20 september 2018

Ariane 6 update 2018

Op de Ministersconferentie te Luxemburg in 2014 was de keuze tussen het  ontwikkelen van de nieuwe  Ariane 6 of een ge-update Ariane 5-ME een van de hoofdthema’s. Na enkele jaren delibereren is dit rond de naar schatting tussen de 4 en 5  miljard Euro kostende project inmiddels alweer enige tijd van de grond. Een historie en update.

 

Ariane 6-4 artist impression credits; SpaceFlight Insider

Om de draad van de ontwikkeling van de Ariane 6 te volgen ga ik toch even terug in de tijd naar het begin van de kluwen. In een artikel uit Ruimtevaart 2014/4 getiteld ‘Lanceren of niet lanceren?’,  dat handelde over de op handen zijnde Ministersconferentie te Luxemburg later dat jaar op 2 december, was de keuze tussen het verder ontwikkelen van de Ariane 6 of de ge-update Ariane 5-ME een van de hoofdthema’s. Gewoonlijk komen de Ministers van de ESA-lidstaten eens in de 3 á 4 jaar bij elkaar om fundamentele besluiten te nemen over de toekomstplannen en begroting van ESA. De MC die in 2012 in Napels gehouden was had enkele open eindjes. Dat was mede de reden dat er zo snel al in 2014 weer een MC op de planning stond. In 2012 werd er in de MC op het gebied van lanceerders een last-minute compromis bereikt. De keus tussen een nieuwe Ariane 6 of de bestaande maar ge-update Ariane-5ME (Midlife Evolution) werd uitgesteld tot later, i.d.g. eind 2014.  Naast dit gegeven moesten er ook nog een aantal andere belangrijke beslissingen genomen worden waaronder financiële zaken over de ISS exploitatie tot en met 2020 dat met een tekort kampte en het terugtrekken uit ExoMars van de Amerikanen dat ook een financiële aderlating zou betekenen.  Op 2 december 2014, een 1-dags vergadering zouden er dus een aantal belangrijke knopen moeten worden doorgehakt. Voor de opvolging van de technisch succesvolle Ariane-5 draaide alles om de goedkope(re) concurrentie uit China en SpaceX. De discussie over de lanceerder werd gedomineerd door de tegenstelling tussen Frankrijk die de ‘6’ wilde en Duitsland de voorkeur gaf aan de ge-update ‘5ME’. In Napels sloten de twee landen een ‘agreement to disagree’ dit wilde  zeggen  dat de twee landen besloten voorlopig beide te blijven ontwikkelen en de keus zelf uit te stellen.

Het probleem tussen beide landen was terug te voeren op de eerste trap van de raket. De Fransen wilden een eerste trap met vaste brandstof en de Duitsers een met vloeibare brandstof. Hoewel als draagraket succesvol is de exploitatie van de ‘5’ niet kostendekkend. Dit hield in dat de  lidstaten de laatste jaren het exploitatieverlies van Arianespace mogen afdekken. De aandeelhouders van Arianespace zijn o.m. tevens de leveranciers en bouwers van diezelfde Ariane-5. een systeem dat niet leidt tot efficiëntie. Maar qua ‘governance’, beheer en exploitatie van het gehele systeem en ook qua configuratie van de raket zijn er sinds 2012 grote stappen voorwaarts gezet.  Heel 2013 is bijvoorbeeld besteed aan hoe de Ariane 6 er nu precies uit moest gaan zien. Hier rolde het ‘PHH’ concept uit. (Ariane 6 has a ‘PHH’ configuration, indicating the sequence of stages: a first stage using strap-on boosters based on solid propulsion (P) and a second and third stage using cryogenic liquid oxygen and hydrogen propulsion (H). Drie vaste stuwstofraketten vormden de eerste trap, een identieke ‘Solid Rocket Booster’ de tweede en uiteindelijk de ‘Vinci’ op vloeibare waterstof als derde trap. Vervolgens werd Astrium als hoofdaannemer geselecteerd (nu Airbus Defense & Space). Ook werden verdere competities voor subsystemen uitgeschreven waarbij o.a. aan OHB de productie voor de structuren werd toegewezen. ESA presenteerde tijdens dit proces een uitgedokterd 10-jarenplan 2014-2034 (Ariane, Vega, FLPP, het Future laucnch preporatory programme) maar daaruit bleek ook dat de aanbieding van de industrie en het beheer/exploitatie nog slecht op elkaar aansloten. Bovendien kwam er vanuit de Joint Venture (Airbus/SAFRAN)  een alternatief voorstel  waarbij de eerste trap met vloeibare raketmotor en een upperstage van de Ariane-5ME werd voorgesteld, een compromis voorstel dus.

