01 Ariane 6

Jeder Booster – ESR, Equipped Solid Rocket – ist 22 Meter lang und hat einen Durchmesser von 3,4 Metern. Er ist mit einem P120C-Triebwerk ausgestattet, das mit 142 Tonnen Festtreibstoff gefüllt ist und für einen durchschnittlichen Schub von 357 Tonnen (3.500 kN) sorgt. An der unteren Seite des Boosters befindet sich eine zylindrische Heckschürze. Sie ist an die Paletten des Starttisches angepasst, sodass der Booster darauf aufliegt. Über eine konische Schürze an seiner Vorderseite ist der Booster mit der Zwischenstufenstruktur des Zentralkörpers der Ariane 6 verbunden. Diese Verbindung trägt das Gewicht des Zentralkörpers und überträgt den Schub des Boosters.

Beide Booster werden einige Sekunden nach dem Vulcain® 2.1-Triebwerk des Zentralkörpers gezündet, wodurch die Trägerrakete abhebt. Die Booster liefern den größten Teil des Schubs der Trägerrakete beim Start und laufen 130 Sekunden lang, bevor sie nach dem Ausbrennen des Festtreibstoffs in einer Höhe von 60 Kilometern abgeworfen werden. 

Das Kernstück der Booster ist das Feststofftriebwerk P120C (13,5 Meter hoch, Durchmesser 3,4 m), das ebenfalls die erste Stufe der Trägerrakete Vega-C antreibt. Der P120C-Booster, der unter der technischen Projektleitung von Europropulsion (ein 50-50-Joint-Venture zwischen ArianeGroup und Avio) gebaut wurde, besteht aus zwei zentralen Unterbaugruppen: einem mit Kohlefaser gewickelten Strukturkörper (hergestellt von Avio) und einer Düse (hergestellt von ArianeGroup). Letztere ermöglicht es, die extrem heißen, vom Triebwerk erzeugten Verbrennungsgase mit sehr hoher Geschwindigkeit auszustoßen. Sie besteht aus verschiedenen Verbundwerkstoffen, darunter gewebter thermostruktureller Kohlenstoff für den Düsenhals, der 3.000 °C heißen Gasen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit standhalten muss.

Die Betankung des P120C-Boosters mit 142 Tonnen Festtreibstoff wird im europäischen Weltraumbahnhof in Kourou von Regulus, einem Joint Venture von Avio und ArianeGroup, durchgeführt.

Weiterentwicklung :

Europropulsion entwickelt im Rahmen eines Vertrags mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA das Triebwerk P160C, eine leistungsfähigere Version des Feststoff-Triebwerks P120C.  Das P160C ist um einen Meter länger und seine Treibstoffladung auf 156 Tonnen erhöht, sodass sich die Betriebszeit des Boosters auf 135 Sekunden verlängert. Dadurch erweitert sich das Missionsspektrum der Ariane 6, indem die Leistung der Trägerrakete in erdnahen Umlaufbahnen um mehr als zwei Tonnen Nutzlast gesteigert wird und signifikante Leistungszuwächse für geostationäre, wissenschaftliche und Erkundungsmissionen erzielt werden.

Durch diese Modifikation werden die Außenmaße des Boosters und Schnittstellen zum Zentralkörper nicht verändert. Somit kann die Ariane 6 gleichermaßen P120C- und P160C-Booster verwenden.

Die Hauptstufe, LLPM – Lower Liquid Propulsion Module, ist 32 Meter lang und hat einen Durchmesser von 5,4 Metern. Ihre Endmontage erfolgt am ArianeGroup-Standort Les Mureaux, Frankreich. Sie wird vom kryotechnischen Vulcain® 2.1-Triebwerk mit einem Schub von etwa 140 Tonnen (1.370 kN) angetrieben.

Die Stufe besteht aus zwei strukturellen Treibstofftanks aus Aluminiumlegierung, die über eine Metallstruktur miteinander verbunden sind. Der obere Tank enthält 25 Tonnen flüssigen Wasserstoff (LH2) bei einer Temperatur von -253°C, und der untere Tank 125 Tonnen flüssigen Sauerstoff (LOx) bei -183°C. Auf beiden Seiten der Stufe befinden sich Betankungsmodule (MANG), um die Tanks über die bodenseitigen Versorgungsleitungen mit Treibstoff zu befüllen. Diese Module werden unmittelbar vor dem Start abgetrennt. Die Stufe ist mit einem aufgespritzten Hitzeschutz verkleidet, der die flüssigen kryogenen Treibstoffe in den Tanks auf sehr niedriger Temperatur hält und gleichzeitig als Wärmedämmung dient – die Umgebungstemperatur in Französisch-Guayana liegt häufig über 30 °C.

Während eines Ariane 6-Starts wird das Vulcain® 2.1-Triebwerk am Boden gezündet und treibt die Hauptstufe etwa 470 Sekunden lang bis zu einer Höhe von 270 Kilometern an, wo die Haupt- von der Oberstufe getrennt wird. Über ein Zylindersystem kann auf den Schub des Vulcain® 2.1-Triebwerks eingewirkt werden, um die Trägerrakete nach Abwurf der Booster, zu steuern.

Die Zwischenstufenstruktur verbindet die Haupt- und Oberstufe der Trägerrakete zum Zentralkörper. Sie besteht aus zwei identischen Teilen aus Kohlefaserverbundwerkstoff, einem oberen Teil (IFS-U – InterFace Structure – Upper) und einem unteren Teil (IFS-L – InterFace Structure – Lower), die durch Metallflansche miteinander verbunden sind. An der Spitze der Zwischenstufenstruktur ist ein pyrotechnischer Ring befestigt, der beim Abwurf der Hauptstufe die Trennung zwischen den beiden Stufen sichert. Der untere Teil enthält zudem Avioniksysteme der Trägerrakete.

