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Die Oberstufen H-8, H-10 und ESC-A

Vorgeschichte

Die Ursprünge der dritten Stufe der Europarakete Ariane gehen auf Planungen für die Trägerakete "Europa 3" zurück. Sie sollte eine zweite Stufe mit kryogenen Antrieb erhalten. Die Stufe H-20 hätte eine Startmasse von 23 t und einen Schub von 195 kN gehabt und sollte von MBB gebaut werden, da Deutschland Ende der sechziger Jahre in der Erforschung von kryogenen Antrieben führend in Europa war. Man entwickelte bei MBB den Hauptstromantrieb, den auch der Space Shuttle nutzt (und dafür an MBB Lizenzgebühren für die Patentnutzung zahlen musste).

Doch die Vorgängerinnen "Europa 1+2" waren nicht erfolgreich. Die beteiligten Nationen wollten aus dem Projekt aussteigen und so kam es nie zu einer "Europa 3". Vor allem Deutschland fürchtete, dass sein Anteil, die kryogene Zweistufe zu teuer in der Entwicklung werden würde. Frankreich präsentierte daraufhin einen Entwurf einer "L3S" genannten Rakete. Sie sollte drei anstatt zwei Stufen haben und die dritte Stufe sollte zwar kryogen sein, aber wesentlich kleiner und nur 7 (später erhöht auf 8) anstatt 20 t Treibstoff aufnehmen. Diesem Konzept stimmte auch Deutschland zu, und dies war die Geburt der Ariane 1.

Die Stufe H8

H-8Anders als bei der NASA vergeben die Franzosen keine poetischen Namen für Stufen, sondern einfache Bezeichnungen die es einem sogar ermöglichen etwas über die Stufe zu erfahren. "H8" heißt Stufe mit Wasserstoff (H) als Treibstoff, Treibstoffmenge: 8 t.

Die Stufe H8 wird von Frankreich integriert, doch Teile werden in ganz Europa gebaut. So baut Schweden die Düse, Deutschland die Brennkammer. Dies war eine Lehre aus der "Europa" : Jedes Land bringt das ein was es am besten kann und integriert wird dann bei einer Firma welche für die ganze Stufe verantwortlich ist.

Die Stufe H8 ist die dritte Stufe der Ariane 1. Der Adapter zur dritten Stufe wiegt 210 kg und hat eine Länge von 1.25 m.

Die Stufe H8 verwendet die hochenergetische Kombination Sauerstoff und Wasserstoff. Diese werden im Gewichtsverhältnis 5.023:1 verbrannt, d.h. mit Wasserstoffüberschuss (das stöchiometrische Verhältnis liegt bei 8:1). Da die beiden Treibstoffe nur bei -183 bzw. -253 Grad flüssig sind werden beide bis wenige Sekunden vor dem Start nachgespeist.

Die Stufe verfügt nur ein Triebwerk des Typs HM-7. Es hat einen Schub von 60 kN und brennt 563 Sekunden lang. Es hat eine Masse von 140 kg und arbeitet mit einem Verbrennungsdruck von 30 Bar. Das Triebwerk ist 1.57 m lang und hat einen maximalen Durchmesser von 0.94 m. Der Treibstoff tritt über eine Frontplatte von 180 mm Durchmesser mit 90 Bohrungen in die Brennkammer ein. Die vielen Bohrungen führen zum Vermischen des Treibstoffs und zu einer gleichmäßigen Verbrennung,

Die Brennkammer wird von 7 % der Wasserstoffmenge gekühlt. Dabei strömt der Wasserstoff mit 200 m/s durch Kanälchen um die Brennkammer und erwärmt sich um 110 Grad Celsius. Er kühlt die Brennkammer aus Kupfer auf einer Nickelstruktur von 2.5 mm Dicke so auf 550 K.

Die Düse besteht aus 240 einzelnen Röhrchen aus Incotel 600, die schraubenförmig aneinandergeschweißt sind. Die Düse wird von 150 g Wasserstoff/Sekunde gekühlt. Die Temperaturen ereichen so maximal 1080 K am Düsenhals. Während der Wasserstoff der Brennkammerkühlung mit dem restlichen Wasserstoff verbrannt wird, tritt der Wasserstoff der die Düse kühlt, an deren Ende durch die offenen Röhrchen aus. Dies erzeugt einen kleinen zusätzlichen Schub.

