A4 (V2) Raketenfertigung in Friedrichshafen
1942-45
Die
Entwicklung des Antriebes des A4
Die
Brennkammer ( Ofen )
Der wichtigste Teil einer Rakete ist der Antrieb, da sich
die Rakete in einem luftleeren Raum bewegen können muss, in dem herkömmliche
Antriebssysteme versagen und nebenbei eine bestimmte Beschleunigung erreicht
werden muss um diesen Raum überhaupt zu erreichen, bedurfte es einer neuen Art
des Antriebes. Um den Raketenantrieb zu verstehen, muss man sich nur das
Verhalten der meisten Atome b.z.w. Moleküle vorstellen, je nach Temperatur
benötigen die Atome einen bestimmten Abstand zueinander . Mit Ausnahme von
Wasser, wissen wir das der Abstand der Atome bei niedrigster Temperatur am
geringsten ist, erhöht man die Temperatur, beginnen sie zu schwingen . Da nun
die Atome b.z.w. Moleküle sich nicht nur anziehen sonder bei der
Unterschreitung eines bestimmte Abstand auch abstoßen, benötigen sie mit der
Temperatur abhängigen Schwingung mehr Platz . Solange nun die Atome den von
ihnen benötigten Raum ungehindert einnehmen könne, ihn also ausdehnen, ändert
sich am Umgebungsdruck nichts . Hindert man nun die Atome daran, den durch eine
Temperaturänderung benötigten Platz einnehmen zu können, entsteht eine Spannung
zwischen den Atomen. Die Spannung zwischen den Atomen steigt mit zunehmenden
Raumbedarf der sich erwärmenden Atome. Dieses Verhalten der Atome nützt man nun
für verschiedene Technische Anwendungen, die am leichtesten zu verstehende
dürfte die Dampfmaschine sein. Hierzu wird Wasser derart verwärmt das es sogar
den Aggregatzustand ändert und weit über 100 °C hinaus aufgeheizt wird. Das
ganze geschieht in einem geschlossenen Raum, so das der Mangel an Raum , sich durch
ein Anstieg des Druckes im Raum zur Umgebung des Raumes, anzeigt. Entläst man
nun durch eine Öffnung die Atome in einem Raum mit niedrigerem Druck und stellt
vor diesen noch ein Hindernis ( Kolben ) wird dieser durch die Entspannung der
Atome davon gedrückt und beschleunigt. Die Kraft der sich gegenseitig
abstoßenden Atome wirkt nun nicht nur auf den Kolben, sondern auch auf den Raum
, aus der diese austreten und den Atomen selbst. Dies funktioniert selbst in
einem luftleeren Raum, da die Atome durch ihre Masse eine Trägheit der
Beschleunigung entgegen bringen. Was nichts anderes heißt, als das sich die
Atome von sich selbst als Hindernis abstoßen . Diese Eigenschaft wird im
luftleeren Raum dahingehend ausgenützt, das sich in die eine Richtung die Atome
von sich selbst abstoßen und in die andere Richtung gegen den
Austrittsbehälter wirken und diesen
beschleunigen wie den Kolben in einer Dampfmaschine. Natürlich kann dieser Kolben nur entsprechend der Geschwindigkeit
der davon strebenden Atome beschleunigt werden, daher versucht man ein
möglichst hohe Geschwindigkeit der Atome zu erreichen. Dis geschieht zum einen
durch den Druck in einem Raum und zum anderen durch die Form der Öffnung, durch
das man die Atome aus dem Raum in den drucklose Umgebung entläst. Das A4 war eine für damalige Verhältnisse
große Rakete, die ein entsprechendes Gewicht besaß. Um dieses Gewicht überhaupt
vom Boden zu bekommen errechnete man eine Schubkraft von mindestens 25 Tonnen !
Mit den ersten Projektarbeiten an der Fernrakete A 4 wurde daher eine
Versuchsdüse/ Brennkammer in Auftrag gegeben die diese 25 Tonnen Schub abgeben
konnte, diese wurde dann nach anderthalb Jahren Entwicklungszeit geliefert .
