Verpasste Chancen bei Ariane 6 und Vega – Teil 2 – Die Saga der Ariane 5

Die Ariane 5 ist heute das Arbeitspferd der ESA. Sie soll nun von einem Nachfolger abgelöst werden, aber der Reihe nach.

Die Ariane 5 auf der Startrampe (Quelle: Wikipedia)

Wie schon im letzten Posting beschrieben entstand die Ariane 5 als Trägerrakete für den geplanten bemannten Raumgleiter Hermes. Den hat es nie gegeben und das lässt für das Konzept böses Ahnen. Die Ariane 5 wird heute hauptsächlich für den Transport von Nachrichtensatelliten in den Geostationären Transferorbit (GTO) benutzt, aber gebaut und optimiert wurde sie für bemannte Flüge in einen niedrigen Erdorbit (low earth orbit – LEO).

Hermes – das Minishuttle der ESA das niemals flog (Quelle: Wikipedia)

Bemannte Raketen müssen viel höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllen als unbemannte. Man kann eben nicht an allen Stellen noch etwas Gewicht einsparen oder bewusst ein kleines Risiko für einen Fehlstart eingehen, wenn man damit ein paar zig Million Euro einsparen kann. Dazu kommt, dass die Rakete für einen Flug zum GTO 2,5km/s schneller sein muss, als für den Flug in den niedrigen LEO. Wenn eine Rakete nicht von Anfang an zu dieser Leistung optimiert wird, wird sie weniger Nutzlast tragen können als andere Raketen der gleichen Größe. Ein Start mit der Rakete wird also insgesamt recht teuer sein.

Das Spaceshuttle. Feststoffbooster links und rechts, dicke Stufe in der Mitte. Wäre nicht das Shuttle an der Seite, sähe es genauso aus wie eine große Ariane 5. (Quelle: Wikipedia)

Die Konstruktion der Ariane 5 lehnt sich durchaus an das Space Shuttle an. Aber das Space Shuttle führte eigene Wasserstofftriebwerke mit und brachte sie nach jeder Mission wieder mit zurück zur Erde. Die Idee dahinter war, dass man sehr komplexe und sehr effiziente Triebwerke verwenden konnte, obwohl sie sehr teuer waren. Aber das führte letztlich nur zu hohen Wartungskosten, Wartungszeiten und Kopfzerbrechen bei der Fehleranalyse.

Ariane 5 G – die erste Ariane 5 (Quelle: Wikipedia)

Die Entwicklung der Ariane 5 begann Ende der 80er Jahre. Man verpasste ihr zwei große P238 Feststoffbooster an den Seiten, ohne die die Rakete nicht abheben könnte. In der der Mitte ist ein dicker Wasserstofftank, der selbst voll betankt nur etwas mehr als die Hälfte eines der Feststoffbooster wiegt. Diese große Raketenstufe sollte den Hermes in einen niedrigen Orbit bringen. Wasserstofftriebwerke, wie das Vulcain de Ariane 5, haben eine etwa 1,5 mal so hohe Ausströmgeschwindigkeit und können deswegen viel höhere Geschwindigkeiten mit der gleichen Menge Treibstoff und der gleiche Leermasse wie ein Feststoffbooster erreichen. Dafür ist aber auch der Preis entsprechend hoch. Man glaubte, das durch billige Feststoffbooster ausgleichen zu können.

Das Vulcain Triebwerk wird noch am Boden gezündet, damit man feststellen kann, ob alles in Ordnung ist und notfalls den Start abbricht. Wenn alles passt, werden die Feststoffbooster gezündet und ab geht die Post. Etwas despektierlich wird manchmal gesagt, Feststoffbooster sind keine Raketentechnik, sondern zum Feuerwerk. Man kann sie nur zünden und muss dann warten, bis der Treibstoff abgebrannt ist. Man kann durch eine bewegliche Düse die Schubrichtung leich beeinflussen, aber ansonsten sind sie nicht zu steuern. Sie kombinieren diese unangenehme Eigenschaft mit hohem Leergewicht (der Booster muss auf seiner gesamten Länge dem Druck der Verbrennungsgase widerstehen) und niedriger Ausströmgeschwindigkeit. Dafür sind Feststoffbooster relativ simpel gebaut und können in hohen Stückzahlen recht billig hergestellt werden, um so kleiner die Stückzahlen, um so teurer wird es aber.

