Das Triebwerk und die Reichweite
Das A9 war damals nicht das einzigste Projekt zur Reichweitenerhhung,
natrlich versuchte man auch Raketenantriebe zu entwickeln die mehr als den
bisherigen Schub erbrachten. Das A4 Triebwerk hatte bekanntlich einen Schub von
25 Tonnen, was im vergleich zu den heutigen Raketentriebwerken gerade zu lcherlich
ist. Vergleicht man die Baugre heutiger Triebwerke mit der des A4 wird das
Missverhltnis noch deutlicher. Nun knnte man sich fragen, ob es nicht mglich
gewesen wre aus dem A4 Triebwerk mehr als 25 Tonnen Schub zu holen, dazu muss
man sich das Kernstck der Triebwerkes genauer ansehen und sich mit den Grnden
vertraut machen, die zu dieser Bauweise fhrten . Der wichtigste Faktor drfte
wohl die Gastemperatur des verbrannten Treibstoffes sein. Die Gastemperatur ist
ein wesentliches Element den Energiegehalt des Treibstoffes in mechanische
Arbeit umzusetzen . Grob gesagt, um so heier das Verbrennungsgas um so hher
der Druck in der Brennkammer und um so hher die Austrittsgeschwindigkeit in
die Dse . Im falle des A4 Triebwerkes wurde versucht ein mglichst optimales
Zusammenspiel der einzelnen Faktoren zu erreichen die Einfluss auf Leistung und
Funktionsfhigkeit des Triebwerkes hatten. Diese Faktoren bestehen im einzelnen
aus der Dichte und dem Energiegehalt des Treibstoffgemisches, dem Prozess der
Verbrennung und die dabei zu erreichende Gasvolumen b.z.w. Drcke und der
Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus der Dse. Die Verbrennung ist zum einen
von der Zeit abhngig in dem der flssige Treibstoff in einen Gasfrmigen
zustand bergeht und zum anderen von der zeit der eigentlichen Verbrennung. Die
Gesamtverbrennungszeit besteht ca. aus
2/3 Zndverzugszeit + 1/3 Brennzeit, dis zur gnzlichen Verbrennung des
Treibstoffes. Um eine vernnftige Verbrennung zu gewhrleisten ergab sich aus
Berechnungen und Versuche das in einem weiten Bereich die Verbrennung in der
Kammer immer vollstndiger wird, je grer das Kammervolumen im Verhltnis zur
engsten Querschnittsflche der Auspuffdse steht. Durch dieses Verhltnis
werden nach oben steigend die Gasaufenthaltszeit beeinflusst und damit auch der
Wirkungsgrad und Ausstrmgeschwindigkeit grer, was immer anzustreben ist .
Allerdings darf andererseits das Kammervolumen nicht zu gro werden, damit die
Khlmglichkeiten nicht beeintrchtigt werden . Die Gasaufendhaltsdauer im A4
Ofen betrgt ca. 0,002 sec. vom Zeitpunkt der Einspritzung des Treibstoffes bis
dieser die Brennkammer verlst. Ein weitere Mglichkeit der
Verbrennungsoptimierung ist die Vermischung und Verdampfungszeit des
einzuspritzenden Treibstoffes in die Brennkammer zu reduzieren. Der nchste
Faktor in der Leistung eines Triebwerkes ist der Motorwirkungsgrad. Bei einem
spezifischen Treibstoffverbrauch von 125 Kg/sec. und einer tatschlichen
Austrittsgeschwindigkeit von 2160 m/sec. ergibt sich eine theoretisch
Schubkraft von 27500 kg . Die Verbrennung des Brennstoff- Wasser-
Sauerstoffgemisches erfolgt mit der Zusammensetzung : O - ( flssig )+ 75 %
C2H5OH ( thylalkohol ) + 25% H2O bei 20 % Brennstoffberschuss und ergibt pro
kg Gemisch einen Energiegehalt von 1600 kcal oder E= 685000 kgm/kg . Die
hieraus resultierende theoretische Ausstrmgeschwindigkeit ist somit 3660
m/sec. Bei 2160 m/sec. als praktisch mit dem A4 Triebwerk erreichten Wert
ergibt sich daraus der nicht gerade vorzgliche innere Motorwirkungsgrad von 34,9 %. Weiterhin betrug die
Verbrennungstemperatur in der Kammer 2550 C, welche sich bis zur Dsenmndung
nur auf 1330 C verminderte. Bei diesen Werten betrug der Kammerdruck 17 at
und der Dsenmndungsdruck 0,89 at. Die hohe Austrittstemperatur ist auf die
starken Nachverbrennungen innerhalb der Dse zurckzufhren. Der schlechte
Wirkungsgrad ist anderseits durch die Dissoziation bedingt, indem etwa 38
Gewichtsprozent CO2 und 10 Gewichtsprozent H2O dissoziert sind. Daraus lsst sich
eine gesamte Heizwerteinbue von etwa 35% ermitteln . Als Dissoziation wird die
Zersetzung von Verbindungen bei hohen Temperaturen in die einfachen
Bestandteile bis hin zu den einzelnen Atomen bezeichnet . Diese Zerlegung der
Molekle ist mit einem Verbrauch an wrme Energie verbunden der mit zunehmender
Temperatur steigt . Um das Auszugleichen bedarf es der zustzlichen Zufhrung
von Treibstoff um den Verlust an Wrmeenergie auszugleichen . Fasst man die
einzelnen Merkmale des A4 Triebwerkwerkes zusammen ergibt sich das an diesem
bei gleichbleibenden Treibstoff keine Leistungssteigerung ohne wesentliche
konstruktive nderungen am Einspritzsystem und der Brennkammer wie auch dem
Khlsystem mglich gewesen wre . Dieser Tatsache wurde den Konstrukthren wohl bereits sehr frh bewusst, so das
bereits vor dem Erststart eines A4 mit vllig anderen Einspritzsystemen als dem
des 18 Topf Ofens, oder gnzlich anderen Treibstoffen experimentiert wurde.
