Hintergrundartikel
Olafs Raumfahrtkalender

Olafs Raumfahrtkalender

Geschichte und Geschichten aus sechs Jahrzehnten Raumfahrt

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Statistik erstellt: 2018-04-21T12:03:16+02:00

Features

(Fehl-)Start der ersten Ariane 5

ar-501_explosionIn den 1980er Jahren entwickelte der Weltmarkt für geostationäre kommerzielle Kommunikationssatelliten eine zunehmende Dynamik. Immer mehr Anbieter drängten auf den Markt, während gleichzeitig der globale Bedarf an Kommunikationskapazitäten mit einer Geschwindigkeit wuchs, der das Angebot kaum standhalten konnte. Arianespace, der europäische Anbieter von Startdienstleistungen, fand sich schon bald in der erfreulichen Situation wieder, kaum die Nachfrage befriedigen zu können. Mit der Ariane Rakete war man gerade zum richtigen Zeitpunkt auf den Markt gekommen. Anfang der 1980er Jahre entsprach der Kapazität für den geostationären Orbit von rund 1.700 kg dem typischen Startgewicht eines Kommunikationssatelliten. Angesichts der Bestrebungen, zunehmend leistungsfähigere Satelliten zu bauen, mußte aber schon bald die Kapazität der Ariane gesteigert werden. Glücklicherweise waren schon sehr frühzeitig diesbezüglich Studien angestellt worden. Ariane 2 und Ariane 3 ariane-5_heritagewiesen den Weg für die weitere Entwicklung. Stärkere Triebwerke, eine vergrößerte Oberstufe und schließlich der Einsatz von Feststoffboostern. Perspektivisch arbeitete man zudem an der Ariane 4. Unter dieser Projektbezeichnung verbarg sich gleich eine ganze Raketenfamilie. Das Basismodell Ariane 40 konnte sehr flexibel mit unterschiedlichen Kombinationen von Feststoff– und Flüssigkeitsboostern auf die jeweilige Mission individuell abgestimmt werden. Ende der 1980er Jahre, vor allem aber in den 1990er Jahren, sollte Arianespace mit der Ariane 4 Baureihe den kommerziellen Markt dominieren. Obwohl das noch nicht abzusehen war, als ihre Entwicklung beschlossen wurde, machte man sich schon Gedanken über einen noch leistungsfähigeren Nachfolger, die Ariane 5. Zunächst aber wuchs der Anteil der Ariane am weltweiten Startgeschäft, trotz einiger kostspieliger Fehlstarts, kontinuierlich weiter. Vor allem die Fähigkeit, pro Start gleich zwei (kleinere) Satelliten auf einen geostationären Transferorbit zu befördern, machte das Angebot attraktiv. Ein weltweit konkurrenzloses Angebot, das eine Senkung der Startkosten versprach. Vor allem die immer größeren und schwereren Satelliten des Marktführers Hughes trieben die Entwicklung. Hochrechnungen ergaben, daß spätestens Ende der 1990er Jahre das Potential der Ariane 4 ausgeschöpft sein würde. Daher wurden die Studien für eine neue Ariane 5 Rakete intensiviert. Ziel war es, die Doppelstartfähigkeit auch für Satelliten der 3 Tonnen Klasse zu erhalten. Zunächst ähnelte diese noch ihren Vorgängern. Erste Entwürfe sahen vor, auf die von der Ariane 4 übernommene L220 Grundstufe ein neues Oberstufenpaket aufzusetzen. Um das erforderliche größere Treibstoffvolumen unterzubringen und auch den gewachsenen Abmessungen der Satelliten Rechnung zu tragen, schlugen die Ingenieure ein ungewöhnliches Design vor, bei dem die Oberstufen einen größeren Durchmesser haben sollten, als die Erststufe. Auf der Erfolgswelle der Ariane schwimmend, trieb zu jener Zeit vor hermesallem Frankreich die europäische Raumfahrt voran. Mit dem Raumgleiter „Hermes“ arbeitete man an einem (zunächst nationalen) bemannten Raumfahrtprogramm. Auch Deutschland, das begann, mit dem Spacelab Erfahrungen in der bemannten Raumfahrt zu sammeln, forcierte Studien für ein autonomes Raumlabor „Columbus“. Als freifliegendes Raumlabor (MTFF - Man Tended Free Flyer) sollte es von „Hermes“ angeflogen und versorgt werden, bei Bedarf aber auch an der internationalen Raumstation „Freedom“ andocken. Zwar zeigte sich schon bald, daß diese Projekte als nationale Alleingänge nicht zu finanzieren waren. Doch konnte die ESA dafür gewonnen werden, die Studien weiter zu finanzieren. Angesichts des starken französischen Einflusses war es wenig verwunderlich, daß die Ariane 5 Entwürfe zunehmend an die Bedürfnisse des „Hermes“ Raumgleiters angepaßt wurden. Das Projekt gewann an Konturen, als am 31.01.1985 in Rom vom ESA Konzil Studien für eine neue Raketengeneration autorisiert wurden. Nachdem am 09. und 10.11.1987 die Entwicklung auf einer ESA-​Ministerratskonferenz in Den Haag bewilligt worden war, verschwanden schon bald die Entwürfe von ähnlicher konzeptioneller ariane-5_hermesAuslegung wie die Ariane 4 in der Schublade. Ebenso wurden rein kryogene Designs verworfen. Die Zuverlässigkeit der neuen Rakete mußte gesteigert werden. In der Ausführung ohne Oberstufe, wie sie zum Transport von „Hermes“ vorgesehen war, strebte man einen adäquaten Wert von 99% an. Doch auch die kommerziellen Aspekte wurden nicht vernachlässigt. Ziel war es, die Kosten pro Ariane 5 Flug auf 90% des Niveaus einer Ariane 44L zu senken. Und das trotz der Massenzunahme der kommerziellen Nutzlasten. Unbedingt mußte die Doppelstart-​Fähigkeit der Ariane erhalten bleiben. Denn die Fertigung der Ariane Rakete war vergleichsweise teuer. Das lag sowohl an den grundsätzlich hohen Lohn– und Stückkosten, als auch an der Aufgabenverteilung unter den ESA Mitgliedsstaaten. Ähnlich dem Airbus-​Programm wurden auch bei der Ariane Aufträge streng unter Beachtung der Anteile vergeben, die die Nationen an der Finanzierung der ESA und des Ariane-​Projekts hatten. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, mußte das Design der neuen Rakete drastisch vereinfacht werden. Der finale Entwurf sah daher eine übergroße kryogene Zentralstufe, kombiniert mit zwei der weltweit größten Feststoffbooster, vor. Für Satellitenstarts wurde dieses Basispaket mit einer kompakten Oberstufe ergänzt.
Bis heute wird die Auslegung der Ariane 5 kontrovers diskutiert. Auf jeden Fall sieht man ihr die starke Fokussierung auf den Transport des Raumgleiters „Hermes“ noch heute an. Man könnte es auch als ihren Geburtsfehler sehen. Denn eigentlich wurde die Ariane 5 für den Transport schwerer Nutzlasten auf erdnahe Bahnen (oder sogar suborbitale Bahnen) optimiert. Ursprünglich sollte „Hermes“ 18 Tonnen wiegen und mit eigenem Antrieb nach dem Aussetzen auf einen erdnahen Orbit manövrieren. Das „Hermes“ Design unterlag im Laufe der Jahre zahlreichen tiefgreifenden Änderungen. Nach der Challenger Katastrophe wurde vor allem den Rettungsmöglichkeiten der Besatzung größte Beachtung geschenkt. Das führte aber zu einem Massenzuwachs auf 21 Tonnen (und darüber hinaus).
vulcain_battleshipDie Zentralstufe der Ariane 5 EPC (Étage Principal Cryogénique) wurde mit einem neuen kryogenen Antrieb konzipiert, dessen „Vulcain“ Triebwerk auf früheren französischen Entwicklungen beruhte. Besonderer Wert wurde auf eine einfache Auslegung und kostengünstige Fertigung gelegt. Daher wählte man auch ein Triebwerk nach dem Nebenstromverfahren, im Gegensatz zur sonst konzeptionell ähnlichen japanischen H-​II. Die Stufe selbst wurde in extremer Leichtbauweise ausgelegt und hatte nur eine Leermasse von etwa 12 Tonnen. Ähnlich den Ballontanks der Atlas konnte die Struktur der EPC auch nur durch Helium-​Druckgas aufrechterhalten werden.
