Ariane 5 ECA
Modell einer Ariane 5 in Originalgröße in der Cité de l’espace in Toulouse

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.

Inhaltsverzeichnis

Konzept und Anwendungen

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 um 44 Prozent.

Einen weiteren Anwendungsbereich der Ariane 5 sollte der europäische Raumgleiter Hermes darstellen, um diesen so preiswert wie möglich zu starten. Hermes wäre von der Rakete auf einer Parabelbahn ausgesetzt worden, die die Raumfähre mit ihrem eigenen Antrieb in eine erdnahe Umlaufbahn umgewandelt hätte. Dieses europäische Projekt wurde jedoch nie verwirklicht.

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 hinlegte, während ihre Vorgängerin erfolgreich weiterflog.

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

Entwicklung und 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, die 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 EADS Space Transportation (heute EADS-Tochter Astrium Space Transportation) zum Hauptauftragnehmer ernannt. Die EADS 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 ca. 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.

Technik

Die auf Hermes optimierte Grundausführung der Ariane 5 heißt Ariane 5G (générique). Sie besteht aus:

  • zwei Feststoffboostern (Bezeichnung EAP P238). Diese Booster bestehen jeweils aus drei Segmenten, sind etwa 30 m lang (24,75 Segmentlänge), haben einen Durchmesser von 3,05 m, eine Wandstärke von 8,1 mm und fassen jeweils 238 Tonnen Festtreibstoff. Das oberste Segment der Booster ist das kürzeste und wird schon im italienischen Colleferro befüllt. Im Gegensatz zu den beiden anderen, längeren Segmenten (die erst am Startplatz befüllt werden) ist es als Sterninnenbrenner ausgelegt. Es liefert daher beim Start besonders viel Schubkraft, die nach dem Abbrennen der Spitzen des Sterns stark zurückgeht. Das mittlere und das untere Segment sind dagegen als Innenbrenner ausgelegt. Ihr Schub steigt mit dem Abbrennen von innen nach außen langsam an, da die Abbrandfläche sich mit der Zeit vergrößert. Die Segmente wurden bis 2004 durch eine Art Steckverbindung, die mit 180 Scherbolzen mit 24 mm Durchmesser gesichert und durch Gummi-O-Ringe gasdicht gemacht wurden, verbunden. Heute (Ersteinsatz 2006) werden diese in einer Elektronenstrahlschweißanlage vakuumverschweißt. Die Booster haben ein vorgegebenes sich laufend veränderndes Schubprofil mit durchschnittlich 4400 kN Schub, das auf maximal 6650 kN steigt. Die Brennzeit beträgt 130 Sekunden, danach werden sie abgeworfen. Der Treibstoff besteht zu 14 % aus HTPB, 18 % Aluminiumpulver und 68 % Ammoniumperchlorat. Die Boostergehäuse werden von der Firma MT Aerospace AG in Augsburg produziert, wobei diese die derzeitigen Boostersegmente aus Stahl herstellt, jedoch auch Technologiedemonstratoren aus Kohlefaser produziert hat, deren Einsatz eine deutliche Gewichts- und Kostenreduzierung bedeuten würde. Die Booster werden in einigen Fällen zur Qualitätskontrolle mit einem in der Nasenkappe befindlichen zweistufigen Fallschirmrückkehrsystem ausgerüstet, wodurch nach dem Einsatz eine Bergung aus dem Meer möglich ist.[1]
  • einer sehr großen Hauptstufe (Bezeichnung EPC H158). Ihr Leergewicht beträgt dank extremer Aluminium-Leichtbauweise nur 12,5 Tonnen. Das Material ist so dünn, dass die Rakete unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen würde, falls man die Stufe leer aufrichtet. Stabilität erlangt sie erst durch den eingefüllten Treibstoff bzw. Druckgas. Sie ist 30,5 m hoch, hat 5,4 m Durchmesser und fasst 158 Tonnen Treibstoff. Diese Stufe hat nur ein Triebwerk, das durch die Verbrennung von flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff 605 Sekunden lang einen Schub von 1180 kN liefert und damit nicht genug Schub erzeugt, um die Rakete ohne die Schubkraft der Booster abheben zu lassen. Die Hauptstufe wird von EADS Astrium Space Transportation in Les Mureaux, Frankreich produziert. Die Tanks der Hauptstufe werden aus der benachbarten Fabrik von Cryospace zugeliefert. Das Vulcain Triebwerk der Hauptstufe wird von einem Konsortium Europäischer Triebwerksfirmen unter der Führung von SEP produziert.

