Den Hauptunterschied zwischen dem aktuellen und dem künftigen Arbeitspferd unter den europäischen Trägerraketen fasst Gerald Hagemann in einem Satz zusammen: „Die Ariane 5 wurde getrieben durch Technologie. Die Ariane 6 hat den Fokus auf den Kosten.“ Hagemann ist bei Airbus Safran Launchers (ASL) für Raumfahrtantriebe zuständig. Das Anfang 2015 von Airbus Defence and Space und Safran gegründete Gemeinschaftsunternehmen ist für Entwicklung und Bau der Ariane 6 verantwortlich. Sie soll von 2020 an das bisherige Flaggschiff Ariane 5 ablösen, in einer Übergangszeit bis 2023 werden beide Raketen parallel betrieben. Denn die Ariane 5 ist zwar äußerst zuverlässig – im Oktober gelang der 74. erfolgreiche Start in Folge –, aber im internationalen Vergleich zu teuer. „Es geht nicht nur um SpaceX, sondern auch um China, Russland, Japan und Indien“, sagt Hagemann. Für den Start einer Ariane 5 müssen Kunden rund 160 Millionen Euro berappen. Bei SpaceX gibt es einen Start mit einer neuen Falcon 9 schon für 62 Millionen Dollar (rund 56 Mio. Euro). Eine bereits verwendete SpaceX-Rakete kann 8,3 Tonnen Nutzlast künftig noch deutlich günstiger in einen geostationären Orbit bringen.
Zweite Chance für den Oberstufenmotor Vinci
Geplant sind bei der Ariane 6 Einsparungen von bis zu 50 Prozent im Vergleich zu ihrer Vorgängerin. Damit will man mit dem Startpreis pro Kilogramm Nutzlast von SpaceX mindestens gleichziehen oder ihn sogar unterbieten. Rund drei Milliarden Euro kostet die Raketenentwicklung, davon kommen 2,4 Milliarden Euro von der europäischen Raumfahrtagentur ESA. Mit einer Investition von etwa 400 Millionen Euro trägt die Industrie zwar nur einen relativ geringen finanziellen Anteil, doch erstmals in der europäischen Raumfahrtgeschichte sind kommerzielle Unternehmen voll für Entwicklung und Industrialisierung einer Trägerrakete verantwortlich.
Anders als SpaceX setzt ASL bei der Ariane 6 nicht auf Wiederverwendbarkeit, denn dafür wären deutlich mehr als die derzeit angepeilten zehn bis elf Starts pro Jahr nötig. Nichtsdestotrotz arbeiten die Ingenieure bereits an Nachfolgekonzepten (siehe Infokasten auf S. 78). Kosteneinsparungen sollen bei der Ariane 6 zum einen durch eine schlankere Unternehmensstruktur bei ASL und optimierte Abläufe erreicht werden, zum anderen auch durch die Übernahme vorhandener Komponenten.
So wird die Erststufe abgeleitet von der Ariane 5 ECA (Evolution Cryotechnique Type A), die hauptsächlich für kommerzielle Satellitenstarts genutzt wird. Als Antrieb der Ariane 6 dient das Vulcain 2.1 – eine Überarbeitung des in den 1980er Jahren für die Ariane 5 entwickelten Haupttriebwerks. Das Vulcain funktioniert nach dem Nebenstromverfahren, bei dem ein Teil des Wasserstoffs und des flüssigen Sauerstoffs in einem Vorbrenner gezündet wird, um so Pumpen für die Treibstoff- und Oxidatorförderung anzutreiben. Das Vulcain 2.1 bietet einen Vakuumschub von 137 Tonnen, also etwa zwei Tonnen mehr als der jetzige Ariane-5-Hauptantrieb. Um Kosten zu sparen, setzt ASL beim Vulcain 2.1 unter anderem auf additive Fertigung. Beispielsweise erhält das Triebwerk einen Gasgenerator, der anstatt aus hunderten Einzelteilen nur noch aus drei gedruckten Metallkomponenten besteht. Zudem werden elektrische Pumpen und eine Auxiliary Power Unit (APU/ Hilfstriebwerk) verwendet, damit der Tank auch ohne laufendes Triebwerk bedrückt werden kann. Jeweils 350 Tonnen zusätzlichen Schub beim Start liefern die neuen Feststoffbooster P120. Sie werden auch an der Erststufe der kleineren europäischen Vega-C-Rakete genutzt, die momentan von Avio und der italienischen Raumfahrtagentur ASI entwickelt wird.
In der Ariane-6-Oberstufe kommt mit dem Vinci ein Triebwerk zum Einsatz, das eigentlich für die Ariane 5 ME (Midlife Evolution) gedacht war. Die Arbeiten an Vinci begannen bereits um die Jahrtausendwende, doch ins Weltall geflogen ist der Raketenmotor noch nie. „Die Entwicklung wurde nach dem Fehlstart einer Ariane 5 im Jahr 2002 zurückgestellt“, erklärt Hagemann. Nachdem die von Deutschland favorisierte Weiterentwicklung der Ariane 5 Ende 2014 zugunsten der von Frankreich bevorzugten Ariane 6 gestrichen wurde, bekommt das kryogene Oberstufentriebwerk nun eine neue Chance.
