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 knnen muss, in dem herkmmliche
Antriebssysteme versagen und nebenbei eine bestimmte Beschleunigung erreicht
werden muss um diesen Raum berhaupt 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. Molekle vorstellen, je nach Temperatur
bentigen die Atome einen bestimmten Abstand zueinander . Mit Ausnahme von
Wasser, wissen wir das der Abstand der Atome bei niedrigster Temperatur am
geringsten ist, erhht man die Temperatur, beginnen sie zu schwingen . Da nun
die Atome b.z.w. Molekle sich nicht nur anziehen sonder bei der
Unterschreitung eines bestimmte Abstand auch abstoen, bentigen sie mit der
Temperatur abhngigen Schwingung mehr Platz . Solange nun die Atome den von
ihnen bentigten Raum ungehindert einnehmen knne, ihn also ausdehnen, ndert
sich am Umgebungsdruck nichts . Hindert man nun die Atome daran, den durch eine
Temperaturnderung bentigten Platz einnehmen zu knnen, entsteht eine Spannung
zwischen den Atomen. Die Spannung zwischen den Atomen steigt mit zunehmenden
Raumbedarf der sich erwrmenden Atome. Dieses Verhalten der Atome ntzt man nun
fr verschiedene Technische Anwendungen, die am leichtesten zu verstehende
drfte die Dampfmaschine sein. Hierzu wird Wasser derart verwrmt das es sogar
den Aggregatzustand ndert und weit ber 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. Entlst man
nun durch eine ffnung die Atome in einem Raum mit niedrigerem Druck und stellt
vor diesen noch ein Hindernis ( Kolben ) wird dieser durch die Entspannung der
Atome davon gedrckt und beschleunigt. Die Kraft der sich gegenseitig
abstoenden 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 Trgheit der
Beschleunigung entgegen bringen. Was nichts anderes heit, als das sich die
Atome von sich selbst als Hindernis abstoen . Diese Eigenschaft wird im
luftleeren Raum dahingehend ausgentzt, das sich in die eine Richtung die Atome
von sich selbst abstoen und in die andere Richtung gegen den
Austrittsbehlter wirken und diesen
beschleunigen wie den Kolben in einer Dampfmaschine. Natrlich kann dieser Kolben nur entsprechend der Geschwindigkeit
der davon strebenden Atome beschleunigt werden, daher versucht man ein
mglichst hohe Geschwindigkeit der Atome zu erreichen. Dis geschieht zum einen
durch den Druck in einem Raum und zum anderen durch die Form der ffnung, durch
das man die Atome aus dem Raum in den drucklose Umgebung entlst. Das A4 war eine fr damalige Verhltnisse
groe Rakete, die ein entsprechendes Gewicht besa. Um dieses Gewicht berhaupt
vom Boden zu bekommen errechnete man eine Schubkraft von mindestens 25 Tonnen !
Mit den ersten Projektarbeiten an der Fernrakete A 4 wurde daher eine
Versuchsdse/ 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 Reaktionsbehlter Molekhle die bei ihrer Entstehung sehr viel
Temperatur abgaben und das mit einer hohen Prozessgeschwindigkeit, die nahe an
eine Explosion im herkmmlichen sinne von Sprengstoff, heran kam . Diese
Reaktionskammer wurde sinngem 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 fr den Treibstoff, den Verbrennungsraum und
zuletzt dem Austritt fr das durch die Verbrennung des Treibstoffes
entstandenen Gases der in seiner Form als Laval-Dse ausgebildet ist. Das
Konzept entsprach der Kegel-Dse, die von Herman Opert erfunden wurde und als
Basis der meisten Entwicklungen diente. Von dieser Dse gab es damals schon
einige Varianten mit verschiedenen Einspritzkonzepten. Das Prinzip des Flssigkeitsantriebes basiert darauf , das in eine
Brennkammer getrennt der Brennstoff und ein Oxidator eingespritzt und nach der
Vermischung verbrannt wird. Ursprnglich wurden verhltnismig starke
Treibstoffstrahlen unter Druck gegeneinander gespritzt . Beim Aufeinander
prallen zerstubte der Treibstoff und wurde dann mehr oder weniger gleichmig
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 erwrmt. Durch den schnellen
Temperaturanstieg dehnt sich das gebildete Verbrennungs- Gas fast so schnell
wie eine Explosion aus. Nun hat die Brennkammer eine ffnung 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 ffnenden Trichter
begibt. Trotz der relativ groen ffnung, durch die eine Erwachsene Person
passt, entsteht in der Brennkammer ein konstanter Druck von ca. 14,5 at . Der
Druck wird nun durch den Trichter ( Dse ) an die Umgebung abgegeben. Diese
Dse hat eine speziellen parabolischen Form in dem ein Effekt entsteht der die
Ausstromgeschwindigkeit des Gases mit abnehmenden Druck auf
berschallgeschwindigkeit ansteigt lsst . ( Laval Dse ) Die 125 kg
Verbrannter Treibstoff wird dort auf eine Geschwindigkeit von ca. 2000m/sec.
