Eine Ariane-6-Oberstufe hob im Herbst zum ersten Mal vom Boden ab. Nicht ins Weltall, denn der Jungfernflug der neuen europäischen Trägerrakete wurde unter anderem wegen der Pandemie verschoben. Dafür aber am Deckenkran in der ArianeGroup-Produktionshalle in Bremen. Die bis dahin auf bodenbasierten Transportsystemen bewegten Einzelteile – Wasserstoff- und Sauerstofftank sowie Intertank-Struktur und Vinci-Triebwerk – wurden Anfang Oktober zum "Hot Firing Model" (HFM) zusammengefügt. Diese erste Oberstufe wird auch in ihrem weiteren Leben nicht in den Weltraum fliegen. Stattdessen wird sie im ersten Halbjahr 2021 auf dem neuen Prüfstand P5.2 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen auf Herz und Nieren getestet.
Combined Test Model
Auch die beiden nächsten Ariane-6-Oberstufen werden in Bremen schon produziert: das "Combined Test Model" (CTM), das im zweiten Halbjahr 2021 für gemeinsame Tests mit der Hauptstufe in Kourou eingesetzt wird, sowie das "Flight Model 1" (FM-1) für den Erstflug. "Wir sind mit der Ariane 6 auf einem guten Weg", sagt Karl-Heinz Servos, Chief Operating Officer der ArianeGroup in Deutschland.
Heißlauftest
Der P120C-Feststoffbooster hat am 7. Oktober in Kourou seinen dritten und letzten Heißlauftest bestanden. Damit sind alle drei Triebwerke für die Ariane 6 qualifiziert – neben dem P120C handelt es sich um das Vulcain 2.1 der Hauptstufe und das wiederzündbare Vinci-Triebwerk der Oberstufe. Die Endmontage der Hauptstufe im französischen Les Mureaux ist der letzte Meilenstein. "Wir lassen uns hier auch von Corona nicht aus der Ruhe bringen", sagt Servos.
Teure und unflexible Trägerrakete
Allerdings stellt sich nicht erst jetzt die Frage, ob die im Vergleich zur Ariane 5 um 40 Prozent niedrigeren Kosten ausreichen, damit die Ariane 6 ihre Rolle in einem verschärften Wettbewerb findet. Der Kritik an der immer noch zu teuren und unflexiblen Trägerrakete sind sich auch die deutsch-französische ArianeGroup und die europäische Raumfahrtagentur ESA bewusst. Deshalb wurde auf der ESA-Ministerratskonferenz in Sevilla Ende 2019 beschlossen, in den nächsten drei Jahren rund zwei Milliarden Euro in Europas Raketen zu investieren. Das beinhaltet auch die Weiterentwicklung der Ariane 6.
Extra-Kick für den Flug ins All
Die deutsche Industrie ist dabei mit mehreren Vorschlägen beteiligt. Ein wichtiges Element ist die sogenannte Kick Stage, die die ArianeGroup in Bremen, Ottobrunn und Lampoldshausen entwickelt. Diese zusätzliche kleine Oberstufe soll das Missionsprofil der Ariane 6 erweitern. Somit wären Doppelstarts möglich, bei denen eine erste Nutzlast in den geostationären Transferorbit (GTO) und eine zweite Nutzlast mithilfe der Kick Stage direkt in den geostationären Orbit (GEO) gebracht werden. Die Kickstufe könnte zudem Satelliten einer Konstellation auf mehreren Ebenen aussetzen. Verbaut wird die Zusatzstufe nach Angaben der ArianeGroup zwischen Oberstufe und Nutzlast, beim Ariane-Doppelstartsystem (DLS) wird sie in den Satelliten integriert.
Treibstoff für die Orbiterhöhung sparen
Nutzlasten direkt im Zielorbit auszusetzen, hätte für Satellitenbetreiber mehrere Vorteile: Sie würden Treibstoff für die Orbiterhöhung sparen oder könnten ganz auf elektrische Antriebe setzen. Die Satelliten könnten früher in Betrieb gehen und ihre Lebensdauer würde verlängert, weil die Bahnanhebung (vor allem bei Satelliten mit elektrischen Antrieben) und die damit verbundene Strahlungsbelastung aufgrund von Hunderten Passagen des Van-Allen-Gürtels sehr viel kürzer ausfielen. Für die ArianeGroup, die die Ariane 6 nicht nur entwickelt und baut, sondern über ihre Mehrheitsbeteiligung an Arianespace auch vermarktet, würde sich durch die Kickstufe das optimale Pairing, die Kombination verschiedener Nutzlasten für einen Raketenstart, vereinfachen. Das wiederum würde die Kosten für die Kunden senken. "Wir erwarten jährlich rund drei zusätzliche Starts durch die Kick Stage", sagt Servos.
BERTA-Triebwerk
Kernstück ist das bis zu 20 Mal wiederzündbare BERTA-Triebwerk (Biergoler Raumtransportantrieb), das in Ottobrunn entwickelt wird. Das Raketentriebwerk in der Schubklasse von vier bis fünf Kilonewton nutzt die Erfahrungen des Unternehmens im Bereich von Satellitenantrieben und setzt auf die lagerfähigen, flüssigen Treibstoffe Hydrazin und Stickstofftetroxid. Das reduziert die Komplexität des Triebwerks und seiner Systeme. Ein erster Demonstrator wurde bereits Ende 2018 vollständig im 3-D-Druckverfahren (selektives Laserschmelzen) gefertigt und hat seinen ersten Heißlauftest 2019 in Lampoldshausen absolviert.