Zum Start der Rakete zündet zunächst nur das Haupttriebwerk. Nachdem die Computer es auf Funktionsfähigkeit überprüft haben und das Triebwerk auf volle Leistung hochgefahren worden ist, werden nach sieben Sekunden die Feststoffbooster gezündet und die Rakete hebt ab. Sollten vor dem Abheben Probleme mit dem Haupttriebwerk festgestellt werden, kann es ohne jeglichen Schaden abgeschaltet werden. Dagegen können die Feststoffbooster nach dem Zünden nicht mehr abgeschaltet werden, was diese Zündungssequenz erklärt.

EPS Oberstufe
  • Auf der Hauptstufe sitzt die in einer Ringstruktur untergebrachte Steuerungseinheit, die den Flug der Ariane 5 steuert und überwacht. Unmittelbar auf diesem Ring sollte ursprünglich der Raumgleiter Hermes sitzen und nach der Abtrennung von der Hauptstufe mit Hilfe seiner eigenen Triebwerke die Umlaufbahn erreichen.
  • Damit die Ariane 5 auch Satelliten in den GTO (Geostationärer Transfer Orbit) bringen kann, wurde eine sehr kleine Oberstufe (Bezeichnung EPS L9.7) entwickelt, die im Ring der Steuerungseinheit angebracht wird. Diese Stufe fasst 9,7 Tonnen Treibstoff, der in vier kugelförmigen Tanks untergebracht ist. Sie besitzt ein druckgasgefördertes Triebwerk, das während einer Brennzeit von bis zu 1.100 Sekunden Monomethylhydrazin mit Distickstofftetroxid verbrennt. Sie wird ebenfalls von EADS-Astrium Space Transportation in Bremen produziert. Das Aestus-Triebwerk wird vom Werk der EADS-Astrium Space Transportation in Ottobrunn zugeliefert.

Nutzlastverkleidungen

Es stehen drei unterschiedlich lange Nutzlastverkleidungen (engl.: Fairings) zur Verfügung, die von Oerlikon Space in der Schweiz hergestellt werden. Die Nutzlastverkleidungen spalten sich längs auf und werden abgeworfen, wenn der Luftwiderstand in ca. 110 km Höhe die Fracht nicht mehr beschädigen kann.

  • Die kurze Nutzlastverkleidung ist 12,7 m lang. Ihr nutzbares Volumen beträgt 125 m³ und ist zusammen mit allen Doppelstartvorrichtungen einsetzbar.
  • Die mittellange Nutzlastverkleidung ist 13,8 m lang. Ihr nutzbares Volumen beträgt 145 m³. Sie ist zusammen mit der Doppelstartvorrichtung Sylda 5 einsetzbar.
  • Die lange Nutzlastverkleidung ist 17 m lang. Ihr nutzbares Volumen beträgt 200 m³. Sie ist zusammen mit allen Doppelstartvorrichtungen einsetzbar.

Doppelstartvorrichtungen

Um zwei größere Satelliten bei einem Start in die Umlaufbahn befördern zu können, setzt Ariane 5 Doppelstartvorrichtungen ein. Dabei werden zwei verschiedene Typen von Doppelstartvorrichtungen verwendet. Jeder der beiden Typen ist in mehreren Versionen erhältlich. Sie werden von EADS - Astrium Space Transportation in Bremen hergestellt.

Der erste Typ namens Speltra ist ein unten offener Zylinder, der mit 5,4 m Durchmesser denselben Durchmesser wie die Rakete hat. Die Speltra wird über den bereits zuvor auf der Oberstufe der Ariane 5 befestigten Satelliten gestülpt. Danach wird auf der Speltra der zweite Satellit befestigt, über diesem wird die Nutzlastverkleidung angebracht. Die Nutzlastverkleidung sitzt damit auf der Speltra. Die Speltra ist für unterschiedlich große Satelliten in zwei verschiedenen Längen erhältlich.