beschleunigt. Daraus lsst 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 erhlt 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 Dse
Um eine restlose Verbrennung des vergasten
Treibstoffes vor dem Eintritt in die Ausstrmdse zu erreichen, waren die
Brennkammern in der Baulnge immer lang gehalten worden. Die Gasanalyse
besttigte diese Manahme, 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 Flssigkeitsstrahlen, eine feinste Vernebelung der
einzelnen Treibstoffe durch geeignete Zentrifugal-Einspritzdsen 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 rumliche Trennung der Einspritzdsen zum Verbrennungsraum
durch zu fhren. Damit erreichte man neben einer besseren Vernebelung auch
einen Schutz der Messing Einspritzdsen vor den Temperaturen in der
Brennkammer. Diese Manamen ermglichten eine Krzung des der
Versuchsbrennkammer von ursprnglich 2 m auf gerade noch 30 cm !
Die neue Versuchsbrennkammer fr 1,5 Tonnen Schub, die
nach einem Jahr betriebsreif wurde besttigten dann die Richtigkeit dieser
Manamen . Die Ergebnisse verblfften: 2100 m/sec Ausstrmgeschwindigkeit wurde
gemessen, nur 4,5 g/kp/sec betrug der Verbrauch !
Abb. 7.
Abb. 8. 2 mm Drall oder Zentrifugal-Dse (
B-Stoff Dse )
( Sammlung :
V2Werk-Oberraderach.de )
Abb. 9. 6 mm Drall oder
Zentrifugal-Dse
Neben den Messing Dsen,
experimentiert man auch mit anderen Werkstoffen:
Abb. 10/11. Links: Dralldse aus Eisen, rechts aus
Kupfer .
Fr den flssigen Sauerstoff verwendete
man eine zentral sitzenden Zerstuber ebenfalls aus Messing, den A-Stoff
Zerstuber.
A Stoff Zerstuber eines
A5 Experimenteller
Versuchszerstuber
Abb. 12/13. Links: A4 A-Stoff Zerstuber ( rechts, ein experimenteller
Zerstuber aus Eisen, wie er aber nie zur Anwendung kam !)
Nach
Erkenntnis von Dr. Olaf Przibilski entwickelte sich die Mischkpfe 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
drfte es sich um das bergangsstck von A5 ( ursprnglich A3 Triebwerk ) zum A4 handeln. Die beiden Bilder rechts zeigen einen Mischkopf fr einen
Versuchsofen Ofen mit mehreren Tpfen .
Mischkopf ( Topf ) aus der 1,5
t Brennkammer eines A5 ? und im Zustand vor der Zerstrung
Verschiedene experimentelle
Mischdsen
Mischkopf aus einem Ofen mit mehreren Tpfe
( Sammlung Olaf Prizibilski
)
Abb. 14/15. Entgltiger Mischkopf mit eingesetzten
Zentrifugaldsen und A-Stoff Zerstuber
Im Mischkopf wurden unterschiedliche
Drall-Dsen mit 2 und 6 mm ffnungen, zustzlich befanden sich im Mischkopf 1
mm Brennstoff und Schleierffnungen.
Ein anschlieend entwickeltes 4,5-Tonnen-Triebwerk mit
3 aufgesetzten Mischkammern des gleichen Typs zeigt, dass die Leistung bei
greren Einheiten nicht abfiel. Noch aber war eine wesentliche Schwierigkeit
zu berbrcken. Durch die besserte Verbrennung stieg die
Verbrennungstemperatur, die Khlflche dagegen aber war kleiner geworden. Fr
den Schutz der Brennkammer brachte dann Dipl. -Ing. Phlmann die Lsung, als er
vorschlug, zwischen den heien Verbrennungsgasen und den Brennkammerwnden eine
Isolationsschicht nach dem Gesetz der Verdampfungskhlung durch den Treibstoff
selbst zu schaffen. So entstand die Film- oder Schleierkhlung durch den aus
zahlreichen winzigen Bohrungen an den besonders gefhrdeten Querschnitten
austretenden Alkohol an den Brennkammerwnden, der das betriebssichere Arbeiten
der spteren A 4-Brennkammer erst ermglichte. Nach dem nun ein Leistungsstarkes
Triebwerk mit endsprechender Betriebssicherheit zur Verfgung stand , besprach
man das eigentliche 25 t Triebwerk. Wernher von Braun regte damals an ,
einfacher halber die Leistung der Geforderten 25 t durch die Bndelung von 18
dieser 1,5t Einspritzkpfe zu erreichen. Darauf hin wurde eine Brennkammer
gefertigt auf dessen Deckel 18 Einspritzkpfe 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 verschweitem dnnem Stahlblech. Damit war das
Brennkammerproblem fr die Fernrakete im Prinzip gelst.
