Fehlschlag + Verzögerung: Wohin wird Europas Trägerrakete fliegen?

Kürzlich gab die ESA den Grund für das Fehlschlagen des Starts der Vega-C-Rakete VV22 bekannt und machte dafür eine in der Ukraine hergestellte Düsenhalsbaugruppe verantwortlich. Angesichts einer so mangelhaften Qualitätskontrolle und der Andeutung des ESA-Präsidenten, dass die Ariane 6 bis Ende 2023 nicht gestartet werden könne, gibt der Niedergang der europäischen Trägerraketen Anlass zum Nachdenken: Warum ist es bei den europäischen Trägerraketen zu diesem Rückschritt gekommen?

Zweiter Flug der Vega C-Rakete „Sterne versinken im Meer“

Vegas dritte Niederlage

Mit den aufeinanderfolgenden Ausfällen der Vega-Trägerraketen der ESA in den Jahren 2019 und 2020 wurde Europas über zehnjähriger Rekord ununterbrochener Erfolge im Weltraum gebrochen. Der Misserfolg von VV15 führte unmittelbar dazu, dass sich ein alteingesessenes Versicherungsunternehmen aus der Luft- und Raumfahrtversicherungsbranche zurückzog, und auch der Misserfolg des VV17-Starts aufgrund der falschen Einführung des Kabels der vierten Raketenstufe war unglaublich. Zudem führte ein Fehler bei der Bindung des Ariane-5-Startprogramms im Jahr 2018 dazu, dass der Satellit nicht in die geplante Umlaufbahn gebracht werden konnte. Drei Unfälle in nur drei Jahren werfen zwangsläufig Fragen zur Zuverlässigkeit der ESA auf. Damals strebten die Raketen Ariane 6 und Vega C noch ihren Erstflug Ende 2020 an, doch es stellte sich heraus, dass dies bloß Wunschdenken war.

Erst im Juli 2022 absolvierte die Vega-C-Rakete VV21 erfolgreich ihren Erstflug. Doch nur wenige Monate später, im Dezember 2022, als die Vega-C-Rakete zum zweiten Mal flog und die VV22-Rakete zwei hochauflösende Bildgebungssatelliten vom Typ Pleiades-NEO ins All brachte, startete die Rakete zwar erfolgreich, erlitt jedoch während des Flugs der zweiten Stufe einen schweren Defekt. Die beiden Satelliten erreichten nur eine Höhe von 110 Kilometern und stürzten schließlich in den Atlantik.

Als federführende Partei von Vega C gab die ESA nach einer sechsmonatigen Untersuchung bekannt, dass das Problem durch die Düsenhalsauskleidung aus Kohlefaser in der Ukraine verursacht wurde. Während des Fluges der Rakete brannte die defekte Auskleidung der Rakete durch, wodurch die Fluglage unkontrollierbar wurde und der Start scheiterte. Die Ukraine wies diese Schlussfolgerung entschieden zurück und behauptete, dass es mit ihren Produkten kein Problem gebe. Die ESA teilte mit, dass die Entwicklung neuer Materialien, die ukrainische Produkte ersetzen könnten, einige Zeit in Anspruch nehmen werde. Daher werde die Wiederaufnahme des Flugbetriebs der Vega-C-Rakete auf 2024 verschoben. Die Nutzlast der Wiederaufnahme des Flugbetriebs sei auch der äußerst wichtige Synthetic-Aperture-Radar-Satellit Sentinel-1C. Die ESA hat noch zwei Vega-Raketen auf Lager. Die Vega-VV23-Rakete soll im Spätsommer 2023 gestartet werden, um die wenigen verbleibenden Weltraumstartaktivitäten der ESA aufrechtzuerhalten.

Um ihren Ruf der „Unabhängigkeit“ zu wahren, war die ESA nicht einmal bereit, die Falcon 9 für den vorzeitigen Start des Satelliten Sentinel-1C einzusetzen (Sentinel-1A war aufgrund einer Fehlfunktion außer Dienst gestellt worden und 1C war sehr dringend), sondern verlangte stattdessen, dass der Satellit mit der Vega-C-Rakete gestartet werden müsse. Dies ist ein sehr riskanter Schritt. Warum also ergreift Europa derartige Maßnahmen?

