Ein Beitrag von Martin Knipfer. Quelle: NASA TV, NASA, OrbitalATK, collectSpace.

Für den Brennversuch im Teststand T-97 (Large Motor Static Firing Test Facility, Einrichtung für statische Brenntests großer Motore) auf dem Testgelände des Motorherstellers OrbitalATK in Promontory nördlich von Salt Lake City, Utah war der 5-Segmente Feststoffbooster in waagerechter Lage eingebaut. Der QM-1 genannte Feststoffbooster (QM steht für „Qualification Motor“) wurde am 11. März 2015 gegen 16:30 Uhr MEZ gezündet und brannte dann 122 Sekunden. Daten zum erzielten Schub, zum Verhalten der Schubvektorsteuerung, zum erzeugten Lärm und entstehenden Vibrationen wurden aufgezeichnet. Mehr als 534 Sensoren erfassten die gewünschten Informationen zu 106 verschiedenen Testthemen.

Während des statischen Brennversuchs des zur Simulation von Startbedingungen bei warmem Wetter vorher auf rund 33 Grad Celsius aufgewärmten Motors sollte ein Schub von umgerechnet mehr als 14.000 Kilonewton erzeugt werden. Vorläufige Daten deuten auf einen Erfolg des Testes hin. Die in dem Booster verwendeten Segmentgehäuse waren zuvor bei zusammen 23 Missionen des Shuttle-Programms zum Einsatz gekommen, die untere Verkleidung des Boosters war sogar bei der ersten Space Shuttle-Mission STS-1 dabei. QM-1 dient zur Zertifizierung der Booster für den Flugeinsatz an der Seite der Hauptstufe des Space Launch Systems, der neuen Schwerlastträgerakete der NASA. Anfang 2016 soll zu diesem Zweck ein zweiter 5-Segmente Feststoffbooster am Boden testgezündet werden, er befindet sich bereits in der Herstellung.

Die weiteren Highlights der SLS-Entwicklungsarbeiten im diesem Jahr werden neben der besagten Testzündung des neuen 5-Segmente Feststoffboosters Arbeiten an der ersten Hauptstufe des SLS, Testzündungen des RS-25 Haupttriebwerks, integrierte Tests der Avioniksysteme, die Fertigstellung zweier großer Teststände und das Critical Design Review der gesamten Rakete sein.

Das Space Launch System ist der neue Schwerlastträger der NASA. Er basiert zu großen Teilen auf dem 2011 außer Dienst gestellten Space Shuttle: So werden die Hauptstufe aus dem External Tank des Shuttles, die 5-Segmente Booster aus den SRBs und die RS-25 Triebwerke aus den SSMEs entwickelt. Es wird drei Varianten des SLS geben: Die Block I Version wird lediglich eine leicht modifizierte Version der DCSS (Delta Cyrogenic Second Stage) als Oberstufe haben. Mit ihr soll der Erstflug EM-1 erfolgen. Block IB wird über die wesentlich stärkere EUS (Exploration Upper Stage)-Oberstufe verfügen. Bei Block II handelt es sich um die stärkste Variante des SLS, seine Oberstufe wird ebenfalls die EUS sein; die Feststoffbooster werden durch verbesserte Booster ersetzt, ihr Konzept ist jedoch noch nicht festgelegt, obwohl bereits verschiedene Vorschläge zu neuen Flüssig- oder Feststoffboostern existieren. Der Erstflug des SLS ist nicht später als im November 2018 mit der Mission EM-1 (Exploration Mission 1) geplant, bei der das neue NASA-Raumschiff Orion noch unbemannt zum Mond fliegen wird. Weitere SLS-Missionen sollen bemannte Marsflüge in den 2030ern vorbereiten, jedoch hat der US-Kongress immer noch keine dieser Missionen bewilligt, obwohl er als Unterstützer des SLS gilt.

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Ein Beitrag von Martin Knipfer. Quelle: NSF, NASA, OrbitalATK.