Beide voorstellen werden in de ESA raad van juni 2014 afgewezen. Het PHH concept mede omdat  de bovengrens van de exploitatie van deze raket ruim overschreden werd en het Airbus/SAFRAN JV voorstel niet omdat het ontwerp  technologisch als ‘not mature’ werd gezien. Daarop volgde een oproep van ESA aan de industrie om eind september met een voorstel te komen dat voldeed aan de investeringsgrenzen van de lidstaten en zodanig gunstig dat voor w.b. de exploitatie  geen steun van lidstaten meer nodig is. Informeel overleg volgde met name met de acht meest betrokken ESA lidstaten om tot een goed onderbouwd voorstel te komen om de verschillen te overbruggen. Doel; een competitieve Europese productie van draagraketten te realiseren die de concurrentie van de VS e.a. aan zou kunnen. Op  23 september 2014 kwamen deze acht bijeen, waaronder ook Nederland, en gaf de toenmalig CEO van de Airbus groep Tom Enders een presentatie hoe dit doel te gaan realiseren. Vervolgens was het de DG van ESA, Jacques Dordain, die uitsprak dat dit aangepaste voorstel van Airbus wel geschikt was, en zo werd het de Ariane-6 PHH. Het voorstel kent een tweetal versies. een lichte versie met twee boosters, met name voor de institutionele (wetenschappelijke) markt, de Ariane 6-2. De zware versie met vier boosters, de ‘6-4’ met name voor de commerciële markt.

In een artikel van Ruimtevaart 2015/1, gepubliceerd na de Ministersconferentie, werd aangekondigd dat de kogel door de kerk was.  ‘Gelanceerd; Ariane 6’  luidde de titel. Een team van ESA, NSO en EZ gedelegeerden  doen verslag in dit artikel. Er werden knopen doorgehakt maar de draden van de Ariane 6 werd direct weer stevig bijeengevlochten . Er werden drie resoluties door de betreffende ministers unaniem aangenomen. De lanceerders vielen onder de eerste hiertoe. De resolutie ‘Resolution on Europe’s Access to Space ESA/C-M/CCXLVII/res.1(final). Na de laatste van de vier informele bijeenkomsten op 13 november in 2014 in het EAC, het Europees Astronauten Centrum, te Keulen, waar geholpen door de Bundestag, die de dag ervoor het besluit had genomen dat de investering in de toekomst toch bij de Ariane-6 lag, al snel duidelijk werd dat de drie meest betrokken landen  (ook Italië) elkaar gevonden hadden in het ontwerp van de Ariane 6 met een vernieuwd ontwerp van de kleinere Vega raket.(voor wat betreft de twee andere resolutie’s  m.b.t. het ISS, exploratie en wetenschapsmissies zie artikel Ruimtevaart 2015/1)

Er werden ook inschrijvingen gedaan door de lidstaten en voor wat betreft  Nederlandse inbreng voor de nieuwe Ariane betekende dit; 1. Programme for Ariane en Vega development. NL heeft op Ariane 6  56  MEuro (1,85%) ingeschreven voor de Main Engine thrust Frame (ETF) en het ETF voor de bovenste trap. De totale investering in dit programma door de ESA lidstaten beloopt een kleine 4 tot 5 miljard Euro tot in 2025. 2. Launcher Exploitation Accompaniment Programme (LEAP). Dit programma is ter dekking van de investeringen en beheer van de ESA middelen in het lanceerdersprogramma. Daarnaast is hier een bijdrage aan Arianespace voorzien ter dekking van de lopende kosten voor de Ariane-5 ECA. Dit is een zogenaamd solidariteitsprogrammma waarin alle lidstaten moeten participeren die ook deelnemen in de ontwikkeling en productie van de ESA draagraketten. NL doet voor de periode 2015-2017 mee voor een bedrag van 4 MEuro, waarvan 1 MEuro afkomstig uit de inschrijving uit 2012 in Napels. 3. Voor het Future Launchers Preparatory Programma (FLPP-3, tot 2019) had NL in Napels al fors ingeschreven onder de premisse dat in 2014 dit budget anders mocht worden verdeeld. Dat is ook gebeurd; 3,8 MEuro is doorgeschoven naar Ariane 6 zodat NL in FLPP-3 4,2 MEuro overhoudt voor projecten in dit programma.