Den Hauptteil des Startschubs lieferten die beiden EAP (Ètage aux Acceration á Poudre) Feststoffbooster. Sie bestanden aus drei Segmenten, p230_run_160293zwei langen mit jeweils über 100 Tonnen Treibstoff, und einem kürzeren Kopfteil. Ein sehr komplexes System von Dichtungen und Bolzen verband die Segmente miteinander und sollte ein Leck wie bei der Challenger ausschließen. Komplex war auch das Schubprofil der Booster. So war das oberste Segment als Sterninnenbrenner mit großer Abbrandoberfläche ausgelegt, der beim Start einen besonders hohen Schub lieferte. Die unteren Segmente mit ihrem konventionellen Layout lieferten hingegen einen langsam zunehmenden Schub. Das Schubprofil korrelierte dabei mit der aerodynamischen Belastung.
Wie sehr die Ariane 5 bei diesem Entwurf von den Feststoffboostern abhängig war, zeigte sich daran, daß der Schub des Haupttriebwerks selbst nach dem Abwerfen der Booster nicht ausreichte, die Rakete weiter zu beschleunigen. Vielmehr sackte diese zunächst von etwa 150 auf 133 km durch, bevor soviel Treibstoff verbraucht war, daß der Schub des „Vulcain“ Triebwerks der Schwerkraft effektiv entgegenwirken konnte. Ganz klar ein Zugeständnis an die geplanten „Hermes“ Missionen. Denn aufgrund dieser Untermotorisierung verbot sich der Einsatz einer großen Oberstufe. Daher entwarf man eine sehr kompakte eps_aestusOberstufe, die Ètage aux Propulsives Storables. Wie der Name schon ausdrückt, setzte man bei der EPS auf eine Kombination lagerfähiger Treibstoffe: Monomethylhydrazin und Stickstofftetroxid. Unter energetischen Gesichtspunkten war diese Wahl sehr ungünstig. Vorteilhaft hingegen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit. Druckgasförderung und hypergole Zündung reduzierten mögliche Fehlerquellen. Den niedrigen Schub von lediglich 28 kN kompensierten die Ingenieure durch die sehr lange Brenndauer (1.100 s) und einen ausgezeichneten spezifischen Impuls von 324 s des „Aestus“ Triebwerks. Hinzu kam die Möglichkeit, das Triebwerk erneut zu starten.
Obwohl die Ariane 5 einer kompletten Neuentwicklung gleich kam und in vieler Hinsicht neue Maßstäbe für die europäische Raumfahrt setzte, war das Vertrauen der Ingenieure und Politiker in den Erfolg des Programms gewaltig. Als schwierig hatte sich vor allem die Finanzierung des Projekts erwiesen und die Verteilung der Aufräge unter den ESA Mitgliedsstaaten. Zum Zeitpunkt des Jungfernglugs lag man bereits 29% über den ursprünglich veranschlagten Kosten. Doch die Erprobung hatte keine grundsätzlichen Probleme offenbart und alle Stufen waren in zahllosen Testläufen qualifiziert worden. Nur wenige Wochen nach dem Jungfernflug der Ariane 4 fand im Juli 1990 der erste Prüfstandlauf eines „Vulcain“ Triebwerks im französischen Vernon statt. Im Oktober 1991 wurde in Kourou die Fertigungsanlage für die unteren Feststoffbooster eröffnet. Der erste Testlauf eines kompletten Boosters in sogenannter „Battleship“ (verstärkter) Konfiguration erfolgte am 16.02.1993. Im Sommer wurde erstmals auch einer der Booster in Serienkonfiguration gezündet. Als im Februar 1994 das Critical Design Review abgeschlossen war, schritt das Programm zügig weiter voran. Im Laufe des Jahres wurde die Flugqualifikation der EPC und EAP Flüssigkeitsstufen aufgenommen. Am 12.06.1995 orderte Arianespace dann die ersten 12 Ariane 5 bei der Industrie.