Sie können auf 134 erfolgreiche Einsätze zurückblicken: Die Feststoffbooster des Space Shuttles. 30 Jahre lang beförderten sie seitlich an dem orangefarbenen Außentank angebracht zusammen mit den Haupttriebwerken den Orbiter in die Erdumlaufbahn. Auch als in den 2000er Jahren an einem Nachfolgesystem gearbeitet wurde, sollten sie weiterhin zum Einsatz kommen: Die erste Stufe der Ares-1 Rakete, die das Raumschiff Orion zur Internationalen Raumstation oder zu einem Mondlander transportiert hätte, sollte ebenfalls eine modifizierte Version des ursprünglichen Feststoffboosters bilden. Doch obwohl die Entwicklungsarbeiten bereits im vollen Gange waren, stellte Präsident Obama die Entwicklung von Ares aus Kostengründen ein. Die Feststoffbooster lebten jedoch weiter, und zwar bei der neuen Schwerlatträgerrakete der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA, dem Space Launch System.

Diese Feststoffbooster basieren zu großen Teilen auf denen des Space Shuttles. Jedoch kommen bei ihnen neue Avioniksysteme (elektronische Systeme, die den Booster steuern) und eine neue, umweltfreundlichere Isolierung zum Einsatz. Auch werden die Booster aus Kostengründen nicht wie beim Shuttle nach dem Flug erneut verwendet und ihr Herstellungsprozess wurde vereinfacht. Die größte Veränderung ist jedoch die Verlängerung des Raketenmotors um ein Treibstoffsegment, von vier auf fünf Segmente. Dieser Raketenmotor ist zylinderförmig und besteht aus festem Treibstoff, der nach der Zündung von oben nach unten abbrennt. In der Mitte dieser Treibstoffmasse befindet sich ein Kanal, durch den die Verbrennungsabgase nach unten in die Düse und dann nach draußen ausgestoßen werden. Oberhalb und unterhalb des Motors liegen die Avioniksysteme und die Schubvektorsteuerung, die die Düse und somit auch den Schubstrahl schwenkt. Ein vollständiger Fünf-Segmente Feststoffbooster ist etwa 55 Meter lang, über 700 Tonnen schwer und dazu in der Lage, über 14 Meganewton Schub zu erzeugen. Gleich zwei dieser Höllenmaschinen sind seitlich an der Hauptstufe des SLS angebracht, um die Rakete zusammen mit den vier RS-25 Flüssigtriebwerken anzutreiben.

Zahlreiche Entwicklungsarbeiten wurden bereits für die 5-Segmente Booster durchgeführt: Modelle eines Boosters wurden testgezündet, Verkleidungen strukturellen Belastungstests ausgesetzt, die Avioniksysteme gebaut und getestet und vieles mehr. Im August 2014 wurde das Critical Design Review (CDR) der Booster abgeschlossen, eine rigorose Überprüfung des Designs, bei der die endgültige Auslegung festgelegt wurde. Nun konzentrieren sich die Arbeiten bezüglich der Booster auf die Zertifizierung für den Flugeinsatz. Anfang Februar wurden die Avioniksysteme der Booster von der Herstellerfabrik in Clearfield, Utah zum Marshall Space Flight Center der NASA im US-Bundesstaat Alabama überführt. Dort sollen integrierte Tests zusammen mit den Avioniksystemen der Hauptstufe des SLS stattfinden. Um das Gesamtdesign der Booster unter realistischen Bedingungen zu überprüfen, steht nun jedoch ein wesentlich beeindruckenderer Test an: Eine Testzündung eines vollständigen 5-Segmente Boosters am Boden.

Dieser Test –QM-1 für Qualification Motor 1 genannt- soll auf dem Teststand T-97 des Geländes des Herstellerunternehmens OrbitalATK im US-Bundesstaat Utah stattfinden. Die einzelnen Segmente des Motors wurden bereits 2012 nach der Herstellung zu dem Teststand transportiert und dort zu einem fertigen Booster zusammengebaut. Drei Testzündungen eines 5-Segmente Feststoffboosters wurden bereits problemlos im Rahmen der Ares-Entwicklungsarbeiten durchgeführt: DM-1 2009, DM-2 2010 und DM-3 2011. Bei den Vorbereitungen von QM-1 trat jedoch ein Problem auf: Lücken zwischen der Isolierung und dem festen Treibstoff wurden in einem Treibstoffsegment gefunden. Nach fast anderthalb Jahren wurde jedoch dieses Problem durch eine Änderung der Formel der Isolierung behoben, die Vorbereitungen konnten weitergehen. Inzwischen sind diese Arbeiten weitgehend abgeschlossen, momentan ist die Testzündung für den 11. März um 9:30 Ortszeit (17:30 MEZ) geplant. Bei QM-1 wird der Motor auf 32,8° Celsius erwärmt und 122 Sekunden lang in waagerechter Ausrichtung gezündet. Mehr als 534 Messinstrumente werden Daten zu insgesamt 103 Designthemen sammeln. Der Test wird live auf NASA TV übertragen, auch auf raumfahrer.net und im Raumcon-Forum erfahren Sie natürlich alles über diesen Test. Anfang 2016 soll eine zweite Testzündung eines 5-Segmente Feststoffboosters stattfinden, genannt QM-2.