Die Situation der Unterbrechung

Aufgrund des anhaltenden Konflikts zwischen Russland und der Ukraine weigerte sich die ESA, die in Russland hergestellte Trägerrakete Sojus ST weiter zu nutzen und beschlagnahmte sie. Das Euclid-Durchmusterungsteleskop kann nicht ins All geschossen werden; sein Start mit einer Falcon-9-Rakete wurde nun für Juli 2023 ausgewählt. Auch OneWeb-Satelliten mussten sich neue Startdienstleister suchen und mehrere Chargen wurden mit Falcon-9- und indischen Raketen gestartet.

Ariane-6-Rakete startet erste vollständige Raketenprobe

Der Erstflug der wichtigeren Großträgerrakete Ariane 6 wurde auf 2024 verschoben. Der Start der letzten Ariane 5ECA+-Rakete ist für den 21. Juni 2023 geplant. Von Juni bis September 2023 stehen in Europa keine Trägerraketen zur Verfügung; Von September bis Jahresende kann für Starts ausschließlich die fast ausgemusterte Trägerrakete Vega verwendet werden. Daher wird Europa in naher Zukunft kaum auf eigene Trägerraketen zurückgreifen können, um in den Weltraum vorzudringen.

Derzeit hat die ESA vier Trägerraketen in der Entwicklung und im Einsatz, darunter die große Trägerrakete „Ariane 5ECA+“, die kurz vor der Außerdienststellung steht, und die „Ariane 6“, die ihren Erstflug noch nicht absolviert hat. sowie die kleine Trägerrakete „Vega C“, die sich derzeit in der Fehlersuche befindet, und die mittelgroße Trägerrakete „Sojus ST“, deren Beschaffung eingestellt wurde. Diese Trägerraketen bilden einen Gradientenbereich mit einer Tragfähigkeit von 2 bis 20 Tonnen ab. Der Erststart der Ariane 6 war ursprünglich für 2020 geplant. In den ersten Starts soll sie ihre Zuverlässigkeit und ihren Ruf schrittweise steigern. Nach der Außerdienststellung der Ariane 5ECA+-Rakete in den Jahren 2022–2023 wird sie, sofern keine unerwarteten Ereignisse eintreten, einen Rekord von 10 erfolgreichen Starts vorweisen können. Damit wird sie die vorherige Raketengeneration perfekt ersetzen und für kommerzielle und staatliche Startdienste eingesetzt werden. Allerdings können die Pläne mit den Änderungen nicht immer Schritt halten.

Im Jahr 2016 gelang es SpaceX, einem privaten amerikanischen Luft- und Raumfahrtunternehmen, eine kleine Rakete aus dem Meer zu bergen. In den darauffolgenden Jahren eroberte es den weltweiten Markt für kommerzielle Weltraumstarts und übernahm mit seinen niedrigen Kosten und seiner hohen Auftragsabwicklungskapazität fast 80 % der kommerziellen Startdienste auf dem Markt. Die neue Coronavirus-Pandemie erfasste im Jahr 2020 die Welt und hatte erhebliche Auswirkungen auf Weltraumstarts in verschiedenen Ländern. Der Fortgang der „Ariane 6“ verzögerte sich zunächst aufgrund einer großen Zahl von Infektionen unter den Mitarbeitern, dann wurde sogar der Startplatz geschlossen. Doch mit der Zeit wurden die Gründe für die Verzögerung der „Ariane 6“ immer unerklärlicher, und sie wurde sogar ohne Angabe von Gründen vom ersten Quartal 2023 auf 2024 verschoben.

