Ariane 5 Trägerrakete

 

 

 

 

 

 

Ariane 5 – Europäische Trägerrakete der ESA

 

Die Ariane 5 ist eine europäische Trägerrakete aus der Ariane-Serie, die im Auftrag der ESA entwickelt wurde und seit 1996 im Einsatz ist. Sie ist die leistungsfähigste europäische Trägerrakete und ermöglicht es, schwere Nutzlasten in die Erdumlaufbahn zu befördern.

 

Ariane 5 – Konzept & Anwendung

 

Während der Konferenz in Den Haag im November 1987 bewilligte der ESA-Ministerrat die Entwicklung eines ersten europäischen Schwerlastträgers, um für die immer größer werdenden Telekommunikationssatelliten gewappnet zu sein. Zu diesem Zeitpunkt konnte die ESA bereits auf einen langen, erfolgreichen Einsatz der Ariane-Reihe zurückblicken.

Das Ziel bei der Entwicklung der Ariane 5 war eine mit einem Gesamtgewicht von bis zu 6,8 Tonnen 60 Prozent höhere Nutzlast für die Geostationäre Transferbahn (GTO) bei nur 90 % der Kosten einer Ariane 44L. Dies entspricht einer Verringerung der Kosten pro Masse-Einheit um 44 Prozent.

Ariane 5 - Raumfrachter ATV-4 "Albert Einstein" Ariane 5ES mit "OCAM"-Kamerasystem

Einen weiteren Anwendungsbereich der Ariane 5 sollte der europäische Raumgleiter Hermes darstellen, der Raumgleiter sollte mit einer eigenen europäischen Rakete gestartet werden können.

Hermes wäre von der Rakete auf einer Parabelbahn ausgesetzt worden, welche die Raumfähre mit ihrem eigenen Antrieb in eine erdnahe Umlaufbahn angehoben hätte.

Das europäische Hermes Projekt wurde jedoch 1993 eingestellt.

Durch den Aufbau der Ariane 5 mit einer bewusst sehr niedrig gehaltenen Anzahl von Triebwerken sollte eine sehr hohe Zuverlässigkeit erreicht werden.

Obwohl Hermes nie gebaut wurde, wurde eine bemannte Nutzung der Ariane 5 nicht ausgeschlossen.

Die angestrebte Zuverlässigkeit der Rakete lag mit 99 % für die einstufige Variante eine Größenordnung höher als bei der Ariane 4, die nur für Satellitenstarts entwickelt worden war und viele Triebwerke besaß.

Für die zweistufige Variante waren 98,5 % anvisiert. Entsprechend groß war die Enttäuschung, als die Ariane 5 gleich beim Erstflug einen Fehlstart erlitt, während ihre Vorgängerin erfolgreich weiter flog.

Heute werden mit der Ariane 5 hauptsächlich Kommunikationssatelliten in den geostationären Orbit gestartet.

Entwicklung & Vertrieb

 

Die Ariane 5 wurde von Raumfahrtunternehmen aus den ESA-Mitgliedstaaten im Auftrag der ESA entwickelt. Dabei stellte jeder Mitgliedstaat, der sich an dem Projekt beteiligen wollte, finanzielle Mittel zur Verfügung. Die Industrie des jeweiligen Staates bekam dann Entwicklungsaufträge im Wert des von dem Staat gezahlten Entwicklungsbeitrages von der ESA.

Die ESA ließ das Projekt von der französischen Raumfahrtbehörde CNES durchführen, welche die technische Leitung, das Finanzmanagement und die Verteilung der Aufträge an die einzelnen Unternehmen in den Partnerstaaten übernahm. Die Startgesellschaft Arianespace musste deshalb die Einzelteile der Rakete bei den von der ESA ausgewählten Unternehmen bestellen und auch von den dafür ausgewählten Unternehmen montieren lassen.

Nach dem Fehlstart beim ersten Flug der Ariane 5 ECA im Jahr 2002 wurde dieses komplizierte System abgeschafft und die EADSSpace Transportation (später EADS-Tochter Astrium Space Transportation, heute Airbus Defence and Space) zum Hauptauftragnehmer ernannt.