HM-7 ist nicht wiederzündbar, sondern wird über eine (einmal vorhandene) Feststoffkartusche gestartet. Sie bringt die Sauerstoffturbine in 1 Sekunde auf die halbe nominelle Drehzahl. Der Gasgenerator verbrennt Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 0.9:1. Dieses wasserstoffreiche Gemisch erreicht daher nicht die hohen Verbrennungstemperaturen die in der Brennkammer herrschen. Die 800 K heißen Gase des Gasgenerators treiben dann die Turbinen der Turbopumpe an. Die Sauerstoffpumpe hat eine Drehzahl von 13000 U/min und die Wasserstoffpumpe eine von 60000 U/min. 10 Sekunden lang beschleunigen bei der Zündung 4 kleine Feststofftriebwerke die Stufe, bis die Turbinen ihre volle Leistung erreicht hatten. Dann werden sie abgesprengt. Diese Vorbeschleunigung hat denn Sinn die Treibstoffe zu sammeln, sonst könnten Bläschen in den Leitungen entstehen.

HM-7Nominell sollte das Triebwerk HM-7 einen spezifischen Impuls von 4225 m/s erreichen. In der Praxis waren es trotz des Nebenstromverfahrens ein spezifischer Impuls von anfangs 4315 m/s. Es wurde im Auftrag der französischen Firma SEP von Messerschmidt-Bölkow-Blohm (MBB) entwickelt und gebaut. Spätere Versionen erreichten einen Schub von 64.8 kN und einen spezifischen Impuls von 4375 m/s

Die H8 hat einen Durchmesser von 2.60 m und eine Länge von 8.23 m. Die Masse beträgt leer 1.24 t. Die Treibstoffzuladung beträgt 8245 kg. Davon entfallen 1554 kg auf den Wasserstoff und 6691 kg auf den Sauerstoff. (1:4.3, da der Gasgenerator Wasserstoff mit Wasserstoffüberschuss verbrennt).

Die Brenndauer beträgt nominell 563 Sekunden. Die Tanks bestehen aus einer Aluminiumlegierung. Die beiden Böden zwischen oben liegendem Wasserstofftank und tiefer liegendem Sauerstofftanks ist besonders isoliert um ein Frieren des Sauerstoffs zu Eis zu verhindern. Außerdem ist der Zwischenraum evakuiert. Die Druckbeaufschlagung erfolgt beim Wasserstofftank mit gasförmigen Wasserstoff und beim Sauerstofftank mit Helium. Die gesamte Stufe sind von einer 2 cm dicken Isolationsschicht umgeben,. Trotzdem werden die Treibstoffe bis 5 Sekunden vor dem Start nachgefüllt, da laufend kleine Mengen verdampfen. Das Einfüllen erfolgt von unten her um eine Schichtung unterschiedlicher Wärmegrade zu verhindern.

Das Triebwerk ist kardanisch aufgehängt und in 2 Achsen schwenkbar. Rollbewegungen werden durch zwei seitlich angebrachte Düsen bewerkstelligt, die heißen Wasserstoff aus dem Gasgeneratorkreislauf ausstoßen. Sie sind auch für die Stabilisierung der Stufe nach dem Ausbrennen verantwortlich und trennen die Stufe von der Nutzlast ab.

HM-7 war das erste mit Wasserstoff angetriebene Triebwerk von Europa und das dritte weltweit (nach dem Triebwerk RL-10 in der Centaur und dem J-1 in der Saturn). Allerdings musste man auch hier Erfahrungen mit Fehlschlägen sammeln. Von 7 Fehlstarts von Ariane 1-4 gingen 5 auf Probleme mit dem HM-7 Triebwerk zurück. Ähnliche Erfahrungen mussten die Amerikaner bei der Centaur Oberstufe sammeln.