Eine schnelle Leistungssteigerung an der bestehenden Triebwerkstechnologie sah
man in der Verwendung von Gasl und Salpetersure. Die Mischung Gasl und
Salpetersure hat einen Energiegehalt von 1880 Kcal/dm und damit liegt die
theoretische Energiekonzentration um 190 kcal/dm niedriger als bei dem
verwendeten Alkohol und
Sauerstoffgemisch ( 2070 Kcal/dm). Die Effektive
Ausstrmgeschwindigkeit liegt bei gleicher Gewichtsmenge um ca. 200 m/s
niedriger. Allerdings besitzt die Mischung Gasl + Salpetersure eine hhere
Dichte als Alkohol + Sauerstoff . Bei gleicher Brennkammer Gre ermglicht das
einen hheren Massenaussto als bei gleichem Volumen des Alkohol Sauerstoff-
Gemisches. Im Normalfall wird man zu Gunsten der Gasaufendhaltsdauer des
Treibstoffes in der Brennkammer nicht unbedingt mehr Treibstoff einpumpen
sonder die bessere Verbrennung nutzen um den Motorwirkungsgrat zu steigern . Da
aber die Entwicklung einer Brennkammer eigens fr eine Treibstoffkombination
von Salpetersure und Gasl zu aufwendig gewesen wre ist es nahe liegend das
bestehende A4 Triebwerk zu nutzen. Eine einfache Vergleichsberechnung zeigt
dass, das A4 Triebwerk bei Verwendung eines Treibstoffgemisches von Alkohol +
Sauerstoff und der Einspritzmenge von 125 kg/sec. = ca. 125 cdm/sec. Und eine tatschliche Massenbeschleunigung
im Triebwerk von ca. 2000 m/sec. ein Schub von 25 Tonnen entsteht. Bei
Verwendung des gleichen Einspritzvolumens Salpetersure + Gaslgemisch 125
cdm/sec. sind das ca. 168 kg/sec. und bei der niedrigeren Energiekonzentration
von 1880 Kcal/dm3 , eine Massenbeschleunigung auf 1800 m/sec. , eine
Schubleistung von 30 Tonnen ! Aus dieser berlegung heraus begann man 1941 mit
Versuche ein A4 A Triebwerk, mit Visol ( Gasl) und Salbei (Salpetersure) auf
30 Tonnen Schub zu steigern. Bei den Brennversuchen wurde der Ofendruck bis auf
40 At ( 13 bis 14 At bei der V2 ) und einer tatschlichen
Ausstrmgeschwindigkeit von 2100 m/sec erreicht ( = 35 Tonnen ) . 3000 m/sec.
