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.

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Quelle: OHB SE.

Augsburg. Die MT Aerospace AG, ein Tochterunternehmen des Raumfahrt- und Technologiekonzerns OHB SE, hat mit einer Testkampagne einen wichtigen Meilenstein bei der angestrebten Entwicklung einer CFK-Oberstufe für eine zukünftige europäische Trägerrakete erreicht: Anfang Juni 2021 ließ sie im Projekt ComET der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ihren aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigten Prototyp eines Hochleistungstanks für Raketentriebwerke im Rahmen des Vorbereitungsprogrammes für zukünftige Trägerraketen (Future Launchers Preparatory Programme) der ESA im DLR-Testzentrum in Trauen testen.

Der CFK-Druckbehälter hat seine strukturelle Belastbarkeit und Dichtigkeit über mehrere Druckzyklen bei kryogenen Temperaturen um die 20 K (-253,15 °C) bewiesen, obwohl er ohne zusätzliche Innenbeschichtung (linerless) auskommt. „Das Testergebnis ist ein wegweisender Erfolg in Europa, schließlich sind Treibstofftanks sicherheitskritische Elemente in jedem Antriebssystem“, erklärt Hans Steininger, CEO der MT Aerospace AG. “Wir haben den Nachweis erbracht, dass ein aus CFK hergestellter Hochleistungs-Druckbehälter auch einer kryogenen Belastung standhalten kann. In Zukunft soll der Einsatz von CFK-Hochleistungstanks nicht nur sichere Raketenstarts ermöglichen, er kann auch den Vorteil der im Vergleich zu metallischen Tanks wesentlich geringeren Masse ausspielen.“

Umfassende Tank-Testkampagne
Die Testkampagne wurde in mehreren Stufen durchgeführt, da das Testmedium Wasserstoff speziell behandelt und aufbewahrt werden muss: Wasserstoff nimmt erst bei frostigen 20 K den Aggregatszustand flüssig an. Das Testobjekt, ein Tank mit einem Durchmesser von 400 mm, wurde zunächst einer Helium-Dichtigkeitsprüfung bei Raumtemperatur sowie bei etwa 77 K (-196,15 °C) unterzogen. Danach wurde er mit flüssigem, das heißt kryogenem Wasserstoff (LH2) befüllt. Der gefüllte Tank wurde sogar über den überkritischen LH2-Druck hinaus bedrückt, um einen Beanspruchungszustand zu erreichen, wie er beim Einsatz bei einem Raketenflug zu erwarten ist. So konnte die MT Aerospace erfolgreich demonstrieren, dass der von ihr entwickelte und gefertigte CFK-Tank die spezifizierten Anforderungen in Bezug auf LH2-Dichtigkeit entlang der gesamten Lasthistorie erfüllt – und dies auch bei Kombination von kryogenen Thermallasten und gleichzeitigen hohen mechanischen Lasteinwirkungen. Weitere Füll- und Entleerungszyklen unterstrichen ebenfalls das exzellente Verhalten des Tanks.

Kann der Tank auch Flüssigsauerstoff standhalten?
Für eine abschließende Überprüfung und eine Bestätigung der Qualität des Tanks wurde ein weiterer Helium-Dichtigkeitstest absolviert. Damit erhielt die MT Aerospace AG die Freigabe für einen weiteren Test, bei dem es um die Reaktion des Tanks beim Befüllen mit Flüssigsauerstoff (LOX) unter kryogenen Bedingungen gehen wird. Diese zweite Testkampagne soll beweisen, dass das gewählte CFK-Material geeignet ist, für beide Medien − also flüssigen Wasserstoff und Flüssigsauerstoff − in einer zukünftigen Oberstufe eingesetzt zu werden.

