Passwort vergessen?  | 
 |  Passwort vergessen?  | 
Suche
  • Login
  • Login

Freitag, 15. Dezember 2017

Raumfahrt

Rücke vor bis aufs Launchpad

Von Wolfgang Heumer | 23. Februar 2017 | Ausgabe 08

Trägerraketen werden in Zukunft ganz anders produziert als heute. Auf einem Spielbrett in Bremen lässt sich das schon heute sehen.

BU Ariane 6
Foto: Wolfgang Heumer

Brettspiel: Jeden Morgen treffen sich die Ingenieurinnen und Ingenieure am Planungstisch. Das Bild zeigt die Proportionen der Bremer Ariane-6-Fertigungshalle im Maßstab 1:40.

Das Triebwerk ist noch gar nicht zu Ende entwickelt, da ist bereits die erste Oberstufe der neuen Trägerrakete Ariane 6 fertig. Daneben stehen zwei weitere Exemplare dieses 11,5 m hohen „Upper Liquid Propulsion Moduls“ (ULPM), beide noch im Entstehen begriffen. Soeben sind neue Tankdome eingetroffen, dazu Tankhüllen und die Befestigungsplattformen für das Vinci-Triebwerk.

Wer baut die Ariane 6?

Die Szene spielt in der Ariane-6-Integrationshalle in Bremen, genauer in einem Modell der Halle. Es handelt sich um einen Tisch – einem großen Spielbrett nicht unähnlich, 1:40 beträgt der Maßstab. Hier hat der Raketenbauer Airbus Safran Launchers (ASL) die Produktion der Ariane 6 bereits aufgebaut. Hier trifft sich jeden Morgen ein Team junger Ingenieurinnen und Ingenieure, um die nächsten Schritte eines Projektes zu besprechen, mit dem die europäische Raumfahrtindustrie Neuland betritt. „Wir müssen einen völlig neuen Fertigungsprozess entwickeln, weil die neue Ariane 6 ab 2020 in wesentlich höheren Stückzahlen zu deutlich niedrigeren Kosten als die Ariane 5 gebaut werden wird“, sagt Stefan Hässler, der bei ASL als Vice-President und Chief Industrial Officer die Endmontage der neuen Trägerrakete verantwortet.

Was ist die Ariane 6?

Die bisherige europäische Trägerrakete – Ariane 5 – ist bereits 77-mal erfolgreich geflogen. Trotz dieser hohen Stückzahl wird sie einzeln und mit einem hohen Anteil an Handarbeit gefertigt. Wie in einem gigantischen Puzzle werden die einzelnen Komponenten von gut 40 Zulieferern sowie aus den ASL-Standorten in ganz Europa zur Integration gebracht. Die Oberstufen entstehen in Bremen, die Hauptstufen in Les Mureaux bei Paris.

Foto: ESA–D. Ducros, 2014

Zwei Varianten: Je nach Mission fliegt die Ariane 6 mit zwei oder mit vier Feststoffboostern.

Bis zu sieben Raketen baut ASL aktuell jedes Jahr. Jede Stufe wird einzeln gebaut, anschließend per Schiff nach Kourou in Französisch-Guayana transportiert und dort neben dem Startgelände des europäischen Raumfahrtbahnhofs komplettiert. Erst wenn die jeweiligen Bauplätze in Bremen bzw. Les Mureaux wieder frei sind, beginnen die Arbeiten an der nächsten Rakete. „Mit diesem Verfahren lassen sich weder die geforderten Stückzahlen der Ariane 6 noch die Kostenvorgaben erreichen“, erläutert Hässler.

Vereinfacht ausgedrückt besteht eine Oberstufe aus einem großen Tank, auf den oben ein kuppelartiger Deckel montiert wird. Unten wird die Bodenplatte mit dem Triebwerk angesetzt. Künftig müssen in Bremen zwölf Oberstufen hergestellt werden – zum Festpreis. Denn anders als bei ihrer Vorgängerin sind die Kosten für die Ariane 6 pro Launcher gedeckelt: Die europäische Raumfahrtagentur ESA garantiert jährlich fünf Starts der kleineren Variante mit zwei Feststoffboostern zum Preis von 70 Mio. €.

Welche Preise ASL auf dem kommerziellen Markt erzielen kann, ist noch offen. Insbesondere der US-amerikanische Wettbewerber SpaceX setzt den Markt mit preiswerten Angeboten unter Druck. Für die Integration der Oberstufe haben sich Hässler und sein Team deshalb für ein Fluss-Prinzip entschieden, das in ähnlicher Form beim Bau von Kraftwerksturbinen angewendet wird und dort auch bei kleinen Stückzahlen Serieneffekte kostensenkend nutzt.

Das Triebwerk Vinci PF52 kommt aus dem französischen ASL-Standort in Vernon; Tank und Deckel fertigt das Raumfahrtunternehmen MT Aerospace in einer Halle gleich neben dem ASL-Integrationsgebäude in Bremen. Dort wird der Tank zunächst in einem weitgehend automatisierten Verfahren mit einer Isolationsschicht versehen und dann von Station zu Station im Produktionsfluss weitergereicht und schließlich im Reinraum an drei Bauplätzen endmontiert.

