Kürzlich fand in Paris eine von der französischen Luft- und Raumfahrtakademie organisierte Konferenz statt. Einer der Redner war Jean-Marc Astorg, Leiter des CNES (Nationales Zentrum für Weltraumforschung). Er verbrachte seine gesamte Karriere in der Direktion und arbeitete an Vega, Ariane 5 ECA und Sojus in Französisch-Guayana. 2015 wurde er zum Director of Work with Boosters ernannt. Er enthüllte viele technische Details, teilte Pläne für die Zukunft und sprach über die Reaktion Europas auf wiederverwendbare amerikanische Trägerraketen. Dieser Artikel ist ein übersetztes Interview, ergänzt durch Folien, die er während seiner Präsentation gezeigt hat.
„Als ich 1985 unmittelbar nach meinem Abschluss an einer Ingenieurschule bei CNES anfing, hatte die Wiederverwendbarkeit ein äußerst negatives Image. Hauptsächlich wegen des amerikanischen Space Shuttles, das seine ursprünglichen Ziele überhaupt nicht erreichen konnte. Anfänglich betrugen die erwarteten Kosten 30 Millionen US-Dollar pro Start und bei einer Häufigkeit von einem Start pro Woche etwa 6 Milliarden US-Dollar pro Start mit 6 Starts pro Jahr. Auf diese Weise
Wir haben eine Ariane-Rakete gebaut, die auf den schlechten Erfahrungen des Shuttles basiert. Heute ist Ariane 6 die erste europäische Reaktion auf wiederauferstandene amerikanische Mehrwegraketen.
Bevor wir uns mit den Details befassen, werde ich Sie schnell an die wirtschaftlichen Realitäten erinnern. Zwischen 2017 und 2018 erhöhte sich das Budget der NASA, und dieser Anstieg belief sich auf das gesamte CNES-Jahresbudget. Der globale Startmarkt repräsentiert viele Satellitenstarts pro Jahr, von denen jedoch nur etwa 25 für den globalen kommerziellen Wettbewerb offen sind. Die meisten kommerziellen Starts sind für geostationäre Kommunikationssatelliten vorgesehen, aber wir wissen nicht, ob der Markt derselbe bleiben wird.
Ein wenig Geschichte über die Entwicklung europäischer Trägerraketen: Ariane 1 war dank des Ausfalls des Shuttles ein unerwarteter kommerzieller Erfolg. Es wurde genau zum richtigen Zeitpunkt in Betrieb genommen. Dank der Entwicklung von Ariane 4 haben wir die Obergrenze der Möglichkeiten für das Ariane 1-Konzept erreicht und die Ariane 5 entwickelt. Seit 20 Jahren ist sie die führende kommerzielle Trägerrakete der Welt. Einer unserer Vorteile war die Lage unserer Kourou-Startrampe in Französisch-Guayana.
Angesichts der relativ geringen Finanzierung in Europa haben wir einen anständigen Marktanteil. Derzeit besteht in den Vereinigten Staaten der politische Wille, auf den kommerziellen Markt zurückzukehren und verlorenen Boden wiederherzustellen. Aufgrund des erwarteten Anstiegs des Marktes gibt es weltweit eine Entwicklung des pH-Werts von staatlichen und kommerziellen Teilnehmern. Für den pH-Wert ist es wichtig, so billig wie möglich zu sein. Derzeit liegen die Preise beim Start in die geostationäre Umlaufbahn (GTO) bei rund 10.000 Euro pro Kilogramm. Bitte beachten Sie, dass die meisten in der Entwicklung befindlichen pH-Werte verfügbar sind. Daher ist Ariane 6 in dieser Hinsicht keine Ausnahme.
