Treibstufen von Trägerraketen sind heute weitgehend durchkonstruiert und erprobt. Dennoch können kleinste Fehler bei der Fertigung oder Montage zum Misserfolg des gesamten Projektes führen. Daher kontrolliert man im Unternehmen Astrium Bauteile von Oberstufen mit hochpräziser Technik und dokumentiert die Prüfergebnisse detailliert.

Im Norden von Deutschland befindet sich das Europäische Kompetenzzentrum für die bemannte Raumfahrt, für Raketen-Oberstufen, für die Weltraumrobotik und weitere Forschungsbereiche. Direkt beim Bremer Flughafen gelegen, arbeiten rund 1.000 hochqualifizierte Astrium-Mitarbeiter am Weltraumlabor Columbus und am Raumtransporter ATV - den europäischen Beiträgen zur internationalen Raumstation ISS. Eine weitere Aufgabe ist die Montage der Oberstufe der europäischen Trägerrakete Ariane 5. Für den Transport von Nutzlasten entwickelt, bringt die Ariane 5 heute hauptsächlich Kommunikationssatelliten in den Orbit.
Am Standort Bremen werden sogenannte ESC-A-Oberstufen mit kryogenem Antrieb gefertigt. Jede Ariane-5-Oberstufe wird vor dem Start mit 12,3 Tonnen Sauerstoff und 2,6 Tonnen Wasserstoff betankt. Die Verbrennung des Gasgemisches erzeugt dann bei der ESC-A-Stufe Schubkraft für 10 Tonnen Nutzlast mit einer Brenndauer von rund 16 Minuten. Verwendet wird dafür das schon bei der Rakete Ariane 4 bewährte Triebwerk HM-7B mit einem Schub von etwa 67 kN. Um den Raketenmotor mit kryogenem Treibstoff zu versorgen, muss pro Minute Brenndauer rund eine Tonne tiefgekühlter und verflüssigter Gase aus den Tanks in die Brennkammer des Triebwerks transportiert werden. Hocheffektive, über einen kleinen Raketenmotor angetriebene Turbinenpumpen fördern die Treibstoffe. Die Turbo-Pumpe für den Sauerstoff arbeitet dabei mit circa 60.000 Umdrehungen/Minute. Bei diesen Drehzahlen würden herkömmliche Schmiermittel versagen - die Turbinenpumpen schmieren und kühlen sich selbst mit den verflüssigten Gasen. Komplexe Sensorik, Steuerungssysteme und zahlreiche Rohrleitungen, Schläuche und Kabel sorgen für die Zuführung und exakte Dosierung der Treibstoffe. Für die reibungslose Funktion der Treibstufe und eine eventuell nötige Reaktion auf Störungen sind alle Systeme redundant ausgeführt und im Bedarfsfall sofort arbeitsbereit.

Kugeldurchlaufprüfung früher

Obwohl die in der Oberstufe benötigten Edelstahlrohre und hochbelastbaren Schläuche in hoher Qualität und mit garantierter Sauberkeit in Bremen ankommen, werden die Bauteile unmittelbar vor der Integration in die Oberstufe zusätzlich auf absolute Fremdkörperfreiheit geprüft. Zu groß ist die Gefahr, dass Fremdkörper in den Leitungen bei Systemdrücken bis zu 55 bar und den extremen Fließgeschwindigkeiten zu Störungen und damit zum Misserfolg der gesamten Mission führen könnten. Daher nutzte man zu Zeiten der Ariane 4 noch die Kugeldurchlaufprüfung für die Kontrolle der Bauteile. Eine in Durchmesser genau dem Rohr- oder Schlauchdurchmesser angepasste Kugel durchlief Rohr oder Schlauch und fiel bei Fremdkörperfreiheit schließlich in eine Kugelfalle. Man konnte damit relativ einfach die Fremdkörperfreiheit nachweisen. Allerding war mit dieser Methode eine verifizierbare Dokumentation der Prüfung nicht möglich. Deshalb suchte man nach Inspektionssystemen, die mit hoher Genauigkeit prüfen und den Prüfvorgang vor allem auch dokumentieren und archivieren können.

