OTRAG LV
 
 

OTRAG - Orbital Transport- und Raketen AG
  


Lutz Thilo Kayser
* 31. 03. 1939    † 19. 11. 2017

 "In order to exploit this low-cost rocket technology on a commercial basis Lutz Kayser founded OTRAG (Orbital Transport und Raketen AG) in Stuttgart. It was the world's first commercial launcher development, production and launch company.
Kayser's concept involved the parallel clustering of large numbers of identical propellant tank and rocket engine modules. This allowed the application of mass production techniques as used in the automobile industry. This in turn resulted in cost reduction by a factor of 10. This breakthrough and the static testing in of prototype modules at Lampoldshausen stirred concern in the competitive aerospace industry. The established space launch companies were accustomed to making easy guaranteed profits through high cost plus fixed fee government contracts. In December 1975 OTRAG signed an agreement with the Congolese government to establish a rocket range at Shaba (Katanga). Here a pad and gantry were erected and flight tests began in 1977. Logistic support was via antique British Argosy transports landing at a dirt strip on a plateau overlooking the jungle.
Kayser's activities made the great powers nervous. The USSR and France were not interested in Germany achieving an indigenous long-range rocket activity. American rocket makers were not interested in having a low-cost competitor. A propaganda campaign began, alleging OTRAG was a cover for German and South African nuclear cruise missile development. Crude Soviet-source disinformation was eagerly picked up and given credibility by the American mainstream media. The government of the Congo was pressured by the Russians to withdraw permission to use the site. OTRAG left the country in April 1979.
USSR and French applied further heavy political pressure on the German government to completely cancel the project. OTRAG had to terminate production in Germany. Tooling and materials were relocated to a new combination assembly and launch site in a remote area of the Sahara Desert, in Libya.
Another test series was begun in there in 1981. This achieved tremendous results. 14 suborbital test flights proved the concept and led to a 100% qualification of the technology and the verified the extremely low production cost. But planned 2- and 3-stage long-range tests and orbital attempts from Libya were cancelled by OTRAG when Germany became a party to the Missile Control Regime. This prohibited such tests in developing countries after 1982. Further testing of the rocket was moved to Sweden in 1983. But this action in turn led to Libyan military circles eyeing the facilities as a means of obtaining military rocket technology.
In 1983 the Libyan Government unlawfully confiscated all of OTRAG's rocket manufacturing and test equipment in the country (as it had done earlier with petroleum production facilities of Western companies). All of Kayser's attempts to obtain return of the property or to receive damages were unsuccessful. Without Kayser's know-how the Libyans were able to conduct only a few test launches with the stolen equipment. After ten years of desultory testing the Libyan program came to an end. The Libyans were apparently unsuccessful because the essential know-how and blueprints were retained by Kayser.
Another test series was begun in there in 1981. This achieved tremendous results. 14 suborbital test flights proved the concept and led to a 100% qualification of the technology and the verified the extremely low production cost. But planned 2- and 3-stage long-range tests and orbital attempts from Libya were cancelled by OTRAG when Germany became a party to the Missile Control Regime. This prohibited such tests in developing countries after 1982.
Further testing of the rocket was moved to Sweden in 1983. But this action in turn led to Libyan military circles eyeing the facilities as a means of obtaining military rocket technology.
In 1983 the Libyan Government unlawfully confiscated all of OTRAG's rocket manufacturing and test equipment in the country (as it had done earlier with petroleum production facilities of Western companies). All of Kayser's attempts to obtain return of the property or to receive damages were unsuccessful. Without Kayser's know-how the Libyans were able to conduct only a few test launches with the stolen equipment. After ten years of desultory testing the Libyan program came to an end. The Libyans were apparently unsuccessful because the essential know-how and blueprints were retained by Kayser.
The project was finally squelched by the German government under pressure from the Soviet and French. OTRAG was shut down in 1986. Already in 1982, Lutz Kayser had left the OTRAG.
The final rocket launch was in 1983 from Esrange/Sweden. The rocket flew normally for about ten seconds, when it suddenly exploded. The commission of inquiry found out that the reason was a payload problem. An opening had been made in the nose cone in front of the lens of a photometer. There was no glass cover. When the rocket accelerated, the rectangular hole acted just like an organ pipe. This led to vibrations which caused the explosion."


OTRAG Rakete

Textausschnitt: Bernd Leitenberger (aber leicht verändert)

Die Module
Das grundlegende Prinzip ist das massive Bündeln einzelner Module, die mit einem sehr einfachen Triebwerk verbunden sind. Eine kleine dreistufige Trägerrakete (Kayser-1) mit 4 CRPM in der dritten Stufe, 12 CRPM in der zweiten Stufe, und 48 CRPM in der ersten Stufe sollte eine Nutzlast von 1,000 kg in eine erdnahe Umlaufbahn bringen. Die getesteten Module (CRPM) hatten zunächst eine Länge von 6 oder 12 m. Die für eine Trägerrakete verwendeten Module sollten eine Länge von 24 m haben.