Bei diesen Antrieben verwendete man nun nicht Wasser als Medium, sonder produzierte
in einem Reaktionsbehälter Molekühle die bei ihrer Entstehung sehr viel
Temperatur abgaben und das mit einer hohen Prozessgeschwindigkeit, die nahe an
eine Explosion im herkömmlichen sinne von Sprengstoff, heran kam . Diese
Reaktionskammer wurde sinngemäß als Brennkammer oder Ofen bezeichnet. In
Kummersdorf wurde dann ab Herbst 1936 unter der Leitung von Dr. Walter Thiel
begonnen dieses Triebwerk mit 25 Tonnen Schub zu entwickeln , man arbeitete
damals bereits an einer entsprechenden Brennkammer . Der Aufbau der Brennkammer
bestand aus einem Einspritzsystem für den Treibstoff, den Verbrennungsraum und
zuletzt dem Austritt für das durch die Verbrennung des Treibstoffes
entstandenen Gases der in seiner Form als Laval-Düse ausgebildet ist. Das
Konzept entsprach der Kegel-Düse, die von Herman Opert erfunden wurde und als
Basis der meisten Entwicklungen diente. Von dieser Düse gab es damals schon
einige Varianten mit verschiedenen Einspritzkonzepten. Das Prinzip des Flüssigkeitsantriebes basiert darauf , das in eine
Brennkammer getrennt der Brennstoff und ein Oxidator eingespritzt und nach der
Vermischung verbrannt wird. Ursprünglich wurden verhältnismäßig starke
Treibstoffstrahlen unter Druck gegeneinander gespritzt . Beim Aufeinander
prallen zerstäubte der Treibstoff und wurde dann mehr oder weniger gleichmäßig
in der Brennkammer Verbrannt. Bei dem
Triebwerk des A4 werden ca. 125 kg Treibstoff je Sekunde verbrannt, dabei wird
dieser in der Brennkammer auf ca. 2660 °C erwärmt. Durch den schnellen
Temperaturanstieg dehnt sich das gebildete Verbrennungs- Gas fast so schnell
wie eine Explosion aus. Nun hat die Brennkammer eine Öffnung mit einem
Durchmesser von 40 cm, durch das sich der Verbrannte Treibstoff, der immer noch
ein gewicht von 125 kg hat, durch zwingt und in einen sich öffnenden Trichter
begibt. Trotz der relativ großen Öffnung, durch die eine Erwachsene Person
passt, entsteht in der Brennkammer ein konstanter Druck von ca. 14,5 atü . Der
Druck wird nun durch den Trichter ( Düse ) an die Umgebung abgegeben. Diese
Düse hat eine speziellen parabolischen Form in dem ein Effekt entsteht der die
Ausstromgeschwindigkeit des Gases mit abnehmenden Druck auf
Überschallgeschwindigkeit ansteigt lässt . ( Laval Düse ) Die 125 kg
Verbrannter Treibstoff wird dort auf eine Geschwindigkeit von ca. 2000m/sec.
beschleunigt. Daraus lässt sich durch die Berechnung Masse x Geschwindigkeit
eine Kraft errechnen die damals zu Kilogramm b.z.w. Tonnen ungerechnet wurden
und die 25 t Schub des A4 ergaben . Auf
diese Weise erhält man eine Schubimpuls der ausreicht eine 12,7 t schwere
Rakete vom Boden zu heben und zu beschleunigen.
Abb. 6. Schematische Darstellung einer Brennkammer mit Düse
Um eine restlose Verbrennung des vergasten
Treibstoffes vor dem Eintritt in die Ausströmdüse zu erreichen, waren die
Brennkammern in der Baulänge immer lang gehalten worden. Die Gasanalyse
bestätigte diese Maßnahme, allerdings war die Verbrennung in der Brennkammer
nicht homogen dadurch blieb die Leistung
unbefriedigend.
Dr. Walter Dornberger regte damals an statt des
aufeinander prallen der Flüssigkeitsstrahlen, eine feinste Vernebelung der
einzelnen Treibstoffe durch geeignete Zentrifugal-Einspritzdüsen zu erreichen
und diesen aus den beiden Treibstoffen gebildeten Nebel nach dem Mischen zum
Verbrennen zu bringen. Thiel versuchte nun, dise feinste Vernebelung zu
erreichen und eine räumliche Trennung der Einspritzdüsen zum Verbrennungsraum
durch zu führen. Damit erreichte man neben einer besseren Vernebelung auch
einen Schutz der Messing Einspritzdüsen vor den Temperaturen in der
Brennkammer. Diese Maßnamen ermöglichten eine Kürzung des der
Versuchsbrennkammer von ursprünglich 2 m auf gerade noch 30 cm !
Die neue Versuchsbrennkammer für 1,5 Tonnen Schub, die
nach einem Jahr betriebsreif wurde bestätigten dann die Richtigkeit dieser
Maßnamen . Die Ergebnisse verblüfften: 2100 m/sec Ausströmgeschwindigkeit wurde
gemessen, nur 4,5 g/kp/sec betrug der Verbrauch !