Die Herausforderung steckt in der Logistikkette: Europaweit müssen die Rhythmen von etwa zwei Dutzend Zulieferern dem Bremer Taktstock folgen. „Der Prozess wird viel stärker durchgetaktet sein als heute, wir werden mit deutlich weniger Puffer und Lagerbeständen arbeiten“, sagt Stefan Hässler. Geraten die Abläufe ins Stocken, setzt sich das im Zweifelsfall bis nach Kourou fort.

Foto: Wolfgang Heumer

„Wir müssen einen völlig neuen Fertigungsprozess entwickeln, weil die Ariane 6 zu deutlich niedrigeren Kosten als die Ariane 5 gebaut werden wird.“ Stefan Hässler, Airbus Safran Launchers.

Auch weil Hässlers Bremer Team den künftigen Produktionsprozess natürlich nicht nur mit Playmobilfiguren und Plastikmodellen, sondern auch in der virtuellen Realität simuliert, ist klar: Das Projekt ist alles andere als ein Kinderspiel. Das System wird auf eine Produktion von zwölf Oberstufen ausgelegt, muss aber dem Bedarf entsprechend atmen können. „Es kann durchaus sein, dass wir in einem Halbjahr auch acht Oberstufen ausliefern müssen“, sagt Hässler.

Die erhöhten Stückzahlen und das neue Kostendenken verändern nicht nur die Arbeitsabläufe innerhalb der Integration der einzelnen Ariane-Komponenten in der Endmontage. Auch die Zulieferer müssen umdenken.

Die Bandbreite reicht vom Einsatz neuer Technologien wie dem Reibrührschweißen (friction stir welding) über die Automatisierung bislang manuell ausgeführter Arbeiten bis zur Neuordnung ganzer Prozessketten. „In vielen Bereichen stehen die Erfahrungen aus der Luftfahrtindustrie Pate, auch wenn die Stückzahlen in der Raumfahrt deutlich kleiner sind“, sagt Holger Mayländer, Vertriebschef des Anlagenbauers Broetje Automation aus Rastede.

Allzu tief lässt sich Mayländer nicht in die Karten schauen – Broetje entwickelt und fertigt Automatisierungslösungen für mehrere der an der Ariane 6 beteiligten Unternehmen. In der Branche ist es aber kein Geheimnis, dass der Druck auf die Zulieferer zunimmt, dass sich Fragen stellen, die sich bei der Ariane 5 nie gestellt haben. Es reicht nicht, die beste Technik zu liefern, es muss auch der beste Preis sein. Das führt zu grundlegenden Veränderungen – Kostenvorgaben für noch zu entwickelnde Bauteile etwa – und zu komplett neuen Arbeitsabläufen, die nun nicht allein von Qualitätsstandards bestimmt sind, sondern zusätzlich von Stückzahlen, Taktzeiten und Lieferterminen.

Schließlich müssen die Zulieferer selbst den Nachweis erbringen, dass sie die geforderten Standards auch eingehalten haben. Früher wurden diese kostenaufwendigen Prüfungen von der europäischen Raumfahrtagentur ESA vorgenommen, heute sind die Hersteller selbst verantwortlich. „Idealerweise erledigt die Maschine die Prüfung und Dokumentation mit“, sagt Mayländer.

Klassischerweise können Automaten vor allem bohren, nieten, fräsen, schweißen und Bauteile von einer Bearbeitungsstation zur nächsten bewegen. In der Luftfahrtindustrie müssen die Maschinen dies mit absoluter Präzision erledigen. Dort bringen solche Systeme bereits erhebliche Einsparungen beispielsweise dann, wenn Zehntausende Bohrlöcher in die Rumpfschale eines Airbus eingebracht oder die Ausschnitte für Fenster und Türen gefräst werden müssen. Bei Raketen gab es bislang nur wenige Komponenten, für die sich teure Automaten gelohnt hätten.

Zudem wurden Raketen und Raumfahrzeuge bislang so konstruiert, dass sie manuell zusammengebaut werden. Wenn Automaten zum Einsatz kommen sollen, ist dies auch eine Frage der Zugänglichkeit für Werkzeugköpfe und Roboterarme. „Jetzt muss unter Umständen die gesamte Konstruktion anders überlegt werden, damit überhaupt Automatisierungsmöglichkeiten entstehen“, sagt Mayländer.

Wenn Automatenhersteller und Raketenentwickler nicht Hand in Hand arbeiteten, wäre der Konflikt dabei programmiert, sagt Mayländer. „Ein Konstrukteur macht immer das, was er am besten kann, in diesem Fall würde er der Erfahrung aus der Ariane 5 folgen und dann kommt der Automatisierer und sagt, das machen wir jetzt mal alles anders.“ Mayländer versucht diesem Gegeneinander aus dem Weg zu gehen.