Obwohl Ariane 6 bisher das simulierte Pfeiltraining abgeschlossen hat, haben ihre Raketen der ersten und zweiten Stufe den statischen Zündtest des gesamten Moduls noch nicht abgeschlossen. Der Vollständigkeitsgrad ist unvorstellbar niedrig und es sieht nicht aus wie eine Trägerrakete, die seit fast zehn Jahren in der Entwicklung ist. Natürlich hinkt man nicht nur beim Fortschritt hinterher, auch die angestrebten Ziele sind zu Luftschlössern geworden.

Hohe F&E-Kosten

Lassen Sie uns raten, wie viel Geld bisher für die Entwicklung der Ariane 6 ausgegeben wurde. 1 Milliarde? 2 Milliarden? Wie hoch sind die Entwicklungskosten einer Trägerrakete, die von der ESA als kostengünstig angepriesen wird?

Die Antwort lautet 4 Milliarden Euro, was etwa 30 Milliarden Yuan entspricht. Zählt man den Vorgänger, die Ariane 5ME, dazu, könnten es über 5 Milliarden Euro sein. Die Entwicklungskosten für die kleine Feststoffrakete Vega betragen 710 Millionen Euro, die Entwicklungskosten für die erste Stufe der Feststoffrakete P80 76 Millionen Euro. Die Forschungs- und Entwicklungskosten der Feststoffrakete P120C von General Power, die als Booster für die Ariane 6 und als erste Stufe der Vega C-Rakete dient, belaufen sich auf 1 Milliarde Euro, also 13 Mal so viel wie die der P80!

P120C-Feststoffrakete zum Endmontagegebäude transportiert

Erinnern Sie sich an die niedrigen Kosten, mit denen die Ariane 6 beworben wurde? Die Konfiguration 62 kostet 75 Millionen US-Dollar pro Start und die Konfiguration 64 kostet 90 Millionen US-Dollar pro Start, was der Hälfte des Preises der Ariane 5ECA+-Rakete entspricht. Dieser Preis setzt allerdings voraus, dass die Rakete eine Frequenz von 6 Starts staatlicher Nutzlast + 3 Starts kommerzieller Raketen pro Jahr erreicht, und der Preis kann nur durch staatliche Subventionen auf dieses Niveau gesenkt werden. Ursprünglich ging die ESA davon aus, dass die Ariane 6 bis 2040–2045 mit dieser oder einer höheren Startfrequenz weiter starten würde, also etwa 200 Starts.

Doch es ist offensichtlich, dass die Ariane 6 derzeit von einem starken Konkurrenten abgeschossen wurde und das sogenannte voraussichtliche Ausmusterungsjahr sowie die Starthäufigkeit zu Luftschlössern geworden sind. Am 23. März 2023 wies der ESA-Rat darauf hin, dass Europas Anteil am weltweiten Markt für kommerzielle Trägerraketen von fast 50 % vor zehn Jahren auf mittlerweile „fast den Marktverfall“ gesunken sei. Derzeit liegen lediglich 30 bestätigte Startaufträge für die Ariane 6 vor und nur ein Sechstel davon stammt von herkömmlichen kommerziellen Startdiensten. Der Rest sind allesamt staatliche Aufgaben. Denn egal, wie schwierig es ist, unsere eigenen Raketen einzusetzen, wir müssen unsere Unabhängigkeit gewährleisten. Es waren die traditionellen europäischen Satellitenhersteller und Regierungen, die es schafften, diese 30 Bestellungen zu behalten, indem sie verschiedene Patenthürden nutzten, um eine Übertragung der Ariane 6 zu erzwingen. Ausgehend vom derzeitigen Auftragsbestand wird die Startfrequenz der Ariane 6 voraussichtlich bei etwa 1 bis 3 Starts pro Jahr liegen. Zum Vergleich: Die Falcon 9 wird dieses Jahr voraussichtlich 100 Schuss abfeuern.