Abb. 7.
Abb. 8. 2 mm Drall oder Zentrifugal-Düse (
B-Stoff Düse )
( Sammlung :
V2Werk-Oberraderach.de )
Abb. 9. 6 mm Drall oder
Zentrifugal-Düse
Neben den Messing Düsen,
experimentiert man auch mit anderen Werkstoffen:
Abb. 10/11. Links: Dralldüse aus Eisen, rechts aus
Kupfer .
Für den flüssigen Sauerstoff verwendete
man eine zentral sitzenden Zerstäuber ebenfalls aus Messing, den A-Stoff
Zerstäuber.
A – Stoff Zerstäuber eines
A5 Experimenteller
Versuchszerstäuber
Abb. 12/13. Links: A4 A-Stoff Zerstäuber ( rechts, ein experimenteller
Zerstäuber aus Eisen, wie er aber nie zur Anwendung kam !)
Nach
Erkenntnis von Dr. Olaf Przibilski entwickelte sich die Mischköpfe des A4 aus
dem des A5, b.z.w. der 1,5 t Mischkopf wurde am A5 getestet . Bei den
nachfolgenden Bild links unten handelt es sich um die Reste eines A5 Ofen
dessen Einspritz- und Mischungssystem dem der A4 Brennkammer entspricht, damit
dürfte es sich um das Übergangsstück von A5 ( ursprünglich A3 Triebwerk ) zum A4 handeln. Die beiden Bilder rechts zeigen einen Mischkopf für einen
Versuchsofen Ofen mit mehreren „Töpfen“ .
Mischkopf ( Topf ) aus der 1,5
t Brennkammer eines A5 ? und im Zustand vor der Zerstörung
Verschiedene experimentelle
Mischdüsen
Mischkopf aus einem Ofen mit mehreren „Töpfe“
( Sammlung Olaf Prizibilski
)
Abb. 14/15. Entgültiger Mischkopf mit eingesetzten
Zentrifugaldüsen und A-Stoff Zerstäuber
Im Mischkopf wurden unterschiedliche
Drall-Düsen mit 2 und 6 mm Öffnungen, zusätzlich befanden sich im Mischkopf 1
mm Brennstoff und Schleieröffnungen.
Ein anschließend entwickeltes 4,5-Tonnen-Triebwerk mit
3 aufgesetzten Mischkammern des gleichen Typs zeigt, dass die Leistung bei
größeren Einheiten nicht abfiel. Noch aber war eine wesentliche Schwierigkeit
zu überbrücken. Durch die besserte Verbrennung stieg die
Verbrennungstemperatur, die Kühlfläche dagegen aber war kleiner geworden. Für
den Schutz der Brennkammer brachte dann Dipl. -Ing. Pöhlmann die Lösung, als er
vorschlug, zwischen den heißen Verbrennungsgasen und den Brennkammerwänden eine
Isolationsschicht nach dem Gesetz der Verdampfungskühlung durch den Treibstoff
selbst zu schaffen. So entstand die Film- oder Schleierkühlung durch den aus
zahlreichen winzigen Bohrungen an den besonders gefährdeten Querschnitten
austretenden Alkohol an den Brennkammerwänden, der das betriebssichere Arbeiten
der späteren A 4-Brennkammer erst ermöglichte. Nach dem nun ein Leistungsstarkes
Triebwerk mit endsprechender Betriebssicherheit zur Verfügung stand , besprach
man das eigentliche 25 t Triebwerk. Wernher von Braun regte damals an ,
einfacher halber die Leistung der Geforderten 25 t durch die Bündelung von 18
dieser 1,5t Einspritzköpfe zu erreichen. Darauf hin wurde eine Brennkammer
gefertigt auf dessen Deckel 18 Einspritzköpfe in zwei Parallelen Kreisen
aufgesetzt waren. Die Brennkammer bestanden in einer weiteren Stufe der
Entwiklung im Gegensatz zu allen bisherigen Brennkammern nicht aus
Leichtmetall, sondern aus verschweißtem dünnem Stahlblech. Damit war das
Brennkammerproblem für die Fernrakete im Prinzip gelöst.
Am 21.3.1940 brannte auf dem Prüfstand 1 für rund 60
Sekunden der erste 25 t Ofen und öffnete damit den Weg zur ersten Großrakete .
