rakete zum Einsatz gekommen sind, sie basieren auf existierenden Technologien, die bei Satelliten eingesetzt werden.

Der Aufbau der Hauptstufe des SLS, von oben nach unten: Triebwerke, LH2-Tank, Zwischentankstruktur, LOX-Tank, Zwischenstufenstruktur.
(Bild: NASA/MSFC/Kevin Obrien)

5. Isolierung
Um die Tanks im Inneren der Kerntstufe vor zu hoher Erwärmung zu schützen, verfügt die Stufe über eine außen angebrachte Isolierung. Sie besteht aus wärmeableitenden Materialien und einer aufgesprühten Schaumstoffschicht und wird von dem Außentank des Shuttles übernommen. Mit dieser Isolierung gab es zu Space Shuttle-Zeiten Probleme: Immer wieder lösten sich Teile der Isolierung und trafen den Hitzeschutzschild des Orbiters. Eine Beschädigung der im intakten Zustand hitzebeständigen Flügelvorderkante war dafür verantwortlich, dass 2003 die Raumfähre Columbia während des Wiedereintritts auseinanderbrach. Zum Glück ist dadurch, dass bei dem SLS die Nutzlast über und nicht an der Seite der Hauptstufe befestigt ist, bei SLS-Flügen ein ähnliches Unglück nicht möglich. Obwohl aktuelle Bilder die Isolierung mit einer Lackierung ähnlich der Saturn-V zeigen, ist anzunehmen, dass sie genauso wie der ET des Shuttles unlackiert bleibt und so eine orange bis rotbraune Farbe haben wird.

Technische Daten Hauptstufe

Länge: 64,6m
Durchmesser: 8,4m
Leergewicht: 85,275 t
Startgewicht: 1.092, 452 t
Startschub: 7.268 kN
Brennzeit: 476 s
Treibstoff: LH2/LOX

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