Die Airbus Defence and Space baut nun die Raketen komplett aus den von ihr und den Partnerfirmen hergestellten Einzelteilen zusammen und ist für die Funktionsfähigkeit der kompletten Raketen verantwortlich. Sie liefert die Raketen nach der Endabnahme an ihren Kunden Arianespace.

Für die ersten drei Starts waren ESA und CNES direkt verantwortlich, später übernahm Arianespace die Vermarktung. Die Rakete wird auch internationalen Kunden zum Start ihrer Satelliten gegen Entgelt (~ 180 Millionen Dollar) angeboten. Fast alle Starts entfallen auf diese Kunden, dagegen startet die ESA durchschnittlich nur etwa 1–2 mal pro Jahr Nutzlast(en) mit der Ariane 5.

Die Entwicklungskosten der Ariane 5 betrugen etwa 5,8 Milliarden Euro (7 Milliarden US-Dollar). Direktor des Ariane-Programms war der deutsche Raumfahrtingenieur Horst Holsten.

 

Versionen der Ariane 5 Trägerrakete

 

Schon vor dem Erstflug stand fest, dass die Ariane 5 nur Satelliten starten würde. Die Ariane 4 beherrschte zu dem Zeitpunkt etwa die Hälfte des weltweiten kommerziellen Satellitenstartmarktes und man wollte diese Position mit der Ariane 5 weiter ausbauen. Daneben stieg die Masse der kommerziellen Kommunikationssatelliten kontinuierlich an, sodass man befürchtete, Ariane 5 werde bald nach ihrer Markteinführung keine Doppelstarts mehr durchführen können.

Deshalb beschloss die ESA noch vor dem ersten Start ein Leistungssteigerungsprogramm. Zuerst war eine deutliche Vergrößerung der EPS-Oberstufe geplant, damit sie mehr Treibstoff aufnehmen könnte. Auch ein neues turbopumpengefördertes Triebwerk sollte diese veränderte Stufe erhalten. Jedoch scheiterte dieser Vorschlag an der Sperrung der Entwicklungskosten durch Deutschland.

Während der ESA-Ministerratskonferenz im Oktober 1995 in Toulouse wurde das Erweiterungsprogramm Ariane-5E (Evolution) gebilligt, um den Markt für die größer werdenden Nutzlasten im Telekommunikationsbereich zu sichern. Die darin langfristig geplanten leistungsfähigeren Träger sind die Ariane 5 ECA, Ariane 5 ECB und die Ariane 5 ES.

Bis diese zur Verfügung standen, wurden mit der Ariane 5G+ und Ariane 5GS zwei leicht modifizierte Versionen entwickelt, die eine leicht gesteigerte Nutzlastkapazität haben und stärker auf die Anforderungen von Raumsonden- und Satellitenstarts optimiert sind.

 

Ariane 5G+

 

Die Ariane 5G+ unterschied sich von der Ariane 5G nur dadurch, dass die EPS-Stufe leicht modifiziert wurde, um die Treibstoffmenge um 250 kg zu erhöhen.

Außerdem wurden weitere Veränderungen vorgenommen, um die Stufe wiederzündbar zu machen und längere Freiflugphasen zu ermöglichen.

Während der Freiflugphasen rotiert die neue, EPS L10 genannte Oberstufe mit der darauf befindlichen Nutzlast um ihre Längsachse, und verteilt so die Sonnenstrahlung gleichmäßig auf der ganzen Oberfläche.

Dadurch wird die Überhitzung einer Seite der Stufe und der Nutzlast und das Auskühlen ihrer anderen Seite verhindert, da sonst ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten von 200 K auftreten kann. Dieses Verfahren wird in der Raumfahrt als „Barbecue-Mode“ bezeichnet.

Ariane 5GS

 

Die Ariane 5GS hat neben der wiederzündbaren EPS-L10-Oberstufe auch neue Feststoffbooster.

Diese wurden im Rahmen des Performance-2000-Programmes im Auftrag (und auf Kosten) von Arianespace entwickelt.

Das Programm hatte das Ziel, die Nutzlast der Ariane 5 durch kleine Verbesserungen zu steigern und lief schon vor dem Leistungssteigerungsprogramm der ESA an.