Erfolgreicher Brenntest auf
dem Prüfstand 1 mit einer 9 t Brennkammer mit 6 Mischköpfe a 1,5 t
Einer der ersten 18 Topf Öfen,
vollständig aus Aluminium / Brennkammer einer der ersten Prototypen des
A4 Baureihe A
Brennkammer der Baureihe A 1942 Oberteil der Brennkammer Baureihe A im HTI Peenemünde
Vollständiges Triebwerk der Baureihe A 1942
Für eine
Serienfertigung allerdings hielt man dieses Triebwerk nicht geeignet, da der
Ofenkopf nach wie vor aus Alu gefertigt war und mit seinen 18 Einspritztöpfen
als zu aufwendig angesehen wurde. Um dieses zu ändern arbeitete man an einem Ofenkopf
der eine spezielle Mischdüse ( Ringspaltdüse ) enthielt. 1941 begann man mit Versuche ein A4 A Triebwerk, mit Visol und
Salpetersäure auf 30 Tonnen Schub zu steigern. Bei den Brennversuchen wurde der
Ofendruck bis auf 40 Atü ( 13 bis 14 Atü bei der V2 ) und einer Tatsächlichen
Ausströmgeschwindigkeit von 2100 m/sec erreicht. 3000 M/sec. wollten sie
erreichen! Ziel dieser Entwicklung war ein leistungsstarkes Triebwerk mit einer
Leistung von 30 Tonnen Schub für das A4 ( später A8 ) und 6 x 30 Tonnen für das
A10.
Das A10
ursprünglich ein Einzelaggregat sollte in einer Studie die Erste Stufe einer
Interkontinentalrakete darstellen und das A4 die zweite Stufe. Die oft
verwendete Begriffsbestimmung A9-A10 nicht eindeutig und stammte wohl aus dem
allgemeinem Nachkriegs- Sprachgebrauch ! Die eigentliche Bezeichnung für die
Kombination aus geflügelten zweiten Stufe und dem A10 als erste Stufe , war
„zweistufiges- Aggregat“ . Die Sogenannte „Amerika Rakete“ wie sie heute genant
wird, dürfte wohl nie gebaut worden sein . Dem entgegen lautenden Berichten
sollte man nicht so ernst nehmen, da sich kaum einer der Publizisten dieser
„Geschichten“ mit der tatsächlichen Entwicklung dieser Technik befast hat . Die
meisten sind nicht einmal im Stande die wesentlichen Technischen Merkmale im
Detail darzustellen !
Abb.
17/18 Serien- Heizbehälter der Baureihe
B
Neben dem
Peememünder 18 Topf-Ofen wurde damals in Dresden an der Technischen Hochschule
unter Professor Georg Beck an einem revolutionärem Einspritzkonzept für die
Brennkammer gearbeitet . Dieser „ Ofen „ an dem ein gänzlich anderes Verfahren
der Einspritzung und Vermischung der beiden Treibstoffkomponenten zur Anwendung
kam, bot nach dem Krieg für die Russen und die Amerikaner die eigentlichen
Grundlagen für eine erfolgreich Triebwerksentwicklung. Aus Dokumenten des
Bundesarchivs in Freiburg ist zu entnehmen, das diese Brennkammer „Injektor“
als Serien-Brennkammer für die Baureihe „B“ vorgesehen war, aber dann wohl erst
1945 in der Baureihe „C“ ihre Verwirklichung erfahren hätte.
Auszug aus der Niederschrift über
die Arbeitsgruppenbesprechung der Arbeitsgruppe III Triebwerk, am 28.7.1942
Thema : Entwicklungsstand, Nullserien-Anlauf, Stand der Rohstoffumstellung und Vorbereitung zur Großserie:
Die Entwicklung des
Mischdüsenofens ist noch nicht abgeschlossen. Es wurden bisher 5 Mischdüsenöfen
mit 8 verschiedenen Mischdüsen gebrannt. Grundsätzlich hat sich die Brauchbarkeit
der Ringmischdüse für den vorgesehenen Zweck erwiesen, jedoch sind bei den
bisherigen Versuchen noch Entwicklungspannen durch Schwingungserscheinungen
aufgetreten. Die Ursache der Schwingungserscheinungen ist geklärt und soll
durch Neukonstruktion einer Düse beseitigt werden. Die Gemischbildung
/Ausströmungsgeschwindigkeit) reicht bei den bisherigen Versuchen an die des
18-Topfofens noch nicht heran, kann aber voraussichtlich noch verbessert
werden, so das der Ofen auf gleiche Leistung kommt. Für die weitere Entwicklung
der Mischdüse wird etwa ein Bedarf von 3 Monaten ( 1.10.1942 ) geschätzt.