Ermutigendes Testergebnis
Für die MT Aerospace AG bildet das Testergebnis ein solides Fundament für die anstehenden Materialentscheidungen im Rahmen des Oberstufen-Demonstratorprojektes PHOEBUS, mit dem die ArianeGroup GmbH kürzlich beauftragt wurde. Das Projekt zielt – in Vorbereitung eines Demonstrators der Oberstufenstruktur im Maßstab von fast 1:1 – darauf ab, bis Ende 2022 Tanks für Trägerraketen mit einem Durchmesser von zwei Metern zu definieren, herzustellen und zu testen. „Das Testergebnis ist für uns sehr ermutigend, auch und gerade im Hinblick auf unsere kürzlich getätigte Investition, mit der wir die CFK-Fertigungsumgebung des Unternehmens erweitern“, fügt Dirk Lanuschny, Leiter der Launcher-Programme bei der MT Aerospace AG, hinzu und spricht damit eine Automated Fiber Placement Anlage an, die ab Anfang 2022 die Herstellung von Behältern mit Durchmessern ermöglichen wird, die typisch für Trägerraketen sind. „Wir beabsichtigen, als Teil des PHOEBUS-Projektes die beiden kryogenen Tanks (LH2, LOX) sowie die Primärstrukturen eines Oberstufen-Demonstrators mit einem Durchmesser von 3,5 Metern herzustellen.“

Über MT Aerospace AG
Die MT Aerospace AG ist ein Unternehmen in der Luft- und Raumfahrt mit rund 600 Mitarbeitern an den Standorten Augsburg, Cagliari (Italien), Santiago de Chile und Kourou, Französisch-Guayana. MT Aerospace entwickelt und produziert Schlüsselkomponenten für die Europäische Trägerrakete Ariane, die Airbus-Flugzeugflotte, Raumfahrzeuge und Satelliten. MT Aerospace ist ein Technologieführer in Leichtbau-Strukturen unter Verwendung von Metall und Composite-Materialien. Mit einem Auftragsvolumen von zehn Prozent ist MT Aerospace der größte Lieferant für das Ariane-Programm außerhalb Frankreichs.

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Quelle: OHB SE.

Augsburg. Die MT Aerospace AG, ein Tochterunternehmen des Raumfahrt- und Technologiekonzerns OHB SE, wurde von ArianeGroup GmbH im Rahmen des Future Launchers Preparatory Programs der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit der weiterführenden Technologieentwicklung für eine zukünftige schwarze Oberstufe für die europäische Trägerrakete Ariane 6 betraut. Bei der beauftragten Entwicklung der Treibstofftanks und Strukturen sind die Vorteile des smarten Werkstoffs CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) gefragt.

PHOEBUS, ein Großdemonstrator für die künftige schwarze Raketenoberstufe
In der Technologieentwicklung PHOEBUS (Prototype Highly OptimizEd Black Upper Stage) für die künftige, optimierte Oberstufe*) namens „ICARUS“ setzt man voll auf CFK: Die Verwendung des smarten Werkstoffes Kohlefaser soll es möglich machen, weitgehend auf metallische Komponenten der Oberstufentanks und -strukturen zu verzichten. Das spart Masse, was sich positiv auf die Kosten jedes Raketenstarts auswirkt und ermöglicht es, mehr sogenannte Nutzlastmasse (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.

In den kommenden drei Jahren wird ein Oberstufen-Demonstrator entwickelt und gefertigt, der seine Funktionsfähigkeit im abschließenden, von ArianeGroup GmbH durchgeführten Systemtest unter Beweis stellen muss. Die Tank-Prototypen für flüssigen Wasserstoff (LH2) und flüssigen Sauerstoff (LOX) werden in beinahe Realgröße gefertigt, das heißt, sie sind etwa 2,5 Meter hoch, ihr Durchmesser beträgt 3,5 Meter. „Unsere kryogenen Treibstofftanks aus CFK müssen sich an den Eigenschaften und der Zuverlässigkeit ihrer metallischen Vorgänger messen lassen“, erklärt Hans Steininger, der Vorstandsvorsitzende der MT Aerospace AG. „Durch die Leichtbauweise aus CFK-Material und den damit verbundenen Designmöglichkeiten kann die geforderte Gewichtseinsparung im Vergleich zur heutigen Metallversion voraussichtlich sogar übererfüllt werden.“

Tank-Prototyp bewährte sich im Test
Einen Meilenstein konnte die MT Aerospace AG bei der Technologie-Entwicklung bereits setzen. Ein speziell entwickelter CFK-Tank bewies im Test, das „Zeug“ zur Raketenkomponente zu haben – auch bei frostigen Temperaturen von -183°C beim Test auf Sauerstoffkompatibilität „Die Testergebnisse sind sehr ermutigend, denn unser Tank konnte den hohen Anforderungen, die sich aus den aggressiven Treibstoffkomponenten ergeben, standhalten. Wir freuen uns auf die weiteren Entwicklungsarbeiten für die optimierte Raketenoberstufe“, ergänzt Hans Steininger.