Der SLS-Booster jenseits von QM-1

Bis mindestens 2025 wird der 5-Segmente Feststoffbooster in dem SLS zum Einsatz kommen. Danach plant die NASA, eine stärkere Version des Space Launch System zu starten: Den Block II. Ist bereits die anfängliche Variante des SLS mit einer Nutzlast von 70 Tonnen in einen niedrigen Erdorbit leistungsfähiger als jede andere Rakete, die gegenwärtig im Einsatz ist, so wird das SLS Block II über eine unglaubliche Nutzlast von 130 Tonnen in einen niedrigen Erdorbit verfügen. Bei dieser leistungsfähigen Trägerrakete werden dann vermutlich neue Booster zum Einsatz kommen. Für solche haben verschiedene Raumfahrtunternehmen bereits Vorschläge eingereicht, die NASA hat jedoch noch nicht das Design festgelegt. Trotzdem finden bereits Arbeiten der entsprechenden Firmen statt, deren Ziel es ist, wichtige Technologien für die Booster zu demonstrieren.

Auch die Herstellerfirma der derzeitigen SLS-Booster, OrbitalATK, hat einen solchen Vorschlag eingereicht. Anders als die Konkurrenz von Aerojet und Dynetics verwendet ihr Booster namens „Batman“ weiterhin festen Treibstoff und stellt eher eine Evolution des 5-Segmente Feststoffboosters dar. Jedoch sollen ein energiereicherer Treibstoff, fortschrittlichere Avionik- und Schubvektorsteuerungssysteme und eine aerodynamisch vorteilhaftere Spitze (ähnlich der der Ariane 5) zum Einsatz kommen. Die größte Innovation ist jedoch, dass die Hülle dieses Boosters nicht mehr aus Stahl, sondern aus CfK-Verbundwerkstoffen besteht. OrbitalATK verspricht für Batman eine deutliche Senkung der Kosten bei gleichzeitig höherer Nutzlast und Sicherheit. Batman ist der klare Favorit, tatsächlich der leistungsfähige Booster des SLS Block II zu werden: SLS-Ingenieure sind mit den hohen Beschleunigungskräften der Flüssigbooster unzufrieden. Auch benötigt die mobile Startplattform des SLS ein komplett neues Design, wenn die Booster flüssigen Treibstoff verwenden.

Zahlreiche Arbeiten wurden bereits zu Batman durchgeführt, um Technologien zu demonstrieren und Erfahrungen zu sammeln: 2013 begannen Windtunneltests der neuen Spitze, verschiedene Formeln für den neuen Treibstoff wurden untersucht und ein erster Prototyp der CfK-Hülle wurde gefertigt. Nun wurde in Promtory, Utah eine solche Hülle strukturell getestet, um die Stabilität zu überprüfen. Dazu wurde eine CfK-Hülle Kräften von etwa 2000 N pro Quadratzentimeter ausgesetzt, wesentlich mehr, als sie jemals bei einem Flug erfahren würde. Dann brach die etwa 2,3 Meter im Durchmesser und ungefähr 7,6 Meter in der Länge messende Hülle, und zwar innerhalb eines Prozentes der Vorhersagen. 112 Kanäle von Messinstrumenten sammelten Daten über den Test. Vorher wurde die Hülle an mehreren Stellen vorsätzlich beschädigt, wodurch bestätigt wurde, dass auch ein beschädigter Booster den strukturellen Belastungen standhält. Außerdem können nun durch die Daten Hüllen aus Verbundwerkstoffen mit Metallhüllen verglichen und Computermodelle nachgeschärft werden.

