Selbstbedienungsladen Raketentechnik

Innerhalb des Themenkomplexes Raumfahrt hat jeder seine Interessengebiete. Bei mir sind es Raumsonden und Raketen. Dabei gibt es auch Schwerpunkte. Ein Schwerpunkt ist – wie man auch unschwer an meinen veröffentlichten Büchern erkennen kann – die Entwicklung der Raketen in Europa. Das liegt zum einen auf der Hand: denn ich bin ja Europäer und deutsche Firmen sind mit am Arianeprogramm beteiligt. Zum anderen liegt es an der Historie. Als ich mich für das Thema interessierte, das war der Sommer 1980, war die Ariane 1 gerade bei ihren Erprobungsflügen. Der zweite Test der Ariane 1 schlug fehl, der dritte Start stand an. Ich habe damals Zeitungsausschnitte gesammelt und erinnere mich noch an den Tenor zahlreicher Berichte: der war überspitzt so zu formulieren „schön, wenn Europa jetzt mit der Ariane eine funktionierende Trägerrakete hat, nachdem sie mit der Europarakete ja scheiterten, aber sie ist völlig veraltet. Europa entwickelt eine neue Trägerrakete, die USA stellen die Produktion von „Wegwerfraketen“ ein, bald wird das Space Shuttle Transporte viel billiger machen“ (ja das ist 40 Jahre her, passt aber bei Austausch der Bezeichnungen aber auch auf ein heutiges Projekt).

Ich habe mich dann gefreut, als die ersten internationalen kommerziellen Aufträge für Arianespace kamen, erlebte dann mit, wie Ariane 4 zum Marktführer wurde. Doch seitdem steigert sich die Unzufriedenheit bei mir. Ariane 1 war ein guter Kompromiss zwischen bewährter Technik und dem Risiko neuer Technologien und den Folgen deren Einsatz auf die Höhe der Nutzlast und die Kosten. Ariane 2 bis 4 optimierten das Konzept und steigerten die Nutzlast drastisch, indem man einfach die Komponenten neu mischte.

Mit Ariane 5 begann ein Wandel. Mir hat das Basiskonzept der Ariane 5 schon nicht gefallen. Man verlor die Flexibilität der Ariane 4 indem man zwei große anstatt 4 oder 6 kleine Booster eingesetzte. Erstaunlicherweise kommt man bei der Ariane 6 wieder darauf zurück. Die Konzeption der Ariane 5 ist leicht erklärbar, wenn man die Historie kennt. Sie war ursprünglich ein Baustein des Dreigespanns Ariane 5 – Hermes – Columbus. Die beiden anderen Programme, welche die große Nutzlastkapazität für den LEO erforderten, wurden eingestellt. Ariane 5 mit einer großen LEO-Nutzlast, aber nur kleinen GTO-Nutzlast blieb übrig. Man besserte mit der ESC-A Oberstufe nach, einer Adaption der Ariane 1-4 Drittstufe auf den größeren Durchmesser der Ariane 5. Doch als die Entwicklung der endgültigen Oberstufe ESC-B anstand, gab es den Fehlstart der ersten Ariane 5E und die Gelder für die neue Oberstufe wurden für ein Rettungsprogramm verwendet. Dabei blieb es auch, als 2005 die Ariane 5E erfolgreich wieder flog. Als die Entwicklung wieder aufgenommen werden sollte, hatte sich der Markt gewandelt. Russische Träger waren nun die Konkurrenten und sie waren erheblich preiswerter als die US-Konkurrenz. Frankreich drängte darauf, keine neue Oberstufe, sondern eine neue Rakete zu bauen,

Anstatt die Oberstufe zu bauen, beschloss die ESA die Ariane 6. Aus den zuerst radikalen Konzepten mit vielen Feststoffboostern und nur einer flüssigen Oberstufe wurde schließlich eine Neuauflage der Ariane 5. Im Prinzip ist es technisch eine Ariane 5 mit ESC-B Oberstufe und vier (anstatt zwei) halb so großen Boostern. Dafür hätte man nicht das Geld lockermachen müssen. Aber mit SpaceX als Menetekel konnte man wieder Geld von den europäischen Staaten loseisen.

Nichts dagegen, dass man nach 30 Jahren die Ariane 5 ablösen muss, doch dann richtig. Die neuen Booster sind okay, wenn man zur gleichen Zeit an einem neuen Triebwerk, – Prometheus arbeitet, wäre zu überlegen, ob man dann eine andere Zentralstufe auf Basis des Prometheus macht und Booster ebenfalls. Wenigstens hätte man am ersten Konzept der genehmigten Version mit einer 4 m breiten Zentralstufe festhalten können. Dann wäre die Oberstufe erheblich leichter gewesen. Bei 5,4 m Durchmesser machen die Tankabschlüsse viel am Trockengewicht aus, muss man mehr gegen Treibstoffschwappen tun als bei einem schmaleren, längeren Tank.