„Safety first!“ bei Treibstofftanks
Für den Antrieb der Oberstufe im Weltraum werden die Tanks vor dem Raketenstart mit den äußerst reaktiven Treibstoffkomponenten betankt. Daher müssen bei der Entwicklung wasserstoffdichter und sauerstoffkompatibler CFK-Tanks für die kryogene Anwendung extrem hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. „Gerade der Sauerstoff ist höchst reaktiv, der Wasserstoff zudem extrem flüchtig. Einen Kohlefaser-Tank in diesem extremen Temperaturbereich ohne zusätzliche Barriere-Schicht dicht zu bekommen, sei eine große Herausforderung, erklären die damit betrauten Ingenieurinnen und Ingenieure bei der MT Aerospace AG. Sie sind vom Potential des kohlefaserverstärkten Kunststoffes überzeugt und wollen es nutzen, schweren metallischen Werkstoff ohne Qualitäts- oder Sicherheitseinbußen zu ersetzen. CFK ist im Automobilbau und beim Sport in Fahrrädern oder Tennisschlägern schon längst Standard. Künftig soll dies auch für Raketenkomponenten gelten.

Smarter Werkstoff CFK
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. Über fünf Jahrzehnte hinweg konnte dank verschiedener Entwicklungsaufträge (von der Ariane 1 bis zur Ariane 6) und der beauftragten Serienproduktion ein wertvoller Erfahrungsschatz aufgebaut werden. Außerdem verfügen die Augsburger über jahrzehntelange Erfahrung in der Produktion von CFK-Flugzeugtanks (Frisch- und Abwassertanks). Seit fast zehn Jahren betrachten die Werkstoffspezialisten CFK verstärkt für den Einsatz in der Raumfahrt und insbesondere bei Raketenkomponenten. Diese Expertise brachte das Unternehmen bereits bei der erfolgreichen Entwicklung eines Feststoff-Motorgehäuses (Booster) ein.

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.

Entwicklungsprojekte im Entwicklungsprojekt
Der Übergang von metallischen auf Verbundwerkstoffe stellt einen Paradigmenwechsel bei Oberstufendesign und -produktion dar. Die dafür notwendigen Entwicklungsaufgaben sind vielfältig: Das Design muss genau wie die Fertigungsprozesse und die Produktionseinrichtungen der Komponenten entwickelt und festgeschrieben werden, der ideale Werkstoff gefunden, die Anlagen z.B. zum automatisierten Ablegen der Kohlenstofffaser sowie zum Aushärten des Bauteils, beschafft und justiert werden, Methoden zum Endbearbeiten sowie zur Qualitätssicherung etwa durch zerstörungsfreie Testmethoden müssen erarbeitet, erprobt und validiert werden. Bei der MT Aerospace widmen sich daher mehr als 40 Ingenieurinnen und Ingenieure ganz unterschiedlicher Fachrichtungen der CFK-Oberstufenentwicklung.

*) 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 betraut. 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.

Über MT Aerospace AG
Die MT Aerospace AG ist ein Unternehmen in der Luft- und Raumfahrt mit rund 600 Mitarbeitern an den Standorten Augsburg, Cagliari (Italien), Santiago de Chile und Kourou, Französisch-Guayana. MT Aerospace entwickelt und produziert Schlüsselkomponenten für die Europäische Trägerrakete Ariane, die Airbus-Flugzeugflotte, Raumfahrzeuge und Satelliten. MT Aerospace ist ein Technologieführer in Leichtbau-Strukturen unter Verwendung von Metall und Composite-Materialien. Mit einem Auftragsvolumen von zehn Prozent ist MT Aerospace der größte Lieferant für das Ariane-Programm außerhalb Frankreichs.

Über ArianeGroup
ArianeGroup, als Hauptauftragnehmer der europäischen Trägerraketen Ariane 5 und Ariane 6, ist für die gesamte Produktionskette der Träger verantwortlich – vom Entwurf über die gesamte Produktionskette bis hin zur Vermarktung über sein Tochterunternehmen Arianespace. Mit ca. 7600 hochqualifizierten Mitarbeitern in Frankreich und Deutschland, ist ArianeGroup ein zu gleichen Teilen von Airbus und Safran gehaltenes Joint Venture. Zudem ist der Konzern Hauptauftragnehmer für die ballistischen Trägerraketen der französischen Marine. ArianeGroup und die Tochterunternehmen sind weltweit anerkannte Spezialisten für Raumfahrtausrüstungen und -antriebe, ihr Know-how findet auch in anderen Industriezweigen Anwendung. Der Konzernumsatz betrug im Jahr 2020 rund 2,7 Milliarden Euro.