Die Kosten des Konservatismus

Wenn die Europäer wirklich eine stärkere Tragfähigkeit wollten, hätten sie im Jahr 2000 die Ariane-5ME-Rakete weiterentwickeln, kostengünstigere Verfahren entwickeln, das Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk HM-60A vereinfachen usw. müssen, um die Kosten zu senken. Doch tatsächlich hat die „Ariane 5ECA“ seither keine großen Veränderungen erfahren und setzt voll und ganz auf ihren alten Ruf. Da Europa über eine äußerst hervorragende Auswahl an Startplätzen verfügt, befindet sich der Weltraumstartplatz in Kourou, Französisch-Guayana, auf dem 4. nördlichen Breitengrad. Durch den Start in die geostationäre Umlaufbahn von hier aus können 20 % Treibstoff eingespart und so die Komplexität des Satelliten effektiv reduziert werden. Aus diesem Grund würden manche Satellitennutzer lieber relativ teure europäische Trägerraketen wählen als billige, aber fehleranfällige Trägerraketen.

Und der ESA scheinen der technologische Fortschritt und der Markt egal zu sein. Anfang der 2010er Jahre war die ESA immer auf die Erhöhung der Beschäftigung und Investitionen bedacht und schenkte der Marktentwicklung, dem Krisenbewusstsein, der Kostensenkung und der Effizienzsteigerung keine große Aufmerksamkeit. Sogar im Zeitraum 2019–2020 zweifelten die ESA-Bürokraten noch an der Starteffizienz der Falcon 9 und sprachen in dem Bericht darüber, wie die Falcon 9 diese Effizienz mit Hilfe massiver Subventionen und Investitionen der US-Regierung erreichen konnte. Darüber hinaus gibt es zwar in Europa eine große Zahl kommerzieller Aufträge, die meisten davon stammen jedoch von lokalen Unternehmensdiensten und staatlichen Startdiensten, so dass immer noch ein gewisser Grad an interner Zirkulation besteht. Im Gegensatz zum internen Wettbewerb zwischen Trägerraketenanbietern in den USA, Russland und anderen Ländern ist Ariane der einzige dominierende Akteur in Europa. Aus diesem Grund verfügt Europa in jeder Leistungsklasse nur über eine Trägerrakete, da die benötigte Leistung fehlt. Wenn also die Qualitätskontrolle versagt und effizientere Startdienste entstehen, kommt es zu einer Kettenreaktion von Ereignissen.

Die Haupttechnologie der ESA für Flüssigkeitsträgerraketen stammt aus Frankreich und Deutschland, die Technologie für Feststoffträgerraketen aus Italien. Deutschland fördert seit langem verschiedene Pläne für reine Flüssigkeitsraketen, doch um die Arbeitslast auf Mitgliedstaaten wie Italien zu verteilen, sind Feststoffraketen unumgänglich. Um den Einfluss Deutschlands auszugleichen, unterstützt Frankreich Designs mit komplexen Konfigurationen und langen Produktionsketten. Dies ist der Ursprung der verschiedenen Startsysteme mit reinen Feststoff-Strap-on-Raketen, die in den Anfangstagen der Ariane 6 aufkamen. Auch die ESA selbst hat ihre eigenen internen Konflikte. Aufgrund der Stärke mehrerer Länder und der Ressourcenzuweisung und -kontrolle konnte das Konfigurationsdesign nicht das optimale Niveau erreichen. Gleichzeitig sind die von der ESA bereitgestellten Mittel für die aufstrebende private Raumfahrtindustrie trotz gegenseitiger Zurückhaltung der Länder sehr gering und liegen lediglich im zweistelligen Millionenbereich. Dies ist auch der Grund, warum es in Europa noch keine privaten Raketen der Orbitalklasse gibt.