  • Die kurze Speltra ist 5,7 m lang und hat ein nutzbares Volumen von 75 m³.
  • Die lange Speltra ist 7 m lang und hat ein nutzbares Volumen von 100 m³.

Der Vorteil der Speltra ist, dass die in ihr transportierten Satelliten die gleiche maximale Breite besitzen dürfen wie die Satelliten, die direkt unter der Nutzlastverkleidung transportiert werden.

Der zweite Typ namens Sylda-5 ist ein unten offener Zylinder mit 4,6 m Innendurchmesser, der sich innerhalb der Nutzlastverkleidung befindet. Er ist in sechs unterschiedlich langen Versionen erhältlich, die 4,9 bis 6,4 m lang sind und 50 bis 65 m³ nutzbares Volumen bieten. Der zweite Satellit wird auf der Sylda 5 montiert und kann nur noch den restlichen in der Nutzlastverkleidung zur Verfügung stehenden Raum ausfüllen.

Die Sylda 5 wurde von einer ähnlichen Struktur in der Ariane 4 abgeleitet und eingeführt, weil die meisten Satelliten nicht so breit sind, dass die Speltra benötigt wird. Das gegenüber der Speltra eingesparte Gewicht kommt voll der Nutzlast zugute, weil die Doppelstartvorrichtung erst nach dem Aussetzen des oberen Satelliten in der Umlaufbahn abgestoßen wird.

Daneben gibt es noch Distanzringe, die ebenfalls von Oerlikon Space gefertigt werden und zur Verlängerung aller zur Verfügung stehenden Verkleidungen eingesetzt werden können. Die Verlängerung beträgt 50 bis 200 cm, was einem Volumen von 8 bis 33 m³ entspricht.

Zuletzt gibt es noch die ASAP-5 Vorrichtung (Ariane Structure for Auxiliary Payloads) für Mini- oder Mikrosatelliten. Sie basiert ebenfalls auf einer ähnlichen Struktur der Ariane 4, wird aber (wie bei der Ariane 4) eher selten benutzt (bisher bei den Flügen V135, V138, V165, V187). Die Montage erfolgt bei Doppelstarts in oder über der Speltra/Sylda, ansonsten unterhalb der Primärnutzlast.

Folgeversionen

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[2].

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 °C auftreten kann. Dieses Verfahren wird in der Raumfahrt als Barbecue-mode bezeichnet (Anm. englisch: Grill-Modus).

Ariane 5GS

Schnittbild durch eine Ariane 5 GS

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.

Die aus dem Evolution Programm adaptierte Hauptstufe ist etwas schwerer[3] und verwendet ein Vulcain 1B Triebwerk, das eine modifizierte Version des Vulcain 1 Triebwerks der Ariane 5G und 5G+ ist. Diese Kombination liefert allerdings so viel weniger Leistung als die alte Hauptstufe mit Vulcain 1, dass die verstärkten Booster diesen Leistungsverlust nicht voll auffangen können. Nach wirtschaftlichen Aspekten scheint dies jedoch die „bessere“ Lösung zu sein, als weiterhin die alte Hauptstufe zu fertigen.

Ariane 5 ECA

Die Ariane 5 ECA kann mit 9,6 Tonnen eine deutlich größere Nutzlast als ihre Vorläuferversionen befördern. 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.

Schnittbild durch eine Ariane 5 ECA

Die neue Oberstufe ESC-A H14,4 verwendet das in der 3. 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. Durch die Verwendung von Wasserstoff als Verbrennungsträger liegt die Nutzlastkapazität der Ariane 5 ECA mit 9,6 Tonnen Nutzlast bei einem Einzelstart und 9,1 Tonnen bei einem Doppelstart 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. 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 ist deshalb primär als Zwischenlösung bis zum Erscheinen der Ariane 5 ECB, für Starts in den GTO entwickelt worden.

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 sollen ab Ende 2010 eingesetzt werden, wenn die Ariane 5 des Produktionsloses PA verbraucht sein werden.[4]

Ariane 5 ES ATV

Diese Version der Ariane 5 dient zum Transport des europäischen Versorgungsschiffs Automated Transfer Vehicle (ATV) zur ISS. Das unter Druck stehende ATV liefert Fracht, Wasser, Stickstoff, Sauerstoff und Treibstoff. Außerdem soll das ATV Abfall abtransportieren und die Raumstation anheben, 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.