Eine positive Überraschung zeigte sich beim gelungenen ersten Start. Man hatte für das Triebwerk einen spezifischen Impuls von 4225 m/s errechnet, doch da es im Vakuum betrieben wird, konnte man den Wert nicht experimentell bestätigen. Beim Erstflug war die Bahn etwas höher als geplant und die Stufe schaltete sich trotz höherer Bahn 10 Sekunden zu früh ab. Man errechnete, dass das HM-7 Triebwerk einen höheren spezifischen Impuls aufweisen musste, als geplant. Als Folge betrug die Nutzlast für Ariane 1 nicht 1600-1700 kg, wie geplant war, sondern 1865 kg.

H8 und Centaur - Ein Vergleich

Es bietet sich an beide Stufen zu vergleichen. Beide Stufen waren die ersten welche die USA bzw. Europa mit flüssigem Wasserstoff als Treibstoff konstruierten. Beide verwenden ein Triebwerk mit 60 bzw. 66 kN Schub, der Mischung Wasserstoff zu Sauerstoff von 5:1 und ähnlichen Leistungsdaten. Es gibt aber auch Unterschiede.

Zum einen ist die Centaur etwa doppelt so schwer wie die H-8 und verwendet zwei anstatt einem Triebwerk. Auch technisch gibt es Unterschiede. Die Centaur verwendet äußert dünne Edelstahltanks mit einem gemeinsamen Zwischenboden. Die H8 dagegen Tanks aus Aluminium, aber in normaler Wandstärke mit getrennten Tanks für Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Centaur verwendet Hydrazin zur Steuerung der Rollachse, die H-8 dagegen Abgase des Gasgenerators. Vor allem aber gibt es Unterschiede in der Mission: Die Centaur ist wiederzündbar und wird in Freiflugphasen durch ein System, das Wasserstoffperoxid zersetzt, stabilisiert. Dieses beschleunigt auch die Stufe vor der Zündung. Die H-8 dagegen ist nur einmal zündbar. Das Vorbeschleunigen vor der Zündung erzeugen Feststofftriebwerke und ein zusätzliches System für Freiflugphasen gibt es nicht.

Auf den ersten Block sieht es so aus, als wäre die Centaur der H-8 durch die Fähigkeit der Wiederzündung technisch überlegen. Doch dies scheint nur so. Die Unterschiede liegen in der Auslegung. Die Centaur sollte Planetensonden zu starten, bei dieser ist eine Freiflugphase von 20-30 Minuten üblich. Dazu musste die Centaur wiederzündbar sein. Die H-8 dagegen sollte Satelliten in den geostationären Übergangsorbit befördern und dazu benötigt man die Fähigkeit der Wiederzündbarkeit nicht. Dies machte das Design sehr viel einfacher. So kostete Ende der achtziger Jahre eine Centaur Oberstufe 24 Millionen USD, während die H-8 für 57 Millionen FF zu haben war. (Das entsprach beim damaligen Dollarkurs ungefähr 8.6 Millionen USD). 90 % der Starts der Ariane gingen denn auch in den geostationären Orbit.

Ariane 2-3 DrittstufeVon der H8 zur H10

Für Ariane 2 wurde die Oberstufe H8 verbessert: Bei der dritten Stufe wurde der Druck von 30 auf 36.6 Bar erhöht und die Düse um 20 cm verlängert. Dadurch stieg das Expansionsverhältnis von 62.7 auf 83.1 an und damit auch der spezifische Impuls. Das neue Triebwerk HM-7B hatte nun einen Schub von 64.8 kN und mit der erhöhten Treibstoffzuladung stieg die Brennzeit von 570 auf 720 Sekunden an. Am wichtigsten war aber die Verlängerung des Tanks um 1.2 m, so dass nun über 10 t anstatt 8 t Treibstoff mitgeführt wurden. Der Sauerstofftank wurde um 28 cm verlängert und der Wasserstofftank um 101 cm. Dadurch führt H10 2184 kg mehr Sauerstoff und 371 kg mehr Wasserstoff mit sich. Dies steigert die GTO Nutzlast von 1865 auf 2210 kg, obwohl die Fertigungskosten gleich blieben. Die neue Stufe erhielt nun die Bezeichnung "H10".

Das Triebwerk HM-7B wiegt nun 155 kg, ist 2.01 m hoch und 99 cm breit. Die Turbopumpe hat eine Leistung 380 kW und fördert den Triebstoff mit 14.86 kg pro Sekunde bei 60100 Umdrehungen pro Minute. Das Entspannungsverhältnis beträgt 83.1:1.

