Ab 2020 will Europa die neue Trägerrakete Ariane 6 anbieten. Sie basiert insgesamt zu einem guten Teil auf ihrem Vorgängermodell Ariane 5, doch einige Komponenten wurden seither überarbeitet bzw. neu entworfen. Zu ihnen gehört auch der Booster, P120C/ESR. Er befindet sich seit zirka 4 Jahren in der Entwicklung und basiert auf der Erststufe P80 der Vega. Hieraus ergibt sich eine Reihe von technischen Unterschieden zum bisherigen P241:

Ariane 5 Ariane 62 Ariane 64
Booster (Anzahl)
P241 (2) P120C (2) P120C (4)
Länge (m)
31,60 11,7 11,7
Durchmesser (m)
3,05 3,40 3,40
Startgewicht (t)
553,20 ~260 ~520
Treibstoffgewicht (t)
481.25 284 568
Motor MPS P-120C P-120C
Treibstoff HTPB HTPB HTPB
Gesamtschubkraft (kN) 12,887 (max.) 9000 (ø) 18000 (ø)
Spezifischer Impuls (N*s/kg) 2481 2550 2550
Brenndauer (s)
129.7 132,8 132,8
Gesamtimpuls (MN*s)
1,312.0 661.4 1,322.8

Datenquellen:  ESA, Avio, Norbert Brügge

Anmerkung:
1. Je nach Quelle bzw. Erscheinungsdatum variieren die Angaben leicht. Interessanterweise nennen selbst ESA und der Hersteller Avio unterschiedliche Parameter. Ich habe hier im Zweifelsfall diejenigen des Herstellers übernommen.
2. Bei der Gesamtschubkraft ist zu beachten, dass das Maximum nur in den ersten Sekunden erreicht wird und sich dann kontinuierlich verringert.

Die bisherige Leistung der Ariane 5 (=> linke Tabellenspalte) wird erhöht und bei der Ariane 6 von zwei langen auf nunmehr vier kurze Booster verteilt (=> rechte Tabellenspalte). Je nach Anforderung kann die Ariane 6 allerdings wahlweise auch mit nur zwei Boostern ausgestattet werden (=> mittlere Tabellenspalte), was bei kleineren Payloads den Aufwand und die Kosten verringert. Wichtig sind aber auch noch weitere Faktoren, wie zum Beispiel dieTatsache, dass die Verkleidung des P120C nun aus Kohlefaserverbundstoffen besteht, statt der bisherigen Metalllegierungen. Des weiteren wird der P120C nicht nur als Booster für die Ariane 6, sondern außerdem auch wieder als Erststufe der Vega-C eingesetzt werden. Er muss also verglichen mit dem P241 noch ein paar zusätzliche Voraussetzungen erfüllen.

Im Grunde handelt es sich also beim P120C trotz Beibehaltung der grundsätzlichen Funktionsweise um eine neue Komponente. Als solche könnte sie aber im laufenden Betrieb selbst nach sorgfältigen vorherigen Berechnungen und Simulationen der Ingenieure und Materialwissenschaftler noch unerwartete Eigenschaften aufweisen. Möglich wären zum Beispiel unvorhergesehene Auffälligkeiten im Vibrationsverhalten und der Gesamtstabilität, verursacht durch die Verwendung der erwähnten neuen Materialien. Denn selbst wenn man für die einzelnen Komponenten alle Parameter kennt, können sie in Kombination immer noch Überraschungen bergen. Auch kleine Abweichungen können sich dabei zu größeren Störungen addieren und im schlimmsten Fall zum Fehlschlag einer Mission führen.

 

Modul- und Integrationstest

Genau deswegen wäre es keine besonders gute Idee, ein Raketenmodell mit brandneuen Modulen zusammen zu basteln, dem Kunden das erste Exemplar lässig auf den Starttisch zu stellen und optimistisch davon auszugehen, dass es auf Anhieb ordentlich fliegt. Um eine Analogie zur IT zu ziehen: Das wäre vergleichbar damit, einem Kunden entscheidende Software-Erweiterungen in ein Produktivsystem zu spielen, ohne sie vorher in einem Testsystem auf Herz und Nieren geprüft zu haben. Auf diese Idee käme ein seriöser Anbieter allerhöchstens im Notfall und nur nach Absprache mit seinem Kunden. Üblicherweise finden vorab erst einmal zahlreiche Modul– und Integrationstests statt. Bei Raketenherstellern ist das glücklicherweise nicht anders.