Um einen kurzen Überblick über die weltweiten Bemühungen um die Entwicklung neuer Startfähigkeiten zu geben, genügt es, daran zu erinnern, dass die Chinesen ein Raumfahrtprogramm mit unglaublichen Fortschritten an allen Fronten haben - dies sind neue Trägerraketen und Raumfahrzeuge. Es lässt uns vor Neid gelb werden. Sie gaben bekannt, dass sie auch eine wiederverwendbare Trägerrakete entwickeln: den langen 8. März, der bis 2028 gestartet werden soll.
In den USA sollten wir uns nicht gegen öffentliche und private Weltraumbemühungen stellen: SpaceX wurde dank technischer und finanzieller Unterstützung größtenteils von der NASA entwickelt.
In Europa ist der Hauptgrund für die Existenz des Weltraumprogramms und die Möglichkeit von Starts der unabhängige Zugang zum Weltraum. Dies wurde uns am selben Tag klar, als wir unseren ersten Kommunikationssatelliten, Symphonie, auf einer amerikanischen Trägerrakete starten wollten. Sie stimmten dem Start zu, jedoch nur unter der Bedingung, dass der Satellit nicht für kommerzielle Zwecke verwendet wird. Dies zeigt, dass wir uns selbst und unseren Fähigkeiten vertrauen müssen. Innerhalb Europas sind jedoch nicht mehr als 4-5 Starts pro Jahr erforderlich. Daher ist es für uns wichtig, einen Anteil am kommerziellen Markt zu haben, um unsere Luft- und Raumfahrtindustrie lebensfähig zu halten.
Wir haben die Wiederaufnahme des Wettbewerbs in den USA erwartet. Die Ariane 6 wurde ursprünglich im Jahr 2009 vorgeschlagen, als wir feststellten, dass der Falcon 9 SpaceX einen guten pH-Wert mit hoher Leistung bei geringen Kosten aufweist. Daher war das Hauptziel von Ariane 6 die Kostensenkung. Die Entscheidung zur Finanzierung des Programms wurde jedoch erst 2014 getroffen, was sehr spät ist. Langsame Entscheidungen in Europa sind ein ernstes Problem.
Ariane 6 ist eine einmalige Rakete, die Ariane 5 sehr ähnlich ist, aber wir senken ihre Kosten dank dreier Dinge um 50%: eine erhöhte Startfrequenz, da sie die von Französisch-Guayana aus gestartete „Union“ ersetzen wird, Innovation (zum Beispiel anstelle von zwei 3- x Block Metall-Festbrennstoffbeschleuniger, wir werden 4 Monoblock-Festbrennstoffbeschleuniger verwenden) und einen verbesserten Produktionsprozess mit der Einführung von Lean Management (Lean Management). Ziel sind die Kosten von 10.000 Euro pro Kilogramm für die TRP im Jahr 2020. Es gibt nur wenige technologische Herausforderungen, aber viele organisatorische.
Die Wiederverwendung ist eine ziemlich alte und offensichtliche Idee: Die Herstellung einer Trägerrakete dauert 3 Jahre (aufgrund der langen Produktion von Motoren), sie kostet mehr als 100 Millionen Euro, wir starten sie und in weniger als 30 Minuten versinkt sie bereits im Meer. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, die wiederverwendbare Verwendung zu implementieren: Falcon 9 unterscheidet sich in diesem Aspekt grundlegend von Space Shuttle. Es wird nur der erste Schritt gespeichert, der am einfachsten wiederzuverwenden ist. Es wird mit einer Geschwindigkeit von nur 2 Kilometern pro Sekunde getrennt und kostet 50% der gesamten Rakete. Dies ist ein großer Unterschied zu Shuttle. Der Falcon 9 hat vernünftige technische Ziele, die er Schritt für Schritt erreichen kann. Das Shuttle hatte in den 1970er Jahren zu viele Ambitionen.