wollten sie erreichen = 50 Tonnen ! Das endsprechende Raketenprojekt wurde A8
genannt und entsprach von seinen Maen dem des A4 . Das A8 htte man mit 8330
kg Salpetersure und 1670 kg Gasl betankt und sollte bist zu 50 Tonnen Schub
haben. Bercksichtig man die genanten Berechnungsbeispiele der Treibstoffe in
Schubleistung und wirkungsgrad, wird deutlich das fr die erwartete Reichweite
eines Zwei-Stufenaggregates mit 180 und 30 Tonnen Schub nur die Verwendung von
Salpetersure und Gasl in Frage kommen konnte! Wie bereits angedeutet
versuchte man wesentliche Verbesserungen am Treibstoffeinspritzsystem vorzunehmen
das nebenbei auch die Herstellung der Triebwerke wesentlich vereinfachen sollte
. In Dresden an der Technischen Hochschule unter der Leitung von Professor
Georg Beck arbeitete man daher an einem revolutionrem Einspritzkonzept fr die
Brennkammer. Das bisher verwendete Einspritzkonzept bestand aus 18 einzelnen
Mischkammern die auf der Brennkammer platziert waren, diese aufwendige
Konstruktion sollte gegen eine einzelne 35 cm durchmessende Injektorplatte
ersetzt werden . Von der Konstruktion her bestand diese Injektorplatte aus
einzelnen bereinander gelegten
Metallringen die in den Zwischenrumen mit schmalen Spalten
versehen waren. Durch diese Spalten
( Ringspalten ) sollte der Treibstoff eingespritzt und vermischt werden . Schon mit den ersten
Endwrfen zum zwei- Stufenaggregat wurde als Brennkammer bereits ein Ofen mit
einer "Injektorplatte" vorgesehen !
Geplant war fr die
Groserienherstellung des A4 eine totaler Umstellung auf Alternative Werkstoffe
( z.B. das ersetzen von Alu durch Stahl ) das endsprechende Versuchsmuster Nr.
A4 V15. sollte als A4 Baureihe B eine neben Tanks aus Mipolam und eine
Turbopumpe aus Stahl, eine Brennkammer mit Injektorplatte beinhalten. Dieses Muster wurde aber wahrscheinlich nicht
realisiert, da auch der Mischdsenofen nicht zur Serienreife gelangte ! An
stelle des Mischdsenofens wurde der 18 Topfofenkopf, der fr die
Versuchsmuster aus Alu gefertigt wurde gegen einen aus Stahl ersetzt. Dieser
wurde nicht aufgeschraubt , sondern mit dem Ofen- Unterteil verschweit .
Auszug aus der Niederschrift ber die
Arbeitsgruppenbesprechung der Arbeitsgruppe III Triebwerk, am 28.7.1942 (BAMA)
Thema : Entwicklungsstand,
Nullserien-Anlauf, Stand der Rohstoffumstellung und Vorbereitung zur Groserie
Die Entwicklung des Mischdsenofens ist
noch nicht abgeschlossen. Es wurden bisher 5 Mischdsenfen mit 8 verschiedenen
Mischdsen gebrannt. Grundstzlich hat sich die Brauchbarkeit der Ringmischdse
fr den vorgesehenen Zweck erwiesen, jedoch sind bei den bisherigen Versuchen
noch Entwicklungspannen durch Schwingungserscheinungen aufgetreten. Die Ursache
der Schwingungserscheinungen ist geklrt und soll durch Neukonstruktion einer
Dse beseitigt werden. Die Gemischbildung (Ausstrmungsgeschwindigkeit) 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. Fr die weitere Entwicklung der Mischdse wird etwa ein Bedarf
von 3 Monaten geschtzt.
Weiter heit es in dem Bericht :
Am 1.10.1942 muss Endscheidung ber die
Ausfhrung der Mischdse b.z.w. ber eine Weiterfhrung von 18-Topfgerten
gefllt werden.
Offensichtlich wurde das Ziel einen Ofen
mit Ringspaltdse bis zum 1.10.1942 zur Serienreife zu Entwickeln, nicht erreicht.
An Stelle des Ringspalt-Mischdsenkopfes wurde nun am 18 Topf- Mischkopf die Umstellung auf Stahl durchgefhrt und
das Verschrauben des Kopfs mit dem Unterteil durch Verschweien ersetzt, was
eine erhebliche Vereinfachung der Herstellung bedeutete. Aus Dokumenten des Bundesarchivs in Freiburg und der TH
Dresden ist zu entnehmen, das diese
Brennkammer Injektor als Serien-Brennkammer fr die Baureihe B vorgesehen
war, aber dann wohl erst 1945 in der Baureihe C ihre Verwirklichung erfahren
htte. Das System der Einspritzung durch eine Injektorplatte wurde noch an der
Flugabwehrrakete Wasserfall realisiert. Allerdings hatte man bei diesem
Triebwerk ebenfalls Schwingungseffekte die bei einem greren Triebwerk die
Zerstrung der Brennkammer zu folge gehabt htte . Daraus ist anzunehmen das bis Kriegsende kein verwendungsfhiges
Triebwerk wie es im Entwurf des zwei- Stufen- Aggregates von Roht dargestellt
wird, zur Verfgung stand !
1 at = 0,981 bar
Literatur :
Josef Stemmer,
Raketenantriebe 1952
Helmut
Grttrup, ber Raketen 1959
Hans K.
Kaiser, Kleine Raketenkunde 1949
Dokumente :
Bundesarchiv Militrarchiv Freiburg RH 8 1959
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2004 Thomas Kliebenschedel