Teure Nachbesserungen

Das heutige Thema beschäftigt sich mit der europäischen Raketenpolitik. Obwohl die sich von der vieler anderer Nationen darin unterscheidet, dass man regelmäßig neue Rakete entwickelt ist, doch eines auffällig: die Nachbesserungen oder wenn man es anders ausdrücken will: Performance Steigerungen.

Die USA machen mehr Starts als Europa, doch sie kamen von 1960 bis zur Jahrtausendwende mit drei Basismustern aus: Der Thor-Delta Serie, Atlas und Titan. Diese wurden durch Oberstufen, Booster oder leistungsfähigere Triebwerke in der Leistung gesteigert. Am stärksten gelang dies bei der Delta, deren erstes Modell die Delta-A 291 kg in einen niedrigen Erdorbit und 45 kg in den GTO transportieren konnte. Das letzte Modell, die 7925H dagegen 5.648 kg in einen LEO und 2.270 kg in einen GTO. Eine Steigerung der Leistung um den Faktor 20!

Demgegenüber entwickelte man in Europa immer neue Trägerraketen:

• Der Europa I folgte die Ariane 1.
• Die Ariane 1 wurde nach 17 Jahren durch die Ariane 5 ersetzt.
• Nun wird die Ariane 5 nach 23 Jahren durch die Ariane 6 ersetzt.
• Dazwischen gab es dann auch noch die Vega.

Wenn nun einer fragt: Was ist denn mit der Ariane 2,3 und 4? Um genau diese geht es in diesem Blog. Es ist eine europäische Spezialität eine Trägerrakete zu entwickeln, die man nur wenige Male in der Ursprungskonfiguration einsetzt, und sie dann durch eine verbesserte Generation ersetzt:

Ein geschichtlicher Rückblick

Die Europa I war gedacht für den Start von Forschungssatelliten. Mehr als zu dem Start von Testsatelliten (wobei von den drei Starts auch keiner gelang) kam es aber nicht, denn noch während die Europa I entwickelt wurde plante man die Europa II und III. Bei dem Übergang von der Europa I zur II hielten sich die Änderungen noch in Grenzen: Es gab etwas schubstärkere Triebwerke in der ersten Stufe, diese nahm daher etwas mehr Treibstoff auf. Die dritte Stufe musste verstärkt werden, weil eine neue vierte Stufe hinzukam, die man für GTO Missionen brauchte. Dazu kam ein neuer Bordcomputer. Letzterer war denn auch für den Fehlstart der ersten und einzigen Europa II verantwortlich.

Es folgte die Ariane 1, die eigentlich aus einem Konzept für die Europa III hervorging. Denn auch die Europa II sollte Ende der Siebziger Jahre ersetzt werden und hätte so nur wenige Flüge absolviert (geplant waren etwa acht Starts). Sie sollte nur technisch nicht so modern sein und daher billiger umzusetzen sein. Doch schon, bevor die Ariane 1 an Weihnachten 1979 den Jungfernflug hatte, beschloss man die Ariane 2+3. Während der Entwicklung hatte man bei den Triebwerken aller drei Stufen den Schub der Triebwerke leicht gesteigert. Der Einbau dieser Triebwerke in die Ariane 1 und 1,5 mehr Treibstoff in der dritten Stufe ergab die Ariane 2 mit etwa 20% mehr Nutzlast. Zwei Feststoffbooster an der Ariane 2 dann die Ariane 3 mit nochmals 20% mehr Nutzlast.

Auch hier fand man ein neues System, bevor die erste Ariane 2 abhob: die Ariane 4 setzte eine verlängerte erste Stufe ein, die nun ohne Booster nicht mehr abheben konnte und zwei Typen von Boostern ein. Zum einen die Feststoffbooster der Ariane 3, nur etwas verlängert und zum Zweiten neue Booster mit einem Triebwerk, dem gleichen wie in der ersten Stufe, nur fest eingebaut. Ohne Booster musste man Treibstoff weglassen und hatte so sogar eine etwas kleinere Nutzlast als die Ariane 3. Mit den Boostern konnte man aber einen breiten Bereich von Nutzlasten von 2,6 bis 4,4 t abdecken.