Bei der Ariane 3 wurde die H10 unverändert übernommen. Sie steigerte die Nutzlast durch zwei Feststoffbooster. Auch beim ersten Batch der Ariane 4 blieb man noch bei der alten H10. Mit Flug 50 (dem 22.sten Start einer Ariane 4) wurde eine verlängerte Oberstufe eingeführt, bei der die Treibstofftanks um 32 cm verlängert wurden. Davon entfielen 4 cm auf den Sauerstofftank und 28 cm auf den Wasserstofftank. Dies erlaubte es 242 kg Sauerstoff und 98 kg Wasserstoff mehr mitzuführen. Anstatt 10.7 t konnte diese Stufe so 11.1 t Treibstoff mitführen. Die Brenndauer stieg dabei von 720 auf 750 Sekunden an. Diese neue Stufe hieß nun "H10 Plus" um sie von der normalen H10 unterscheiden zu können und ersetzte bald die H10. Sie steigerte die Nutzlast um weitere 150 kg. Die letzte H10 flog mit V65. Insgesamt wurde die H10 27 mal auf der Ariane 4 eingesetzt, dazu kamen 19 Flüge auf der Ariane 2+3.

HM-7BSchon mit Flug V-70 kam eine neue Variante, die H10-III zum Einsatz. Bei dieser Stufe wurde im Tank der Zwischenboden um 9 cm verschoben, das die Mixtur nun sauerstoffreicher ist. (Verhältnis 6:1 anstatt 5:1). Da Sauerstoff 16 mal schwerer als Wasserstoff ist, konnte man so weitere 724 kg Sauerstoff mitführen, so dass nun 11.9 t Treibstoff mitgeführt werden konnten. Durch eine bessere Befüllung des Wasserstoffs (Füllen des Tanks bis zum Anschlag) nahm dessen Menge nur um 1 kg ab. Dies brachte weitere 130 kg Nutzlast

Die Brenndauer kletterte auf 780 Sekunden und der Schub des Triebwerks HM-7B auf 64.8 kN. Dieses Modell wurde am häufigsten eingesetzt und war nach dem letzten Flug einer H10 Plus mit V72 die einzige Oberstufe für die Ariane 4. Die H10 Plus wurde nur 16 mal eingesetzt, die H10-III dagegen 63 mal.

Neugeburt im neuen Jahrtausend

Mit dem Flug der letzten Ariane 4 im Februar 2003 schien dieses Kapitel der Geschichte endgültig beendet. Doch dem ist nicht so. Die Einführung der Ariane 5 verzögerte sich um fast 2 Jahre und danach konnte die Rakete durch den Fehlstart beim Jungfernflug nicht sofort in Dienst gestellt werden. Während sich der Einsatz der Ariane 5 verzögerte, wurden Satelliten immer schwerer, und so begann man rasch nach Möglichkeiten zu suchen die Leistung zu steigern. Es wurde ein zweistufiges Programm beschlossen. Zuerst sollte eine sehr leistungsfähige, wiederzündbare Oberstufe namens ESC-B gebaut werden, mit einem neuen Triebwerk namens Vinci. Bis diese im Jahre 2006 zur Verfügung stehen sollte, sollte von 2002-2006 eine Zwischenlösung eingeführt werden. Dazu kam man wieder auf das Triebwerk HM-7B. Man baute um dieses herum die Oberstufe ESC-A. ESC: Ètage Secondaire Cryogenique: Kryogene Zweitstufe. (Manchmal findet man auch anstatt Secondaire die Bezeichnung Superieur).

Die ESC-A war gedacht als eine Zwischenlösung die es ermöglicht schnell die Nutzlast zu steigern, ohne Jahre auf eine neue Stufe zu warten. Sie verwendet das Triebwerk HM-7B, das schon in der Ariane 4 ihren Dienst tat. Anpassungen waren nötig, da die ESC-A mehr Treibstoff mitführt und so 970 sec lang brennt. Der Heliumvorrat für die Lageregelung und Druckbeaufschlagung wurde von 2 auf 4 Flaschen verdoppelt. Das Triebwerk musste nochmals für eine Brenndauer von 970 Sekunden qualifiziert werden.

