Das Aggregat 4 entsteht

Bereits ab Mai 1937 begann die Mannschaft um Wernher von Braun, die mittlerweile auf rund 80 Personen angewachsen war, nach Peenemünde umzuziehen. Nur Walter Thiel, zuständig für die Entwicklung des 25-Tonnen-Triebwerks für das Aggregat 4, blieb mit seinen Leuten noch bis Sommer 1940 in Kummersdorf, da Prüfstand 1, vorgesehen für Triebwerktests, nicht früher fertig gestellt werden konnte.

Thiel, ein „brillanter, bisweilen aber etwas sprunghafter Chemiker“, wurde im Herbst 1936 in Dornbergers Raketenabteilung versetzt, was einen „Meilenstein auf dem Weg zur Fernrakete“ darstellte. Denn „innerhalb von nur wenigen Monaten ergab sein analytischer und wissenschaftlicher Forschungsansatz, daß die gesamte bisher von Walter Riedel und Wernher von Braun betriebene Triebwerksentwicklung neu durchdacht werden mußte“ (Neufeld).

Die Triebwerke, die man bis dahin in Kummersdorf entwickelt hatte – für die A1- bis A5-Raketen –, waren immer länger ausgefallen, um den Treibstoffen genügend Zeit zu geben, vollständig zu verbrennen. Doch Thiel konnte anhand zahlreicher Versuche ableiten, dass die Verweildauer des Treibstoffs (und damit die Effizienz der Verbrennung) nicht von der Länge der Brennkammer, sondern von deren Volumen abhängt.

Das ermöglichte es, die Brennkammer des A4 als Rotationsellipsoid zu konstruieren. Rotationskörper haben das größte Volumen bei kleinster Oberfläche und bieten obendrein aufgrund ihrer Form die höchste Stabilität, was sie für hohe Brennkammerdrücke, das heißt hohe Gastemperaturen prädestiniert. Hohe Temperaturen sind nötig, um den ausströmenden Treibstoffgasen eine möglichst große Geschwindigkeit mitzugeben, denn der Schub einer Rakete ist um so höher, je größer die Ausströmgeschwindigkeit der Gase ist.

Damit das A4 eine Tonne Nutzlast 250 bis 300 Kilometer weit transportieren konnte – das war ja die Vorgabe –, musste das Triebwerk fast 200 Kilogramm der Antriebsstoffe (Alkohol/Wasser-Gemisch plus flüssigen Sauerstoff) pro Sekunde verbrennen. Mit einer zentralen Einspritzung, Vermischung und Zündung der Treibstoffe, wie bei den Triebwerken der A1- bis A5-Raketen, war ein so hoher Durchsatz nicht mehr zu gewährleisten.

Als Alternative schuf das Team um Walter Thiel ein Triebwerk mit Vorkammersystem, das heißt: Bevor die Treibstoffe in die Hauptbrennkammer gelangen, passieren sie zunächst einmal die Vorkammern, die sich am Brennkammerkopf (dem oberen Ende der Hauptbrennkammer) befinden. Eine Vorkammer, Einspritztopf genannt, ist „ein elementares, in sich selbständiges Einspritzsystem … Der kreisrunde Brennkammerkopf ist mit 18 solcher … Elemente bestückt, die auf dem flach gewölbten, konvexen Brennkammerkopf in zwei konzentrischen Ringen sitzen. Der äußere Ring ist mit zwölf, der innere mit sechs Töpfen besetzt. Jeder Topf enthält ein eigenes, komplettes Einspritzsystem.“ Der Brennstoff (Alkohol/Wasser-Mischung) wird zentral durch einen Pilzkopf über 24 Strahlbohrungen eingespritzt. Der flüssige Sauerstoff wird über sechs parallele Strahlbohrungen, die konzentrisch im Topfkonus angeordnet sind, eingespritzt. Erst nach dieser „Vorbrennung“ gelangen die Treibstoffe, bereits gut durchmischt, in die Hauptbrennkammer.

Die Auspufftöpfe des A4-Triebwerks
Die Vorkammern oder Auspufftöpfe

Durch die hohe Effektivität der Verbrennung konnte zwar die Ausströmgeschwindigkeit der Gase auf 2000 Meter/Sekunde gesteigert werden, doch ergaben sich dadurch auch neue Probleme. So lag die Temperatur in der Kammer bei rund 2.400 °Celsius; die regenerative Kühlung allein reicht nicht mehr aus, um die während der Brennphase des Triebwerks entstehende Wärme abzuleiten.

Regenerative Kühlung: Die Kühlung erfolgt nicht durch ein separates Kühlmittel, sondern durch den Treibstoff selbst. Spiralförmig winden sich außen um die Brennkammer die Kühlkanäle, durch die der Treibstoff gepumpt wird, bevor er in die Brennkammer gelangt. Dieses System leitete aber nicht einmal ein Drittel der vom Triebwerk produzierten Wärme nach außen ab.

Im Sommer 1939 hatte Moritz Pöhlmann, Ingenieur im Thiel‘schen Triebwerksteam, die Idee zur so genannten Schleierkühlung: Durch vier Ringe an der Außenwandung der Brennkammer, ein jeder mit 90 bis 150 feinen Bohrungen versehen, sickert ein winziger Teil des Brennstoffs, das heißt der Alkohol/Wasser-Mischung, in die Brennkammer ein. Dort vermischt er sich jedoch nicht mit dem Treib- und/oder Sauerstoff, sondern wird durch den Innendruck der Verbrennungsgase als feiner Kühlfilm oder – daher der Namen – Schleier an die Innenwandung der Brennkammer gedrückt. Dieser Film wirkt als Wärmeisolator.