Am 21.3.1940 brannte auf dem Prfstand 1 fr rund 60
Sekunden der erste 25 t Ofen und ffnete damit den Weg zur ersten Grorakete .
Erfolgreicher Brenntest auf
dem Prfstand 1 mit einer 9 t Brennkammer mit 6 Mischkpfe a 1,5 t
Einer der ersten 18 Topf fen,
vollstndig aus Aluminium / Brennkammer einer der ersten Prototypen des
A4 Baureihe A
Brennkammer der Baureihe A 1942 Oberteil der Brennkammer Baureihe A im HTI Peenemnde
Vollstndiges Triebwerk der Baureihe A 1942
Fr eine
Serienfertigung allerdings hielt man dieses Triebwerk nicht geeignet, da der
Ofenkopf nach wie vor aus Alu gefertigt war und mit seinen 18 Einspritztpfen
als zu aufwendig angesehen wurde. Um dieses zu ndern arbeitete man an einem Ofenkopf
der eine spezielle Mischdse ( Ringspaltdse ) enthielt. 1941 begann man mit Versuche ein A4 A Triebwerk, mit Visol und
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. 3000 M/sec. wollten sie
erreichen! Ziel dieser Entwicklung war ein leistungsstarkes Triebwerk mit einer
Leistung von 30 Tonnen Schub fr das A4 ( spter A8 ) und 6 x 30 Tonnen fr das
A10.
Das A10
ursprnglich 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 fr die
Kombination aus geflgelten zweiten Stufe und dem A10 als erste Stufe , war
zweistufiges- Aggregat . Die Sogenannte Amerika Rakete wie sie heute genant
wird, drfte 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 tatschlichen Entwicklung dieser Technik befast hat . Die
meisten sind nicht einmal im Stande die wesentlichen Technischen Merkmale im
Detail darzustellen !
Abb.
17/18 Serien- Heizbehlter der Baureihe
B
Entwicklung
des Mischdsenofens mit Ringspaltdse
Neben dem
Peememnder 18 Topf-Ofen wurde damals in Dresden an der Technischen Hochschule
unter Professor Georg Beck an einem revolutionrem Einspritzkonzept fr die
Brennkammer gearbeitet . Dieser Ofen an dem ein gnzlich anderes Verfahren
der Einspritzung und Vermischung der beiden Treibstoffkomponenten zur Anwendung
kam, bot nach dem Krieg fr die Russen und die Amerikaner die eigentlichen
Grundlagen fr eine erfolgreich Triebwerksentwicklung. Aus Dokumenten des
Bundesarchivs in Freiburg 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.
Auszug aus der Niederschrift ber
die Arbeitsgruppenbesprechung der Arbeitsgruppe III Triebwerk, am 28.7.1942
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 ( 1.10.1942 ) 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.
Geplant war fr das A4 Baureihe B mit totaler Umstellung auf Alternative Werkstoffe ( z.B. das ersetzen von Alu durch Stahl ) fr die Groserie das Versuchsmuster Nr. A4 V15. 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 .
Offensichtlich wurde
das Ziel einen Ofen mit Ringspaltdse zur Serienreife bis zum 1.10.1942 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.
Auszug aus der Gertebeschreibung vom
1.2.1945
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1945 Wurde das Projekt mit dem
Mischdsenofen nochmals aufgenommen, neben den Ringspaltdse wurden noch
verschiedene Bohrloch- Injektoren angefertigt .
Verschieden
Injektoren (Sammlung Olaf Prizibilski) A4 Triebwerk mit
Mischdsenofen 1942 (Bild B531/42 BSM)
.
Darstellung des
Gertes A4 mit Mischdsenofen von 1942 ( B 564/42 BSM )
Heinz Bringer
entwickelte aus dem Prinzip der Ringspaltdse das Triebwerk fr die Viking die
erstmals am 8.4.1971 einen Schub von 55 Tonnen erbrachte, spter wurde mit
Viking III 73,5 Tonnen Schub erreicht !
Neben Der Entwicklung der Ringspaltdse fr den Mischkopfofen arbeitete man
noch an einer zweiten Lsung die Bohrungsmischdse die bereits frher in etwa 100 Versuchen bei 4
t-fen erprobt wurde. Mitte 1942 waren 3 Erprobungsmuster fr 25 t Schub vorhanden.
Nach dem
zweiten Weltkrieg entstanden bei den Alliierten Forschungszentren die, die
Technik des A4 Untersuchten. Auch in Lndern 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
berlegung 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 , Zrich 195, unter der
Mitwirkung von Dr. Ing. Eugen Snger und Dipl. Ing. Heinz Gartmann. Obwohl zu
diesem Zeitpunkt dem Autor keine der Peenemnder Unterlagen zu Verfgung stand,
beinhaltet dieses Buch eine Vielzahl von Beschreibungen und Berechnungen, die
der Tatschlichen Gegebenheit sehr nahe kam. Anschlieend 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 !
< Zurck
2001
Thomas Kliebenschedel