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. Das dritte Mal wird die Stufe nach der Abtrennung des ATV gezündet, um sie so weit abzubremsen das 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 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. Vermutlich führen diese Studien zur Entwicklung eines neuen Trägersystems, mit dem Zwischenschritt der ESC-B Oberstufe für die Ariane 5. Auch beim Treffen des ESA-Ministerrates im Dezember 2008 fiel keine Entscheidung zur Ariane 5 ECB, das Vinci Triebwerk wird jedoch weiterentwickelt. Endgültig soll 2011 über die Ariane 5 ECB entschieden werden.[5][6][7]

Erst die neue Oberstufe ESC-B wäre für die H173-Hauptstufe der Ariane 5 von adäquater Größe und Leistungsfähigkeit. Die ECB-Oberstufe hat einen Durchmesser von 5,4 Metern und ineinander liegende Tanks für den Oxidator (Sauerstoff) sowie den Treibstoff (Wasserstoff). Der Wasserstofftank ist deutlich größer als der Sauerstofftank und umgibt diesen. Beide Tanks werden durch einen gemeinsamen Zwischenboden getrennt. Die Treibstoffzuladung der ESC-B-Oberstufe soll nach aktuellen Planungen 28,2 Tonnen betragen. Sie erhält ein völlig neu entwickeltes Triebwerk namens Vinci. Es ist wiederzündbar und verwendet, im Gegensatz zu den Vulcain und HM-7B-Triebwerken, das Hauptstromverfahren. Das Vinci-Triebwerk erzeugt 180 kN Schub und hat eine ausfahrbare Schubdüse, um den Treibstoff so effizient wie möglich auszunutzen. Die Nutzlastkapazität der Ariane 5 ECB wird jedoch geringer sein als ursprünglich geplant. Sie soll nach den aktuellen Planungen 11,2 Tonnen in eine Geostationäre Transferbahn bringen können.[8] Die Ariane 5 ECB kann dank ihrer wiederzündbaren Oberstufe auch Satelliten direkt in die Geostationäre Umlaufbahn bringen oder Raumsonden nach einem Zwischenaufenthalt in einer Parkbahn in eine Fluchtbahn zu anderen Planeten schießen (mit der ESC-A-Oberstufe ist nur der ungenauere direkte Einschuss in eine Fluchtbahn möglich).