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Quelle: ArianeGroup.

Bremen – Die Europäische Weltraumorganisation ESA und ArianeGroup, Hauptauftragnehmer und Konstruktionsverantwortlicher der Ariane 6, haben einen neuen Technologie-Entwicklungs Vertrag im Bereich Kohlefaser-Verbundwerkstoffe mit einem Volumen von 14,6 Millionen Euro unterzeichnet. Das PHOEBUS-Programm (Prototype of a Highly OptimizEd Black Upper Stage) ermöglicht die Optimierung des Reifegrads der Technologien, die zur Reduzierung der Fertigungskosten und des Gewichts der Ariane-6-Oberstufe erforderlich sind. Ziel ist es, die Leistungen zu verbessern (insbesondere eine um rund zwei Tonnen höhere Nutzlastkapazität zum Transport in den geostationären Orbit), und eine neue Architektur der Stufe zu validieren.

Die kontinuierliche Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Trägerrakete Ariane 6 war bereits bei ihrer Konstruktion vorgesehen und setzt sich Schritt für Schritt über die gesamte Entwicklung fort. Die Erforschung und Verwendung von Verbundtechnologien nehmen dabei eine Schlüsselrolle ein. Aus diesem Grund bündeln MT Aerospace und ArianeGroup die Kompetenzen ihrer Teams in Augsburg und Bremen, um den Prototyp für kryogene Verbundtechnologien der Oberstufe, PHOEBUS, zu entwickeln und zu erproben. Ihre Zusammenarbeit, die im Mai 2019 mit einem ersten Entwicklungsvertrag für die Phasen A/B1 begonnen hat, setzt sich mit dem heute unterzeichneten ESA-Vertrag fort.

„Eine der größten Herausforderungen besteht darin, sicherzustellen, dass die Verbundstoffe ebenso dicht und widerstandsfähig gegenüber dem extrem kalten und stark eindringenden Flüssigwasserstoff sind wie die Metallteile,“ erklärte Pierre Godart, CEO ArianeGroup GmbH. Der neue Vertrag verdeutlicht das Vertrauen der Raumfahrtbehörden ESA und DLR in unsere Teams und das unseres Partners MT Aerospace, mit dem wir schon lange zusammenarbeiten, vor allem im Bereich Metallteile für die Ariane 6. Wir werden unsere Zusammenarbeit fortsetzen, um Deutschland und Europa zum Technologieführer im Bereich kryogene Verbundtechnologien für die Speicherung von Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff zu machen. Dank der institutionellen Unterstützung der ESA und des DLR verfügen wir über die besten Bedingungen für unsere Innovationen, auch in Bezug auf die Kosten, wovon alle Bürger Europas profitieren.“

Um den Reifegrad aller erforderlichen Technologien nachzuweisen, wird ArianeGroup ihr Know-how im Bereich Trägerraketenstufen und Systemintegration einbringen, während MT Aerospace für Materialien und Technologien für Tanks und Strukturen aus Verbundwerkstoffen unter kryogenen Bedingungen zuständig sein wird.

Die im Rahmen dieses Vertrags entwickelten Technologien werden ab 2023 in einen Oberstufen-Demonstrator integriert, um im großen Maßstab (Maßstab 1:1 für den LOX-Tank und Maßstab 2:3 für den LH2-Tank) nachzuweisen, dass das System mit der Mischung aus flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff kompatibel ist.

PHOEBUS ebnet den Weg nicht nur für die spätere Entwicklung neuer Stufen der Ariane 6 oder anderer künftiger Trägerraketen, sondern auch für die Einführung kryogener Verbundtechnologien für die Luft- und Raumfahrtindustrie durch die Schaffung von Synergien zwischen den beiden Branchen.