Die Oberstufe, ULPM – Upper Liquid Propulsion Module, ist 12 Meter lang und hat einen Durchmesser von 5,4 Metern. Ihre Endmontage erfolgt am ArianeGroup-Standort in Bremen, Deutschland. Sie ist mit dem kryotechnischen, im Flug wiederzündbaren Vinci®-Triebwerk mit 18 Tonnen Schub (180 kN) und dem Hilfstriebwerk APU (Auxiliary Propulsion Unit) ausgestattet. 

Die APU ist ein innovatives System, das maßgeblich zur Leistung und Vielseitigkeit der Ariane 6 beiträgt. Es dient dazu, die Tanks der Oberstufe mit Druck zu beaufschlagen und die Wiederzündungen des Vinci®-Triebwerks vorzubereiten, indem die Treibstoffe in den Tanks bei Schwerelosigkeit verdichtet werden. Die APU kann auch für zusätzlichen Schub in der Umlaufbahn sorgen. Zudem kann sie eingesetzt werden, um die Oberstufe am Ende der Mission aus dem Orbit zu bringen. 

Die Stufe besteht aus zwei Tanks aus Aluminiumlegierung, die über eine Metallstruktur miteinander verbunden sind. Diese enthält auch einen Teil der Avioniksysteme der Trägerrakete. Der strukturierte obere Tank enthält 25 Tonnen Flüssigsauerstoff (LOx) bei einer Temperatur von -183°C. Im hängend befestigten unteren Tank lagern 5 Tonnen flüssiger Wasserstoff bei einer Temperatur von -253 °C. Auf beiden Seiten der Stufe befinden sich Betankungsmodule (MANG), um die Tanks über die Leitungen an den Kryo-Armen des Startturms mit Treibstoff zu befüllen. Diese Schnittstellen werden vor dem Start nach dem Einziehen der Arme abgetrennt. Die Stufe ist mit einem aufgespritzten Hitzeschutz verkleidet, der die flüssigen kryogenen Treibstoffe in den Tanks auf sehr niedriger Temperatur hält und gleichzeitig als Wärmedämmung dient – die Umgebungstemperatur in Französisch-Guayana liegt häufig über 30 °C. 

Die Oberstufe sorgt für die zusätzliche Geschwindigkeit, die für die Freisetzung der Satelliten-Nutzlasten erforderlich ist. Ihr Betrieb beginnt nach der Trennung von der Hauptstufe in einer Höhe von 270 Kilometern. Das Vinci® -Triebwerk wird im Vakuum gezündet und kann bis zu einer Gesamtdauer von 900 Sekunden betrieben werden. Je nach Missionsprofil kann das Vinci®-Triebwerk während des Fluges bis zu viermal neu gezündet werden und läuft parallel zur APU. 

Nach dem Flug wird die Stufe je nach Anforderungen der Mission entweder in einer abgelegenen Umlaufbahn platziert oder durch eine letzte Zündung des Vinci®-Triebwerks bzw. den Schub der APU aus dem Orbit gebracht, um dann in die Erdatmosphäre zurückzukehren und zu verglühen.

Weiterentwicklung :

ArianeGroup entwickelt im Rahmen eines Vertrags mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA eine Version des Vinci®-Triebwerks mit einem auf 200 kN erhöhten Schub, um die Leistung der Trägerrakete zu steigern. 

Darüber hinaus hat die ESA im Rahmen des Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) ArianeGroup mit der Leitung des Demonstrationsprogramms Phoebus beauftragt. Dabei geht es um die Entwicklung und Herstellung von Strukturen und Tanks aus Kohlefaserverbundwerkstoffen, die mit kryogenen Treibstoffen kompatibel sind. Damit soll die Masse der Raketenoberstufen deutlich reduziert werden, um in Zukunft eine leichtere Version der Ariane 6 herstellen zu können.

Das Upper Composite ist eine Baugruppe mit einem Durchmesser von 5,4 Metern. Es enthält die Nutzlasten, die in die Umlaufbahn gebracht werden sollen. Es besteht aus den beiden Halbschalen der Nutzlastverkleidung, dem Launch Vehicle Adapter, der die Verbindung zwischen Zentralkörper und Upper Composite herstellt und an dem die beiden Fairinghälften befestigt sind, sowie der Nutzlast und ihren verschiedenen Tragstrukturen.

Die Ariane 6 verfügt je nach Mission über zwei Nutzlastverkleidungen: eine Kurzversion (14 Meter, Ariane 62) und eine Langversion (20 Meter, Ariane 64). Je nach Nutzlast kann die Fairing verschiedene Vorrichtungen aufnehmen. Die Doppel-Startstruktur DLS (Dual Launch System) aus Verbundmaterial ermöglicht den Start mit zwei Satelliten gleichzeitig. Sie umgibt und schützt einen ersten Satelliten im unteren und einen zweiten im oberen Segment. Sie ist in verschiedenen Größen erhältlich, je nach Format der zu transportierenden Satelliten. Bei Mehrfachstarts können Tragstrukturen aus Verbundwerkstoffen mehrere Satelliten transportieren und dann in der Umlaufbahn aussetzen. Dabei kann es sich um Konstellationen mit zwei, vier (wie bei den Galileo-Navigationssatelliten) bzw. bis zu mehreren Dutzend Satelliten (bei Großkonstellationen) handeln. 

Schließlich bietet das MLS (Multi-Launch System) eine gemeinsame Transportkapazität (den sog. „Ride-Share“), um Gruppen von Klein- und Mikrosatelliten zusätzlich zu den Hauptnutzlasten zu starten.