Vergleichstabelle

Version Ariane 5G Ariane 5G+ Ariane 5GS Ariane 5ECA Ariane 5ES ATV Ariane 5ECB
Startmasse (t) 740-750 740-750 740-750 760-780 780 7??
Höhe max. (m) 52 52 52 56 53  ?
Startplatz ELA-3 ELA-3 ELA-3 ELA-3 ELA-3 ELA-3
Nutzlast
(LEO 400 km) (t)
18  ?  ? 21 21  ?
Nutzlast (GTO)  (t) 6,9 7,1 6,6 9,6 8 11,2
Nutzlasten (dual GTO)  (t) 6,1 6,3 5,8 9,1 7  ?
Startschub (kN) ~12.000 ~12.000 ~12.500 ~13.000 ~13.000 ~13.000
Schub max. (kN) ~14.400 ~14.400 ~15.300 ~15.500 ~15.500 ~15.500
Erstflug 4. Juni 1996 2. März 2004 11. August 2005 11. Dezember 2002 9. März 2008 geplant 2016/17 Entwicklung in Vorbereitung
Letzter Flug 27. September 2003 18. Dezember 2004 im Einsatz im Einsatz im Einsatz --
Wichtige Nutzlasten Envisat, XMM-Newton Rosetta MSG 2 Herschel, Planck ATV --
Feststoffbooster
Stufenname EAP P238 EAP P241
Triebwerk P238 P241
Länge (m) 31 31
Durchmesser (m) 3 3
Masse (t) 270 (leer 33) 273 (leer 33)
Schub Ø (max.) (kN) 4400 (6650) 5060 (7080)
Brennzeit (s) 130 140
Treibstoff NH4ClO4 / Al, HTPB (Feststoff) NH4ClO4 / Al, HTPB (Feststoff)
Hauptstufe
Stufenname EPC H158 EPC H158 modifiziert EPC H173
Triebwerk Vulcain 1 Vulcain 1B Vulcain 2
Länge (m) 30,5 30,5 30,5
Durchmesser (m) 5,4 5,4 5,4
Masse (t) 170,5 (leer 12,2) 170,5 (leer 12,5) 185,5 (leer 14,1)
Schub am Boden (kN) 815 815 960
Schub Vakuum (kN) 1180 1180 1350
Brennzeit (s) 605 605 540
Treibstoff LOX / LH2 LOX / LH2 LOX / LH2
Oberstufe
Stufenname EPS L9.7 EPS L10 ESC-A H14,4 EPS L10 ESC-B H28,2
Triebwerk Aestus Aestus HM-7B Aestus Vinci
Länge (m) 3,4 3,4 4,7 3,4  ?
Durchmesser (m) 3,96 * 3,96 * 5,4 3,96 * 5,4
Masse (t) 10,9 (leer 1,2) 11,2 (leer 1,2) ca.19,2 (leer ca. 4,6) 11,2 (leer 1,2) (Treibstoff 28,2)
Schub max. (kN) 27 27 64,8 27 180
Brennzeit (s) 1100 1170 970 1170  ?
Treibstoff N2O4 / CH6N2 N2O4 / CH6N2 LOX / LH2 N2O4 / CH6N2 LOX / LH2
Verwendung für: Für Hermes optimierte Grundversion beschränkte Freiflugphasen, beschränkt wiederzündbar. Verbesserte Oberstufe kann jetzt lange Freiflugphasen und ist wiederzündbar. Dadurch u. a. Raumsondenstarts möglich. Modifizierte leistungsschwächere Hauptstufe, gleicher Oberstufentyp, modernere stärkere Booster. Neue Oberstufe nicht wiederzündbar, keine Freiflugphasen. Entwickelt als Übergangslösung bis zum Erscheinen der Ariane ECB. Optimiert für Starts in den GTO. Verstärkte Struktur für das schwere ATV. Optimiert für langen Einsatz und viele Zündungen. Neue Oberstufe, modernstes Triebwerk, lange Freiflugphasen, wiederzündbar. Für alle Einsätze bis 5 Stunden Dauer.

* Sitzt in der Instrumenteneinheit von 5,4 m Durchmesser




  • ELA-3 = L'Ensemble de Lancement Ariane = Dritter Startplatz der Ariane
  • EAP = Étage d'Accélération à Poudre = Feststoffbooster
  • EPC = Étage Principal Cryotechnique = Kryogene Hauptstufe
  • EPS = Étage à Propergols Stockables = Oberstufe mit lagerbarem Treibstoff
  • ESC-A = Étage Supérieur Cryotechnique de type A = Kryogene Oberstufe des Typs A
  • ESC-B = Étage Supérieur Cryotechnique de type B = Kryogene Oberstufe des Typs B

Starteinrichtungen

Startplatz der Ariane 5

Alle Starts der Ariane 5 finden vom Centre Spatial Guyanais in Kourou, Französisch-Guayana, statt. Für den Start der Ariane 5 wurde ein eigener Startplatz, ELA-3, mit dazugehörigen Einrichtungen für die Startvorbereitungen eingerichtet, um bis zu zehn Starts pro Jahr zu ermöglichen. Die gesamten Startvorbereitungen dauern 21 Tage. Um den Aufwand am Startplatz gering zu halten, wird – im Gegensatz zur Ariane 4 – die Nutzlast bereits sechs Tage vor dem Start in die Rakete eingebaut. Die Rakete wird ungefähr 30 Stunden vor dem Start zur Rampe befördert.

Durch das vereinfachte Startkonzept werden große Startrampen, die die Rakete mit Treibstoff versorgen, überflüssig. Daneben verringert sich die Anfälligkeit für Störungen vor dem Start.