Hermes sollte auf der Spitze der Ariane 5 fliegen und nur ein kleines Triebwerk für Maneuver im Orbit mitführen. Genau wie beim Space Shuttle, das noch einen zweiten Satz Triebwerke (OMS – Orbital Maneuvering System) und etwa 20 Tonnen Treibstoff mitführte (Monomethylhydrazin und Distickstofftetroxid). Hermes ist aber nie geflogen. Um Satelliten zu transportieren baute man deswegen zunächst eine Raketenstufe die auf einem ganz ähnlichen Prinizip basiert und den gleichen Treibstoff benutzt – wenn auch nur 10 Tonnen davon. Dieser Treibstoff ist für die oberste Stufe einer Rakete nicht optimal. Bei keiner Stufe ist der Nutzlastgewinn durch ein effizientes Triebwerk so groß wie bei der letzten. Aber zunächst man musste nehmen was man bekommen konnte, eine Weiterentwicklung der Rakete wurde bald schon geplant.

Die Ariane 5 konnte anfangs bis zu 6,9 Tonnen in den GTO transportieren. Ihre Karriere begann aber mit zwei Fehlschlägen. Beim ersten Start 1996 musste die Rakete gesprengt werden, nachdem sie wegen einem Softwarefehler außer Kontrolle geriet. Die Software wurde von der Ariane 4 übernommen, in der wesentlich kleinere Kräfte auftraten. Eine Variable in dem Code erreichte beim Flug mit der Ariane 5 aber die Grenze ihres Zahlenraums und sprang – wie bei Variablen üblich – vom maximalen positiven Wert zum maximalen negativen Wert. Der zweite Flug 1997 erreichte auch nicht den geplanten Orbit. Die ESA orderte mehr Ariane 4 Raketen.

Die Ariane 5 GS, nach dem Fehlstart der Ariane 5 ECA (Quelle: Wikipedia)

Es folgten 7 erfolgreiche Starts, gefolgt von Flug Nummer Zehn im Jahr 2001, der wegen eines Triebwerkfehlers nur die Hälfte der geplanten Höhe erreichte, sich aber dank eines Ionentriebwerks noch in den richtigen Orbit retten konnte. Es folgten drei weitere erfolgreiche Starts.

Danach kam die Ariane 5 ECA – Evolution Cryotechique Type A, die Ariane 5 wurde runderneuert. Etwas größere Feststoffraketen (P241 statt P238), ein 30% stärkeres Vulcain II Triebwerk und eine von der Ariane 4 weiterentwickelte Oberstufe, die nun auch Wasserstoff nutzte. Sie kann bis zu 9,6t Nutzlast tragen. Der Jungfernflug im Jahr 2002 war Flug Nummer 14. Dabei versagte eine Treibstoffleitung, die zur Kühlung der Raketendüse des Vulcain II diente. Die Rakete kam vom Kurs ab und wurde mitsamt einer über 600mio Euro teuren Nutzlast gesprengt. Das Triebwerk musste neu konstruiert werden. Die letzte Ariane 4 flog derweil im Jahr 2003.

Die ESA stand unter Zugzwang und ordnete an einige der bereits gebauten Ariane 5 ECA mit der alten Oberstufe und dem alten Vulcain Triebwerk auszurüsten. Das neue Triebwerk war aber auf eine Treibstoffmischung mit etwas weniger Wasserstoff und mehr Sauerstoff ausgelegt, weshalb die neue Rakete mit dem alten Triebwerk weniger Leistung brachte. Diese Ariane 5 GS getaufte Rakete konnte nur 6,6 Tonnen Nutzlast zum GTO transportieren. Eine weitere Variante mit einer etwas größeren Oberstufe vom alten Typ, die man Ariane 5 G+ nannte, kam auch zum Einsatz. Im Jahr 2005 hatte die zweite Ariane 5 ECA einen erfolgreichen Flug, drei übrig gebliebene Ariane 5 GS flogen auch noch und seit dem nur noch die Ariane 5 ECA. Der Fehlstart ECA im Jahr 2002 war der bisher letzte Fehlstart einer Ariane 5. Es folgten bisher 63 makellose Flüge.