Der Integrationstest, bei dem man sieht, ob alle Komponenten miteinander harmonieren, ist in diesem Fall allerdings zwangsläufig der Jungfernflug der neuen Rakete. Das liegt in der Natur der Sache, denn um zu sehen, ob ein kompletter Launcher definitiv korrekt fliegt, muss man ihn … nun ja: fliegen lassen. Ihn aber währenddessen bzw. anschließend zu untersuchen, ist — wenn überhaupt — nur sehr eingeschränkt möglich.

Um so wichtiger ist es daher, vorab wenigstens die kritischsten Komponenten wie die Antriebe einzeln und unter sicheren Bedingungen zu überprüfen; analog zum Modultest in der IT. In der Praxis der Raketenbauer fängt man sogar mehrere Produktionsebenen tiefer an: Die einzelnen Materialien und Komponenten des Boosters wie Düsen, Zünder, Treibstoff oder Mantel werden ebenfalls Tests unterzogen, bevor man sie zum Booster zusammenbaut. Auf diese Art reduziert man wenigstens bei all jenen Teilen das Risiko einer Fehlfunktion. Das wiederum verringert auch das Gesamtrisiko. Anschließend wird der Booster als Einheit auf den Prüfstand gestellt und als Gesamtkonstruktion getestet.

Genau solch ein Test eines kompletten Boosters findet voraussichtlich heute auf dem Gelände des Centre Spatial Guyanais in Kourou statt, an eben dem neuen P120C der zukünftigen Ariane 6.

 

Der Test in der Praxis

Der Begriff „auf den Prüfstand stellen“ ist in diesem Fall wörtlich zu nehmen. Vom Produktionsgebäude aus wird der Motor aufrecht in einen eigens für solche Tests gebauten bzw. angepassten Hangar befördert und dort fixiert. (Denn er soll ja nur brennen, aber nicht abheben.) Konkret sieht das folgendermaßen aus:

Wie fast immer gibt es aber nicht nur eine richtige Methode. Manche Booster werden für den Test auch horizontal befestigt, wie beispielsweise der SLS Booster der NASA im folgenden Video:

Wichtig ist vor allem, dass der Booster stabil an Ort und Stelle bleibt, damit man alle notwendigen Messungen ungestört vornehmen kann. Sind die Abläufe optimal aufeinander abgestimmt? Passen alle Verbindungen? Erbringt der Motor die avisierte Leistung? Brennt der Treibstoff gleichmäßig ab? Ist die mechanische Integrität gewährleistet?

Als Feststoffbooster ist der P120C dabei noch verhältnismäßig unkompliziert. Sein Treibstoff ist wie bei einem Silvesterknaller bereits fertig gemischt im Gehäuse untergebracht und brennt nach der Zündung ohne weiteres Zutun ab. In vielen Boostern anderer Raketen kommen aktuell aber kryogene Treibstoffe zum Einsatz. Sie sind energieeffizienter und haben den Vorteil, dass man die Schubkraft des Boosters auch nach der Zündung noch regeln kann, indem man das Mischungsverhältnis der Treibstoffkomponenten variiert. Auf diese Art ist zum Beispiel auch eine anschließende sanfte Landung und Wiederverwertung möglich. Diese Motoren haben allerdings auch den Nachteil eines wesentlich komplexeren und störungsanfälligeren Designs, mit viel zahlreicheren Einzelteilen wie Sensoren und Ventilen. Das wiederum bedeutet, dass die Tests vor dem ersten Einsatz um so aufwändiger ausfallen.

Wie wichtig Booster-Tests in allen Stadien der Entstehung sind, zeigte sich zum Beispiel beim „Block 5“ Merlin-Motor von SpaceX Ende 2017. Im Verlauf jenes Tests kam es zu einer Explosion. Gerade bei Motoren wie diesem, die in Zukunft auch bei bemannten Missionen zum Einsatz kommen sollen, ist es wichtig, rechtzeitig alle Schwachstellen zu finden und auszumerzen.

Am P120C nehmen die Ingenieure innerhalb von rund zwei Minuten zirka 600 verschiedene Messungen  vor, vergleichen sie nach dem Test mit den bisherigen theoretischen Modellen und werten sie entsprechend aus. Diese Ergebnisse liefern wiederum den Input für die noch ausstehende letzte Feinarbeit am Design des Boosters, bevor er 2019 in seiner endgültigen Ausführung an einer Vega-C erstmals zum Einsatz kommt. Die für die Zukunft geplante Produktion liegt bei 35 dieser Motoren pro Jahr.

Möglicherweise wird es zu diesem Static Fire Test einen Livestream geben. Ihn und weitere Informationen zum Verlauf findet man vermutlich am schnellsten über den entsprechenden Suchbegriff #P120C auf Twitter.