So erhielt man im Prinzip eine Ariane 5 ME (also mit ESC-B Oberstufe) und neuen Boostern und das für einige Milliarden Euro. Die Änderungen die es im Prinzip erlauben die bisherigen Fertigungsanlagen weiter zu verwenden und so Investitionen zu sparen kamen erst, als schon die Finanzierung stand. Begründet hat man sie meines Wissens nach nie.

Noch ist Ariane 6 nicht geflogen, da vergab man am 14.5.2019 einen Auftrag für eine neue, Phoebus genannte, Oberstufe (wohlgemerkt, die Oberstufe die sie ersetzen soll, ist noch nicht im Einsatz …). In ihr wird Aluminium in den Tanks durch Kohlenfaserverbundwerkstoff (CFK) ersetzt. Der Einsatz von CFK für eine ganze Oberstufe ist neu, allerdings nicht ohne Vorbild. Die NASA und Boeing haben schon mal so einen CFK-Tank konstruiert. Dass die neue Oberstufe, von der man gerade einen Fortschritt vermelden konnte, 2 t leichter als die alte ist, zeigt schon deren ungünstige Tankform der ersten Ariane 6 Oberstufe an. Die Leermasse schätze ich mit VEB in Richtung 7 t ein, sonst hätte Ariane 6 eine wesentlich höhere Nutzlast, denn die 12 t sollte schon die Ariane 5 ME mit alten Boostern und 6 t Oberstufenleermasse erreichen.

Immerhin macht die Phoebus Stufe Sinn, auch wenn man die Entwicklung der Phoebus gleich bei der der Ariane 6 starten hätte können.

Noch weniger Sinn macht eine neue Kickstufe auf Basis des BERTA-Triebwerks. Als Triebwerk kam mir schon mal unter bei einer VENUS-II Studie für einen Ersatz des AVUM der Vega. Da es keine nennenswerte Steigerung der Nutzlast der Vega brachte, blieb es bei der Studie. Das BERTA Triebwerk ist ein 8 kN Triebwerk mit Druckgasförderung, das die lagerfähige Kombination MMH/NTO verwendet. Airbus als Hersteller schreibt dazu:

„Die Kick Stage ist eine echte zusätzliche Ariane-6-Oberstufe, die es die Trägerrakete ermöglicht, mehrere Nutzlasten sehr effizient in unterschiedlichen Orbits abzusetzen oder Satelliten mit einem Direkteinschuss in den Zielorbit zu bringen.“

Nun warum störe ich mich daran, das klingt doch erst mal toll. Nun man muss mal nachdenken, wo man eine solche Oberstufe braucht. Die meisten Ariane 6 Missionen gehen (wie bei den Vorgängern) in den GTO. Dafür reicht eine Zündung der Oberstufe. Doch die Oberstufe mit dem Vinci Triebwerk ist anders als bei der Ariane 5E wiederzündbar und kann Satelliten direkt in den GEO befördern wenn gewünscht. (den Wunsch gab es bisher in 40 Jahren des Einsatzes von Ariane aber nicht). Ebenso kann sie so den Galileoorbit bedienen, bei dem die Satelliten direkt ausgesetzt werden. (Auch das ist kein Muss, die USA haben ihre aktuelle GPS-Satelliten mit Apogäumsmotoren ausgerüstet und das wäre bei den Galileosatelliten auch möglich). Die EPS Oberstufe, die bisher dafür und für ATV Missionen eingesetzt wird, ist schon wiederzündbar. Doch selbst für diesen Orbit reichen zwei Zündungen aus. Mehrere Zündungen der letzten Stufe gibt es bei der Vega, wenn diese mehrere Mikrosatelliten in unterschiedlichen Orbit aussetzen muss, meist ist es ein SSO mit unterschiedlichen Zielhöhen. Doch wird Ariane 6 – die selbst in der kleinsten Version Ariane 62 ein Mehrfaches der Nutzlast der Vega hat, so viele Starts mehrere Nutzlasten in verschiedene Umlaufbahnen haben? Ich glaube nicht und selbst dann könnte das Vinci Triebwerk der normalen Oberstufe das erledigen. Zumindest für zwei Zündungen ist es ja qualifiziert. Selbst wenn nicht, dann gibt es doch Alternativen für den Satellitenhersteller. Wir reden hier ja nicht über große dV Änderungen, sondern 100 bis 200 m/s Geschwindigkeitsänderung, die einen 500-km-Orbit von einem 600 bis 800 km Orbit trennen. Das kann man mit integrierten Antrieben, egal ob chemisch oder solarelektrisch, leicht durchführen. Ich dachte auch kurz, ob die Stufe genutzt werden könnte für Planetenmissionen. Für die muss die ESA ja bisher immer einen eigenen Start buchen. Aber zum einen gibt es da auch andere Hemmnisse, so die für viele Missionen nötige Bahninklination, die eben nicht zu dem Standard-GTO passt. Zum Zweiten hindern verbotene Zonen, wo die Zentralstufe nicht über Land niedergehen darf und zuletzt wäre es sicher kein Problem wenn die derzeitige Oberstufe einen direkten GEO-Einschuss kann (und dafür muss der Treibstoff über 5 Stunden flüssig bleiben), das sie auch beim ersten Durchlaufen des Perigäums zündet und dann die Nutzlast nach einem Orbit auf den Zielkurs bringt.

