Quelle: OHB SE Bremen 3. November 2022.

Bremen, 3. November 2022. Die MT Aerospace AG hat mit der ArianeGroup GmbH einen Vertrag mit einem Volumen von 35 Millionen Euro zur Weiterentwicklung von Demonstratoren für CFK-Oberstufen von europäischen Trägerraketen abgeschlossen. ArianeGroup mit MT Aerospace erhielten den Zuschlag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), um die Entwicklung des Projekts PHOEBUS (Prototype for a Highly OptimizEd Black Upper Stage) fortzusetzen. Mithilfe des Technologie-Demonstrators PHOEBUS soll eine Oberstufe* aus leichten Verbundwerkstoffen auf Basis von Kohlefasern für die neuen europäischen Trägerraketen entwickelt werden. In der Technologieentwicklung PHOEBUS setzt MT Aerospace auf vollständige CFK-Lösungen: Die Verwendung des smarten Werkstoffes Kohlefaser ermöglicht weitgehend auf metallische Komponenten der Oberstufentanks und -strukturen zu verzichten. Das spart Masse, erhöht die Nutzlastkapazität der Trägerraketen, reduziert den Ressourceneinsatz und verbessert damit entscheidend die Wettbewerbsfähigkeit zukünftiger Trägerraketen. MT Aerospace und ArianeGroup werden PHOEBUS in zwei Phasen bis Mitte 2023 und in 2025 testen und validieren. Mit dem aktuellen Vertrag wird die langjährige und erfolgreiche Zusammenarbeit von MT Aerospace mit ArianeGroup fortgeführt. Er folgt auf Verträge, die 2019 und 2021 abgeschlossen wurden.

Die ‚schwarzen Oberstufe‘ für die nächste Generation europäischer Trägerraketen wird aus ultraleichten Verbundwerkstoffen bestehen. Die Kohlefaser-Technologie ist wegweisend für künftige Raumtransportkonzepte. „MT Aerospace erreicht damit Technologieführerschaft in Europa und wird daraus neue Produkte entwickeln. Dies eröffnet neue und globale Wachstumschancen für den Standort Augsburg und ist ein wichtiger Meilenstein für unsere Unternehmensentwicklung“, erläutert Ulrich Scheib, Vorstand Programme bei MT Aerospace.

Masse einsparen, Nutzlastkapazität erhöhen und Raumfahrt nachhaltiger machen
Mit der Verwendung von Kohlefasern wird das Gewicht der Oberstufe nachhaltig reduziert werden. PHOEBUS* ist ein Schlüsselelement für die Entwicklung von ICARUS (Innovative Carbon ARiane Upper Stage). PHOEBUS besteht aus Verbundwerkstoffen auf Basis von Kohlefasern, nicht wie bisher aus Metall, was Gewicht einspart und sich positiv auf die Kosten jedes Raketenstarts auswirkt. Dies ermöglicht es, mehr Nutzlastkapazität (z.B. Satelliten) in den Weltraum zu transportieren: Jede mit einer schwarzen (so genannt wegen des dunklen Werkstoffs CFK) Oberstufe ICARUS ausgerüstete Rakete wird zusätzlich bis zu zwei Tonnen Nutzlast an Bord nehmen können. Dies trägt zu einer nachhaltigeren Nutzung der Ressourcen bei.

„Die Entwicklung der neuen Oberstufe wird auch Wegbereiter sein für Zukunftstechnologien im Bereich kryogene Anwendungen und für Einsatzmöglichkeiten von Flüssigwasserstoff in der Luftfahrt und in anderen Sektoren“, erklärt Hans Steininger, der Vorstandsvorsitzende der MT Aerospace AG. „Unsere erfolgreiche Zusammenarbeit mit ArianeGroup beweist immer wieder, dass wir wettbewerbsfähig sind und europäische Trägerraketen zu nachhaltigen Weltraum-Champions machen können. Es erfüllt uns mit Stolz, dass wir als größter Systempartner für das Ariane-Programm federführend Konzepte für zukunftsfähige Raumfahrtanwendungen entwickeln und dazu beitragen die Nachhaltigkeit der Raumfahrt zu sichern.“

Potential des smarten Werkstoffs CFK ausschöpfen
Über fünf Jahrzehnte hinweg konnte die MT Aerospace AG dank verschiedener Entwicklungsaufträge von europäischen Trägerraketen und der beauftragten Serienproduktion ein wertvoller Erfahrungsschatz aufgebaut werden. CFK eröffnet auch im Fertigungsprozess neue Möglichkeiten: Die Verwendung von CFK lässt beispielsweise ein integriertes Design zu, das heißt, es gibt weniger einzelne Komponenten als bei einem metallischen Pendant, dessen einzelne Komponenten sich nicht in einem Fertigungsprozess herstellen lassen, sondern im Nachgang miteinander verschweißt oder montiert werden müssen. Dies wirkt sich weiter positiv auf die Produktkosten aus.