Es gibt verschiedene Wiederverwendungsstrategien. Da das Ziel darin besteht, die negativen Auswirkungen auf die Stufe zu minimieren, ist das Fallschirmspringen in den Ozean keine Option: Salzwasser erschwert die Reparatur. Für den Falcon 9 SpaceX verwenden sie beispielsweise einen Motor, um auf einem Schleifenweg mit mehreren Bremsimpulsen vorwärts zurückzukehren. Wir haben mit dem nationalen Luft- und Raumfahrtlabor in Frankreich daran gearbeitet und festgestellt, dass dies ziemlich kompliziert ist.
Der Schlüsselaspekt ist, dass Sie mit diesem Ansatz mit der Landung experimentieren können: Nachdem die zweite Stufe getrennt wurde, kann die erste Stufe versuchen, die Flugbahn und die Bewegungsgeschwindigkeit zu ändern, ohne den Verlauf der Hauptmission zu beeinflussen und ohne große Änderungen im Design der ersten Stufe. Im Gegensatz dazu müssen bei Lösungen mit geflügeltem Rücklauf nicht zurücksetzbare Flügel während des gesamten Flugs der ersten Stufe auf die Bühne gesetzt werden, was die Mission beeinträchtigen kann. Somit funktioniert die SpaceX-Methode, mit der Sie mit einmaligen Starts experimentieren und gleichzeitig ein Minimum an Raketenkomponenten hinzufügen können. Dies ist also die kostengünstigere und interessanteste Option.
Wiederverwendbar hat Vor- und Nachteile. Die Nachteile sind eine Verringerung der Nutzlast um bis zu -50% bei Verwendung eines Teils des Kraftstoffs zur Rückkehr zur Startrampe, eine erhöhte Gefahr bei der Rückkehr zur Startrampe in Guayana, die sich in der Nähe der Stadt Kourou befindet, und das Problem der Zugänglichkeit der Landebahn im Ozean. Um auf einem Lastkahn zu landen, müssen die Wetterbedingungen in einem Umkreis von 400 km geeignet sein. Bei schlechtem Wetter darf der Start nicht stattfinden.
Die Pluspunkte sind die Möglichkeit einer höheren Häufigkeit von Starts und eine größere Flexibilität bei der Planung von bezahlten Starts, da wir nicht lange auf den Start warten müssen. Darüber hinaus spart die Wiederverwendung Geld, wenn die Reparaturkosten niedrig sind. Dies ist ein Schlüsselfaktor für die gesamte Wiederverwendbarkeitsformel. Zum Beispiel gab es vor der Einführung des Falcon 9 Block V im Merlin-Motor Risse in der Turbopumpe, was bedeutete, dass diese ersetzt werden musste und der Start ohne größere Reparaturen auf zwei Anwendungen beschränkt werden sollte.
Das Problem der wiederverwendbaren Verwendung besteht darin, dass Sie Ihre Produktionslinien schließen, wenn Sie die ersten Schritte nicht mehr erstellen müssen. Wenn Sie jedoch irgendwann eine Bühne bauen müssen, müssen Sie sie erneut öffnen und die Produktion einrichten, was eine Menge Geld erfordert. Daher ist es wichtig, für die erste und zweite Stufe denselben Motor zu verwenden, damit die Produktion nicht stoppt.
Was könnte Europas wiederverwendbare Strategie sein? Erstens werden wir nicht nur wiederverwendbare Starts durchführen. Missionen zu geostationären Umlaufbahnen und Missionen zu anderen Weltraumkörpern wären verfügbar. Für eine Mission in der Erdumlaufbahn verwenden wir den Rückweg zum Startort. Dies würde es uns ermöglichen, die ersten Phasen neu zu starten und das Produktionsvolumen aufrechtzuerhalten, während die Kosten um 30% gesenkt werden. Eine solche teilweise, angemessene Wiederverwendung ist möglich. Dies erfordert jedoch viel Entwicklung, da wir viele komplexe physikalische Phänomene beherrschen müssen. Trotzdem ist es auch in der heutigen Realität interessant. Wenn der Markt expandiert, wird es sogar notwendig.