Die EAP-P241-Booster haben eine um 3 Tonnen erhöhte Treibstoffzuladung im obersten der drei Segmente und eine verlängerte Schubdüse aus leichterem Material, um die Schuberzeugung in großen Höhen zu verbessern und das Gewicht zu senken.

Dadurch steigt der durchschnittliche Schub auf 5060 kN und der Maximalschub auf 7080 kN an.

Ariane 5 ECA

 

Die Ariane 5 ECA konnte mit 10,7 Tonnen eine deutlich größere Nutzlast als ihre Vorläuferversionen befördern (Stand 2016). Der Zusatz ECA steht für Evolution Cryotechnique Type A. Sie verfügt über eine modernisierte erste Stufe mit dem neuen Vulcain-2-Triebwerk und der neuen kryogenen Oberstufe ESC-A (Etage Supérieur Cryotechnique Type A – kryogene Oberstufe Typ A).

Die modernisierte Hauptstufe mit dem neukonstruierten schubgesteigerten Vulcain-2-Triebwerk enthält durch eine Verschiebung des Tankzwischenbodens nun 173 Tonnen Treibstoff und heißt EPC H173.

Die neue Oberstufe ESC-A H14,4 verwendet das in der dritten Stufe der Ariane 4 eingesetzte Triebwerk HM-7B, das einen höheren Schub als die bisherige Oberstufe liefert und nicht wiederzündbar ist. Dadurch können schwerere Nutzlasten und mehr Treibstoff mitgeführt werden. Die Treibstoffzuladung liegt jetzt bei 14,6 Tonnen.

Ariane 5 - Ariane_5_ECA_DE-1

Durch die Verwendung von Wasserstoff als Verbrennungsträger liegt die Nutzlastkapazität der Ariane 5 ECA bei 10,7 Tonnen Nutzlast bei einem Einzelstart und 9,1 Tonnen bei einem Doppelstart. Sie ist damit erheblich höher als die der bisherigen Ariane 5, bei nur leicht angestiegenen Herstellungskosten.

Der bis auf eine Verlängerung ebenfalls nahezu unverändert von der Ariane 4 übernommene Tank für den Oxidator (Sauerstoff) wird vom neuen, nahezu halbkugelförmigen Treibstofftank für den Wasserstoff umgeben. Dieser hat die Form einer dicken Kugelschale, so dass es zwischen ihm und dem Sauerstofftank einen Zwischenraum gibt.

Die Stufe hat einen Durchmesser von 5,4 Metern. Die Steuerungseinheit sitzt jetzt auf der Oberstufe und ist strukturell leichter als die bei den EPS-Oberstufen eingesetzte Version, weil sie nicht mehr die in ihr sitzende Stufe tragen muss. Zur ESC-A-Stufe gehört auch der Teil des Zwischenstufenadapters, der die Schubdüse des HM-7B-Triebwerks umschließt. Bei der Stufentrennung verbleibt dieser Teil der Oberstufe zur Gewichtsreduzierung auf der EPC und nur die eigentliche Oberstufe fliegt weiter.

Die Ariane 5 ECA wurde deshalb primär als Zwischenlösung bis zum Erscheinen der inzwischen gestrichenen Ariane 5 ECB, für Starts in den GTO entwickelt. Sie wird daher im Einsatz bleiben bis nach einer Phase des parallelen Einsatzes die Ariane 6 sie komplett ersetzt.

Auch der Erstflug der Ariane 5 ECA am 11. Dezember 2002 scheiterte. Als Ursache wurde das strukturelle Versagen der Düse des Vulcain-2-Triebwerks festgestellt. Eine Folge des Fehlschlags war, dass der für den 13. Januar 2003 geplante Start der Rosetta-Mission verschoben werden musste, da das Risiko eines Totalverlustes nun als zu hoch eingeschätzt wurde.

In der nach dem Fehlstart modifizierten Ariane 5 ECA wird nun ein verbessertes Vulcain-2-Triebwerk verwendet, bei dem die Düse verstärkt und etwas verkürzt worden ist. Zusätzlich wurde der Kühlmitteldurchsatz erhöht und sie erhielt einen speziellen Wärmeschutz aus Zirkoniumoxid. Die verbesserten Triebwerke wurden – auch wegen der Fehlfunktion beim Erstflug – in einer neuen Vakuumkammer des DLR in Lampoldshausen getestet.