Die ersten getesteten Module hatten 4 Tanks und 4 Treibwerke (Zaire-Typ). Diese Technologie, jeweils zwei getrennte Tankröhren für Oxidator und Brennstoff nebeneinander, wurde aber nur bei den ersten fünf  Aggregaten  angewandt. Die erforderliche Druck in den Oxidatortanks wurde durch eine Druckleitung aus dem Brennstofftanks aufgebaut. Später, bei den Aggregaten mit nur einem Triebwerk, wählte man die konventionelle Lösung, d.h. Anordnung der Tanks in einem Modul übereinander in Reihe.

Die Tanks
Die Tanks sollten aus modifizierten Pipeline-Rohren aus der Erdölindustrie bestehen. Jedes Rohr ist 27 cm dick und 3 m lang. Es besteht aus 0.5-1 mm dicken, kohlenstoffarmen Edelstahl. Für die Tankdicke wurde in einem Bericht von 1979 ein Wert von 1.0 mm genannt und Lutz Kayser gab ihn 2005 mit 0.5 mm an  (H. O. Ruppe schreibt von 0.38 mm, allerdings bei 30 Bar Innendruck und wahrscheinlich verwendet für das 3m lange Esrange-Aggregat).
Die Tanks wogen bei 0.5 mm Wandstärke etwa 3.3 kg pro laufenden Meter. Dazu kam bei jeder Verbindungsstelle ein Zwischenboden von 2 kg Masse. Ein 3 m Modul wog damit etwa 12 kg inklusive der Schrauben zum Verbinden.
Bis zu 8 dieser Rohre, mit einem Bajonettverschluss zusammen verbunden, bilden einen Tank von 27 cm Durchmesser und maximal 24 m Länge. Es sind aber auch Bündel mit kleineren Längen möglich (6 m und 12 und 18 m). Jeder Tank hat einen Tankboden der unterbrochen sein kann, damit die Tanks durchgängig gefüllt werden können. Die Tanks werden nur zum Teil gefüllt, der Rest ist Druckluft mit 30 oder 40 Bar Anfangsdruck, welche die Treibstoffförderung übernimmt. Infolge der Leerung der Tanks sinkt der Druck dann auf 10 bzw. 15 Bar zum Schluss ab.
Als Treibstoff wurde die Kombination Salpetersäure / Dieselöl verwendet. Die perspektivische Zumischung von Stickstofftetroxid macht die Mischung nochmals etwas dichter. Die als HDA (High density acid) bezeichnete Flüssigkeit, ist eine Mischung von 50 % Salpetersäure und 44-49 % Stickstofftetroxid und kleinen Mengen von Fluorwasserstoff und Wasser. HDA ist noch dichter als Salpetersäure. Die Tests fanden jedoch noch mit normaler 98 % Salpetersäure statt bei einem Tankdruck von 30 Bar.
Der Betankungsvorgang konnte in minimal 3 Minuten zeitlich parallel und vollautomatisch in allen Modulen aus mit separaten Betankungsanlagen erfolgen. Die Ventile in den Tanks sind so justiert, dass der Widerstand beim Verbrennungsträger höher ist als bei Oxidator, so dass ein gleichmäßiger Treibstofffluss entsteht und das Volumenverhältnis von Oxidator zu Brennstoff immer gleich bleibt.



Final OTRAG launch
 from Esrange, Sweden.
Source: Sven Grahn


Das Triebwerk
Jedes Triebwerk ist wie die Tanks 27 cm breit und 1 m lang. Davon entfallen 60 cm auf die Brennkammer und Düse und der Rest auf Ventile und Einspritzblock. Das Triebwerk ist fest, nicht schwenkbar. Es wird nicht aktiv gekühlt, sondern verwendete eine Ablativkühlung aus Kunstharz und Asbest. Die einzigen beweglichen Teile sind die Ventile, welche den Treibstofffluss regeln. Die Kugelventile werden von Gleichstrom-Elektromotoren angetrieben. Jedes Triebwerk hatte einen Schub von etwa 25 kN. Dieser nimmt während des Abbrandes ab. Die Masse des Triebwerks betrug 65 kg beim Start.
Anders als bei anderen Triebwerken wird der Treibstoff nicht durch einen Einspritzkopf oben am Triebwerk sondern radial von der Außenseite eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt durch 3 Ringe mit je 144 Öffnungen..
Der Düsenhals ist ein einfacher Graphitring. Durch seine Öffnung kann der Schub geregelt werden. Eine Öffnung von 80 mm wurde bei den Tests mit 6 oder 12 m langen Modulen verwendet. Diese Öffnung ergibt einen Schub von 25 kN, der linear bei dem Flug auf 15 kN abnimmt (durch die Abnahme des Brennkammerdruckes von 30 auf 10 Bar). Bei den Modulen mit 24 m Länge (und HDA als Oxidator) sollte die Öffnung einen Durchmesser 100 mm haben. Der Schub wäre dann 30-35 kN zum Beginn und würde abnehmen auf 15 kN (Brennkammerdruck von 40 bzw. 15 Bar).