Im für die Startvorbereitungen vorgesehenen Bereich befinden sich vier Hauptgebäude:

  • Im Bâtiment d’Intégration Propulseur (BIP) werden die Feststoffbooster montiert und überprüft;
  • im Bâtiment d’Intégration Lanceur (BIL) wird die Hauptstufe auf dem beweglichen Starttisch aufgerichtet und die Booster angebracht;
  • im Bâtiment d’Assemblage Final (BAF) werden die Nutzlastvorrichtungen montiert und aufgerichtet, die Tanks der Oberstufe befüllt und die letzten elektrischen Überprüfungen durchgeführt;
  • im Startzentrum Centre de Lancement n°3 (CDL-3) finden die Startoperationen statt.

Im Jahr 2000 wurde ein zweiter beweglicher Starttisch dem Startkomplex hinzugefügt. 2001 wurde auf 3.000 m² eine neue Anlage (S5) zur Abfertigung von bis zu vier Nutzlasten gleichzeitig errichtet. Envisat war der erste Satellit, der sie nutzte.

Startvorbereitungen und Start

Die Startvorbereitungen beginnen damit, dass etwa 1–2 Monate vor dem geplanten Start die Hauptstufe, die Oberstufe und die Nutzlastverkleidung, in übergroße Container verpackt, per Schiff im Hafen von Kourou ankommen. Von dort werden sie in ihren Transportcontainern auf Tiefladern in den Weltraumbahnhof gebracht.

Am nächsten Tag beginnt die Montage. Die Hauptstufe wird aus ihrem Transportcontainer gehoben. Vertikal am Kran hängend wird sie über den Starttisch gefahren. Am nächsten Tag werden die bereits montierten Feststoffbooster herangefahren und links und rechts an der Hauptstufe befestigt.

Die beiden in Transportcontainer verpackten Satelliten, die bei diesem Start transportiert werden sollen, werden jeweils in einem eigenem Großraum-Transportflugzeug (meistens Antonow An-124) auf dem Flughafen von Cayenne angeliefert. Von dort werden sie zum Weltraumbahnhof gebracht. Hier werden die Satelliten entladen, technisch überprüft und zum Schluss meistens mit Treibstoff betankt.

Währenddessen gehen die Montagearbeiten an der Rakete weiter. Bei der Ariane 5GS wird als nächster Schritt der Ring mit der Steuerungseinheit auf der Hauptstufe montiert. Am nächsten Tag folgt die EPS Oberstufe, die im Instrumentenring befestigt wird. Dann wird die Rakete vom BIL ins BAF überführt, wo die kombinierten Vorbereitungen von Rakete und Nutzlast beginnen. Der erste Satellit wird auf der Doppelstartvorrichtung montiert. Über ihn wird die Nutzlastverkleidung gestülpt. Danach wird der zweite Satellit auf der Oberstufe montiert. Über ihn wird die Kombination aus Nutzlastverkleidung, Satellit und Doppelstartvorrichtung gestülpt. Nun wird noch die EPS Oberstufe mit 10 Tonnen lagerfähigem Treibstoff betankt. Anschließend rollt die Rakete aus dem BAF zur Startrampe, und der ca. 11 Stunden dauernde Countdown kann beginnen.

Der Countdown dient hauptsächlich dazu, die Hauptstufe mit flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff zu betanken und alle wichtigen Systeme nochmals zu testen. 7 Minuten vor dem Start übernimmt der Computer die Kontrolle. Wenn der Countdown Null erreicht, zündet das Triebwerk der Hauptstufe und wird auf maximalen Schub hochgefahren. Nachdem es die volle Schubkraft erreicht hat, wird es vom Computersystem auf korrekte Funktion überprüft. Wenn alles OK ist, zünden die Feststoffbooster und erreichen innerhalb von 0,3 Sek. volle Schubkraft. Die Rakete hebt ab. Wenige Sekunden nach dem Abheben geht die Rakete vom senkrechten Aufstieg in einen schrägen Aufstieg Richtung Atlantik über. Etwa 120 Sekunden nach dem Abheben sind die Feststoffbooster ausgebrannt und werden abgesprengt. Ca. 180 Sekunden nach dem Start ist die Rakete über 100 km hoch und die Nutzlastverkleidung wird abgeworfen. Sie fällt in den Atlantik. Die Rakete steigt durch den Schwung, den sie durch ihre starken Feststoffbooster erfahren hat, weiter auf eine Gipfelhöhe von etwa 130 km. Nun sinkt sie (parallel zur Erdoberfläche fliegend) wieder auf etwa 115 km ab, bevor ihr Triebwerk mehr Schub liefert, als sie selbst wiegt. Anschließend steigt sie wieder mit zunehmender Steigrate, während sie weiter beschleunigt. Nach 605 Sek. ist die Hauptstufe ausgebrannt und wird abgetrennt. (Diese umkreist fast einmal die Erde, tritt vor der Westküste Südamerikas wieder in die Erdatmosphäre ein und verglüht.)