ariane_v88Offenbar kamen kaum Zweifel am Erfolg der neuen Rakete auf. Denn als Nutzlast beim Jungfernflug wählte man ausgerechnet die vier europäischen Cluster Satelliten (zwischenzeitlich war auch der experimentelle Kommunikationssatellit Artemis vorgesehen gewesen). Eine Wissenschaftsmission von unschätzbarem Wert wurde einer unerprobten Rakete anvertraut! Allein der (unversicherte) Wert der Satelliten betrug mindestens 350 Mio. $. Am 27.02.1996 absolvierte das für den Flug 501 vorgesehene „Vulcain“ Triebwerk seinen Abnahme-​Prüfstandlauf. In den folgenden Wochen trafen die Komponenten für die Rakete in Kourou ein. Der Jungfernflug wurde schließlich für den 25.05.1996 terminiert. Kleinere technische Probleme und die Wetterbedingungen verzögerten den Start letztlich auf den 04.06.1996. Sechzehn Monate hinter dem Jahre zuvor aufgestellten Zeitplan, hob die neue Rakete in Französisch Guyana ab. Was zunächst nach dem erfolgreichen Beginn einer neuen Ära aussah, endete 30 s nach dem Abheben in einem Trümmerregen. Die ersten Sekunden des Fluges verliefen noch ohne Anzeichen eines ernsten Problems. Doch dann steuerten die Aktuatoren die Triebwerksdüsen der Booster bei Mach 0,7 schlagartig auf maximale Auslenkung, woraufhin die Ariane aus ihrer Aufstiegsbahn ausbrach und schließlich ihre Struktur versagte. Unmittelbar darauf löste auch die Selbstzerstörung der Rakete aus. Trümmer regneten aus 3.700 m Höhe auf das CSG herab und eine Wolke unverbrannten Treibstoffs der Oberstufe wurde sichtbar.
ariane-5_v88_explosionDie Untersuchung der Ursachen für den katastrophalen Verlauf des Fluges förderten gleich eine ganze Reihe von Fehlern zutage. Zunächst kam es in einer Softwareroutine des Inertialreferenzsystems (franz. Système de Référence Inertielle) SRI-​1 zu einem Überlauf, als das System Daten in einer Größe verarbeiten mußte, für das es nicht ausgelegt war. Man hatte die Software ohne weitere Anpassungen von der Ariane 4 übernommen. Doch die leistungsfähigere Ariane 5 stieg weitaus schneller auf, als das Vorgängermodell. Die Werte, die unter diesen Umständen das Inertialreferenzsystem lieferte, konnte die Software nicht verarbeiten. Der Versuch, eine 64-​Bit Gleitkommazahl in einen gültigen 16-​Bit Integer-​Wert umzuwandeln, mußte scheitern. Der On-​Bord-​Computer registrierte das Versagen des SRI-​1 und schaltete auf das Backup-​System um. Doch auch das SRI-​2 versagte natürlich umgehend. Die erneute Übergabe an SRI-​1 scheiterte. Daraufhin griff der OBC auf andere Werte zurück, die auf dem Datenbus der SRIs hereinkamen. Was der Computer als echte Flugdaten interpretierte, waren jedoch lediglich Diagnoseinformationen, die zu den vollkommen unsinnigen Steuerkommandos an die Triebwerke führten.
Wie sich zeigte, hatte die Redundanz mit zwei absolut identischen Systemen das Gesamtsystem für einen Totalausfall anfälliger gemacht. Doch schlimmer noch, in dieser Phase der Mission hatten die Meßwerte der SRIs eigentlich gar keine Bedeutung und hätten vom Computer ingnoriert werden sollen. Bei der Ariane 4 hatte man das System noch einige Sekunden nach dem Start weiter laufen lassen für den Fall eines Countdown-​Abbruchs im letzten Augenblick. Tatsächlich waren die Referenzinformationen aber nur in der Phase der Startvorbereitung von Bedeutung. Die Fehler blieben auch deswegen unentdeckt, weil die Systeme der Rakete zwar komponentenweise gründlich getestet worden waren, man aber aus Kosten– und Machbarkeitsgründen auf einen gemeinsamen Test der gesamten Steuerungssoftware verzichtet hatte.
