Using the Ariane 5 Main Tank in place of an ET Hey. I had an idea today that I want to bounce off you. In your letter you mention that you don't think Nasa will even think about doing the ET thing unless ISS does amazing well or amazingly badly. I got to thinking about who else might possibly do it. Buzz Aldrin had suggested that someone would do a "Big Can" on a system designed from the ground up to make use of the tankage that gets to orbit. Yet there is another system, using a flight profile very similar to Shuttle, that might be a possibility. Ariane 5. Ariane 5 uses two solid rockets to lift a LO2/LH2 powered main stage, which nearly gets to orbit, atop which is the payload. I'm beginning to think that they might keep the CMS (H-155) in orbit in just the same way as one might do with the shuttle ET. True, it has a rocket engine attached to the aft-end, but I don't know that that is such a bad thing. A small (spherical) LO2 tank sits just atop a large LH2 tank. Seems familiar. The nice thing is, they probably would sell one of these where Nasa would keep you tangled in politics. Know anybody with an extra $300 million to spend? http://www.esrin.esa.it/esa/ariane/cms.html ---- What do we know about the Ariane 5? - Shuttle-like configuration, featuring large H2 and O2 tanks that almost reach orbit. - Unmanned configuration - Medium (Heavy) lift capacity - Less political implications in launch configuration Ariane 5 Explained http://www.go-ariane.com/main/tech/tech_18.html We need to find out the dimensions and nature of the tanks. We also need to determine the launch profile of the second stage. Consider the idea of just utilizing the O2 tank, and of specially configuring it on the ground, along with a station payload for operations as a living space after it reaches orbit. In fact, one may want to have a vessel which, although it performs adequately in place of the normal O2 tank, is in fact built as a station module. After collecting a number of articles describing the design of the Ariane 5, I've come to believe that the concept may not pan out. First, the tanks are very thin, as well as being welded together. In effect, there is only one tank, with a partition in between the O2 and H2 sections. > These reservoirs are only a few millimeters thick : 1.3 mm for the > hydrogen and 4.7 mm for the oxygen !! Given the huge size of the > stage, when the tanks are empty, they are pressurised to prevent > collapse ! > These enormous cylinders of alloy aluminium, made of two tanks > insulated on the outside of the launcher by an insulating material > skin 21 mm thick are intended to receive 156.2 tons of liquid hydrogen > and of liquid oxygen (respective temperatures: - 252°ree; C and > with - 183°ree; C). And this for an empty weight of 5.6 tons. As we note in the second quote, the total weight of the Ariane 5 main tank is pretty light, at only a quarter of the payload the launcher can deliver to LEO (20 tons). Thus the utility of going too far out of our way to reuse the Big Can may, in this case, be misplaced. ----- The Cryogenic Main Stage (H 155) The main stage has a diameter of 5.4 m and a height of 30.5 m, and is powered by one Vulcain engine. Ignited and checked on the ground before lift-off, the engine delivers between 114 and 120 tonnes of thrust in vacuum, and burns 25 tonnes of liquid hydrogen and 130 tonnes of liquid oxygen stored in the tanks at low temperature in 570 seconds. The upper composite is separated after shut-down of the main stage engine. The stage then continues in ballistic flight, during which it spins on its transverse axis, before deorbiting and falling back into the ocean in a safe zone. The various main stage options and technologies selected are based on precise needs for launcher missions, and are largely founded on European experience and field-proven design concepts. The principal component elements of this stage are: a forward skirt, taking up the thrust of the solid rocket motors and housing most of the functional electrical equipment required for flight, telemetry and safety operations, common bulkhead tanks, an engine thrust frame carrying the propellant and fluid system equipment for operation of the stage (pre-cooling, conditioning, pressurisation, etc.), a Vulcain engine, including combustion chamber and nozzle assembly, and two turbopumps fed in parallel by a gas generator (derived flux cycle). Ariane-5 can place two 3000 kg satellites