Auf dem europäischen Weltraumbahnhof in Kourou (Teil 2)

Nicht nur der Startkomplex für die neue Ariane 6 auf dem europäischen Weltraumbahnhof Kourou befindet sich bereits im Bau, sondern auch schon Hardware für die Trägerrakete selbst. Und einige Hardware ist sogar schon in Kourou angekommen. Es handelt sich dabei um zwei Feststoffraketenmotoren P120C für die Ariane 6.

Vega-C
Ariane 6 und Vega-C werden beide den P120C-Feststoffmotor zum Antrieb in der frühen Startphase nutzen.

Diese P120C-Raketenmotoren können sowohl als Erststufe für die neue Variante der Vega-Rakete, genannt Vega-C, als auch als Booster für die Ariane 6 verwendet werden. Damit sind sie ein wichtiger Bestandteil der Kostensenkungsstrategie bezüglich der neuen Generation von ESA-Trägerraketen. Größere jährliche Stückzahlen (in diesem Falle 30-40 P120C-Moroten pro Jahr) erlauben eine Art Serienproduktion und reduzieren so die Herstellungskosten pro Motor und damit pro Start.

Warum verwendet man heutzutage eigentlich noch solche recht einfachen Feststoffmotoren? Feststoffmotoren haben einige spezielle Eigenschaften und Vorteile unter gewissen Umständen. Das Funktionsweise so eines Feststoffmotors ist recht einfach. Man hat einen pulverförmigen Brennstoff (wie hier z.B. Aluminiumpulver) und einen weiteren Stoff (Ammoniumperchlorat), welcher als Oxydator (zur Verbrennung) dient.  Das ganze wird mit Hilfe eines Bindemittels in eine gummiartige, doch feste Masse umgewandelt. Das Bindemittel wird HTPB (Hydroxyterminiertes Polybutadien) genannt und dient auch gleichzeitig als Brennstoff.

P120Cscheme_ESA

Dieses Brennstoffgemisch füllt fast das gesamte Motorrohr aus mit einem zentralen Freiraum auf der gesamten Länge des Motors. Der Freiraum kann verschiedene Formen haben wie z.B. Zylinferform oder die Form eines Sternes. Mit der Wahl dieser Form kontrolliert man die zur Verfügung Abbrennfläche und damit den Schub. Gezündet werden die Motoren mit Hilfe eines Zünders am Kopf des Motors. Der Zünder schickt auf Funkbefehl eine große Stichflamme den gesamten zentralen Freiraum des Motors entlang um sofort einen hohen Anfangsschub zu gewährleisten. Dann brennt der feste Treibstoff von innen nach außen ab. Probleme kann es nur geben, wenn die abbrennende Oberfläche plötzlich grösser wird. Das wäre z.B. bei Rissen oder Blasen im Feststofftreibstoff der Fall. Diese kann man aber seit mehr als 20 Jahren mit einer speziellen Röntgenuntersuchung finden und damit defekte Boostereinheiten aussortieren. Daher hat es seit 20 Jahren auch keine Unglücke verursacht durch Feststoffbooster mehr in der Raumfahrt gegeben. Die Feststoffmotoren sind heutzutage also sehr robust und sicher und benötigen nach Fertigstellung nur minimale Startvorbereitungen.

 

Beliebt sind die recht einfachen Feststoffmotoren so für kleine Trägerraketen wie der Vega oder zum Generieren von zusätzlichen Schub beim Start. So liefern die Feststoffbooster der Ariane 5 90 Prozent des Schubs beim Start. Die Ariane 5 kann so gleihc nach dem Start schnell steigen und die dichteren Schichten der Erdatmosphäre schnell verlassen. Das führt zu weniger Reibungsverlusten durch Wechselwirkungen der Rakete mit der Atmosphäre und somit zu einem effektiveren Start.

Vega-C
Die zwei Varianten der Ariane 6: die leistungsstärkere A64-Variante wird 4 Booster mit P120C-Motor nutzen (oben), die kleinere A62-Variante zwei (unten). Bemerkung: Das Erscheinungsbild der Ariane 6 wird anders sein, da die grauen aufgeklebten Isoliermatten bei der aktuellen Ariane-6-Version durch weißen aufgesprühten Isolierschaum ersetzt wurden.