Ariane 4 wurde dann bis 2003 eingesetzt – über 15 Jahren und 116-mal. Ariane 1-3 absolvierten dagegen zusammen nur 28 Starts,

Drei Jahre, bevor die erste Ariane 4 abheben sollte, wurde aber schon die Ariane 5 beschlossen. Damals als Bestandteil eines Dreierpakets bestehend aus der Trägerraketen Ariane 5, dem Raumgleiter Hermes und dem Forschungslabor Columbus, das damals noch aus drei Elementen bestand. Ohne diese Elemente hätte man wohl die Ariane 5 Entwicklung nicht genehmigt bekommen, hatte man doch gerade erst die Ariane 1 entwickelt und war in der Entwicklung der Ariane 4. Da braucht man nicht bald „noch“ eine Rakete, auch wenn die Ariane durch die lange Entwicklungszeit nicht vor Mitte der Neunziger Jahre einsatzbereit wäre. Das hatte Folgen: Das ursprüngliche Konzept war, das eine Rakete mit zwei Stufen: einer kryogenen für GTO-Transporte, basierend auf dem Triebwerk, das auch in der Ariane 4 in der dritten Stufe verwendet wird und einer kleineren für LEO-Missionen. Da Columbus und Hermes LEO-Nutzlasten waren, und die neue Trakete aufgrund der fielen Neuentwicklungen teuer werden würde, genehmigte man nur die letztere Stufe. Dabei blieb es, obwohl in den ersten Jahren die Rakete substanziell geändert wurde. Da Hermes laufend schwerer wurde, wurde vor allem die Zentralstufe, aber auch die Oberstufe laufend schwerer. Für einen Schwenk gleich zur leistungsfähigeren kryogenen Stufe, konnte man sich aber nicht entscheiden.

Kaum hatte man mit V503 den ersten voll erfolgreichen Ariane 5 Start hinter sich, vergab die ESA dann ein Upgrade der Ariane 5, sodass die erste Version, nun Ariane 5G (G=Generisch) getauft, nur zehnmal eingesetzt werden sollte. Geändert sollte praktisch überall an der Rakete was: Die Booster erhielten mehr Treibstoff und die Hülsen wurden leichter. Die Zentralstufe bekam ein neues Mischungsverhältnis und damit auch 25 t mehr Treibstoff und ein neues Triebwerk. Die Oberstufe wurde durch eine neue ersetzt, nun wie schon 1985 geplant mit dem Triebwerk der Ariane 4. Dazu kamen Änderungen an der VEB und eine neue Doppelstartstruktur. Das neue Modell hieß nun Ariane 5 E. E für Evolution. Ursprünglich war sogar noch eine weitere Oberstufe geplant, mit einem neuen Triebwerk und der doppelten Treibstoffzuladung der ersten kryogenen Stufe. Doch als die erste Ariane 5E einen Fehlstart hatte wurden alle Mittel für deren Entwicklung für ein Rettungsprogramm benötigt und die Entwicklung erst 2011 wieder aufgenommen um dann zwei Jahre endgültig eingestellt zu werden.

Denn inzwischen hat die ESA die Ariane 6 beschlossen. Die hat zahlreiche Änderungen hinter sich und selbst ich als Raumfahrtkundiger frage mich, wofür man 4 Milliarden Euro für die Rakete braucht. Während die ersten Ariane 6 Vorschläge sich deutlich von der Ariane 5 unterscheiden ist die endgültige Konfiguration doch sehr ähnlich der Ariane 5: eine Zentralstufe mit dem Triebwerk der Ariane 5E, nur mit der kleineren Treibstoffzuladung der Ariane 5G. Eine Oberstufe, die stark der geplanten Oberstufe der Ariane 5 ähnelt mit demselben Triebwerk wie für diese Stufe. Die einzige Änderung ist, dass es anstatt zweier Booster von je 281 t Gewicht nun zwei oder vier von 135 t Gewicht gibt, man also einen großen durch zwei halb so schwere ersetzt hat.

Zwischendurch hat man die Vega entwickelt. Obwohl deren Entwicklung sehr viel länger dauerte, als geplant wird auch sie 2018 durch eine neue Version abgelöst. Sie verwendet den Booster der Ariane 6 als erste Stufe. Dieser ist rund 50% schwerer als die alte erste Stufe. Geplant ist als nächster Schritt dann das ersetzen der zweiten Stufe durch eine neue mit 20% mehr Treibstoff. So wird auch die Vega in der ersten Version nur 16 Starts durchführen, bis sie durch die Vega C ersetzt wird.

Mir stellt sich die Frage: Geht das nicht auch anders?