Dabei setzen die Entwickler beim Vinci-Antrieb auf das Expander-Cycle-Verfahren: Der flüssige Wasserstoff umströmt zur Kühlung zuerst die Brennkammer, wird dabei verdampft und treibt dann eine Turbopumpe für die Treibstoffförderung an. Als Oxidator wird flüssiger Sauerstoff verwendet. Das Besondere an Vinci: Es ist wiederzündbar. „Dadurch kann die Ariane 6 Nutzlasten in andere Orbits befördern, als das bisher möglich ist“, sagt Hagemann. Interessant ist das unter anderem für Transporte zur ISS, das Aussetzen von Galileo-Satelliten – und für Missionen in den tieferen Weltraum.
Kosten sparen durch gedruckte Metallteile
Weil das Vinci nicht mehr ganz neu ist, überarbeitet ASL das Triebwerk. Das bisherige System mit Zündkerzen soll durch eine Laserzündung ersetzt werden. Anstelle zusätzlicher Tanks wäre dann nur eine kleine Elektronikbox nötig, die den 200 Watt starken Laser steuert. Das würde Kosten sparen. Anders als in der ursprünglich entwickelten Version, bei der auf die beengteren Raumverhältnisse der Ariane 5 ME Rücksicht genommen werden musste, wird das Vinci nun keine Ausfahrdüse mehr benötigen. Neu entwickelt wird mit 122 Einspritzelementen auch der Einspritzkopf, durch den Treibstoff und Oxidator unter hohem Druck strömen. Er soll aus Inconel additiv gefertigt werden. „Die Entwicklung läuft gerade, dazu sollen Tests auf dem europäischen Forschungs- und Technologieprüfstand P8 in Lampoldshausen stattfinden“, so Hagemann.
Im baden-württembergischen Lampoldshausen befindet sich eines der modernsten Testzentren für Raketentriebwerke in Europa. Betrieben wird es vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Zwischen Ende April und September durchlief das Vinci dort bereits zehn Tests, die der Entwicklung und Qualifikation dienen. Erprobt wurde dabei unter anderem die Wiederzündbarkeit im Vakuum. Das Vinci ist in Lampoldshausen ein alter Bekannter: Das jüngste Triebwerk war bereits das fünfte, das dort auf einem Prüfstand erprobt wurde. Im Januar 2017 soll hier auch das Hauptstufentriebwerk Vulcain 2.1 eine Testkampagne durchlaufen. Im französischen Vernon stehen bei ASL übrigens die gleichen Prüfstände wie in Lampoldshausen, dort wird die finale Qualifikation der Raketenmotoren durchgeführt. Momentan entsteht in Lampoldshausen im Auftrag der ESA eine neue, in Europa einzigartige Anlage mit der Bezeichnung P 5.2. Baubeginn des etwa 35 Meter langen, 45 Meter breiten und 30 Meter hohen Prüfstands war im Juni 2014. Rund 40 Millionen lässt sich die ESA die Anlage kosten. Von 2018 an sollen hier Tests ganzer Ariane-6-Oberstufen durchgeführt werden, dazu gehören Versuche zur Be- und Enttankung sowie Heißlauftests. Komplette Oberstufen können dort später qualifiziert werden.
Reicht die institutionelle Nachfrage aus?
Die Verwendung vorhandener Komponenten wie Vinci und P120-Feststoffbooster hat außer Einsparungen bei den reinen Entwicklungskosten einen weiteren Vorteil: „Dadurch müssen wir relativ wenig neue Infrastruktur für die Ariane 6 entwickeln“, sagt Hagemann. Zudem ist geplant, die Ariane 6, anders als die Ariane 5, am europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana horizontal und nicht senkrecht zusammenzubauen. Das soll die Integration günstiger machen, weil beispielsweise keine Kräne nötig sind und die Zusammenarbeit der Mitarbeiter vereinfacht wird. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Reduzierung der Kosten ist die Produktion möglichst hoher Stückzahlen. ASL und die Zulieferer wollen später jährlich elf Haupt- und Oberstufen sowie 35 Booster fertigen.
Die Ariane 6 wird nach einem Baukastenprinzip konfiguriert: Die mittelschwere Variante Ariane 62 mit einer Startmasse von rund 500 Tonnen soll mit zwei Boostern nicht-geostationäre Missionen fliegen und ist vor allem für institutionelle Starts gedacht, also für Kunden wie die EU-Kommission und die ESA. Die schwere Variante Ariane 64 mit einer Startmasse von 900 Tonnen kann mit vier Boostern geostationäre Orbits bedienen und ist für kommerzielle Anwendungen geeignet.
Damit für ASL und den Raketenbetreiber und -vermarkter Arianespace – an dem ASL einen Anteil von 74 Prozent übernimmt – das Geschäft aufgeht, sollen auf jede der beiden Varianten jährlich fünf bis sechs Starts entfallen. Ob es gerade im staatlichen Bereich genügend Missionen dafür gibt, wird von Branchenkennern bezweifelt. Eine verbindliche Zusage der ESA-Mitgliedsstaaten steht noch aus. Bemannte Starts mit der Ariane 6 sind bislang nicht geplant. „Aber wir sind offen für Diskussionen“, sagt Alain Charmeau, CEO von ASL.
Blick in die Zukunft
ASL entwickelt für die Ariane-6-Nachfolge bereits den Hauptstufenmotor Prometheus, betrieben mit Methan und Flüssigsauerstoff. Er soll aus noch mehr gedruckten Bauteilen bestehen und nur ein Zehntel so viel kosten wie das Vulcain. Das Wiedereintrittskonzept Adeline (Advanced Expendable Launcher with Innovative Engine Economy) von Airbus Defence and Space sieht vor, die Haupttriebwerke und die Avionik nach einem Start zu bergen und aufzubereiten. Ein erster Testflug ist für 2025 geplant.
FLUG REVUE Ausgabe 12/2016