Damit Leichtbau auch leicht geht: Der Automated-Fibre-Placement-Prozess als Kerntechnologie
Die MT Aerospace AG zählt zu den führenden Unternehmen im Leichtbau aus Metallen und Verbundwerkstoffen und ist seit Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrt tätig. Hier kommt es oft auf jedes Gramm an, außerdem auf höchste Präzision und Verlässlichkeit, auf Reproduzierbarkeit und die Einhaltung internationaler Standards. Der Übergang von metallischen auf Verbundwerkstoffe stellt einen Paradigmenwechsel bei Oberstufendesign und -produktion dar. Mit der neuen AFP-Anlage (Automated Fibre Placement) legt MT Aerospace einen wichtigen Industrialisierungsbaustein für die optimierte Oberstufe von Trägersystemen. Der AFP-Prozess stellt dabei die Kerntechnologie für die zukünftigen Composite-Produkte dar, die für die schwarze Oberstufe in Form von Tanks und Strukturen benötigt werden.

PHOEBUS-Projekt profitiert von Expertise im Bereich Tanksysteme für die Raumfahrt
MT Aerospace hat eng mit ArianeGroup zusammengearbeitet, um Technologien zur Planung und zum Bau von Kryo-Tanks und der dazugehörigen Kohlefaser-Konstruktionen zu entwickeln. Das Unternehmen verfügt über das Know-How, Konstruktionen aus Kohlefasern und Tanks mit einem Durchmesser von bis zu 3,5 Metern herzustellen. „Nachdem wir die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit unserer kryogenen Treibstofftanks aus CFK auf der kleinsten Skalierungsebene nachweisen konnten, treten wir jetzt in eine neue Phase ein und weisen die Performance in zwei Schritten bis auf Full-Scale Ebene nach. Damit legen wir den Grundstein für eine nachfolgende Produktentwicklung der ‚schwarzen Oberstufe‘“, fasst Thomas Schnaufer, Head of Launcher Composites & Composite Technologies, die Vorteile zusammen.

Quality first – entwickeln, testen und evaluieren
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird in seinem Testzentrum in Lampoldshausen in Deutschland die Leistung des PHOEBUS-Demonstrators mit kryogenem Wasserstoff und Sauerstoff evaluieren. Das PHOEBUS-Projekt ist Teil des „Future Launchers Preparatory Programmes“ des ESA-Direktorats für Weltraumtransport. ArianeGroup wird zusammen mit MT Aerospace den PHOEBUS-Demonstrator aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen in zwei Phasen entwickeln, bauen und testen. Das Projekt wird zunächst bis Mitte 2023 mit dem Bau und den Tests des „Technology Control Vehicle“, einer verkleinerten Version mit einem Durchmesser von zwei Metern, voranschreiten, um die Fertigungsprozesse zu demonstrieren. In der Folge wird ArianeGroup mit Komponenten von MT Aerospace den PHOEBUS-Demonstrator zusammenfügen und testen; der Demonstrator besteht aus einem Tank für flüssigen Wasserstoff, der auf einem Tank für flüssigen Sauerstoff montiert ist, und hat ähnliche Abmessungen wie Teile der zukünftigen Kohlefaser-Oberstufe. Die abschließenden Tests, die den Füll- und Betankungszyklus, den Druckaufbau und die Entleerung der Tanks umfassen, werden gegen Ende 2025 im Testzentrum des DLR in Lampoldshausen in Süddeutschland durchgeführt. Dies wird der bislang weltweit größte Demonstrator eines Kohlefaser-Kryo-Tanks sein.

*) PHOEBUS steht für „Prototype for a Highly OptimizEd Black Upper Stage“ und ist das Hauptelement für die Entwicklung von ICARUS („Innovative Carbon ARiane Upper Stage”).

*) Raketenoberstufe: Bei der Entwicklung der künftigen „Black Upper Stage“ wurde die MT Aerospace mit den Tanks für flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff inklusive der zugehörigen Strukturen vorgesehen. Im Zusammenspiel mit den von ArianeGroup gelieferten Komponenten, wie dem mehrfach zündbaren Vinci-Triebwerk und den verschiedenen fluidischen, hydraulischen und elektronischen Kontroll- und Steuerungssystemen bildet dieses ebenfalls von ArianeGroup integrierte System die Reiseplattform für die Satelliten ins All, bevor sie von der Oberstufe separiert werden und mit eigener Kraft an ihren Zielposition gelangen müssen.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• OHB-System

Der Beitrag PHOEBUS: MT Aerospace unterzeichnet Entwicklungsvertrag mit ArianeGroup erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Erstellt von Tobias Willerding. Quelle: SpaceX

Zu Beginn seiner Rede ging Musk auf die Herausforderung ein, die Kosten für den Raumtransport zum Mars dramatisch zu senken. Für eine Marskolonie soll es seiner Meinung nach möglich sein für ein paar Hunderttausenddollar zum Mars zu fliegen. Für diese dramatische Kostensenkung um mehrere Größenordnungen sind seiner Meinung nach 4 Schlüsseltechnologien notwendig: Volle Wiederverwendbarkeit, Treibstofftransfer im Orbit, Treibstoffproduktion auf dem Mars und Methan als Treibstoff.