Das Triebwerk des Aggregat 4 wurde also auf zweierlei Weise gekühlt: Einmal von außen, indem der Wandung durch den kontinuierlich im Mantel strömenden Treibstoff Wärme entzogen wird, und zum anderen dadurch, dass die Brennkammer durch den Treibstofffilm an den Innenwänden von den erhitzten Treibstoffen isoliert wird. Dieses „doppelte Kühlungssystem wurde zum klassischen Konstruktionskonzept für Flüssigkeits-Raketenmotoren bis hin zur Saturn V“ (Reisig), der Mondrakete der 1960er Jahre.

Der erste Testlauf eines komplett zusammengebauten A4-Triebwerks fand im Frühjahr 1940 auf dem gerade fertig gestellten Prüfstand 1 in Peenemünde statt. Wenige Wochen später zogen als Letzte auch die Triebwerksleute nach Peenemünde um.

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Zur Steuerung des Aggregat 4 wurden die bisher entwickelten Geräte – die Steuergeräte Sg33 (A3) und Sg52 (A5), die nach dem Prinzip der Kreiselsteuerung auf einer stabilisierten (raumfesten) Plattform funktionierten –, weiterentwickelt zum Sg66. Der Einsatz des (komplizierten) Geräts verzögerte sich jedoch aufgrund von Fertigungsschwierigkeiten der Herstellerfirma, und so fanden die ersten Flüge mit dem Sg66 tatsächlich erst im Sommer 1944 statt.

Doch hatte man bei Siemens Ende der 30er Jahre ein System zu entwickeln begonnen, das die Steuerungsprobleme vereinfachte. Dieses neue Konzept, Vertikant-Steuerung genannt, „beschränkt“, so Gerhard Reisig, „den Meßaufwand für die drei Achsenlagen der Rakete auf zwei Kreisel. Die beiden Ausführungen dieses Kreiselkonzepts sind kreiselmechanisch identisch, sie unterscheiden sich nur durch ihre Achsenorientierung innerhalb der Rakete und durch verschiedene elektrische Meßabgriffe der Achsenlagen der Rakete. Die Kreisel selbst sind Drehstrommotoren.“

Der erste Kreisel, der Horizontkreisel, misst die Nickbewegung der Rakete (also das Auf und Ab der Raketennase), der zweite Kreisel, der Vertikantkreisel, misst sowohl die Gierbewegung (das heißt die Querbewegung der Raketennase) als auch die Drehung der Rakete um die Längsachse (Drallbewegung). Revolutionär, oder „epochemachend“, wie Reisig schreibt, wurde das System durch die Verwendung des so genannten Mischgeräts, des ersten wirklichen Computers der Technikgeschichte.

Den Input für das Mischgerät liefert die Vertikant-Steuerung; er besteht aus den (Winkel-)Abweichungen, die die Kreisel für jede Achse vom jeweiligen Soll-Wert messen. Das Mischgerät gibt dann die Korrekturen dieser Abweichungen als Output an die vier Strahlruder weiter, die im Feuerstrahl der Rakete beweglich aufgehängt sind. Erfolgt die Korrektur direkt proportional – einer Abweichung von zum Beispiel einem Grad wird mit einem Grad in entgegengesetzter Richtung gegengesteuert –, führt das infolge der Trägheit des ganzen Systems (die Korrekturen treten mit Verzögerung ein) zu einer instabilen Flugbahn; die Instabilitäten können sich so weit aufschaukeln, dass sie schließlich zur Zerstörung der Rakete führen. Um das zu verhindern, war ein zweiter Regelkreis notwendig, der die momentanen Abweichungen der Flugbahn erkannte. Mathematisch handelt es sich dabei um die Ableitung (Differentiation) der eigentlichen Steuersignale, wodurch es möglich wurde, den Kurs der Rakete quasi in die Zukunft vorauszuberechnen und rechtzeitig darauf zu reagieren.

Die Werte der Abweichungen, die ins Mischgerät gelangen, liegen aber nicht als Zahlenwerte vor, sondern als Stromspannung. Das Mischgerät arbeitet also nicht mit digitalen Zahlenwerten, sondern mit einer analogen physikalischen Größe; es handelt sich beim Mischgerät mithin nicht um einen der heute üblichen Digitalrechner, sondern um einen Analogrechner. Das Gerät ermittelt die Korrekturwerte und gibt sie – ebenfalls als Spannungsgröße – an die Steuerruder weiter, die daraufhin die Korrekturen ausführen. Durch die Einbeziehung der Ableitung ergibt sich eine Dämpfung des Regelkreises, sodass es zu keiner Aufschaukelung mehr kommt und der Flug der Rakete somit stabil abläuft.

Ende 1941 hatte man in Peenemünde die drei großen Probleme des Raketenflugs – die Aerodynamik der Zelle, das stabile Brennen des Triebwerks sowie die Steuerung und Navigation der Rakete – gelöst und konnte Anfang 1942 mit den Teststarts des Aggregat 4 beginnen.

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