Ein großer Teil des für die Requalifizierung der Ariane 5 ECA benötigten Geldes soll für die Errichtung dieser Prüfstände ausgegeben worden sein.

Ein Rahmenvertrag über 30 Ariane 5 (Produktionslos PA) im Gesamtwert von drei Milliarden Euro wurde am 10. Mai 2004 abgeschlossen. Er soll es ermöglichen, die Produktion zu rationalisieren und die Ariane 5 ECA gegenüber der russischen Konkurrenz zu stärken.

Der erfolgreiche zweite Start der Ariane 5 ECA erfolgte am 12. Februar 2005.

Einer Absichtserklärung von der Paris Air Show 2007 folgend hat Arianespace am 30. Januar 2009 weitere 35 Ariane 5 ECA (Produktionslos PB) für über 4 Milliarden Euro beim Hauptauftragnehmer EADS-Astrium bestellt. Diese werden seit Ende 2010 eingesetzt, da die Ariane 5 des Produktionsloses PA verbraucht sind.

 

Ariane 5 ES ATV

 

Diese Version der Ariane 5 diente zum Transport des europäischen Versorgungsschiffs Automated Transfer Vehicle (ATV) zur ISS. Das unter Druck stehende ATV lieferte Fracht, Wasser, Stickstoff, Sauerstoff und Treibstoff. Außerdem transportierte das ATV Abfall ab und hob die Raumstation an, um dem Absinken durch den Bremseffekt der Atmosphäre entgegenzuwirken.

Insgesamt kann die Ariane 5 ES ATV bis zu 21 Tonnen Nutzlast in einen erdnahen Orbit transportieren, was einer Nutzlast von acht Tonnen für eine geostationäre Umlaufbahn entspricht. Die Rakete hat als erste Stufe die EPC H173 mit dem verbesserten Vulcain-2-Triebwerk und als zweite Stufe eine speziell für die Einsätze mit dem ATV modifizierte Version der wiederzündbaren EPS-Oberstufe – die EPS-V, auf der das ATV angebracht wird.

Ariane 5 - Ariane_5_ES_ATV

Die EPS-V-Oberstufe wird bei einem typischen Flug insgesamt dreimal gezündet.

Die erste Zündung erfolgt nach dem Ausbrennen der ersten Stufe. Danach wird die zweite Stufe abgeschaltet und es beginnt eine ballistische Flugphase im elliptischen Transferorbit.

Im Apogäum wird das Triebwerk ein zweites Mal gezündet, um in dieser Höhe auf einen annähernd kreisförmigen niedrigen Erdorbit zu wechseln.

Mit der dritten Zündung wird die Stufe nach der Abtrennung des ATV so weit abgebremst, dass sie in eine elliptische Erdumlaufbahn eintritt, deren Perigäum in der Atmosphäre liegt. Beim Durchgang durch das Perigäum verglüht sie dann in der Erdatmosphäre.

Das ATV hebt nach der Abtrennung von der EPS-V-Oberstufe seine Bahn mit seinen eigenen Triebwerken bis zum ISS Orbit an.

Ariane 5 ES Galileo

 

Diese Version ist eine für den Transport von Satelliten in mittelhohe Kreisbahnen angepasste Version der Ariane 5 ES ATV. Sie soll jeweils vier Satelliten des Europäischen Satellitennavigationssystems Galileo auf einmal in ihrer 23.616 km hohen Kreisbahn mit 56° Inklination zum Äquator aussetzen.

Die vier Satelliten werden an einem Dispenser montiert von der Rakete in den Weltraum gebracht. Dabei befinden sich an zwei Seiten des Dispensers jeweils zwei Satelliten übereinander. Nach dem Erreichen der Umlaufbahn werden sie dann zur Seite hin abgestoßen. EADS-Astrium wurde am 2. Februar 2012 mit der Entwicklung der Ariane 5 ES Galileo beauftragt. Ursprünglich 2014 geplant, soll sie 2016 erstmals starten.