...Videoskopie heute

Nach weltweiten Recherchen und Vergleichen entschieden sich die Bremer Raketentechniker für ein Inspektionssystem von Olympus. Mittels Sonde und Kamera war nun die Rund-um-Betrachtung des Inneren der Rohrleitung möglich. „Olympus präsentierte uns ein Gerät, das unseren hohen Prüfanforderungen rundum gerecht wurde. Mittlerweile arbeiten wir nun mit einem weiterentwickelten Videoskopsystem von Olympus", erklärt Heiko Humpich, Teamleiter Integration und Test des Ariane-5-Bereiches bei Astrium. Das bei Astrium jetzt eingesetzte Iplex FX ist nach US-Militärstandard zertifiziert. Es ist wasser-, öl- und staubdicht und besitzt ein für den Industrieeinsatz konzipiertes und gleichzeitig leichtes Gehäuse aus einer Magnesiumlegierung. „Das Gerät bringt saubere Bilder, es ist robust und intuitiv bedienbar. Zur Inspektion nutzen wir ein fünf Meter langes Einführungsteil des Iplex", erklärt Heiko Humpich. Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen ist das Einführungsteil des Videoskopsystems mit einem speziell entwickelten robusten Wolframgeflecht ummantelt. Der geringe Abwinklungsradius und das kurze, starre Objektivteil gestatten das Manövrieren durch enge Krümmungen oder um Ecken. „Für uns war es wichtig, dass bei der Handhabung des Olympus-Videoskops keine Oberflächenablösungen am Einführteil auftreten. Diese würden zu absolut unerwünschtem und unkontrolliertem Partikeleintrag in unseren Leitungssystemen führen", so Heiko Humpich.

Lückenlose Prüfdaten-Archivierung

Bei der Videoinspektion der Leitungen und Schläuche können die Prüftechniker jeden Fremdkörper erkennen. Zur Ausleuchtung ist die Sechs-Millimeter-Sonde mit integrierten LEDs ausgestattet, die keine gesonderte Lüfterkühlung benötigen. Das Objektiv ermöglicht den Technikern so ein helles 120°-Blickfeld innerhalb der Rohrleitung oder des Schlauches ohne problematische Luftverwirbelung. Um eine qualitativ hochwertige, detailgetreue Bildreproduktion und Farbwiedergabe zu erzielen, ist das Iplex FX mit einem optimierten optischen System und der sogenannten WiDer-Bildverarbeitung (Wide Dynamic Range) ausgestattet. Damit werden helle Bilder mit ausgewogenem Kontrast über den gesamten Tiefenschärfebereich möglich. Bei Bedarf kann das Iplex FX via Messobjektiv und Stereomessung auch Abstand, Fläche und Tiefe eines Fremdkörpers bestimmen.
Die im Iplex-Videoskopsystem von Olympus integrierte Datenspeicherung ermöglicht den Prüftechnikern die lückenlose Nachweisführung des Prüfvorganges. Standbild- und Videodaten können im internen Speicher des Inspektionssystems und auf Speichermedien archiviert werden. In Bremen nutzt man die am Gerät vorhandenen S- und Composite-Videoanschlüsse zur Datenspeicherung mittels Aufzeichnungsgerät und anschließender Archivierung auf DVD. „Gegenwärtig arbeiten wir hier in Bremen an einer noch stärkeren Oberstufe der Ariane, der ESC-ME", erklärt Heiko Humpich. „Sie soll einmal bis zu 12 Tonnen Nutzlast in die geostationäre Umlaufbahn bringen." Gestartet werden die Ariane-Raketen allerdings nicht in Bremen, sondern in Europas Spaceport in Kourou, Französisch-Guayana.