Kurz: ich sehe keinen Bedarf für die Stufe. Sie ist ein Symptom wie die Raketenentwicklung bei uns inzwischen läuft. Ich war nie so besonders begeistert von dem Führungsanspruch der Franzosen. Gerechterweise muss man auch sagen, das Deutschland sie nie darum bemüht hat, sich wirklich bei der Entwicklung von Stufen einzubringen, was auch eine entsprechende finanzielle Beteiligung mit sich zieht. Aber inzwischen ist auch von dem Führungsanspruch nicht mehr viel zu sehen und es geht eigentlich nur darum, dass die europäische Industrie der ESA Entwicklungen verkauft die der Steuerzahler dann finanzieren soll.

Die Milliarden, die in die Ariane 6 fließen, obwohl man nicht wirklich etwas geändert hat, sind ein Beispiel. Mehr noch: eine technologische Entwicklung, wie die Phoebus Stufe, die man bei einer neuen Rakete einführen könnte, lässt man sich nochmals extra bezahlen. Die Stufe um das BERTA-Triebwerk ist eine andere Sache. Sie hat den Ursprung darin, das Deutschland meinte die Vega wäre kein Erfolg und sich entsprechend nicht an dem Träger beteiligte, und als das nicht so war, suchte man verzweifelt nach Möglichkeiten der Beteiligung und fand sie in dem Ersetzen des ukrainischen Triebwerks im AVUM durch eben jenes BERTA-Triebwerk. Das klappte nicht da die Lösung bei der Standard-Vega nicht mehr Performance liefet (vielleicht ist es bei der Vega C besser) und nun versucht man diese Stufe bei der Ariane 6 unterzubringen. Es gibt aber meiner Ansicht nach keinen Einsatzzweck.

Selbst wenn – wir haben ja schon eine Kickstufe, das ist die EPS der Ariane 5. Gut, sie ist deutlich größer mit mehr als dem dreifachen Schub, aber man kann ja Tanks weglassen. Sie wäre sicher gegenüber der Kickstufe schwerer ist aber sie ist verfügbar so entfallen die Entwicklungskosten, und müsste bei gleicher Geometrie auch auf die Ariane 6 adaptierbar sein. Wozu also was neu entwickeln, wenn man schon was vergleichbares hat?

Ich sehe aber auch ein zweites Problem, und zwar das des geografischen Returns und der Beteiligung der Staaten. Das erste heißt das man jedem Staat Aufträge gemäß seiner finanziellen Beteiligung erteilt. Das Zweite ist aber das es auch einen Sinn machen muss. Deutschland zum Beispiel hat sich bisher bei jeder Entwicklung einer Ariane nicht darum gerissen, die Spitzentechnologie zu entwickeln. Stattdessen setzte man auf etabliertes oder die Systemintegration also das Zusammenbauen, was andere fertigen. Bei Ariane 5 beteiligte sich Deutschland mit der Herstellung von Edelstahlgehäusen für die Booster und die Oberstufe mit einem Triebwerk das im Prinzip auf den Entwicklungen für die Astris Stufe, der Europa aufbauen konnte. Die Franzosen achteten darauf, dass sie die technologischen Filetstücke entwarfen, bei der Vega war die Entwicklung der großen Gehäuse für die erste Stufe der Grund, warum Frankreich einstieg. Entsprechend bauen Frankreich und Italien auch die Booster. Nun gab es das Problem für Deutschland eine finanzielle Kompensation zu finden. Man wollte in Augsburg eine zweite Fertigungslinie für die Booster aufbauen, doch da dies nur Kosten verursacht, kam man schließlich auf die Idee die Phoebus Stufe zu fertigen – sie ist die erste Stufe, bei der Deutschland führend in der Technologie ist. Gute Idee, aber warum entwickelt man dann die erste Stufe noch weiter? Ebenso ist BERTA ein weiteres druckgefördertes Triebwerk – wie das Aestus der EPS oder das Triebwerk der Astris. Airbus sucht also nicht nach einer Möglichkeit die Ariane 6 zu verbessern, egal pb man die Nutzlast steigert oder die Kosten senkt. Man schaut nur nach einem Einsatzzweck für ein Triebwerk, das man entwickelt oder schon entwickelt hat.