Die letzte und beste Ariane 5  ECA (Quelle: Wikipedia)

Lange war geplant auf diese Rakete die Ariane 5 ECB folgen zu lassen, mit Feststoffraketen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen und einer Oberstufe mit effizienterem und mehrfach startbaren Triebwerk (Vinci). Sie sollte 11,5 Tonnen in den GTO bringen können und dabei sogar etwas billiger als die Ariane 5 ECA sein. Man hoffte so, zumindest auf die Subvention der Rakete von 20Mio Euro pro Start verzichten zu können. Aber dazu kam es nicht. Nachdem das Projekt schon einmal 2003 beendet wurde und als Ariane 5 ME (Midlife Evolution) wiederbelebt wurde, wurde das Projekt entgültig begraben.

Stattdessen soll jetzt die Ariane 6 kommen und vieles besser machen.

Ein wichtiger Grund dafür war eine gewisse Firma aus Hawthorne, California, wo ein neureicher Möchtegern angefangen hat, Raketen zu bauen. Die Rede ist natürlich von SpaceX. Deren Falcon 9 Raketen sind die billigsten am Markt, in ihrer Größenklasse, und sollen demnächst durch eine schwere Falcon Heavy ergänzt werden. Sie haben die gesamte Industrie aufgerüttelt, zumal sich die Falcon 9 Raketen trotz des niedrigen Preises bisher als zuverlässig erweisen.

Sie haben inzwischen 14 Flüge hinter sich und haben sich dabei recht gut geschlagen.

Der erste Flug schrammte nur knapp an einer Blamage vorbei, als die Steuerelektronik der Oberstufe im Vakuum überhitzte und die Stufe ins Trudeln geriet. (Am Boden ist dieser Fehler nicht aufgefallen, weil die Luft die Wärme besser abgeführt hat.) Sie erreichte dennoch einen Orbit, wenn auch nicht den geplanten. Da die Rakete aber nur Ballast transportierte, wurde der Flug insgesamt als erfolgreicher Test gewertet.

Die Falcon 9 Rakete – Flug 5. (Quelle: Wikipedia)

Bei Flug Nummer 4 platzte eines der 9 Triebwerke der ersten Stufe, was aber die restlichen 8 Triebwerke kompensieren konnten. Eine Fähigkeit auf die SpaceX von Anfang an großen Wert legte und dafür auch auf eine höhere Nutzlast verzichtete und stattdessen Treibstoffreserven einplante. Während das Dragon Raumschiff in den richtigen Orbit gelangte, konnte der zweite Teil der Mission nicht ausgeführt werden. Ein kleiner Satellit sollte mit einer zweiten Zündung der Oberstufe in einen höheren Orbit befördert werden. Aber wegen des Ausfalls eines Triebwerks waren die Treibstoffreserven etwas knapp. Man errechnete sich nur eine 95%ige Chance den Orbit zu erreichen, was der NASA zu wenig war. Zu dem Zeitpunkt befand sich die Stufe in der Nähe des Orbits der ISS, weshalb man größtmögliche Vorsicht walten ließ. Der Satellit wurde an Ort und Stelle ausgesetzt und später für seine Mission aufgegeben. Das war der bisher einzige Verlust bei einer Falcon 9 Mission.

Flug Nummer 6 war der Jungfernflug der Falcon 9 V1.1. Eine Falcon 9 mit etwa 50% mehr Treibstoff, leistungsstärkeren Triebwerken und einer präziseren Steuerung der zweiten Stufe über eigene Steuerdüsen. Die Nutzlast war der kleine Satellit Cassiope, der in eine niedrige Umlaufbahn gebracht wurde. Nachdem dieser erfolgreich ausgesetzt wurde, sollte eigentlich die Oberstufe nochmals gezündet werden um eine Mission in den GTO (ohne Nutzlast) zu simulieren. Das funktionierte nicht, weil die Treibstoffleitung mit dem Kerosin eingefroren war, die daneben liegende Leitung mit dem flüssigen Sauerstoff hat sie zu stark abgekühlt. Dieser Fehler wurde durch zusätzliche Isolation behoben.

Seit dem gab es 8 fehlerfreie Flüge der Falcon 9 und der Konkurrenz schlottern die Knie, nicht zuletzt wegen der immer besseren Landeversuche der ersten Stufe, die demnächst noch niedrigere Preise erlauben sollten. Die Ariane 6 ist eine klare Reaktion darauf. Aber bevor es im übernächsten Post darum gehen wird, habe ich noch einen Artikel über den Ersatz für die Ariane 4 geschrieben, was dort ersetzt werden musste und wie es ersetzt wurde.

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