Die Brenndauer war abhängig vom Befüllungsgrad der Tanks und dem Schub. Für die perspektivische 24 m Version wird ein Befüllungsgrad von 78% genannt. Bei einer Befüllung mit Diesel/HDA sollte der Schub auf 35 kN steigen. Der spezifische Impuls wird von Lutz Kayser mit unglaublichen 2648 N*s/kg am Boden und 2913 N*s/kg im Vakuum angegeben.

Anmerkung: Verschiedene Quellen halten die Angaben von Lutz Kayser für unrealistisch und gehen von etwa nur 85% der angegebenen Werte aus für ein einzelnes HDA-Modul. Nach Lutz Kayser beziehen sich seine Werte auf ein gebündeltes Aggregat.  Die sich aus vielen Triebwerken verbindenden Gasströme stauen sich und so kommt es zu einem weiteren Rückstoß, der den spezifischen Impuls steigern soll.

Die Konstruktion des Triebwerks ist simpel. Es gibt keine beweglichen Teile, keine Pumpen oder Gasgeneratoren, keine doppelwandige Brennkammer mit Regenerationskühlung. Das gesamte Triebwerk besteht praktisch aus einem Block mit dem Ablationsmaterial aus Asbest eingebettet in eine Matrix aus Phenolharz, aus dem man die Konturen von Brennkammer und Düse gefräst hatte. Der Düsenhals bestand aus Graphit. Aufgrund der Modulbündelung kann ein Triebwerk nur maximal 27 cm breit sein, das bedeutet dass die Düsenfläche begrenzt ist. Das Flächenverhältnis von Düsenhals zu Düsenmündung beträgt nur ~6. Die Zündung erfolgt durch eine Flüssigkeit (50 % Furfurylalkohol in 50 % Wasser) am Boden der Dieselöltanks.

Eine Steuerung geschieht über Ventile, die den Treibstofffluss in 3 Stellungen regeln. Ein halber Durchfluss entsprach einem Schub von 40 % des Nominalwertes. Die Rakete würde sich neigen, indem man den Zufluss an einer Seite absenkt und so den Schub reduziert.
In der aerodynamischen Phase sollten bei den einfachen ersten Modellen Rohrflossen (kurze Rohre) anstatt Finnen die Rakete stabilisieren. Die größeren Versionen würden dann eine Regelung der Schubkraft einsetzen, um die Bahn zu ändern.
Neben der Regelung der Schubkraft über den Zufluss war es auch möglich den Schub über den Förderdruck zu regeln. Dieser sank, während sich die Tanks entleerten, von alleine von 40 auf 15 Bar ab. Es wäre aber auch möglich gewesen den Anfangsdruck zu verringern. Der minimale Schub für einen stabilen Betrieb betrug 40 % des Nominalschubs, also etwa 10 kN.

"Kayser I" rocket
Ein Tank von 24m Länge mit einem Triebwerk (Common Rocket Propulsion Unit) bildet eine kleinste Einheit. Die "Kayser I"  Rakete besteht aus konzentrisch ineinander geschachtelten Würfeln mit folgender Stufung :

Stufe 3 :   4 x CRPU (2x2 Würfel)
Stufe 2 : 12 x CRPU (+  4 CRPU = 16 CRPU = 4x4 Würfel)
Stufe 1 : 48 x CRPU (+12 CRPU = 64 CRPU = 8x8 Würfel)

Diese Rakete mit einer Startmasse von etwa 100 t besäße eine Nutzlast von etwa 0.5 t und wäre ohne Nutzlast 25 m hoch und 2.4 m breit. Die Höhe bleibt, nur die Breite wird bei den folgenden Modellen immer größer. Die äußeren Stufen umgeben daher die inneren ringförmig. Prinzip bedingt sind so zahlreiche Variationen möglich, wobei die innerste Stufe immer ein Viererkern ist.

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Im Jahre 2008 vermeldete die Firma Interorbital, dass Lutz Kayser sie bei der Antriebstechnik berät. Ihre Klasse von "Neptun" Raketen verwendet das Prinzip der OTRAG Triebwerke und das Modulkonzept. Nun ist Lutz Kayser plötzlich, nach kurzer schwerer Krankheit, am 19.11.2017 gestorben. Am 08.11. 2017 hatte ich noch Kontakt mit Ihm per e-mail.