Auch der Sauerstofftank wurde weitestgehend übernommen. Er hat mit 2.8 m fast denselben Durchmesser wie bei der Ariane 4. Der Wasserstofftank dagegen umgibt den Sauerstofftank torusförmig und hat einen Außendurchmesser von 5.4 m. Die gesamte Stufe ist lediglich 4.57 m hoch und nimmt 14.6 t Treibstoff auf. Die Nutzlast steigt bei nur leicht erhöhten Produktionskosten auf 10.5 t GTO, d.h. um mehr als 2 t. Die Leermasse ist durch die kompakte Bauweise sehr hoch und liegt bei 3418 kg ohne den Stufenadapter und 4545 kg mit diesem. Diese Bauweise wurde diktiert durch die Startanlagen und die Lage der Versorgungsleitungen. Damit keine Umbauten nötig waren, welche die Startrampe für längere Zeit still gelegt hatten entschied man sich für diese suboptimale Lösung. Die ESC-A hat daher trotz 30 % mehr Treibstoff nur ein Drittel der Länge der H-10 Stufe.

Nachdem der erste Start einer Ariane 5 mit ESC-A Oberstufe im November 2002 fehlschlug, wird die ESC-A langsamer eingeführt als geplant und wahrscheinlich länger im Dienst bleiben als vorgesehen. Die Weiterentwicklung, die ESC-B Stufe ist erstmal auf Eis gelegt und so wird die ESC-A über das Jahr 2006/7 hinaus in Betrieb bleiben. Mindestens 28 Exemplare der ESC-A sind geordert worden.

H10 Triebwerk
H-8 H-10 H10 Plus H10-III ESC-A
Im Einsatz auf: Ariane 1 Ariane 2,3,4 Ariane 4 Ariane 4 Ariane 5
Geflogen: 9 46 16 63 >100 
Startmasse 9462 kg 12036 kg 12400 kg 13050 kg 18018 kg
Wasserstoff 1554 kg 1924 kg 2023 kg 2022 kg
Sauerstoff 6691 kg 8875 kg 9117 kg 9841 kg
Leermasse 1224 kg 1336 kg 1305 kg 1310 kg 3418 kg
Verhältnis O:H Gesamt 1:4.30 1:4.61 1:4.50 1:4.86
max. Durchmesser 2.80 m 2.80 m 2.80 m 2.80 m 5.40 m
Länge 8.35 m 9.90 m 11.40 m 11.72 m 4.57 m
Triebwerk HM-7 HM-7B HM-7B HM-7B HM-7B
Schub 60.0 kN 64.8 kN 64.8 kN 64.8 kN 70 kN
Verhältnis O:H Brennkammer 5:1 5:1 5:1 6:1 6:1
Brennkammerdruck 30 Bar 36.6 Bar 36.6 Bar 36.6 Bar 36.6 Bar
Brenndauer 563 Sekunden 720 Sekunden 750 Sekunden 780 Sekunden 970 Sekunden
Spezifischer Impuls 4315 m/s 4355 m/s 4355 m/s 4371 m/s 4385 m/s

Technische Daten

Hier die Daten der letzten HM-7B Version wie sie in der ESC-A Oberstufe eingesetzt wird:

Die Probleme mit der Entwicklung

Ariane musste natürlich Lehrgeld bei der Entwicklung der H-8 Stufe zahlen. Von 7 Fehlschlägen der Ariane 1-4 Familie entfielen 5 auf Versagen der dritten Stufe. Die eigentliche Triebwerkentwicklung verlief relativ problemlos und konnte den finanziellen Rahmen von 87 Millionen Franc für das Triebwerk und 360 Millionen Franc für die H-8 einhalten. Zum Vergleich: Die Entwicklung der Centaur sollte 59 Millionen USD kosten und wurde 350 Millionen USD teuer.