Ein Bild der vollständig massiven Startstufenversion der Ariane-6-Rakete

Warum stagnierte die Entwicklung europäischer Trägerraketen in den letzten Jahren? Aufgrund der Forderungen einiger Regierungen nach „Unabhängigkeit“ bei Weltraumstarts und der Notwendigkeit, ihre eigenen Transportkapazitäten in die Umlaufbahn sicherzustellen, ungeachtet der Kosten, hat die ESA die Regierung um Subventionen gebeten, um das Projekt durch „angemessene Verzögerungen“ voranzutreiben. Wie viel von der 1 Milliarde Euro tatsächlich in das Projekt geflossen ist, lässt sich anhand der Entwicklungskosten des P120C nur schwer ermitteln. Die ESA begann sogar, denselben Startdienst für geostationäre Transferbahnen mit 1.800 m/s wie Cape Canaveral zu fördern und verspielte damit ihren zentralen Wettbewerbsvorteil. Das Problem besteht darin, dass es sich bei Kourous Umlaufbahn um eine subsynchrone Transferbahn mit einem Apogäum von 23.200 Kilometern handelt. Wenn die Ariane 6 tatsächlich zum Erreichen einer solchen Umlaufbahn eingesetzt werden soll, wäre der Einsatz einer billigen, leistungsstarken und pünktlichen Rakete wie der Falcon 9 besser.

Wenn sie ihre Wettbewerbsfähigkeit tatsächlich verbessern wollen, können sie mit dem Bau der Ariane 5ECA+ fortfahren, 100 Raketen herstellen, die Forschungs- und Entwicklungskosten von 4 Milliarden Euro auf jede Rakete verteilen und diese mit 40 Millionen Euro subventionieren. Ihre kommerzielle Wettbewerbsfähigkeit wird größer sein als die der Falcon 9. Die hohen Investitionen in das Ariane-6-Projekt liegen darin begründet, dass die Gesamtfinanzierung für die beiden Flaggschiff-Weltraumobservatorien Euclid und Athena lediglich rund eine Milliarde Euro beträgt.

Zurückhaltung und Zugeständnisse

Bevor wir über die Route sprechen, ist es wichtig, zunächst zu verstehen, ob Ariane 6 die Erwartungen erfüllt hat.

Bei der ersten handelt es sich um die APU-Turbinengeneratoreinheit in der zweiten Stufe der Ariane 6, die in den vergangenen Jahren in Europa viel Lob erhielt. Das Gerät nutzt den verdampften Wasserstoff und Sauerstoff aus der zweiten Stufe, um die Turbine zu verbrennen und anzutreiben und so Strom zu erzeugen, der die Oberstufe der Rakete sechs Stunden lang beim Gleiten unterstützt. Die Ariane 6 64-Konfiguration soll in der Lage sein, etwa 5 Tonnen Nutzlast in eine geostationäre Umlaufbahn zu befördern. Allerdings entsprach die Leistung des Gasturbinengenerators nicht den Erwartungen. Auf dem Internationalen Astronautischen Kongress 2022 wurde mit dem Erscheinen der raumtemperaturbetriebenen Oberstufe ASTRIS endgültig bestätigt, dass die Fähigkeit der kryogenen Stufe der Ariane 6, in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht zu werden, entfernt wurde und dass die Fähigkeit der zweiten Stufe, lange Flüge zu absolvieren, auf 1,5 Stunden bzw. einen Umlauf verkürzt wurde.

Die Leistung der zweiten Stufe der Ariane 6 blieb weit hinter den Erwartungen zurück. Ursprünglich hatte die ESA versucht, für die gesamte Rakete einen universellen Durchmesser von 5,4 Metern zu verwenden. Dadurch wäre der Flüssigsauerstofftank der zweiten Stufe jedoch zu einem „Pfannkuchen“ geworden, mit einem schlechten Strukturkoeffizienten und problematischer Treibstoffverwaltung. Der Durchmesser der zweiten Stufe wurde schließlich durch Reduzierung des Durchmessers des Flüssigsauerstofftanks reduziert, die Außenhülle blieb jedoch erhalten, was zu einem Anstieg der Masse der zweiten Stufe führte. Obwohl die Masse der Ariane 6 auf 860 Tonnen gestiegen ist, liegt ihre Tragfähigkeit immer noch auf dem Niveau der Ariane 5ECA+-Rakete. Daher hat die Ariane 6 bei Startdiensten für staatliche Nutzlasten und konventionelle kommerzielle Nutzlasten keinen großen Vorteil gegenüber der Ariane 5-Rakete. Zudem erschwert ihr die fehlende Möglichkeit zur direkten Lieferung den Wettbewerb mit neuen Trägerraketen mit Wiederverwendungsfähigkeiten wie der Falcon Heavy und der Vulcan.

