Der Zwischenschritt: A5

Neben Lenkung und Navigation sollte mit dem Aggregat 5 auch die günstigste aerodynamische Form des Raketenkörpers und der Heckflossen, die sich bei den Untersuchungen des A3 im Windkanal ja als nicht optimal herausgestellt hatten, gefunden werden.
Das stellte insofern eine Herausforderung dar, als dass die Zelle einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich abzudecken hatte: von Null (beim Start) bis in den Überschall, in den man vorstoßen wollte. Außerdem steckte die Überschall-Aerodynamik damals noch in den Kinderschuhen; es gab so gut wie nichts Praktisches, und nur wenig Theoretisches, auf das man in Peenemünde hätte zurückgreifen können.

"Als erster Anhalt für die Raketengestalt, besonders hinsichtlich eines geringen Luftwiderstandes und stabiler Überschalleigenschaften", schreibt Gerhard Reisig, "wurde die Form des bewährten deutschen Infanterie-S-Geschosses gewählt". Das eine Mündungsgeschwindigkeit von mehr als der 2-fachen Schallgeschwindigkeit hatte. "Diesem entsprechend besteht die A5-Gestalt aus einer Ogival-Spitze mit einem gerundeten Übergangskonus in den zylindrischen Mittelteil. An diesen schließt sich das wiederum ogivalförmig verjüngende Heck an. Auf diesem sind kreuzförmig vier Stabilisierungsflossen angeordnet."

An der grundlegenden äußeren Form der Zelle musste auch im Zuge der angestellten Windkanalversuche - durchgeführt in Friedrichshafen (Unterschall) und Aachen (Überschall), da der Peenemünder Überschallwindkanal erst ab Herbst 1939 genutzt werden konnte - wenig geändert werden. Das bestätigten auch Fallversuche mit Modellraketen: Massive Modelle von 1,5 m Länge und 0,2 m Durchmesser wurden mit der He 111 in 7.000 Meter Höhe geschleppt und über See abgeworfen. Die Modelle passierten in stabiler Bahn die Schallgeschwindigkeitsgrenze.

Als "das wesentliche aerodynamische Problem" erwies sich die Form der Heckflossen. Neben "eingehenden Modellmessungen im Windkanal" wurden größere Modelle angefertigt und mit einem einfachen Walter-Triebwerk von 120 kg Schub ausgerüstet. Die Brenndauer betrug 15 Sekunden, dann waren die 20 kg Treibstoff, die der Tank fasste, aufgebraucht. Bei diesen Modellen verwendete man unterschiedliche Heckflossen. Die Starts, zuerst vom Festland, dann von der Greifswalder Oie aus durchgeführt, zeigten am Ende, dass das Leitwerk etwas kürzer und breiter sein musste als beim A3.

A3
Das A3
A5
Das A5

Der direkte Vergleich zwischen dem A3 und dem A5 zeigt deutlich das "gedrungenere" Design des A5-Leitwerks, was die Rakete sozusagen "breiter in den Hüften" werden lässt.

Die Form der Zelle und der Flossen war aerodynamisch schließlich so günstig, dass sie mit nur sehr geringen Änderungen für das Aggregat 4 übernommen werden konnte. Dennoch gelang es nicht, das A5 über die Schallmauer zu beschleunigen, was aber hauptsächlich an den zahlreichen mitgeführten Messapparaturen lag, die die Rakete zu schwer für das Triebwerk werden ließ.

Der innere Aufbau des A5 war dem des A3 sehr ähnlich, "insbesondere traf dies auf die Anordnung des automatischen Steuerungssystems, der Treibstofftanks und des Raketenmotors zu. Die neue aerodynamische Formgebung bedingte jedoch einige Änderungen der Abmessungen der A5-Rakete. Zudem benötigten die umfangreichen neuen Kontroll- und Meßsysteme an Bord mehr Raum im Inneren. Entsprechend hatte der A5-Körper eine um 6% größere Länge und einen um 4% größeren Durchmesser. Durch die neue gedrungenere Form der Stabilisierungsflossen ist die Gesamtlänge der A5-Rakete (Spitze bis Flossen-Hinterkante) um etwas über 10% kürzer als die A3-Rakete."

Dimensionen des A5 (nach Reisig, S. 205) 
Länge total (mm)6.045
Zellenlänge ohne Flossen (mm)5.750
Breite über Flossen (mm)1.465
Flossenstärke (mm)90
Durchmesser der Zelle (mm)700
Leergewicht (kg)574
Treibstoffgewicht (kg)295
Brenndauer (sec)33

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Beim zweiten großen Entwicklungsbereich, das man mit dem A5 anging, dem der Lenkung und Navigation von Raketen, konnte man immerhin auf die Erfahrungen mit den Aggregaten 1 bis 3 zurückgreifen. Selbst die Fehlschläge, speziell die A3-Versager, lieferten verwertbare Erkenntnisse. Doch zeigte sich immer mehr, dass eine grundlegende mathematische Analyse der Raketen-Navigation unerlässlich war.