Über ArianeGroup
ArianeGroup, als Hauptauftragnehmer der europäischen Trägerraketen Ariane 5 und Ariane 6, ist für die gesamte Produktionskette der Träger verantwortlich – vom Entwurf über die gesamte Produktionskette bis hin zur Vermarktung über sein Tochterunternehmen Arianespace. Mit ca. 7600 hochqualifizierten Mitarbeitern in Frankreich und Deutschland, ist ArianeGroup ein zu gleichen Teilen von Airbus und Safran gehaltenes Joint Venture. Zudem ist der Konzern Hauptauftragnehmer für die ballistischen Trägerraketen der französischen Marine. ArianeGroup und die Tochterunternehmen sind weltweit anerkannte Spezialisten für Raumfahrtausrüstungen und -antriebe, ihr Know-how findet auch in anderen Industriezweigen Anwendung. Der Konzernumsatz betrug im Jahr 2020 rund 2,7 Milliarden Euro.

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Quelle: ESA.

Jüngste Tests zeigen, dass leichter, kohlefaserverstärkter Kunststoff stark genug ist, um Metall in den Oberstufenstrukturen von Raketen zu ersetzen. Dies ist ein wichtiger europäischer Meilenstein für die Entwicklung eines Prototyps einer hochoptimierten „schwarzen“ Oberstufe namens Phoebus, einer gemeinsamen Initiative von MT Aerospace und ArianeGroup, finanziert von der ESA.

Das Hauptziel des Phoebus-Projekts ist es, die Nutzlastleistung der Trägerrakete um mehr als zwei Tonnen zu erhöhen, indem die Masse der Oberstufe durch ein neues Design und leichtere Materialien reduziert wird. Gleichzeitig sollen mit Phoebus auch die Produktionskosten gesenkt werden.

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), oder Kohlefaser, ermöglichen neue Architekturen und Funktionskombinationen, die mit Werkstoffen aus Metall nicht möglich sind. CFK ist leicht und von dunkler Farbe und wird für die kryogenen Treibstofftanks sowie die Primär- und Sekundärstrukturen von Phoebus verwendet, daher auch der Name „schwarze“ Oberstufe.

Darüber hinaus ermöglicht das Fertigungsverfahren ein integriertes Layout, das zu einer geringeren Anzahl von Bauteilen als bei einer vergleichbaren Metall-Konfiguration führt und damit die Produktions- und Montagekosten reduziert.

„Zu den technologischen Herausforderungen gehören die Entwicklung der Maschinenfähigkeit, die eine hochpräzise Platzierung der Kohlenstoffverbundwerkstoffe ermöglicht, und die Identifizierung der optimalen nachfolgenden Aushärtungsschritte, um den Verbundstoff zu verfestigen. Die Kohlefaser muss den extrem niedrigen Temperaturen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff als Treibstoff standhalten und gleichzeitig sicherstellen, dass keine Lecks entstehen“, erklärt Kate Underhill, Triebwerks-Ingenieurin bei der ESA.

„CFK-Material kann mit Sauerstoff chemisch stark reagieren, daher ist die richtige Auswahl eines geeigneten Materialsystems aus Fasern und Harz eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Die Beherrschung dieser Kompatibilität ist ein entscheidender Meilenstein, der nun im Rahmen des Phoebus-Projekts erreicht wurde.“

Bei Versuchen von MT Aerospace auf einem Testgelände von Rheinmetall in Unterlüß, Deutschland, wurde ein kleinskalierter CFK-Tank mit flüssigem Sauerstoff getestet. Während dieser Tests wurde der Tank mehrfach befüllt und entleert, über die Betriebsgrenzen hinaus unter Druck gesetzt und einem Schocktest unterzogen, um sicherzustellen, dass der Sauerstofftank sich nicht entzündet. Der Testtank war mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, um Druck, Temperatur, Dehnung oder eine mögliche Leckage zu überwachen. Die Analyse der Ergebnisse und die insgesamt gute strukturelle Integrität des Flüssigsauerstofftanks bestätigen die Technologie. Diese Leistung macht den Weg für weitere Aktivitäten frei und zeigt, dass der Phoebus-Demonstrator auf dem richtigen Weg ist.

Die nächsten Schritte sind die Anwendung des CFK-Materials auf ein leckdichtes Design des Flüssigwasserstofftanks und schließlich ein angemessenes Hochskalieren sowie Bodentests des nahezu maßstabsgetreuen Strukturdemonstrators der Phoebus-Oberstufe im Jahr 2023.

Diese Aktivitäten werden im Rahmen des Future Launchers Preparatory Programme des ESA Direktorats für Raumtransport durchgeführt.