Auch bei der Ariane 6 wird man dieses Prinzip durch die Nutzung von 2 (Ariane 62) bzw. 4 Feststoffboostern (Ariane 64) mit je einem P120C-Motor beibehalten. So werden die 2 Feststoffbooster beim Start der Ariane 62 mehr als 80 Prozent des Schubs liefern. Bei der Ariane 64 mit 4 Boostern werden es sogar mehr als 90 Prozent sein.

Integration tuyere P120_BIP_238
Hier am Endstück der P120C-Boosterhülle kann man die gewickelten Kohlefasern recht gut erkennen.

 

Die Technologie für Feststoffbooster hat in den letzten Jahren auch einen weiteren Schub erhalten, da man inzwischen die Boosterhüllen (welche auch gleichzeitig die Brennkammern sind) aus Kohlefaserverbundwerkstoffen herstellen kann. Die Boosterhüllen werden damit deutlich leichter als entsprechende konventionelle Boosterhüllen aus Stahl.  So haben die Booster der Ariane 5 (aus Stahlsegmenten zusammengesetzt, siehe auch dieser Bericht) eine Leermasse von rund 37 Tonnen bei einer Treibstoffmasse von rund 238 Tonnen. Der kleinere P120C-Booster wiegt leer nur 11.3 Tonnen, kann aber 141.6 Tonnen Treibstoffmasse aufnehmen. Beim Ariane-5-Booster sind also 86.5 Prozent der Gesamtmasse Treibstoff, beim P120C für die Ariane 6 92.6 Prozent. Diese leichtern Booster der Ariane 6 kommen natürlich der möglichen Nutzlast zu Gute.

Integration tuyere P120_BIP_314
Weltrekord! Der P120C-Motor in voller Länge gesehen im Vergleich zu einem Menschen. Dies ist der größte monolithische Booster der Welt.

Die Boosterhüllen für die Ariane 6 bestehen erstaunlicherweise aus nur einem Stück Kohlefaserverbundwerkstoff und sind mit 11,5 Metern Länge und 3,4 Metern Durchmesser somit die grössten monolithischen Boosterhüllen der Welt. Diese Technologie der Nutzung von Kohlefaserverbundwerkstoffen für Feststoffmotoren wurde für die Vega-Rakete von der italienischen Firma Avio entwickelt. Der P120C ist praktisch gesehen eine vergrößerte Variante des P80-Motors, welche bei der Erststufe der Vega verwendet wird. Zur Herstellung der Boosterhülle werden in einem aufwendigen Verfahren Kohlefasern zusammen mit den notwendigen Bindemitteln in die gewünschte Boosterhüllenform gewickelt. Die deutsche Firma MT Aerospace entwickelt nun zusammen mit dem DLR ein Herstellungsverfahren, welches einfacher und damit günstiger sein wird als das von Avio genutzte. So hofft MT Aerospace dann ab dem Jahre 2023 (die Ariane 6 löst dann die Ariane 5 vollständig ab) die Hälfte aller Boosterhüllen für die Ariane 6 liefern zu können. So würden dann praktisch zwei Produktionslinien für Ariane-6-Boosterhüllen entstehen. Weitere Informationen zur Thematik findet Ihr in diesem Artikel

Integration tuyere P120_BIP_001
Die erste Testeinheit des P120C-Boosters im BIP-Gebäude in Kourou. Die metallische runde Struktur im Zentrum des oberen Endes des Boosters gehört übrigens zum eingesetzten Zünder.

Es war dann äußerst interessant die erste Testeinheit des P120C-Motors besichtigen zu dürfen. Dieser wird in Kourou gegenwärtig genutzt, um die Prozeduren zu den Startvorbereitungen zu üben. Bei der Testeinheit handelt es sich um eine reale Boosterhülle aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Im September 2017 hatte man den Booster gefüllt mit einer Art nicht zündfähigem Treibstoffersatz, welcher dem realen Treibstoff in vielerlei Hinsicht recht nahe kommt. Jetzt übt man mit der Testeinheit die notwendigen Vorbereitungsprozeduren, z.B. wie man den Zünder  einsetzt oder die Düse befestigt. Einsetzen von Düse und Zünder werden jeweils mit Hilfe von robotischen Maschinen durchgeführt, da bei es dabei bei einem Booster mit richtigem Treibsatz bei krassen Prozedurfehlern eventuell zu einer Explosion kommen könnte. Die Bewegungen der Roboter werden dabei auch von Lasermesssystemen ständig überprüft, um jegliche Abweichungen im frühesten Stadium zu erkennen und somit relevante Abweichungen ganz vermeiden zu können. Sicherheit geht vor!