Die weiteren Highlights der SLS-Entwicklungsarbeiten im diesem Jahr werden neben der besagten Testzündung des neuen 5-Segmente Feststoffboosters Arbeiten an der ersten Hauptstufe des SLS, Testzündungen des RS-25 Haupttriebwerks, integrierte Tests der Avioniksysteme, die Fertigstellung zweier großer Teststände und das Critical Design Review der gesamten Rakete sein.

Das Space Launch System ist der neue Schwerlastträger der NASA. Er basiert zu großen Teilen auf dem 2011 außer Dienst gestellten Space Shuttle: So werden die Hauptstufe aus dem External Tank des Shuttles, die 5-Segmente Booster aus den SRBs und die RS-25 Triebwerke aus den SSMEs entwickelt. Es wird drei Varianten des SLS geben: Die Block I Version wird lediglich eine leicht modifizierte Version der DCSS (Delta Cyrogenic Second Stage) als Oberstufe haben. Mit ihr soll der Erstflug EM-1 erfolgen. Block IB wird über die wesentlich stärkere EUS (Exploration Upper Stage)-Oberstufe verfügen. Bei Block II handelt es sich um die stärkste Variante des SLS, seine Oberstufe wird ebenfalls die EUS sein; die Feststoffbooster werden durch verbesserte Booster ersetzt, ihr Konzept ist jedoch noch nicht festgelegt, obwohl bereits verschiedene Vorschläge zu neuen Flüssig- oder Feststoffboostern existieren. Der Erstflug des SLS ist nicht später als im November 2018 mit der Mission EM-1 (Exploration Mission 1) geplant, bei der das neue NASA-Raumschiff Orion noch unbemannt zum Mond fliegen wird. Weitere SLS-Missionen sollen bemannte Marsflüge in den 2030ern vorbereiten, jedoch hat der US-Kongress immer noch keine dieser Missionen bewilligt, obwohl er als Unterstützer des SLS gilt.

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Ein Beitrag von Martin Knipfer. Quelle: NSF, ATK, NASA.

Zwei altbekannte Veteranen werden nicht später als im November 2018 dabei helfen, das Space Launch System (SLS), die neue Schwerlastträgerrakete der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA, zu seinem Erstflug starten: Die beiden Feststoffbooster. Sie sind bestens bekannt aus Space Shuttle-Zeiten: Seitlich an dem orangenem External Tank angebracht, trugen sie erheblich dazu bei, dass das Space Shuttle 134 mal erfolgreich den Orbit erreichte. Für ihre neue Aufgabe am Space Launch System mussten sie dennoch modifiziert werden: Die alte Avionik (elektronische Systeme, die den Booster zünden, steuern und abwerfen) wurde modernisiert, die alte Isolierung wurde durch eine neue ersetzt, die ohne den giftigen Stoff Asbest auskommt, und ein fünftes Treibstoffsegment wurden hinzugefügt. Um zahlreiche dieser Modifikationen zu testen und so sicherzustellen, dass alles wie gewünscht funktioniert, soll ein solcher neuer 5-Segmente Feststoffbooster am Boden testgezündet werden. Der Name dieser Testzündung lautet QM-1, Qualification Motor 1.

Die NASA und die Herstellerfirma der Booster, ATK (Allied Techsystems), haben durchaus Erfahrung mit solchen Testzündungen: Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten für die inzwischen eingestellte Rakete Ares 1 wurden bereits von 2009 bis 2011 drei 5-Segmente Feststoffbooster am Boden testgezündet. Alle drei Tests waren erfolgreich, und so gingen die NASA und ATK nicht davon aus, dass es bei der nächsten Testzündung QM-1 zu größeren Problemen kommen würde. Im Herbst 2012 wurden die einzelnen Segmente des Boosters zu dem Teststand in Promontory im US-Bundesstaat Utah gebracht. Der Zusammenbau des Boosters begann, man ging von einer Testzündung Anfang 2013 aus.