Dabei muss man die Thematik historisch und von der finanziellen Seite sehen. Historisch ist es so, dass die Europa I entstand, weil Europa auch eine eigene Trägerrakete haben wollte. Das war damals eine Prestigefrage. Dabei gab es aber auch handfeste nationale Interessen. England suchte nach einem Weg Kosten, für die selbst entwickelte und schon vor der Stationierung obsolet gewordenen Mittelstreckenrakete Blue Streak einzusparen. Frankreich erhoffte sich Impulse für die Entwicklung eigener militärischen Raketen. Deutschland wollte eine eigene Raumfahrtindustrie aufbauen. De Faktor gab es kaum Nutzlasten für die Europa I, sodass als man die ersten anspruchsvollen Forschungsmissionen und Telekommunikationssatelliten plante, es logisch war, die Europa I zu erweitern. Das war relativ billig und kostete 40 Millionen Dollar. Im Vergleich dazu hatte die gesamte Europa I Entwicklung 690 Millionen Dollar gekostet. Vor allem änderte man an der bestehenden Rakete kaum etwas sondern ergänzte um eine neue Stufe.

Ähnlich kann man den Sprung von Ariane 1 zur 2 sehen. Sie war obwohl konservativ gebaut, trotzdem technisches Neuland für Europa. Die Viking Triebwerke waren erheblich schubstärker als die vorher von Frankreich gebauten Triebwerke mit derselben Treibstoffkombination und sie waren die Ersten mit Turbopumpenförderung. Triebwerke mit Wasserstoff als Treibstoff hatte man vorher noch gar keine entwickelt. So legte man die Betriebsparameter, vor allem den Brennkammerdruck bewusst niedrig aus. Während der Entwicklung wurde der laufend gesteigert und so konnte man bei Ariane 2 einfach die Triebwerke auswechseln. Dabei setzte man auch eine etwas abgeänderte Treibstoffmischung ein, nachdem Verbrennungsinstabilitäten beim zweiten Flug zu einem Fehlstart führten. Die Feststoffbooster der Ariane 3 erlaubten es, die Nutzlast soweit zu steigern, dass Ariane 3 zwei Satelliten der Delta-Klasse transportieren konnte, während Ariane 2 die Nutzlast der neuesten Atlas Centaur hatte. Damit hatte man an die US-Konkurrenz aufgeschlossen. Es war die Wende vom Anspruch auf „eigenständigen Zugang zum Weltraum“ zum Verdienen von Geld mit Starts. Mit kosten von 144 Mill. Euro (zum damaligen Wechselkurs) oder 13% der Ariane 1 Entwicklungskosten war dieses Programm relativ preiswert. Das galt auch für die Entwicklung der Ariane 4. Bei, der man einfach die schon vorhandenen Elemente neu kombinierte. Auch das kostete nur 206 Millionen Euro. Mit einem kostenlosen Jungfernflug und der neuen Startrampe ELA 2 kam man auf 476 Mill. Euro, etwa 50% der Ariane 1 Entwicklungskosten, hatte dafür aber die doppelte Nutzlast der Ariane 1 und für 15 Jahre Ruhe – wenn man die Ariane 5 nicht beschlossen hätte.

Die Ariane 5 hätte man bei Entwicklungskosten, die schließlich dreimal so hoch liegen sollten, wie die von Ariane 1-4 zusammen, sicher keine Zustimmung bekommen, wenn man nur eine Trägerrakete für kommerzielle Transporte brauchte. Auch für alle geplanten europäischen Forschungssatelliten war die Ariane 4 noch leistungsfähig genug. (Würde sie heute noch fliegen, nur die ATV wären zu schwer für die Ariane 4). So wurde die Ariane 5 auf LEO-Transporte und das geplante bemannte europäische Raumfahrtprogramm optimiert. Die grundsätzliche Idee die GTO-Oberstufe später zu bauen, ist ja an sich nicht falsch. Nur machte Hermes einen Strich durch die Rechnung. Hermes sollte mal 17 t wiegen wurde aber 23 t schwer. Eine Zeit lang folgte dem die Ariane 5, indem man Stufen verlängerte. Das ging durch den hohen Schub der Feststoffbooster. Das warf aber Probleme auf, wenn nun eine weitere schwere Oberstufe hinzukam. Die erste Version hatte eine Zentralstufe mit 120 t Treibstoff und eine Oberstufe mit 4 t. Die Letzte dagegen eine mit 158 / 9,7 t. Eine größere Oberstufe und schwerere GTO-Nutzlast erforderte mehr Schub in der Zentralstufe. Das Triebwerks-Upgrade wurde erheblich teurer und entpuppte sich bald als eine komplette Neuentwicklung. Das Ariane 5 Evolution Programm wurde so relativ teuer und erreichte schon ohne die neue kryogene Oberstufe 50% der Ariane 5 Entwicklungskosten. Wahrscheinlich wäre es besser gewesen, wie bei Ariane 4 einfach die alte Zentralstufe beizubehalten und etwas Treibstoff in dieser wegzulassen. Das hätte man durch eine bessere Oberstufenkonstruktion ausgleichen können. Die derzeitige EC-A hat ein ziemlich hohes Trockengewicht, auch verursacht, weil die Stufe 10-mal weniger Treibstoff als die Zentralstufe hat, aber denselben Durchmesser. Eine Stufe mit 3 anstatt 5,4 m Durchmesser wäre besser gewesen. Dafür hätte man die Nutzlastverkleidung verlängern können, sodass diese wie bei der Atlas die Oberstufe mit umgibt. Das hohe Trockengewicht bleibt auch bei der ECB oder Ariane 6 Oberstufe erhalten denn auch hier ist die Zentralstufe 5 m breit. Die ersten Entwürfe für die Ariane 6 waren hier mit 4 m Durchmesser erheblich besser. Wahrscheinlich will die Industrie aber möglichst viel Gewinn machen, und wenn man den Durchmesser nicht ändert, kann man die bisherigen Maschinen weiter verwenden ….