Nach der Abtrennung der Hauptstufe zündet die EPS Oberstufe und beschleunigt weiter. Nach weiteren über 1100 Sekunden Brennzeit erreicht sie in etwa 1000 Kilometer Höhe mit ihrer Nutzlast die geostationäre Transferbahn, und ihr Triebwerk wird von ihrem Navigationssystem abgeschaltet. Nun wird die Oberstufe mit der auf ihr sitzenden Nutzlast neu ausgerichtet und der oben auf der Doppelstartvorrichtung sitzende Satellit sanft abgestoßen. Nach einigen Minuten, wenn sich der Satellit aus dem Schwenkbereich der Oberstufe entfernt hat, wird sie wiederum anders ausgerichtet und stößt die Doppelstartvorrichtung ab. Einige Minuten später wird die Oberstufe erneut ausgerichtet und stößt den zweiten Satelliten (der normalerweise sowohl gewichts- wie auch volumenmäßig kleiner als der erste ist) sanft ab.

Die erreichte Geostationäre Transferbahn hat normalerweise bei der Ariane 5GS eine geplante Höhe von etwa 570–35890 km und eine Bahnneigung von 7°. Jedoch ist auch eine Abweichung von ± 10 km beim Perigäum und ± ca. 80–100 km im Apogäum und ± 0,5° Bahnneigung noch erlaubt. Die Ariane 5 schafft es meistens, die geplanten Bahnhöhen bis auf wenige km genau zu erreichen und die Bahnneigung zum Äquator auf nur wenige hundertstel bis zehntel Grad.

Bisherige Starts

Für eine komplette Liste aller erfolgten und einiger geplanten Ariane-5-Starts siehe den Artikel Liste der Ariane-5-Raketenstarts.

Seit 1996 ist die Ariane 5 im Einsatz. Die ersten Jahre wurde die Ariane 5 parallel zu der älteren Ariane 4 verwendet. Nach dem letzten Start der Ariane 4 am 15. Februar 2003 wurde die Ariane 5 die einzige aktive Trägerrakete Europas. Die meisten Nutzlasten sind Kommunikationssatelliten, die in Geostationäre Transferbahnen abgesetzt werden.

Fehlgeschlagener Erstflug

Die Ariane 5 startete am 4. Juni 1996 zu ihrem Erstflug V88. Nach genau 36,7 Sekunden sprengte sich die Rakete selbst mitsamt ihrer Nutzlast, den vier Cluster-Satelliten, nachdem sie durch die aerodynamischen Belastungen eines extremen Kurswechsels auseinanderzubrechen begann. Es stellte sich heraus, dass die in Teilen von der Ariane 4 übernommene Software nicht den nötigen Anforderungen entsprach. Die Ariane 5 beschleunigt schneller als die Ariane 4. Dies führte zu einem Überlauf einer Variablen des Lenksystems. Dieser Programmfehler erfolgte bei der Umwandlung einer 64-Bit-Gleitkommazahl für die horizontale Geschwindigkeit in eine vorzeichenbehaftete 16-Bit-Ganzzahl. Das Ergebnis war ein Absturz des Lenksystems, was dazu führte, dass die Navigationsanlage nur noch Statusdaten an den Navigationscomputer sandte. Dieser interpretierte die Daten als echte Fluglage, die beträchtlich vom geplanten Kurs abwich, und ließ die Schubdüsen der Booster bis zum Anschlag schwenken. Dadurch begann die Rakete auseinanderzubrechen und das bordeigene Neutralisationssystem löste die Selbstzerstörung aus, bevor die Bodenkontrolle eingreifen konnte. Unglücklich daran war, dass dieser Teil der Software für die Ariane 5 nicht notwendig war und nur zur Beherrschung eines Startabbruchs in letzter Sekunde bei der Ariane 4 diente.