ESC OberstufeDie ersten 4 Flüge von Ariane verliefen (zumindest für die Oberstufe) ohne Probleme. Fast schien es als wäre Ariane nun auf der Erfolgsstraße, als mit Flug 5 am 9.9.1982 ein Rückschlag kam. Nach 560 Sekunden Flugzeit versagte das HM 7 Triebwerk. Zwei Satelliten gingen verloren. Die Telemetrie zeigte, dass die Turbopumpe ausgefallen war. Nach 9 Monaten Tests und Modifikationen und insgesamt 15000 Sekunden Tests mit dem HM-7 Triebwerk konnte am 16.6.1983 wieder eine Ariane einen europäischen Kommunikationssatelliten absetzen.

Wieder gab es in der Folge 10 weitere Flüge die allesamt erfolgreich waren. Doch dann misslangen innerhalb kurzer Frist Flug 15 und 18 am 12.9.1985 und 31.5.1986 und Ariane war herunter auf 78 % Zuverlässigkeit. Die dritte Stufe hatte jedes Mal nicht gezündet. Der Fehler in der dritten Stufe konnte jedoch gefunden werden, aber das Neudesign zwang Ariane für 14 Monate auf den Boden. Das Zündsystem wurde überarbeitet und Die H-8/H-10 flog nun die folgenden Starts fehlerfrei, bis mit Flug 63 und 70 wieder innerhalb eines Jahres zwei Starts misslangen. Bei diesen Flügen war Ariane nun schon so gut eingeführt, dass es keine großen Unterbrechungen im Flugplan gab. Ursache war beim Fehlstart von Flug 63 die Überhitzung eines Lagers durch mangelhafte Schmierung und bei Flug 70 gab der Gasgenerator eine zu geringe Leistung ab und so konnte nicht der nominelle Schub erreicht werden.

Danach gelangen alle Flüge der Ariane 1-4, insgesamt gab es 134 Starts der Ariane 1-4. Auf 132 wurde die Oberstufe gezündet (Es gab zwei Fehlstarts durch Versagen der ersten Stufe). Von diesem 132 Starts waren 127 erfolgreich, das entspricht einer Zuverlässigkeit von 96.2 Prozent. Sowohl in der Startzahl wie auch in der Zuverlässigkeit hatte Ariane 4 die Centaur bis Ende 2003 überholt.

Büchertipps:

Von mir gibt es mehrere Bücher zum Thema Trägerraketen. Speziell der Themenkreis "Europäische Trägerraketen" liegt mir, als bekennender Ariane 1-4 Fan, speziell am Herzen. Es gibt zwei größere Bände.

Der erste Band "Europäische Trägerraketen 1: "Von der Diamant zur Ariane 4 - Europas steiniger Weg in den Orbit" behandelt die europäische Trägerraketenentwicklung beginnend von der Diamant bis zur Ariane 4. Dieses 404 Seiten starke Buch ist auch in drei Einzelbänden erhältlich, für diejenigen Leser, die sich nur für einen bestimmten Typ interessiert:

Die aktuellen Trägerraketen - Ariane 5 und Vega werden in einem zweiten Band in der gleichen Ausführlichkeit besprochen. "Europäische Trägerraketen 2: Ariane 5, 6 und Vega". Auch hier liegt das Hauptaugenmerk auf der Technik der Träger. Auch die Investitionen in den Weltraumbahnhof Kourou und die Konkurrenten auf dem kommerziellen Markt werden angesprochen.

Nachdem im Februar 2012 der Jungfernflug der Vega erfolgte, habe ich das Kapitel über die Vega ausgekoppelt. Das Buch wurde um die Entwicklungen in den letzten Jahren und eine ausführliche Beschreibung der Starts bis 2016 ergänzt. Alle technischen Daten wurden gegen neue Veröffentlichungen gegengeprüft, erweitert. Weitere Ergänzungen gab es bei den Plänen für die Weiterentwicklung. Insgesamt entstanden so etwa 20 neue Seiten und bei 30 gab es gravierende Änderungen.

Hier geht's zur Gesamtübersicht meiner Bücher mit direkten Links zum BOD-Buchshop. Die Bücher sind aber auch direkt im Buchhandel bestellbar (da ich über sehr spezielle Themen schreibe, wird man sie wohl kaum in der Auslage finden) und sie sind natürlich in den gängigen Online-Plattformen wie Amazon, Libri, Buecher.de erhältlich.

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© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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