Vóór 2014 was ESA reeds intensief bezig met projecten in het kader van het FLPP Dit programma begon in 2003 en omvatte een gedetailleerd onderzoek van systeemstudies om nieuwe technologieën te leveren voor het verbeteren van de prestaties en betrouwbaarheid. Verschillende categorieën, waaronder lichtgewicht materialen,  commerciële producten met een lager prijskaartje dan op maat gemaakte artikelen, elektrische draagraketten en betere lanceerfaciliteiten. Een belangrijke doelstelling was ook om de ontwikkeltijd te verkorten. en uiteraard om de uitdagingen om niet-Europese draagraketten te beoordelen en vorm te geven aan een draagraketstrategie om de Europese industrie te behouden als een speler van wereldklasse.  Het FLPP is niet verplicht, slechts 15 van de 22 ESA-lidstaten zijn erbij betrokken, maar degenen die deelnemen, hebben de afgelopen 14/15  jaar stevig aan deze doelstellingen gewerkt. Het begon als periode 1, tijdens welke verschillende concurrerende lanceerconcepten werden aangeboden aan ESA, waaronder het onbemande Skylon air-breathing herbruikbare voertuig van het VK. Periode 2 begon in 2006 en werd gefaseerd in twee afzonderlijke stappen, de eerste tot en met 2009, waarin technologische en engineeringstudies werden uitgevoerd op kandidaatconcepten. Tijdens de tweede stap werden gronddemonstraties gefinancierd en begon zich een focus te vormen rond de expander-cycle motor demonstratie  en cryogene upperstage technologieën die zouden resulteren in de Vinci-motor voor Ariane 6. (Vinci is een expander cycle rocket-motor gevoed met vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof. De grootste verbetering t.o.v. zijn voorganger is het vermogen om tot vijf keer opnieuw op te starten. De expander-cycle is een vermogenscyclus van een bipropellante raketmotor. In deze cyclus wordt de brandstof gebruikt om de verbrandingskamer van de motor te koelen, warmte op te nemen en de fase te veranderen. De verwarmde, nu gasvormige brandstof drijft vervolgens de turbine aan die de brandstof- en oxidatiepompen van de motor aandrijft voordat deze in de verbrandingskamer wordt geïnjecteerd en verbrand.)

En verder

Op 12 augustus 2015 tekende ESA de contracten met de industrie die de vierde generatie Ariane  lanceerders moesten gaan bouwen met een geplande eerste vlucht in 2020. Na enkele jaren delibereren is dit rond de 3.9 miljard Euro kostende project en tegen de tijd dat ze operationeel zijn is de schatting dat de kosten opgelopen zullen zijn tot rond de  5 miljard Euro van de grond. Frankrijk betaalt 52 % van de ontwikkelkosten. Ariane 6 zal het met name moeten gaan opnemen tegen SpaceX Falcon 9, geprezen vanwege zijn flexibele timeslots en lage prijzen. De Ariane 6 zal rond de 90 miljoen Euro kosten iets meer dan de Falcon 9. Als Europa’s eerste expander-cycle raketmotor, was het een voortstuwingseenheid van wereldklasse. (Zelfs NASA toonde interesse voor de SLS). De Vinci-motor zou de upperstage vormen van de Ariane 6.

Zoals hierboven al gezegd werd in 2013 het voorstel voor drie solid  P145 boosters voor de eerste trap, een enkele P145 voor trap 2, en trap 3 uitgerust met de cryogene Vinci motor. Deze Ariane-6 PHH configuratie was in staat om een payload van 6500 kg naar GTO te brengen. Om all-electric payloads aan te trekken koos ESA voor de herstartbare Vinci-motor, om deze payloads zo dicht mogelijk bij de gewenste baan te krijgen, dit zou maanden tijdsbesparing opleveren t.o.v. de Falcon 9 of Lange Mars 3B leveringstermijnen  wat op zijn beurt een veel lagere introductieprijs van de concurrent meer dan zou goedmaken. De industrie zocht een ander pad; twee operationele configuraties aangeduid als 6.1 en 6.2 die 8500 kg in GTO kunnen brengen met een industriële buy-out van het belang van CNES in Arianespace. Beide varianten zouden gebruik maken van een cryogene eerste trap met de Vulcain 2-motor en twee P145 solid  boosters, met een Vinci upperstage voor de ‘6.1’ en een goedkopere cryogene Aestusmotor van het Ariane 5-programma op de 6.2-variant. Ariane 6.1 kon twee all-electric satellieten dragen en de 6.2 zou worden gereserveerd voor wetenschappelijke ladingen. Het Airbus/SAFRAN of JV-voorstel van september 2014 had een andere aanpak. Om de kosten omlaag te brengen naar een streefcijfer van 65 MEuro per vlucht – de helft van die van Ariane 5 – zouden er twee varianten zijn die elk een cryogene trap  een enkele Vulcain 2 en een Vinci upperstage; de Ariane 62, met  twee P120 solid boosters die 5000 kg kan dragen en de ’64’ met vier boosters die 11.000 kg kan vervoeren naar GTO. Het was een technische verfijning van de 6.1 / 6.2 ontwerpen.