Eine der zu entwickelnden Technologien ist die Traktionsmodulation des Motors. Dies kann zu Problemen mit der Verbrennungsinstabilität führen, und wir haben dies nicht im Detail untersucht, da dies nicht erforderlich war. Daher ist Ariane 6 kurzfristig die einzige Lösung, um Kosten und Startkosten zu senken. Langfristig werden Wiederverwendbarkeit und andere Technologien wie der 3D-Druck diese weiter reduzieren. Der 3D-Druck kann die Herstellung von Brennkammern revolutionieren, was derzeit sehr lange dauert.
Wir wollen einen schrittweisen experimentellen Ansatz einführen. Wir müssen überprüfen, wie es funktioniert. Für Motoren verwenden wir derzeit Vulcain, einen Wasserstoffmotor, der auf einem alten Design basiert. Wir entwickeln den Methan-Sauerstoff-Motor Prometheus, mit dem die Kosten gesenkt werden sollen. Dies bedeutet nicht, dass wir die industrielle Wasserstoffbasis aufgeben werden, wie wir sehen werden. Der Vorteil von Methan ist, dass es sich in der Mitte zwischen Wasserstoff und Kerosin befindet. Es ist viel einfacher zu handhaben als Wasserstoff und hat einen besseren spezifischen Impuls als Kerosin, so dass der Motor billiger sein kann, eine Größenordnung billiger. Methan ist auch dichter als Wasserstoff, wodurch Tanks kleiner und billiger werden. Wir bauen bis 2021 zwei Prometheus-Prototypen für Brandversuche.
Prometheus kann in der neuen Architektur verwendet werden, die wir Ariane Next nennen. Dieser Booster hat 7 Motoren in der ersten Stufe und 1 in der zweiten Stufe und kann in verwendet werden
Einweg- oder wiederverwendbare Option, mit der Sie problemlos mit der Wiederverwendbarkeit experimentieren können. Ziel ist es, aus Tests zu lernen, die keine Stärke der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie sind.
Bevor wir Ariane Next implementieren, haben wir vorherige Schritte, einer davon ist Callisto. Für diesen wiederverwendbaren Demonstrator der ersten Stufe haben wir in Europa keinen wiederverwendbaren Motor, daher arbeiten wir mit den Japanern zusammen. Danach werden wir in größerem Maßstab weitermachen - dem Prototyp der ersten Stufe der neuen Generation von Themis mit Prometheus-Motoren. Das Konzept befindet sich noch in der Definitionsphase.
Letztendlich müssen wir uns zwischen der Entwicklung der Ariane 6 und der neuen Trägerrakete entscheiden, die zwischen 2028 und 2030 fertig sein wird.
Fragen und Antworten
Frage : Wo möchten Sie die erste Stufe reparieren?
Antwort : Für Kourou, weil sonst die Lieferung nach Europa das gesamte Unternehmen zu teuer macht. Und die Reparatur sollte minimal sein, damit das Konzept funktioniert.
Frage : Callisto ist dem vertikalen Landedemonstrator Grasshopper sehr ähnlich, dessen Technologie dann zur Landung der ersten Stufe des Falcon 9 verwendet wurde.
Antwort : Callisto - hat das gleiche Design wie die Grashüpfer von SpaceX. Die Chinesen bauen auch einen ähnlichen Prototyp, wir haben kein Problem damit zu sagen, dass wir nichts Neues erfunden haben.
Frage : Prometheus sieht in der Produktion billig aus. Warum nicht mehr Motoren auf die Trägerrakete setzen, um das Schub-Gewichts-Verhältnis weiter zu erhöhen?
Antwort : Unser Design basiert auf Marktanalysen. Obwohl ich nicht vorhersagen kann, wie die Situation im Jahr 2030 aussehen wird, sind 7 Prometheus-Motoren für den aktuellen Markt optimal.
Frage : Planen Sie zum Mars zu gehen?
