V2 Raketenfertigung in Friedrichshafen 1942-45

Die Entwicklung des Antriebes

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.

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.

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.

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 !

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.

T-Muster Experimental Heizbehälter

Die Brennkammer bestanden, 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 .

Heizbehälter A4 Baureihe A

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 A9 und 6 x 30 Tonnen für das A10.

Eine weitere Notwendigkeit hohe Ausströmgeschwindigkeit zu ereichen , war der Einspritzdruck, dieser lag bei der A4 bei ca. 14 Atü und wurde nicht wie bisher durch Stickstoff-Druckbeaufschlagung der Treibstoff-Tanks ereicht sondern durch eine Turbo-Pumpe .

Das A10 sollte die Erste Stufe einer Interkontinentalrakete darstellen und das A9 die zweite Stufe. Allerdings ist die Begriffsbestimmung A9-A10 nicht eindeutig und stammte wohl aus dem allgemeinem Sprachgebrauch ! Die eigentliche Bezeichnung für die Kombination aus geflügelten zweiten Stufe und dem A10 als erste Stufe , war „zweistufiges- Aggregat“ .

Technisch gesehen unterscheidet sich die zweite Stufe des Zweistufenaggregat derart vom eigentlichen A9, das man die zweite Stufe nicht als A9 bezeichnen dürfte ! 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 Endwicklung dieser Technik befast hat . Die meisten sind nicht einmal im Stande die wesentlichen Technischen Merkmale im Detail darzustellen !

Thiel starb am 17.8.1943 bei dem Bombenangriff auf Peenemünde .

Entwicklung des Mischdüsenofens mit Ringspaltdüse

Experimental- Mischkopfofen mit „ Ringspalt- Düse „

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 .

Serien- Heizbehälter der Baureihe B

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.

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