Eine Rakete lässt sich nur steuern während der Brennphase des Triebwerks. Nach Brennschluss folgt die Rakete einer ballistischen Flugbahn wie ein Geschoss, das den Pistolenlauf oder das Kanonenrohr verlassen hat; weder Geschwindigkeit noch Richtung lassen sich dann noch beeinflussen. Die Bahnkurve einer Rakete (und damit ihre maximale Entfernung oder Höhe), hängt ausschließlich von der Geschwindigkeit und der Richtung ab, die sie zum Zeitpunkt des Brennschlusses innehatte.

Steuerung und Navigation einer Rakete haben im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen: 1. Das Triebwerk muss immer exakt senkrecht zur Flugbahntangente brennen (da es ansonsten zu seitlichen Beschleunigungskräften käme). Dazu ist es notwendig, die Ausrichtung der drei Achsen der Rakete stabil zu halten. Und 2.: Die Kursabweichung der gesamten Rakete, das heißt ihres Schwerpunktes, muss ständig überwacht und gegebenenfalls korrigiert werden.

Um Abweichungen der Achsenausrichtung bzw. des Kurses unabhängig von Bodeneinrichtungen zu messen, ist es notwendig, dass die Rakete ihr eigenes Koordinatensystem, quasi den Nullpunkt aller Messungen, mitführt. Als "solches Bezugssystem bietet sich der Kreisel an", der nichts anderes ist als eine schwere Metallscheibe; versetzt man diese in rasche Drehung - mehrere tausend Umdrehungen pro Minute - behält sie ihre Lage gegen alle Störeinflüsse von außen im Raum bei. Ein solches System, dessen Raumlage durch einen Kreisel festgelegt ist, nennt man ein Inertialsystem. Es verhält sich im Prinzip wie ein Kinderkreisel: In Drehung versetzt, kehrt seine Drehachse immer wieder in die gleiche Raumlage zurück, wenn man ihn anstupst. Er tut das jedoch auf einem "Umweg", denn durch das Anstupsen (also dem Einwirken einer äußeren Kraft) reagiert der Kreisel mit einer Gegenkraft, die senkrecht auf der Rotationsachse steht und die dazu führt, dass der Kreisel einen Kreis im Raum beschreibt, das heißt die Drehachse pendelt sich mit einer gewissen Verzögerung wieder auf die ursprüngliche Raumlage ein. Und es ist diese Gegenkraft, die ein Inertialsystem misst.

In der Rakete sind die Kreisel, einer pro Achse, so aufgehängt, dass sich der Raketenkörper frei um ihn herum bewegen kann (Kardanaufhängung). Wirkt nun eine Störkraft auf eine Raketenachse (zum Beispiel eine Windbö), dann reagiert der Kreisel mit der erwähnten Gegenkraft, die zu einer Auslenkbewegung seiner Rotationsachse führt. Diese Bewegung wird - als Beschleunigung - abgegriffen und als Korrekturgröße an die Ruder, die im Feuerstrahl des Triebwerks hängen, weitergegeben. Nach dem im Prinzip gleichen Verfahren werden Abweichungen des Schwerpunktes der Rakete, was einer (unbeabsichtigten) Kursänderung entspricht, korrigiert.

Mathematisch formuliert wird dieser Regelkreis als ein System von Differenzialgleichungen. Insgesamt benötigt man sechs Gleichungen, drei - je eine pro Achse - für die Lage der Raketenachse und noch einmal drei für den Kurs der Rakete. Die Achsengleichungen beinhalten je sechs Messgrößen, die Kursgleichungen bestehen aus je drei Größen. Ausgearbeitet wurde dieser mathematische Formalismus unter der Leitung des genialen Dr. Hermann Steuding und "seiner außergewöhnlich fähigen Mitarbeiter. Die analytischen Arbeiten dieser Gruppe sind in 165 wissenschaftlichen Berichten niedergelegt. Sie bilden auch in der Gegenwart noch das konzeptuelle Gerüst jeder Steuerungsentwicklung für selbstkontrollierte [das heißt autonome] Flugkörper."

Neben Aerodynamik und Navigation, den größten Projekten innerhalb des A5-Projekts, wurden außerdem diverse Systeme so weit entwickelt, dass sie später für den Einsatz im A4 nur noch angepasst werden mussten. Dazu gehörten Geräte zur Aufzeichnung von Flugdaten, sowohl bordeigene als auch bodengebundene. Außerdem ein Boden-Radar (auf gut Deutsch damals Funkmessgerät genannt) zur Ermittlung der Fluggeschwindigkeit der Rakete, ein Boden-Leitstrahlsystem, das den Kurs der Rakete bestimmte und Einiges mehr.

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Insgesamt wurden, über 5 Jahre verteilt, von Herbst 1938 bis Sommer 1942, 28 Versuchsflüge mit dem Aggregat 5 gestartet. Das Ziel, das man sich mit dem Start des A5-Programms gesetzt hatte, wurde voll und ganz erreicht, denn "die intensive Erprobungsperiode des A5-Raketensystems auf der Greifswalder Oie", zieht Gerhard Reisig das Fazit, "erbrachte einen Schatz von Erfahrungen und Erkenntnissen, die einen wichtigen Schritt vorwärts auf dem Weg zur Raketentechnologie führten". Das umfasste natürlich auch die Schaffung von Grundlagen, auf die man bei der Entwicklung des ungleich größeren Aggregat 4 zurückgreifen konnte.

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