Videosequenz von einem Test (Quelle MT Aerospace):
Die Tests zeigen, dass leichter, kohlefaserverstärkter Kunststoff stark genug ist, um Metall in den Strukturen von Raketenoberstufen zu ersetzen.

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Quelle: OHB SE Bremen.

Paris, 14. Mai 2019. Die Europäische Weltraumorganisation ESA hat heute zwei Technologieentwicklungsverträge mit der MT Aerospace AG, einer Tochter der börsennotierten Raumfahrt- und Technologiegruppe OHB SE, sowie der ArianeGroup, Hauptvertragspartner für die Ariane 6, abgeschlossen.

MT Aerospace und die ArianeGroup bündeln ihre jeweiligen Kompetenzen bei der Entwicklung und Erprobung des „Prototype of a Highly OptimizEd Black Upper Stage“ (PHOEBUS) in Augsburg und Bremen. Um die Ariane 6 kontinuierlich wettbewerbs- und leistungsfähiger zu machen, ist die Erforschung und Nutzung von auf Verbundwerkstoffen aufsetzenden Technologien erforderlich.

PHOEBUS soll die Technologiereife für eine optimierte Oberstufe hinsichtlich Kosten- und Gewichtseinsparung und höherer Stufenleistung (Transport von ca. zwei Tonnen mehr Nutzlast in geostationäre Umlaufbahnen) sicherstellen. Ab 2021 werden die resultierenden Systemkomponenten zum Nachweis der Treibstoffverträglichkeit (große Mengen flüssigen Sauerstoffs und Wasserstoffs) sowie zur Darlegung der Befüll- und Entleervorgänge und der Integrität der Primär- und Sekundärstruktur in einen Oberstufen-Demonstrator integriert.

Beide Unternehmen arbeiten eng zusammen, um die Einsatzreife der notwendigen Technologien zu verifizieren: Die ArianeGroup konzentriert sich dabei auf innovative Stufen-Achitekturen sowie der Systemintegration, während sich MT Aerospace vorwiegend um die Werkstoffe und Technologien von aus Verbundwerkstoffen hergestellten Tanks und Strukturen unter kryogenen Bedingungen kümmert. Daraus soll dann die spätere Produktentwicklung einer neuen Oberstufe der Ariane 6 (Icarus-Innovative Carbon Ariane Upper Stage) hervorgehen. Entscheidungen zur vorläufigen Finanzierung erster Schritte einer Oberstufe aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) sollen bei der nächsten ESA-Ministerratstagung, der so genannten Space 19+, am Jahresende getroffen werden.

Über MT Aerospace
MT Aerospace ist ein international anerkanntes Unternehmen in der Luft- und Raumfahrt mit 700 Mitarbeitern an den Standorten Augsburg, Mainz (Deutschland), Cagliari (Italien), Santiago de Chile und Kourou, Französisch-Guayana. MT Aerospace entwickelt und produziert Schlüsselkomponenten für die Europäische Trägerrakete ARIANE, die Airbus Flugzeugflotte, Raumfahrzeuge und Satelliten. MT Aerospace ist ein Technologieführer in Leichtbau-Strukturen unter Verwendung von Metall und Composite Materialien. Mit einem Auftragsvolumen von 10 Prozent ist MT Aerospace der größte Lieferant für das ARIANE-Programm außerhalb Frankreichs.

Über die ArianeGroup
Die ArianeGroup entwickelt und liefert innovative und wettbewerbsfähige Lösungen für zivile und militärische Startanlagen und verfügt über Kompetenzen bei allen Aspekten moderner Antriebstechnologien. Als Hauptvertragspartner für Startanlagen der europäischen Ariane 5 und 6 ist die ArianeGroup sowohl für die Konstruktion als auch die gesamte Fertigungskette bis hin zur Vermarktung durch ihre Tochter Arianespace sowie für die Raketen der ozeanischen Nuklearstreitkräfte Frankreichs zuständig. Die ArianeGroup und ihre Tochtergesellschaften sind weltweit als Experten im Bereich Bestückung und Antrieb von Weltraumanwendungen sowie für den Kompetenztransfer auf weitere Industriezweige bekannt. Die Gruppe ist ein zu gleichen Teilen von Airbus und Safran gehaltenes Gemeinschaftsunternehmen mit etwa 9.000 hochqualifizierten Beschäftigten in Frankreich und Deutschland. Der Ertrag lag 2018 bei 3,6 Milliarden Euro.

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