Glücklicherweise kamen keine Menschen ums Leben, doch der materielle Schaden belief sich auf etwa 370 Millionen US-Dollar, womit der Fehlstart einen der teuersten Softwarefehler der Geschichte darstellt. Der erste erfolgreiche Start erfolgte am 30. Oktober 1997.

Wichtige Nutzlasten

Die bisher massereichste Nutzlast war das ESA-Versorgungsraumschiff ATV für die Internationale Raumstation mit rund 19,4 t Startgewicht, das am 9. März 2008 in einer 51,6° zum Äquator geneigten Umlaufbahn zwischen 259 und 264 km Höhe ausgesetzt wurde[9].

Der Umweltsatellit Envisat der ESA, der am 28. Februar 2002 erfolgreich in eine sonnensynchrone Umlaufbahn transportiert wurde, wog 8,2 Tonnen. Am 11. August 2005 wurde der mit 6,5 Tonnen bis dahin schwerste zivile Kommunikationssatellit, Thaicom 4 (iPSTAR 1), erfolgreich gestartet. Der GTO-Rekord (Gesamtmasse pro Flug) liegt im Übrigen bei 9,528 Tonnen und wurde von einer Ariane 5 ECA am 14. November 2007 mit den Satelliten Skynet 5B und Star One C1 an Bord aufgestellt.

Auch zwei RaumsondenSMART-1 zum Mond und Rosetta zum Kometen Tschurjumow-Gerasimenko – wurden mit der Ariane 5 gestartet.

Ariane 5 als Prestigeobjekt

Um auf dem Weltmarkt konkurrenzfähig zu sein, subventioniert die ESA mit dem Programm EGAS Starts der Ariane 5.

In Frankreich wird die Ariane angesichts einer nationalen Beteiligung von über 50 Prozent als vorwiegend französisches Projekt betrachtet. Die Ariane 5 gilt daher, weit mehr als in Deutschland, als nationales Prestigeobjekt. Nicht selten steht die Ariane 5 als Metapher für technologische Spitzenleistungen, wovon etwa eine Abbildung der Rakete in den französischen Reisepässen zeugt.

Im Museum Cité de l’espace in Toulouse, das sich der Weltraumfahrt und -forschung widmet, befindet sich ein Modell der Ariane 5 in Originalgröße.

Ariane 5 Weiterentwicklungsstudien

Die Ariane 5 Heavy Lift Derivates ist eine Studie der CNES aus dem Jahre 1991. Es wird die mögliche Leistungssteigerung der Trägerrakete erörtert. Die erste Stufe (cryogenic lower stage) hat einen Durchmesser von 8,2 Metern und ist mit 5 Vulcain II Triebwerken ausgestattet. Die zweite Stufe (cryogenic upper stage) hat einen Durchmesser von 5,4 Metern und ist mit einem wiederzündbaren Vulcain Triebwerk mit 700 kN Schub ausgestattet. Die mögliche Nutzlastkapazität beträgt 90 Tonnen in den LEO und 35 Tonnen in den Mondorbit. In der Studie wird angemerkt, dass die Entwicklung der Ariane 5 Heavy Lift Derivates, trotz des Einsatzes erprobter Technologien, mit hohen Kosten verbunden wäre.

Einzelnachweise

  1. FliegerRevue März 2009, S.46-49, Deutsche Booster für Europa
  2. Ariane 5 Evolution bei Bernd Leitenberger
  3. http://www.bernd-leitenberger.de/ariane-5-evolution.shtml
  4. Arianespace orders 35 Ariane 5 ECA launchers from Astrium
  5. Ministerratstagung zur Festlegung der Rolle der Raumfahrt bei der Verwirklichung globaler Ziele
  6. Europäische Minister verleihen der Raumfahrt neue Dynamik und stärken ihre Rolle
  7. Die Weiterentwicklung der Ariane 5
  8. Die Weiterentwicklung der Ariane 5
  9. http://www.arianespace.com/site/news/releases/08_03_09_release_index.html

Literatur

  • William Huon: Ariane, une épopée européenne. ETAI 2007, ISBN 978-2-7268-8709-7
  • Andrew Wilson: ESA Achievements, 3rd edition. ESA Publications Division, Noordwijk 2005, ISSN 0250-1589

Weblinks


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