Konzept

Musks Konzept beruht auf einem Booster und einem Raumschiff. Beides zusammen hat er auf den Namen „interplanetares Transportsystem“ getauft. Der Booster ist ähnlich der ersten Stufe der Falcon 9. Er hat aber eine Masse von fast 7.000 Tonnen und eine Höhe von 77 Metern. Der Durchmesser beträgt 12 Meter. Angetrieben wird er von 42 Raptor-Triebwerken, die jeweils über einen Schub von ca. 3 MN verfügen. Die Stufe soll genau wie die Falcon 9 wieder auf Land landen, und zwar immer direkt auf dem Startplatz. Offenbar ist man bei SpaceX zuversichtlich, dass man immer diese Genauigkeit erzielen kann.

Auf dem Booster sitzt das Raumschiff, eine klassische Oberstufe gibt es nicht. Das Raumschiff ist ein Lifting-Body-Design und hat eine Höhe von 50 Metern und 9 Raptor-Triebwerke. 6 davon haben eine längere Vakuumdüse und 3 eine kürzere Düse für die Landung auf der Erde. Das Raumschiff wiegt über 2.000 Tonnen und gibt es in einer Marsversion und in einer Tankerversion. Die Marsversion soll Platz für mindestens 100 Menschen haben. Für Musks Ziel, einer Marsstadt mit mindestens einer Million Leute, sind also 10.000 Flüge notwendig. Dies hofft er über einen Zeitraum von ein paar Jahrzehnten und mit vielen Raumschiffen zu erreichen.

Das Marsraumschiff verbrennt einen Teil seines Treibstoffes, um nach der Abtrennung vom Booster den Erdorbit zu erreichen. Dort muss es dann von mehreren Tankern wieder aufgefüllt werden. Wenn es vollgetankt ist, verfügt es über genug Treibstoff, um zum Mars zu fliegen und dort zu landen. Dort wird es dann wieder mit auf dem Mars gewonnen Treibstoff aufgetankt und kann zurück zur Erde fliegen. Für den Start vom Mars ist kein Booster notwendig, da das Gravitationsfeld des Mars schwächer als das auf der Erde ist.

Finanzierung

Zur Finanzierung machte Musk nur grobe Angaben. Die Entwicklungskosten schätzt er auf ca. 10 Milliarden Dollar, aktuell gibt SpaceX ein paar Dutzend Millionen Dollar pro Jahr für das Marskonzept aus, in den kommenden Jahren soll es mehr werden. Das Geld soll aus Einnahmen aus F9-Flügen, der Internetkonstellation, privaten Investoren und nicht zuletzt vom Staat kommen. Musk glaubt, dass das Projekt letzten Endes ein großes Puplic Private Partnership (PPP) wird.

Demonstratoren

Um das Marsprojekt vorzubereiten, arbeitet SpaceX bereits an diversen Technologien um die Entwicklung des interplanetaren Transportsystems voranzubereiten.

Das Raptor-Triebwerk ist ein Triebwerk mit „full flow staged combustion“-Zyklus, das einen spezifischen Impuls von 334 Sekunden auf Meereshöhe für den Booster liefern soll. Mit größerer Düse sind im Vakuum laut SpaceX 382 Sekunden möglich. Das Triebwerk kann außerdem auf bis zu 20% des Schubes herunterdrosseln und ist mehrfach wiederzündbar. Musk zeigt auf dem IAC ein kurzes Video von einem ersten Test. Dieser Test war aber noch nicht die finalen Version des Raptor-Triebwerkes, sondern eine schwächere Testversion.

Sowohl Booster als auch Raumschiff sollen Tanks aus einem Faserverbundwerkstoff erhalten, auf Metall soll dabei komplett verzichtet werden. Musk zeigt Bilder von einem großen Testtank, der laut seiner Aussage bereits mit flüssigem Sauerstoff gestest wurde.

Perspektive jenseits des Mars

Am Ende seiner Präsentation ging Musk noch auf Flüge ins weitere Sonnensystem ein. Er stellte dabei fest, dass mit entsprechender Tankstelleninfrastruktur das Raumschiff auch durchaus zu den Jupitermonden fliegen könnte, wenn es im Marsorbit aufgetankt wird.