Antwort : Wir fahren bereits zum Mars - das Instrument an Bord der NASA Insights Mars ist ein Seismometer, das vom französischen SEIS hergestellt wird.
Frage : Es scheint, dass wir 5-8 Jahre hinter den USA zurückliegen. Werden wir aufholen?
Antwort : Obwohl Elon Musk ein neues Kapitel in der Geschichte der Entwicklung von Trägerraketen geschrieben hat, ist sein Modell der vollständigen Wiederverwendung nicht das einzige. Ich gehe davon aus, dass der Startmarkt in Zukunft halb wiederverwendbar und halb verfügbar sein wird. Beispielsweise finanziert die US-Luftwaffe derzeit die Entwicklung von Einweg-Trägerraketen.
Frage : Was ist mit 3D-Druck?
Antwort : Ich habe den
Relativitätsraum im April besucht und dank 3D-Druck haben sie in 2 Jahren einen 10-Tonnen-Methanmotor entwickelt und bei der NASA Stennis getestet. Sie wollen die gesamte Rakete drucken. Obwohl ich nicht glaube, dass sie dies erreichen werden, denke ich, dass dies ein Durchbruch sein kann, der so bedeutend ist wie mehrere Starts. Bei Ariane 6 wird beispielsweise das Hilfsaggregat der zweiten Stufe in 3D gedruckt, andernfalls ist die Erstellung zu schwierig. Daher erwarte ich eine sehr deutliche Kostensenkung durch 3D-Druck.
Frage : Was sind die Wetterbeschränkungen für Landungskähne?
Antwort : Hohe Wellen führen dazu, dass der Lastkahn stark kippt und den eingestellten Schritt umdrehen kann. Aus diesem Grund hat SpaceX das Raketenerfassungssystem Octograbber entwickelt. Blue Origin hat ein anderes Konzept, sie werden ein Schiff mit einem hydrodynamischen Stabilisierungssystem verwenden.
Frage : Welche Auswirkungen werden Ihrer Meinung nach Megasatellitenkonstellationen wie Oneweb auf den Markt haben?
Antwort : Ich habe keine Kristallkugel. Ich sehe jedoch, dass alle Satellitenbetreiber, da sie eine Warteposition eingenommen haben und die Einführung dieser Gruppen beobachten, einige Bestellungen für neue Satelliten ausgesetzt haben und der kommerzielle Markt zurückgegangen ist. Jetzt sind es 17 Satelliten pro Jahr, während es zuvor durchschnittlich 30 waren. Sie müssen mit den Satelliten der geostationären Umlaufbahn und der terrestrischen Netze konkurrieren, so dass es möglich ist, dass sie wie in den 1990er Jahren ausfallen werden. Dann wird der Markt natürlich nicht zehnmal wachsen.
Frage : Was halten Sie von der Elastizität der Marktnachfrage?
Antwort : Bisher war die Elastizität gering. Die Kosten für die Einführung eines GTO gingen von 20.000 € / kg auf 10.000 € / kg zurück, was keinen großen Einfluss auf die Nachfrage hatte. Wenn wir 5.000 € / kg erreichen, bin ich mir nicht sicher, ob dies große Auswirkungen haben wird. Das Problem ist, dass die Kosten für den Zugang zum Weltraum immer noch hoch sind. Daher stützen wir unsere Modelle nicht auf Marktelastizität.
Frage : Wie garantieren Sie der Bevölkerung die Rückgabe der ersten Stufe sicher?
Antwort : Es ist schwer zu sagen. Wir werden Callisto verwenden, um zu zeigen, dass wir sichere Flugbahnen bereitstellen können.
Frage : Wie wäre es mit der Wiederverwendung der zweiten Stufe?
Antwort : Wir glauben, dass die Auswirkung der Ausgangslast auf die Masse unerschwinglich ist, deshalb arbeiten wir nicht sehr hart daran.
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