Weiter heißt es in dem Bericht :
Am
1.10.1942 muss Endscheidung über die Ausführung der Mischdüse b.z.w. über eine
Weiterführung von 18-Topfgeräten gefällt werden.
Geplant war für das A4 Baureihe B mit totaler Umstellung auf Alternative Werkstoffe ( z.B. das ersetzen von Alu durch Stahl ) für die Großserie das Versuchsmuster Nr. A4 V15. Dieses Muster wurde aber wahrscheinlich nicht realisiert, da auch der Mischdüsenofen nicht zur Serienreife gelangte ! An stelle des Mischdüsenofens wurde der 18 Topfofenkopf, der für die Versuchsmuster aus Alu gefertigt wurde gegen einen aus Stahl ersetzt. Dieser wurde nicht aufgeschraubt , sondern mit dem Ofen- Unterteil verschweißt .
Offensichtlich wurde
das Ziel einen Ofen mit Ringspaltdüse zur Serienreife bis zum 1.10.1942 zu
entwickeln nicht erreicht. An Stelle des Ringspalt-Mischdüsenkopfes wurde nun
am 18 Topf- Mischkopf die Umstellung
auf Stahl durchgeführt und das Verschrauben des Kopfs mit dem Unterteil durch
Verschweißen ersetzt, was eine erhebliche Vereinfachung der Herstellung
bedeutete.
Auszug aus der Gerätebeschreibung vom
1.2.1945
( Achtung Datei ist 1 MB groß, download
dauert ca. 3 Minuten ! )
1945 Wurde das Projekt mit dem
Mischdüsenofen nochmals aufgenommen, neben den Ringspaltdüse wurden noch
verschiedene Bohrloch- Injektoren angefertigt .
Verschieden
Injektoren (Sammlung Olaf Prizibilski) A4 Triebwerk mit
Mischdüsenofen 1942 (Bild B531/42 BSM)
.
Darstellung des
Gerätes A4 mit Mischdüsenofen von 1942 ( B 564/42 BSM )
Heinz Bringer
entwickelte aus dem Prinzip der Ringspaltdüse das Triebwerk für die Viking die
erstmals am 8.4.1971 einen Schub von 55 Tonnen erbrachte, später wurde mit
Viking III 73,5 Tonnen Schub erreicht !
Neben Der Entwicklung der Ringspaltdüse für den Mischkopfofen arbeitete man
noch an einer zweiten Lösung die Bohrungsmischdüse die bereits früher in etwa 100 Versuchen bei 4
t-Öfen erprobt wurde. Mitte 1942 waren 3 Erprobungsmuster für 25 t Schub vorhanden.
Nach dem
zweiten Weltkrieg entstanden bei den Alliierten Forschungszentren die, die
Technik des A4 Untersuchten. Auch in Ländern die nicht unmittelbar von
erbeuteten Technologie profitieren konnten, gab es Versuche hinter das
Geheimnis des Antriebes zu kommen. Aus dieser Zeit gibt es eine ganze Reihe von
Fachpublikationen mit mehr oder weniger erfolgreichen Berechnungen und
Überlegung zur Raketentechnik. Die meisten Publikationen aus der Zeit bis 1952
sind meist spekulativ und zeugen von wenig Sachkenntnis, eine Ausnahme bietet
das SDV Fachbuch von Josef Stemmer,
„
Raketenantriebe „erschienen im Druck und Verlagshaus AG , Zürich 195, unter der
Mitwirkung von Dr. Ing. Eugen Sänger und Dipl. Ing. Heinz Gartmann. Obwohl zu
diesem Zeitpunkt dem Autor keine der Peenemünder Unterlagen zu Verfügung stand,
beinhaltet dieses Buch eine Vielzahl von Beschreibungen und Berechnungen, die
der Tatsächlichen Gegebenheit sehr nahe kam. Anschließend ein Auszug zur
Leistungsberechnung der Brennkammer des A4 . Auch in diesen Berechnungen ist
deutlich festzustellen das, das A4 Triebwerk wie es in Massen Produziert wurde
ein beiweiten noch nicht ausgereiftes System darstellte! Genau genommen
fertigte man nichts anderes als einen Laboraufbau das ein Minimum der
geforderten Leistung erbrachte !
< Zurück
©2001
Thomas Kliebenschedel