Schon die Ariane 5 Evolution war meiner Ansicht nach unnötig teuer. Die neue ECB-Stufe sollte mindestens 1,5 Milliarden Euro kosten – viel Geld nur für eine neue Stufe.

Als die Vega entwickelt wurde, konnte man sich auch nicht so richtig entscheiden. Deutschland war schon nicht dabei, weil das DLR die Rakete für überflüssig hielt. Italien hoffe darauf, dass man die Booster der Ariane 5 durch Segmente der Vega ersetzen würde (drei Vega Segmente ersetzen einen Ariane 5 Booster) und so haben rein zufällig die Vega Erststufe und die Ariane 5 Booster denselben Durchmesser und die Anlagen bei Avio sind so groß ausgelegt, dass man auch die Ariane 5 Booster dort fertigen könnte. Es kam nicht dazu, obwohl ein Ersatz der Booster bei Konzepten für die Langzeitevolution der ESA auftaucht.

Die Zukunft

Nun bekommen Vega und Ariane 6 eine gemeinsame Stufe. Doch die Preisschraube scheint inzwischen enorm schnell zu drehen. Dieser Booster kostet mehr als die gesamte Vega Entwicklung, die drei Stufen und eine neue Startbasis umfasste. Dabei ist diese noch nicht so lange her und die Inflation seit zwei Jahrzehnten niedrig, also die Kosten sind vergleichbar. Dasselbe gilt für die Ariane 4 selbst. 4 Milliarden Euro für eine Rakete, bei der die Zentralstufe eigentlich eine Modifikation der Ariane 5 ist, sind viel. Die Kostenaufschlüsselung beider Raketen zeigt auch, dass die Kostenersparnis nicht auf neuer Technik beruht, sondern höheren Stückzahlen wegen mehr Einzelstarts und einer Zusammenfassung der Produktion auf wenige Herstellungsorte anstatt rund 20 in ganz Europa. Das sollte doch auch beider Ariane 5 möglich sein und das Ersetzen der Booster durch vier kleinere auch. Dafür baucht man keine neue Rakete.

Meine Prognose: Bevor 2020 die erste Ariane 6 abhebt, wird man bei der ESA ein „Ariane 6 Evolution Programm“ beschließen. Schließlich müssen wir in Europa immer eine neue Rakete entwickeln – seit 1961 gab es kein Jahr, bei dem nicht ein Programm am Laufen gewesen wäre. Von 2011 bis 2012 waren es sogar drei:

• Ariane 5 ME Vorstudien.
• Ariane 6 Vorstudien.
• Abschluss der Vega Entwicklung

Insgesamt hat sich das inzwischen verselbstständigt. Für wenige Neuerungen gibt man viel Geld aus. Obwohl begründet mit einem „eigenständigen Zugang zum Weltraum“ geht es um geringere Startkosten für kommerzielle Kunden, die man meiner Ansicht nach auch mit einer Umstrukturierung der Produktion der schon existierenden Modelle hinbekommt. Für die ESA lohnt es sich bei maximal 2 Starts pro Jahr nicht. Im günstigsten Fall müsste die Ariane 6 über 30 Jahre eingesetzt werden, damit sie für die ESA die Entwicklungskosten wieder einspielt.

Für Raketenbauer muss Europa das Schlaraffenland sein … Russland wohl eher die Hölle. Die kommen mit der Sojus und Proton mit Trägern aus, die seit 1966 also 50 Jahren substanziell nicht verändert wurden…