Weitere Bilder in Elon Musks Präsentation:
Elon Musks Präsentation

Animation:

Rede von Elon Musk:

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• SpaceX beim IAC 2016

Der Beitrag Elon Musk enthüllt seine Marsvision erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Deshalb hat NASAs Zentrum für Konstruktion und Sicherheit NESC (NASA Engineering and Safety Center) eine Gruppe von Experten eingesetzt, um Erfahrungen bei der Verarbeitung und Nutzung von Verbundwerkstoffen zu sammeln und deren Verwendbarkeit für künftige Weltraummissionen zu untersuchen und zu bewerten.

Die über die ganze USA verteilte Gruppe aus Behörden- und Industriemitarbeitern hat eine herausfordernde Aufgabe gestellt bekommen: Sie soll die innere Primärstruktur des Orion-Besatzungsmoduls (mit der eigentlichen Druckkabine) bauen, und zwar in einer alternativen Version aus Verbundwerkstoffen.

Die NASA hat zuvor niemals ein bemannbares Raumfahrzeug zertifiziert, das eine Primärstruktur aus Verbundwerkstoffen verwendete. Ein Besatzungsmodul, das Astronauten bei Start und Wiedereintritt aufnimmt, muss so robust wie möglich sein.

Das Material selbst ist bekannt und eingeführt, aber der Bau einer komplexen, kompakten, zuverlässigen, kosten-effizienten und sicheren Struktur für eine bemannte Raumfluganwendung erfordert einen neuen Lernprozess.

Ein Modul aus Verbundwerkstoff könnte mehr als 10 bis 15 Prozent leichter sein als eines aus Aluminium, wenn komplexe Formen benutzt werden. Beim Raumflug, wo jedes Kilo zusätzlicher Masse die Kosten erhöht, könnte eine Gewichtsersparnis von 10 Prozent höhere Nutzlastkapazität und geringere Missionskosten ermöglichen. Außerdem könnte eine Kapsel aus Verbundwerkstoff vielleicht schneller und günstiger hergestellt werden als eine aus Aluminium.

Diese Vorteile sind es, die Ingenieure wie Mike Kirsch antrieben, ein Besatzungsmodul aus Verbundwerkstoff zu entwerfen, zu bauen und zu testen.
Kirsch glaubt, dass die Arbeit an diesem Projekt zu Entscheidungen hinsichtlich zukünftiger Raumfahrzeuge führen kann, die auf verbesserten Kenntnissen über Materialien basieren.

Laut Kirsch werden Verbundwerkstoffe eine wesentliche Bedeutung bei der Rückkehr der USA zum Mond haben. Wenn das Projekt positive Ergebnisse haben sollte, wäre es keine Überraschung, wenn in Zukunft Raumfahrzeuge aus Verbundwerkstoffen zum Einsatz kämen.

Zur Zeit wird außerdem ein spezielles Designmerkmal mituntersucht, das auch für die Orion-Kapsel grundsätzlich interessant ist, weil es in Verbundwerkstoff und in Aluminium umsetzbar ist.

Es handelt sich dabei um ein Strukturteil, bei dem Druckkapselboden, dessen struktureller Unterbau und die Wände der Druckkapsel ein einziges, zusammenhängendes Formteil darstellen. Man verspricht sich Vorteile hinsichtlich der Lastverteilung auf innere (Druckkabine) und äußere Wände (Kapselaussenhülle) bei einer Wasserung.

Das Projekt wurde im Januar 2007 angestoßen. Das Testen des endgültigen Moduls aus Verbundwerkstoff soll im Januar 2009 beginnen. Die Primärstruktur wird aus einer versteiften Honigwabenstruktur in zwei Hälften bestehen. Diese beiden Hälften der Druckkabine sollen miteinander verklebt werden. Die Verklebung soll ohne Verwendung eines Autoklaven, eines großen, unter Druck stehenden Ofens zum Aushärten, geschehen.

Die Modulbestandteile werden in Alliant Techsystems (ATK) Fabrik in Iuka (ATK Aerospace Structures), Mississippi, hergestellt und zusammengesetzt, und anschließend nach Langley zum Testen gebracht.

NASA-Ingenieure werden das Besatzungsmodul aus Verbundwerkstoff rigorosen Tests unterziehen. Dabei soll eine hydraulische Anlage verwendet werden, die Kräfte auf alle kritischen Teile der Kapsel ausüben und Belastungen simulieren soll, die die Kapsel bei einem Raumflug erfahren würde.

Der Beitrag Orion-Kapsel aus Verbundwerkstoff erschien zuerst auf Raumfahrer.net.