Doch dann zeigte sich bei einer routinemäßigen Röntgenuntersuchungen des letzten Boostersegments, dass es ein Problem gab: Es existierten kleine Lücken zwischen der Isolierung des Boosters und dem Treibstoff. Die Isolierung grenzt direkt an die Außenhülle des Boosters und den festen Treibstoff im Inneren. Das Problem bei Lücken zwischen der Isolierung und dem Treibstoff ist, dass sie zu Unregelmäßigkeiten bei der Verbrennung führen können. Das mangelhafte Segment wurde also entfernt und ein neues Segment hergestellt, das eine Vermutung überprüfen sollte: Die beteiligten Ingenieure gingen anfangs davon aus, dass die Probleme durch einen neuen Herstellungsprozess zustande gekommen sind. Also wurde bei dem neuen Segment wieder der bisherige Herstellungsprozess angewandt, mit dem vorher zahlreiche Segmente ohne Mängel produziert wurden. Als dieses neue Segment, genannt PSA-1 (Process Simulation Article 1), jedoch weiterhin Lücken aufwies, kam man zu dem Schluss, dass die Ursache woanders liegen muss.

Recht bald konzentrierten sich die Untersuchungen auf ein neues Material in der Isolierung. Diese beinhaltete zu Space Shuttle-Zeiten das giftige Material Asbest. Im Rahmen der Arbeiten an Ares 1 wurde daher die Formel der Isolierung geändert, um die Isolierung umweltfreundlich zu machen. Also hat man untersucht, wie die Isolierung verändert werden muss, damit keine Lücken mehr entstehen. Im Zuge dieser Arbeiten hat man ein weiteres Segment hergestellt, EA-1 (Evaluation Article 1). Ein Teil der Isolierung an dem Booster verwendete den bisherigen Aufbau, der andere Teil einen neuartigen. Anschließende Untersuchungen zeigten dann, dass der Durchbruch geschafft war: Der Teil des Boostersegments, bei dem der neue Aufbau der Isolierung zum Einsatz kam, war frei von jeglichen Lücken. Der neue Aufbau sah folgendermaßen aus: Alle Schichten der Isolierung wurden aufgetragen, bis auf eine. Dann wird ein Material namens Chemlok hinzugefügt, danach die letzte Schicht der Isolierung.

Mit dieser neuen Erkenntnis wurde damit begonnen, ein weiteres Segment herzustellen: PSA-2 (Process Simulation Article 2). In diesem Segment sollten zu Validierungszwecken alle Maßnahmen zum Einsatz kommen, die die Ingenieure entwickelt haben, um Lücken zwischen der Isolierung und dem Treibstoff zu vermeiden. Im Oktober wurde PSA-2 mit Treibstoff beladen, Anfang November wurde damit begonnen, es mit Röntgenstrahlung zu untersuchen. Nun wurde die Inspektion abgeschlossen, es handelt sich bei PSA-2 um das reinste Segment, das jemals hergestellt wurde. Damit gilt das Problem als gelöst. Deshalb sind die NASA und ATK dazu in der Lage, ein neues Datum für den QM-1 Boostertest zu setzen: Am 11. März um 17:30 MEZ soll die Testzündung nach aktuellen Planungen stattfinden.

Das Space Launch System ist der neue Schwerlastträger der NASA. Er basiert zu großen Teilen auf dem 2011 außer Dienst gestellten Space Shuttle: So werden die Hauptstufe aus dem External Tank des Shuttles, die 5-Segmente Booster aus den SRBs und die RS-25 Triebwerke aus den SSMEs entwickelt. Es wird drei Varianten des SLS geben: Die Block I Version wird lediglich eine leicht modifizierte Version der DCSS (Delta Cyrogenic Second Stage) als Oberstufe haben. Mit ihr soll der Erstflug EM-1 erfolgen. Block IA wird über die wesentlich stärkere EUS (Exploration Upper Stage)-Oberstufe verfügen. Bei Block II handelt es sich um die stärkste Variante des SLS, seine Oberstufe wird ebenfalls die EUS sein; die Feststoffbooster werden durch verbesserte Booster ersetzt, ihr Konzept ist jedoch noch nicht festgelegt, obwohl bereits verschiedene Vorschläge zu neuen Flüssig- oder Feststoffboostern existieren. Der Erstflug des SLS ist nicht später als im November 2018 mit der Mission EM-1 (Exploration Mission 1) geplant, bei der das neue NASA-Raumschiff Orion noch unbemannt zum Mond fliegen wird. Weitere SLS-Missionen sollen bemannte Marsflüge in den 2030ern vorbereiten, jedoch hat der US-Kongress immer noch keine dieser Missionen bewilligt, obwohl er als ein Unterstützer des SLS gilt.

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