Beeinflusst durch die geringen Kosten, die die Wiederverwendung der Falcon-9-Rakete mit sich bringt, hat auch die Europäische Weltraumorganisation in den letzten Jahren begonnen, wiederverwendbare Trägerraketen zu untersuchen. Es wurde das Konzept einer wiederverwendbaren Trägerrakete „Ariane der nächsten Generation“ vorgeschlagen, einschließlich der Verwendung des 100 Tonnen schweren Flüssigsauerstoff-Methan-Triebwerks „Prometheus“. Das Ziel der Ariane-Trägerrakete der nächsten Generation besteht darin, die Startkosten der Ariane 6 noch einmal um die Hälfte zu senken. Jeder Start soll dann nicht mehr als 35 Millionen Euro kosten und jährlich mindestens 17 und höchstens 25 Starts umfassen. Die Masse der neun Starts umfassenden Trägerrakete „Next-Generation Ariane“ erreicht 790 Tonnen, ihre einmalige Transportkapazität zur geostationären Transferbahn beträgt jedoch nur 6,6 Tonnen und ihre Transportkapazität nach der Wiederverwendung beträgt 4,5 Tonnen. Ihre Tragfähigkeit unterscheidet sich deutlich von der der „Falcon 9“-Rakete. Darüber hinaus ist das Design noch lange nicht fertig und es gibt nicht einmal einen groben Plan.

Obwohl die Ariane 6 schon vor ihrem Erstflug veraltet ist, ist die ESA nicht bereit, auf die seit über 30 Jahren verwendete Wasserstoff-Sauerstoff-Startstufe zu verzichten. Daher schlug die ESA im Jahr 2022 einen Plan zur Wiederverwendung von Methan-Boostern vor, um die Feststoffraketenbooster P120C durch „flüssige wiederverwendbare Booster“ unter Verwendung von drei „Prometheus“ zu ersetzen. Jeder Booster verwendet drei Prometheus-Triebwerke, aber die Bergung des Drei-Triebwerk-Moduls erfordert ein extrem hohes Schub-Gewichts-Verhältnis des Triebwerks, insbesondere sind die Konstruktionsanforderungen des Injektors höher. Ob Europa in der Lage ist, einen solchen Motor zu entwickeln, bleibt abzuwarten. Darüber hinaus erhöhen die komplexen Bodenoperationsverfahren, die durch das gleichzeitige Starten und Bergen von vier Modulen entstehen, die Belastung jedes Starts zusätzlich. Seine Kosteneffizienz ist definitiv viel geringer als die der Falcon 9, ganz zu schweigen von der nicht wiederherstellbaren Wasserstoff-Sauerstoff-Kernstufe. Es besteht sogar die Möglichkeit, dass der Kosten-Nutzen der Wiederverwendung geringer ist als die Kosten.

Die europäische Raumfahrtindustrie hat im letzten Jahrzehnt einen spürbaren Niedergang erlebt, und der Ausfall der Vega C und die anhaltenden Verzögerungen bei der Ariane 6 sind ein Mikrokosmos dieses Niedergangs der europäischen Raumfahrtindustrie. Dies ist auch eine Warnung an uns, dass technologische Aktualisierungen und gegenseitiger Wettbewerb notwendig sind. Wenn wir blindlings konventionelle Technologien verwenden und uns auf interne Zyklen verlassen, um uns selbst zu lähmen, werden wir eines Tages von effizienteren Wettbewerbern überholt werden. (Autor: Zhang Chen)

Dieser Artikel erschien ursprünglich im Magazin Space Exploration, Ausgabe 5, 2023

Quelle: Space Exploration Magazine