Manchmal geht es bei den Automatisierungsansätzen aber nicht allein um Produktions- oder Kostenfragen, sondern auch um die Verbesserung des Produktes. Reibrührschweißen steht unter anderem deswegen in der Raumfahrtindustrie hoch im Kurs, weil bei diesem Verfahren keine zusätzliche Masse eingebracht wird, die später zulasten der Tragfähigkeit einer Rakete gehen würde. Auch Broetje hat sich an der Entwicklung einer Anlage speziell für die Raketenherstellung versucht. Doch für das Schweißen von Tankdeckeln mit einem Durchmesser von 5,40 m wäre eine Anlage in einer Größenordnung notwendig geworden, die in einer anderen Industrie kaum eingesetzt würde. Broetje verfolgte das Thema nicht weiter.

MT Aerospace in Augsburg tüftelt mit Hochdruck an einer solchen Schweißanlage. Die Tochter des Bremer Raumfahrtkonzerns OHB Systems wird in der bayerischen Zentrale die Tanks für die Hauptstufe der Ariane 6 und in Bremen die Tanks für die Oberstufe bauen. Die Deckel mit einem Durchmesser von 5,40 m bestehen aus acht Segmenten, die im bisherigen Verfahren von Schweißrobotern miteinander verbunden werden. Künftig sollen sie im Reibrührschweißverfahren zusammengesetzt werden – das spart Material und damit Gewicht. Jedes Kilogramm zählt in der Raumfahrt.

In einem abgetrennten Bereich der Halle hat MT eine kleine Werkstatt eingerichtet. Beim Rundgang durch die Hallen ist nur ein schneller Blick erlaubt. „Hier entwickeln wir unser eigenes Werkzeug für das friction stir welding“, so Michael Keller, der zum Zeitpunkt der Recherche Produktionsleiter ist. Die Werkzeugmaschinenbauer hätten keine geeigneten Anlagen liefern können, sagt Keller – die gebogenen Bauteile seien zu groß für herkömmliche Maschinen.

Während sowohl ASL als auch MT am Standort Bremen die Ariane-6-Fertigung in leeren Hallen einrichten können, stehen die Planer in Augsburg vor einer besonderen Herausforderung. „Wir müssen die neuen Linien parallel zur laufenden Produktion für die Ariane 5 aufbauen,“ sagt Keller. Zwischen den bestehenden Werkhallen werden Gebäude errichtet, die einen Teil der künftigen Produktion aufnehmen sollen.

Weil künftig doppelt so viele Tanks benötigt werden, müssen aber auch die Produktionshallen genutzt werden, in denen laufend die Ariane 5 produziert wird. Die Augsburger müssen an Zeit und Platz zugleich sparen, können aber kein zusätzliches Personal beschäftigen – die Tanks müssen am Ende deutlich weniger kosten als die für die Ariane 5.

In einer weiteren Halle arbeiten die Augsburger an Tanks aus Karbonfaserverbundstoffen. Für die Flugzeugindustrie werden die schwarzen Hohlkörper bereits in Serie gefertigt, jetzt sollen auch die Gehäuse für die Booster aus dem Leichtbaumaterial gefertigt werden. Ursprünglich sollten diese komplett beim italienischen Raketenbauer Avio produziert werden – die Booster sind weitgehend identisch mit der Hauptstufe seiner kleinen Trägerrakete Vega C.

Auf den letzten Drücker kam MT Aerospace doch noch zum Zuge (s. VDI nachrichten 47/2016), dem Vernehmen nach auf Wunsch der bayerischen Staatsregierung – die Bayern möchten Augsburg zu einem Zentrum der Karbonfaserverarbeitung in Europa entwickeln. Ob MT die Booster tatsächlich fertigt, ist aber noch offen. Vor dem endgültigen Zuschlag müssen die Augsburger nachweisen, dass sie die Hüllen überhaupt fertigen und zu einem um 30 % niedrigeren Preis als die Italiener liefern können.

Die Herausforderung besteht in dem neuartigen Prozess: Das Gehäuse wird nicht aus Karbonfaserbahnen gelegt, sondern aus Garn gewickelt. Ein Exemplar liegt bereits in der Halle – allerdings ist es nicht viel größer als eine herkömmliche Gasflasche, die künftigen Booster werden dagegen 16 m lang sein und einen Durchmesser von 3,20 m haben.

Während die Augsburger mit den erforderlichen Nachweisen für die Booster-Fertigung noch Erhebliches zu leisten haben, gehen die Bremer Planspiele mit Playmobilfiguren und Raketenmodellen schon in die letzte Runde. Am 27. März startet der theoretische Testlauf für die Produktion. Dabei wird die gesamte Produktion fast einen Monat lang geprüft und in Computersimulationen durchgespielt. Wenn der Prozess am Ende dieses „Maturity Gate 6“, die Reifeprüfung, bestanden hat, stehen die Signale für den Produktionsbeginn in 2018 und die erste Integration einer Oberstufe in 2019 auf Grün.

stellenangebote

mehr