Deze Ariane 6 met  dual-payload capaciteit  en schaalbaarheid was geheel in lijn met de vereisten van de potentiële klanten. Verdere verfijningen werden in november 2015 aangekondigd, waaronder een toename van de diameter van de eerste trap tot 5,4 m, een algemene hoogtevermindering tot 60 meter en aangepaste neuskegels op de boosters. Het programma werd in januari 2016 afgerond er werd begonnen met het vrijgeven van productiecontracten. De ontwikkelingskosten zouden alras stijgen, grotendeels als gevolg van een nieuwe speciale lanceringsfaciliteit die zou worden gebouwd in Kourou, Frans Guyana.

Innovatie, 12 jaarlijkse lanceringen en Adeline

Een belangrijke verandering ten opzichte van het oorspronkelijk concept was de manier waarop het voertuig bij de lanceerplaats zou worden geassembleerd en behandeld. Verticale integratie van Ariane 5 wordt vervangen door horizontale integratie, een verandering ingegeven door Russische procedures die vrijwel altijd dat proces hebben gebruikt. Innovatieve technologieën zoals 3D-printen van motoronderdelen, gesynchroniseerde productie zal de productietijd verkorten, de kosten aanzienlijk verlagen en Arianespace tot 12 lanceringen per jaar bieden, een verdubbeling t.o.v. de Ariane 5. Een van deze innovatieve technologieën is ook het eerste gebruik van een laserontstekingssysteem voor de cryogene hoofdmotor, waardoor de efficiëntie wordt verhoogd. ESA heeft herbruikbaarheid geschuwd ten gunste van lagere productiekosten, gemeenschappelijkheid en betere technologie om de prijs die de klant betaalt, te verlagen. Sommige studies zijn uitgevoerd door Frankrijk en Duitsland over de mogelijkheid om de eerste fase (á la SpaceX_ onder een project bekend als Baikal te hergebruiken.) Airbus kondigde in juni 2015 zijn Adeline-systeem (Advanced Expendable Launch with INnovative engine Economy) aan voor voortstuwing. Adeline is een herbruikbaar motorsysteem in de eerste trap dat zou worden afgescheiden van de bovenste tank, naar de aarde worden getransporteerd en opnieuw  worden gebruikt. In plaats van de eerste trap van Ariane 6 te vervangen voor een geheel nieuwe  zou Adeline een terugkeer op het land mogelijk maken door af te dalen m.b.v. korte vleugels en het inzetten van kleine door lucht aangedreven propellers met dezelfde technologie als die van UAV’s. Ariane 6 ligt op schema om in 2020 te vliegen en Adeline kan gefaseerd worden ingebracht in de tweede helft van het volgend decennium. Het concept vereist slechts 2000 kg brandstof  om af te dalen dit t.v. met de 35.000 kg die  benodigd is voor elke herbruikbare eerste trap van de Falcon 9 die terugkeert.

Toepassing en integratie van de Vinci-engine is een klassiek voorbeeld van hoe de FLPP projecten werkten ten voordele van bestaande lanceertechnologieën. Als de eerste Europese expander-cycle-motor kreeg SNECMA (nu SAFRIN) in 2006 reeds een Vinci ontwikkelcontract  de DLR in 2007 startte met een testprogramma een half jaar. De eerste succesvolle testrun vond plaats in mei 2010 en de geassocieerde Europese industrieën verloren weinig tijd in het promoten van de motor. De motor produceerde dezelfde lsp als de Aerojet Rocketdyne RL-10 motor, maar bezat 64 procent meer stuwkracht, NASA had er in 2014  belang bij om vier RL-10-motoren in de bovenste trap van de Block 1B SLS te vervangen door twee Vinci-motoren. Echter een lobby wilde het SLS systeem ‘made in the USA’ houden dus dit ging niet door. In de derde fase van het FLPP die loopt tot 2019 legt  de nadruk op het rap inspelen op  economische kansen,  om Ariane 6 kwalificaties z.s.m. te verstrekken aan toekomstige potentiële klanten. FLPP projecten ontwikkelden zich dan ook meer  in de richting van ‘approved rockettechnology’ dan het ontwerpen van extreme concepten. De nadruk ligt voorlopig voor wat betreft de  lanceerders op het maken van een grote concurrentie slag met het oog op de de ong. 4500 satellieten die in het volgende decennium zouden kunnen worden gelanceerd als alle plannen voor wereldwijde telecommunicatie- en breedbanddiensten met middellange afstand worden gerealiseerd. Voor ESA en Arianespace is er geen andere keus dan de concurrentie aan te gaan met SpaceX, de Chinese LM draagraketten dan verder te gaan met  belangrijke operationele innovaties (first-stage herbruikbaarheid), nog efficiëntere voorstuwsystemen en lagere lanceringsprijzen.Bronnen; Spaceflight, Ruimtevaart, ESA Ariane 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.