 

Planung einer Ariane 5 ME (Ariane 5 ECB)

 

Die Kosten für einen zweiten Testflug der Ariane 5 ECA und die Nachbesserung der Trägerrakete führten dazu, dass die Entwicklung der noch stärkeren Oberstufe ESC-B für die Version Ariane 5 ECB im Jahr 2003 vorerst nicht weiter betrieben wurde.

Nach dem erfolgreichen zweiten Testflug der Ariane 5 ECA im Februar 2005 wollte die EADS die Entwicklung der Ariane 5 ECB aufgeben, da sie schätzte, dass die nach den damaligen Planungen bei 12 Tonnen liegende GTO-Nutzlastkapazität der Ariane 5 ECB die Anforderungen des kommerziellen Satellitenstartmarktes übersteigen würde und deshalb die relativ hohen Entwicklungskosten wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen wären.

Diese Meinung hat die EADS im Februar 2006 revidiert, und der Chef der EADS Space Transportation sprach in einem Interview mit der FTD von einem Fehler. Da jedoch die ESA die Entwicklung der Ariane 5 finanziert, wird die endgültige Entscheidung über diese Vorschläge vom Ministerrat der ESA getroffen.

Bei der Tagung des ESA-Ministerrates im Dezember 2005 fiel keine offizielle Entscheidung über die Ariane 5 ECB.

So ruhte die Entwicklung der ESC-B-Oberstufe. Stattdessen wurden Projektstudien über ein zukünftiges europäisches Trägersystem beschlossen.

Damals wurde vermutet dass diese Studien zur Entwicklung eines neuen Trägersystems, mit dem Zwischenschritt der ESC-B-Oberstufe für die Ariane 5, führen.

Auch beim Treffen des ESA-Ministerrates im Dezember 2008 fiel keine Entscheidung zur Ariane 5 ECB, das Vinci-Triebwerk wird jedoch weiterentwickelt. Endgültig sollte beim Ministerratstreffen 2011 über die Ariane 5 ECB entschieden werden.

Ariane 5 - Ariane_5ME

Die ESA vergab jedoch schon am 20. Dezember 2009 einen Auftrag für Vorentwicklungsarbeiten an der neuen Oberstufe und anderen Modernisierungen an EADS-Astrium. Diese Arbeiten laufen unter der Bezeichnung „Ariane 5 Midlife Evolution (Ariane 5 ME)“. Es wäre jedoch auch möglich gewesen, dass 2011 die Entwicklung einer neuen, kleineren Trägerrakete beschlossen worden wäre, die speziell auf die Bedürfnisse zukünftiger ESA Missionen zugeschnitten ist, für die eine Ariane 5 zu groß wäre.

Als Folge der mehrjährigen Verzögerungen sind die Kosten für die Entwicklung der ESC-B-Oberstufe stark angestiegen. Als die Entwicklung 2003 angehalten wurde, waren dafür noch 699,14 Millionen Euro vorgesehen. Der Entwurf für die Wiederaufnahme geht von 1.100 Millionen Euro aus. Dazu kommen noch die Mittel, die zwischen 2003 und 2011 aufgewendet wurden.

Tatsächlich beschlossen wurde beim Treffen des ESA-Ministerrates am 20.–21. November 2012 jedoch nur die Entwicklung der Ariane 5 ME fortzusetzen und mit Studien der Ariane 6 abzugleichen, um möglichst viele der Entwicklungen für beide Träger nutzen zu können. 2014 sollte dann das Ariane-5-ME- und Ariane-6-Programm endgültig gemeinsam gestartet werden.

Dazu erhielt EADS-Astrium von der ESA am 30. Januar 2013 einen Auftrag über 108 Millionen Euro zur Festlegung der genauen Bauweise der Ariane 6 und zur Fortsetzung der Arbeiten an der Ariane 5 ME.

Beim Ministerratstreffen der ESA Anfang Dezember 2014 wurde die Entwicklung einer Ariane 6 bewilligt, die vom Konzept her zwischen der Ariane 5 ME und der bisher vorgesehenen Ariane 6 liegt.

Anmerkungen

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