Asteroiden-Mission HERA der ESA
Seit zwei Jahren arbeiten die Ingenieure an den deutschen ArianeGroup-Standorten an der Kick Stage. Zwei Millionen Euro hat der Konzern an Eigenmitteln bereits investiert. "Die erste Idee einer Kick Stage gab es bereits während der Auslegung der Ariane 5 in den 1990er Jahren", sagt Dr. Sven Rakers, verantwortlich für die zukünftige Oberstufe. Durch die Entwicklung der wiederzündbaren EPS-Oberstufe der Ariane 5 wurde sie allerdings zunächst nicht weiterverfolgt. Erst durch große Konstellationen, wie sie beispielsweise OneWeb plant, wurde die Kick Stage wieder interessant. Auch für Missionen zum Mond oder weiter wäre diese dritte Oberstufe denkbar. Der erste Einsatz auf einer Ariane 62 (Konfiguration mit zwei Feststoffboostern) ist entsprechend für die Asteroiden-Mission HERA der ESA im vierten Quartal 2024 geplant.
Arrangement aus Haupt- und Unterauftragnehmer
Der Zeitplan für die erste komplett in Deutschland entwickelte und gebaute Oberstufe ist also ambitioniert. Denn mit dem Bremer Satellitenhersteller OHB gibt es einen zweiten Bewerber um die Kick Stage. Über dessen Pläne ist bisher nichts bekannt, auf Anfrage der FLUG REVUE wollte sich das Unternehmen zu seinem Konzept nicht äußern. Das BERTA-Triebwerk der ArianeGroup ist aber gesetzt, egal wem die ESA den Vorzug gibt. So könnte es zu einem durchaus interessanten Arrangement aus Haupt- und Unterauftragnehmer kommen.
Schwarze Oberstufe
Neben der Kick Stage betrifft eine weitere Verbesserung das Material, aus dem die Ariane-6-Oberstufe, ihre Kryotanks und Strukturen gefertigt sind. Bislang kommt Aluminium zum Einsatz. Mit leichteren, kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) könnte Gewicht eingespart werden, was wiederum die Nutzlastkapazität erhöhen würde. Angepeilt sind zwei Tonnen zusätzlich (GEO). "Nur durch Verwendung von Carbon werden wir die Gewichtsreduzierung nicht schaffen", sagt Rakers. CFK könnte aber neue Architekturen und die Kombination von Funktionen ermöglichen, beispielsweise die Integration von Leitungen.
Projekts PHOEBUS
Im Rahmen des Projekts PHOEBUS (Prototype of a Highly OptimizEd Black Upper Stage) hat die ESA die ArianeGroup und MT Aerospace im Mai 2019 mit der Technologieentwicklung für eine schwarze, aus CFK hergestellte Oberstufe beauftragt. Die ArianeGroup ist dabei verantwortlich für innovative Stufen-Architekturen und die Systemintegration. MT Aerospace, Zulieferer der bisherigen Aluminiumtanks und OHB-Tochter mit Sitz in Augsburg, kümmert sich vor allem um die Werkstoffe und Technologien von Tanks und Strukturen unter kryogenen Bedingungen.
Extreme Temperaturen und hohe Drücke
Einfach ist der Materialwechsel aber nicht. Denn die Tanks für flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff müssen extreme Temperaturen und hohe Drücke aushalten. Bis man Demonstratoren in Originalgröße und mit echtem kryogenen Treibstoff und Oxidator erproben kann, dauert es wohl noch eine Weile. Doch auch hier ist der Zeitplan ehrgeizig. Eine "Black Upper Stage", offizieller Name ICARUS (Innovative Carbon Ariane Upper Stage), soll ab 2025 auf der Ariane 6 zum Einsatz kommen.
Internationaler Wettbewerb
Auch wenn der Zeithorizont für Karl-Heinz Servos und sein Team eine Herausforderung ist, sieht er das größte Problem in einem anderen Bereich und wird hier sehr deutlich: "Wir können in Deutschland mit dem internationalen Wettbewerb Schritt halten. Das geht aber nur, wenn wir die öffentlichen Gelder und Entwicklungsaufträge nach der bereits bestehenden Standortkompetenz verteilen. Diese Effizienz erwartet auch der Steuerzahler von uns." Über bessere industrielle Prozesse könnten die Kosten der Ariane 6 noch einmal um bis zu 20 Prozent gesenkt werden, so Servos.
Oberstufen aus Bremen
Was mit den beiden ersten Oberstufen (HFM und CTM) aus Bremen nach den Tests am Boden passiert, ist übrigens noch unklar. Vielleicht kommen sie ins Museum. Dieses Schicksal wird der Ariane 6 nach einem verspäteten, aber hoffentlich erfolgreichen Erstflug sicher erspart bleiben.
Europas Antwort auf die Falcon 9 von SpaceX
Die ArianeGroup, die französische Raumfahrtagentur CNES (Centre national d’études spatiales) und das DLR arbeiten bereits an einer Nachfolgerin der Ariane 6. Die nächste europäische Trägerrakete Ariane NEXT soll um 2030 in den Markt eingeführt werden und wiederverwendbar sein – mit einer Hauptstufe, die senkrecht landen kann, sowohl an Land als auch auf einer schwimmenden Plattform im Meer, so wie es SpaceX mit der Falcon 9 seit 2015 erfolgreich praktiziert.
THEMIS
Im Rahmen des Programms THEMIS soll ein Prototyp entstehen, der mit drei der künftigen Prometheus-Triebwerke ausgestattet ist. Vorläufer ist CALLISTO, ein kleiner, wiederverwendbarer Erststufen-Demonstrator. Der Jungfernflug der 15 Meter hohen Rakete ist für 2022 geplant.