Komplettiert wurde die Kette der Versäumnisse und Fehleinschätzungen noch dadurch, daß sich herausstellte, daß man sich des Problems von nicht abgefangenen Programmfehlern durchaus bewußt gewesen war. Im Laufe der Entwicklung wurde jedoch die Entscheidung getroffen, den Code nicht konsequent auf eventuelle Schwachstellen, wie z.B. Pufferüberläufe, zu überprüfen. Die Kriterien, nach denen Fehler behandelt wurden oder nicht, blieben vollkommen intransparent.
Für die europäische Raumfahrt war der Fehlstart ein Debakel. Der gewaltige Vertrauensvorschuß, den die Ariane 5 genossen hatte, war dahin. Und mit den aufgedeckten Defiziten wuchsen auch die Zweifel an den Managementqualitäten der ESA. Sicher trugen die Umstände von Flug L501 dazu bei, daß wenige Jahre das gesamte Management des Ariane Programms neu strukturiert wurde. Zuständigkeiten wurden neu und eindeutig geregelt und man wandte sich vom bisher vorherrschenden Proporzdenken bei der Vergabe der Unteraufträge ab. Dennoch brauchte das Programm Jahre, um sich von dem Rückschlag zu erholen. Zumal auch der nächste Flug noch weitere Designprobleme offenbarte. Erst nach einem weiteren Testflug im Oktober 1998 war der Weg frei für den kommerziellen Einsatz der Ariane 5. Erstmals transportierte die Ariane 5 am 21.03.2000 zwei Kommunikationssatelliten internationaler Kunden auf ihre Transferbahnen. Nur dadurch, daß die Ariane 4 länger im Einsatz gehalten werden konnte, als einst geplant, war es Arianespace gelungen, seine Kunden zu halten. Denn mittlerweile drängten chinesische und russische Raketen mit zunehmendem Erfolg auf den Markt.
Heute zählt die Ariane 5 nach mehreren Modernisierungsprogrammen zu den etablierten und zuverlässigsten Raketen am Markt. Trotz wiederholter Versuche, dies zu verbessern, ist die angestrebte Wirtschaftlichkeit der Rakete aber bis heute nicht erreicht worden. Nur dank massiver Subventionen kann die Ariane (wie andere Raketenprogramme auch) im Wettbewerb bestehen. Kritisch wird heute auch die Fixierung auf das Doppelstartverfahren gesehen. Die angestrebte Zahl von neun Starts pro Jahr blieb Illusion. Immer wieder verzögerten Probleme mit einzelnen Satelliten Starts, was wiederum zu Ärger mit anderen Kunden führte. Und der Raumgleiter „Hermes“, der einst die Auslegung der Ariane 5 so stark beeinflußt hatte, war bereits 1992 aufgegeben worden.
atk-libertyIm Jahr 2011 stand die (Weiter-)Entwicklung der Ariane einmal mehr auf der Tagesordnung. Und dies gleich in zweifacher Form. Während Frankreich die Studien für eine eher modular aufgebaute Ariane 6 vorantrieb, bei der auch das Doppelstart-​Verfahren nicht mehr als Dogma betrachtet wurde, kamen aus den USA Anfragen, die Ariane 5 als Träger für das CCDev 2 (Commercial Crew Development) Programm der NASA zu modifizieren. Gemeinsam studierten EADS Astrium und ATK unter dem Namen „Liberty“ einen Entwurf, der dem eingestellten Ares-​I Design ähnelte. Die erste Stufe sollte auf einem auf fünf Segmente verlängerten Booster aus dem Space Shuttle Programm basieren, während die Oberstufe von einem Vulcain-​2 Triebwerk angetrieben werden sollte. Der Entwurf schaffte es allerdings nicht in die nächste Auswahlrunde.