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Dienstag, 12. Dezember 2017

Antriebstechnik

Massenstart

Von Iestyn Hartbrich | 30. März 2017 | Ausgabe 13

Die Ariane 6 erhält ein wiederzündbares Oberstufentriebwerk für den Transport Dutzender Kleinsatelliten.

BU Vinci
Foto: DLR

Das Vinci-Triebwerk wird von Airbus Safran Launchers entwickelt und am DLR-Teststand in Lampoldshausen getestet.

Wenn die neue europäische Trägerrakete Ariane 6 in drei Jahren zum Erstflug abhebt, ist sie ziemlich früh dran und zugleich ein bisschen zu spät. Früh dran, weil die ESA-Staaten erst im Dezember 2014 grünes Licht für die Entwicklung gegeben haben. Zu spät, weil die meisten Starts der ersten Megakonstellation, OneWeb, dann schon in der Vergangenheit liegen.

Die 648 Kleinsatelliten werden ab 2018 in Gruppen von 30 bis 40 Exemplaren in ihre Bahnen befördert, vornehmlich übernehmen russische Soyuz-Träger den Transport. Im Startvertrag, den OneWeb und der europäische Startdienstleister Arianespace im Juni 2015 geschlossen haben, sind 21 plus fünf optionale Soyuz-Starts vereinbart.

Die Ariane 6 übernimmt nur drei optionale Starts – und ist trotzdem von OneWeb geprägt. Kernmarkt für die größere der beiden Varianten würden Telekommunikationssatelliten, sagte Arianespace-Chef Stéphane Israël im vergangenen Jahr, „aber für beide Varianten der Ariane 6 könnten Konstellationen wie OneWeb die Nachfrage ankurbeln.“ Schon jetzt zeichnet sich ab, dass OneWeb nicht die letzte Megakonstellation sein wird. Unterschiedliche Konzepte kursieren: Offenbar will zum Beispiel SpaceX eine gigantische Flotte von 4500 Kleinsatelliten installieren.

Dass es der Raketenkonzern Airbus Safran Launchers (ASL), der die Ariane 6 entwickelt und baut, auf den Transport von Konstellationen abgesehen hat, verrät ein technisches Detail. Die ASL-Ingenieure entwickeln ein Oberstufentriebwerk, Vinci, das wiederzündbar sein soll. Für Konstellationen wie OneWeb ist diese Eigenschaft zwingend notwendig. Die Rakete hat beim Start 30 bis 40 Satelliten an Bord, die sie in kleinen Gruppen in 400 km Höhe absetzt. Dafür sind mehrere Zündungen nötig. Jeder Aussetzvorgang geschieht während einer sogenannten ballistischen Phase, das heißt, der Motor ist ausgeschaltet. Anschließend wird neu gezündet, damit die Oberstufe zum nächsten Aussetzpunkt gelangt.

Grundsätzlich gehören Missionen mit Mehrfachzündung schon zum Repertoire der aktuellen Rakete Ariane 5. Eine ihrer Varianten – ausgerüstet mit dem wiederzündbaren Oberstufentriebwerk Aestus – hat bereits vier Galileo-Satelliten auf einmal gestartet. Die Mission bestand aus zwei ballistischen Phasen, während derer jeweils zwei Satelliten ausgesetzt wurden. Allerdings trägt der Vergleich von Aestus mit dem neuen Vinci-Motor nicht weit. Zu groß sind die Unterschiede.

Aestus nutzt eine hypergole Treibstoffkombination aus Monomethylhydrazin (MMH) und Distickstofftetroxid (NTO, N2O4). Hypergole Gemische entzünden sich bei Kontakt spontan. In der Schubkammer des Vinci-Motors hingegen soll Flüssigwasserstoff mit Flüssigsauerstoff verbrannt werden (H2-O2). Dieses Gemisch ist nicht hypergol, es muss entzündet werden. Aktuelle ASL-Planungen sehen für die ersten Vinci-Versionen eine Zünd- oder Glühkerze vor. Später könnte die Zündung durch Laser erfolgen. „Ein Laser wäre die eleganteste Lösung, aber die dafür nötige Elektronikbox ist noch zu teuer“, sagt Gerald Hagemann, der bei ASL das Engineering der Flüssigtriebwerke und den Standort Ottobrunn leitet.

Der Hauptgrund für den Treibstoffwechsel: Die neue Kombination ist deutlich leistungsfähiger als die alte. Der spezifische Impuls – der Schub pro durchgesetztem Massenstrom im Triebwerk – beträgt annähernd 4500 Ns/kg – 40 % mehr als bisher (etwa 3200 Ns/kg für MMH-NTO). „Unter allen Treibstoffen, die heute für Raketentriebwerke verwendet werden, hat Wasserstoff-Sauerstoff die beste Leistungsfähigkeit“, sagt Hagemann.

Zwei weitere Überlegungen sprechen für Flüssigwasserstoff. Erstens ist H2-O2 auch die Treibstoffkombination der Ariane-6-Unterstufe mit dem Vulcain-Motor. Statt vierer verschiedener Treibstoffe würden also in Zukunft nur noch zwei benötigt. Und zweitens ist Hydrazin laut EU-Chemikalienverordnung Reach ein Kandidat für eine Zulassungspflicht.

Der erste wichtige Grund dafür, Vinci zu entwickeln, ist also die Wiederzündbarkeit mit einer kryogenen Wasserstoff-Sauerstoff-Kombination. So ist die Ariane 6 in der Lage, Satellitenkonstellationen auszusetzen. Der zweite Grund: Vinci fliegt auch auf allen anderen Missionen. Anders als bisher wird es für die Ariane 6 nur eine Oberstufe mit nur einem Triebwerk geben.

Dieser Schritt ist ein Kernelement der zukünftigen europäischen Raketenproduktion. Ohne industrielle Verschlankung wäre der Wettbewerb mit SpaceX von vornherein verloren. ASL-Chef Alain Charmeau will mit der Ariane 6 um 40 % bis 50 % günstiger fliegen als mit der Vorgängerin, der Ariane 5.

Die Triebwerksentwickler schielen deshalb auf die Herstellungskosten. „Wir versuchen, bis zum ersten Start 2020 noch günstigere Produktionstechnologien reinzubringen, zum Beispiel den 3-D-Druck“, sagt Hagemann. ASL arbeitet mit dem Maschinenbauer EOS zusammen. Ein gemeinsames Ziel: den Einspritzkopf, der heute aus mehr als 500 Einzelteilen besteht, generativ zu fertigen.

Viel Zeit bleibt nicht mehr. Airbus Safran Launchers baut aktuell schon den Vinci-Qualifikationsmotor, im kommenden Jahr soll das erste Triebwerk nach Bremen geliefert werden, wo das Unternehmen die Oberstufen der Ariane-Familie endmontiert.

2018 soll die Qualifikation abgeschlossen sein – nach ausführlichen Kampagnen an den Testständen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Lampoldshausen. Dort soll 2018 erstmals eine komplette Oberstufe samt Vinci-Triebwerk gezündet werden.

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