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Der robotische Einheit (blau) zum Einsetzen der Düse in den Motor. Im Motor selbst kann man die Struktur des festen Treibstoffes gut erkennen.

Unsere Führung im BIP hatte interessanterweise jemand übernommen, der ein Fan meiner Starts von Vega- und Ariane-6-Modellen ist und diese auch intensiv auf Twitter verfolgt. So hatte ich dann die etwas überraschende Ehre Francesco Capri von der Firma Europropulsion jetzt einmal persönlich kennen zulernen. Danke für die exzellente Führung, Francesco. Wir durften so einiges lernen.

Arta6teststand
Der ARTA-Teststand in Kourou für Testzündungen von Feststoffmotoren. Im Mai 2018 soll hier erstmals ein Test eines P120C-Motors stattfinden. Wir sind gespannt!

Wie geht es jetzt weiter mit der Entwicklung des P120C-Motors? Die erste Testeinheit wird weiterhin zur Definition der Prozessabläufe bei den Startvorbereitungen genutzt werden. U.a. ist geplant, die Einheit sehr bald auch auf dem ARTA-Teststand am Rande des Weltraumbahnhofes zu installieren.

P120Cfüllen
Dies Bild zeigt das Befüllen des ersten P120C-Motors mit innertem Treibstoff. Der Treibstoff ist beim Befülllen noch zähflüssig und so in den senkrecht stehenden Motor eingelassen.

Eine zweite Testeinheit des Motors ist auch schon in Kourou und wurde diesmal mit dem normalen Treibstoff befüllt. Dieser Treibstoff härtet jetzt aus. Dann werden bei diesem Motor auch der Zünder und die Düse installiert werden. Für Mai dieses Jahres ist dann die erste statische Testzündung eines P120C-Motors auf dem ARTA-Teststand geplant. Für dieses äußerst interessanten Event auf dem Europäischen Weltraumbahnhof Kourou könnte man dann einfach mal in guter Tradition den Hashtag #Ariane6FiresUp einführen! Ich werde versuchen für Euch darüber berichten zu dürfen.

Vega-C
Dies soll Mitte 2019 Realität werden: Die erste Vega-C-Rakete mit einer P120C-Erststufe steht in Kourou zum Start bereit.

Der erste Flug eines P120C-Motors ist dann für Mitte 2019 geplant. Das ist natürlich noch kein Start der Ariane 6! Der Motor wird dabei als Erststufe der neuen Vega-C-Trägerrakete dienen. Wir drücken für diesen Start und natürlich die insgesamt drei vorher geplanten statischen Testzündung die Daumen und wünschen gutes Gelingen!

 

Euer Dr. Rocket (a.k.a. SpaceHolgar)  😉

P.S.: Nochmal zurück zum Thema #Ariane6FiresUp: Tests von Ariane-6-Flüssigkeitstriebwerken haben natürlich auch schon stattgefunden, so jüngst die 1. Testzündung des Vulcain-2.1.-Triebwerkes für die Ariane-6-Hauptstufe auf dem P5-Teststand des DLR in Lampoldshausen. Über so einen Test berichten zu dürfen wäre auch sehr interessant. 😉

Und hier geht es zu Teil 1 der Reportage!

P.S.: Ich habe hier mal eine Galerie mit allen uns von der ESA zur Verfügung gestellten Bildern vom Einsetzen einer Mock-up-Düse in den ersten P120C-Motor für Ariane 6 und Vega-C ergänzt. Bitte auf die Bilder klicken um die Galerie mit guter Auflösung zu öffnen!

 

Vielleicht auch von Interesse: Meine persönliche Einschätzung der Marktchancen der Ariane 6 in den kommenden Jahren

 

 

 

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