simultaneously or one satellite with a mass of up to 6800 kg in geostationary transfer orbit. (6) CRYOGENIC MAIN STAGE AEROSPATIALE, ALCATEL-KIRK, AMES, CRYOSPACE (tanks), DEUTSCH, DORNIER, ELECMA, ETCA, FOKKER (thrustframe), INTERTECHNIQUE, MAN (forward skirt), MBB, SABCA (engine activation system), SAFT, SAT, SFIM, SOURIAU, THOMSON-HYBRIDES http://flug-revue.rotor.com/FRNews/FR970608.htm#Ariane502 Cryogenic stage of Ariane 5 leaves France for Kourou The main stage of the second Ariane 5 for flight 502 is on its way to Kourou. Aérospatiale, main contractor for the cryogenic stage, has integrated this article at Les Mureaux in France. The stage is 30 m high and has a diameter of 5.4 meters. It is mainly composed of a large tank with two compartments in light alloy. The major part of the tank structure is only 1.7 mm thick. The dry mass of the total stage is 12.5 metric tons, but it will carry more than 157 tons of liquid oxygen and hydrogen at the launch. The stage operates for 600 seconds and will cut off at an altitude between 130 and 420 km, depending on the type of the mission. The Vulcain engine in the main stage supplies 110 metric tons of thrust. The main participants in the construction of the main stage besides Aérospatiale are: SEP (France) for the Vulcain engine, Cryospace (France) for the cryogenic tank,> Fokker (Netherlands) for thrust frame, MAN (Germany) for the forward skirt, SABCA (Belgium) for the actuator system of the Vulcain engine. http://sat-net.com/listserver/sat-space-news/msg00099.html AIR LIQUIDE FETE LE 100e RESERVOIR D'ARIANE 4 --------------------------------------------- Peu apres la SEP, qui avait celebre la livraison des moteurs Viking destines a la 100e fusee Ariane a Vernon le 9 avril, c'est au tour d'Air Liquide, qui a organise une manifestation le 25 avril a Sassenage pres de Grenoble. Le 100e reservoir cryogenique servira a la fusee Ariane n degrés 472, dont le lancement est prevu en septembre avec les satellites Sirius-2 et Indostar. Il s'agit d'un modele H10-3 dont 30 exemplaires ont ete fabriques (a partir de V70 en 1994) et dont 23 autres restent a livrer. Car cette activite, qui occupe environ 70 personnes, cessera avec la fin d'Ariane 4 en 2000. Une reorganisation de la production est en preparation depuis l'annee derniere. L'unite produira des organes de pression en plus des reservoirs d'helium liquide pour la pressurisation de l'etage cryogenique principal (EPC) d'Ariane 5. Mais elle doit aussi se diversifier et s'engage dans la realisation de congelateurs spatiaux, de reservoirs d'hydrogene liquide pour un vehicule Renault alimente par une pile a combustible, etc. L'etablissement de Sassenage, qui depend de la Direction des techniques avancees, a un chiffre d'affaires de 600 MF et emploie 300 personnes. Il a realise dix reservoirs H8 pour Ariane 1 (V1 a V16) a partir de 1978, dix-sept reservoirs H10 pour Ariane 2 et 3 (V13 a 32) a partir de 1981, vingt-six reservoirs H10 pour Ariane 4 (V22 a V60) a partir de 1985, et dix-huit reservoirs H10 Plus pour Ariane 4 (V50 a V72) a partir de 1991. Ce dernier, qui pese 670 kg equipe, a des parois de 1,3 mm d'epaisseur recouvertes d'une mousse isolante de 21 mm d'epaisseur fournie par Kleber. La quantite d'ergols embarques est passee de 8 t a 12 t alors que le poids des reservoirs n'augmentait que de 100 kg, ce qui a porte la charge utile de 1,8 a 4,7 t. Pendant cette periode, la cadence est passee de 2 a 10 reservoirs /an avec un cycle de fabrication reduit de 36 a 27 mois. Par ailleurs, Air Liquide participe aux essais pour utiliser les ergols restants au fond des reservoirs d'Ariane 4, ce qui permettrait de faire passer la charge utile a 5 t, aux essais des canaux de retour du moteur Vulcain avec la SEP, ainsi qu'a l'etude du comportement des ergols dans l'EPC d'Ariane 5 lors de la separation des boosters a poudre. L'EPC est d'ailleurs realise par Cryospace qui regroupe Air Liquide (55 %) et Aerospatiale (45 %). In addition, Air Liquide takes part in the tests to use remaining propellants at the bottom of the tanks of ARIANE 4, in order to make it possible to make pass the payload has 5 T, with the tests of the feedback channels of the Vulcan engine with the SEP, as well as has the study of the behavior of propellants in the EPC of ARIANE 5 during the separation of the solid booster rockets. Besides, the EPC is manufactured by Cryospace, a joint-venture of Air Liquide (55 %) and Aerospatiale (45 %). Christian LARDIER, Air & Cosmos http://194.98.48.16/Produits/TF/Anciens/TF11.html#CITY L'année Ariane 5. Espace. Du côté d'Ariane City "Ariane City", tel est le surnom d'un complexe industriel installé en bord de Seine, aux Mureaux, une ville située à une cinquantaine de kilomètres à l'Ouest de Paris. C'est ici, dans cet ensemble qui s'étend sur près de cinq hectares, dont 24000 m2 de surfaces couvertes, qu'est fabriqué l'impressionnant réservoir cryotechnique d'Ariane 5 et que s'effectue l'assemblage de l'étage principale cryotechnique (EPC). Cryospace et Super SIL, tels sont les deux noms donnés aux bâtiments dans lesquels sont réalisés ces étapes importantes de la fabrication du lanceur Ariane 5. "ARIANE City" is the nickname of an industrial complex situated on the edge of the Seine, in Mureaux, a city located at about fifty kilometers west of Paris. It is here, in this unit which extends on nearly five hectares, including 24000 m2 of covered surfaces, that is manufactured impressing it cryogenic tank of ARIANE 5 and which is carried out the assembly of the stage principal cryotechnic (EPC). Cryospace and Super SIL, such are the two names given to the buildings in which are carried out these significant stages of the manufacture of the launcher ARIANE 5. Le réservoir cryotechnique d'Ariane 5 est particulièrement impressionnant puisqu'il représente presque les deux tiers du lanceur : 23,8 m de haut et 5,40 m de diamètre. L'homme paraît donc bien petit dans ce complexe baptisé "Cryospace" (GIE - Groupement d'Intérêt Economique - filiale de l'Air Liquide et d'Aérospatiale). Bâti sur 14 000 m2, en bordure de Seine, il a été conçu spécialement pour fabriquer huit de ces monstres par an. Logique oblige, il s'insère parfaitement dans le nouveau site d'intégration lanceur, le SIL. Ces énormes cylindres en alliage aluminium, formés de deux réservoirs isolés sur l'extérieur du lanceur par une peau en matériau isolant de 21 mm d'épaisseur sont destinés à recevoir 156,2 tonnes d'hydrogène et d'oxygène liquides (températures respectives : - 252°ree; C et à - 183°ree; C). Et ceci pour une masse à vide équipée de 5,6 tonnes. The cryogenic tank of ARIANE 5 is particularly impressive since it represents almost two thirds of the launcher: 23,8 m top and 5,40 m in diameter. A man thus appears quite small in this complex baptized "Cryospace" (GIE - Economic Grouping of Interest - subsidiary company of Air Liquide and Aerospatiale). Built on 14 000 m2, on the edge of the Seine, it was conceived especially to manufacture eight of these monsters per year. Logic obliges, it forms part perfectly of the new site of integration launcher, the SIL. These enormous cylinders of alloy aluminium, made of two tanks insulated on the outside of the launcher by an insulating material skin 21 mm thick are intended to receive 156,2 tons of liquid hydrogen and of liquid oxygen (respective temperatures: - 252°ree; C and with - 183°ree; C). And this for an empty weight of 5,6 tons. Le réservoir cryotechnique : un défi technique C'est le plus gros réservoir cryotechnique jamais conçu en Europe. Par rapport au réservoir d'Ariane 4, celui-ci représente par sa masse un défi technique. D'une part, il doit bien évidemment tenir aux pressions en vol, soit 2,55 bars pour la partie hydrogène liquide et 3,40 bars pour celle de l'oxygène, mais également résister à la corrosion et aux contraintes techniques. Pour résister aux charges tout en respectant un bilan masse le plus réduit possible, la structure d'aluminium a des épaisseurs variables de 2,1 mm à 3,7 mm. Sur le moteur Vulcain qui équipe le lanceur Ariane 5, la consommation respective d'oxygène et d'hydrogène pendant 600 secondes dans un rapport de mélange massique d'environ 5,1 a déterminé la taille des réservoirs. C'est ainsi que celui qui contient l'hydrogène, situé dans le compartiment du bas, est environ trois fois plus gros que celui de l'oxygène, la densité de ce dernier étant près de seize fois supérieure à celle de l'hydrogène. Les 25,6 tonnes d'hydrogène et les 130,6 tonnes d'oxygène sont séparés par un fond sphérique commun constitué d'une seul peau d'aluminium isolée, ce qui permet un gain de masse important, à savoir le poids équivalent à un fond, une jupe et une partie du lanceur, puisque celui-ci est raccorci. It is the largest cryogenic tank ever designed in Europe. Compared to the tank of ARIANE 4, this one represents by its mass a technical challenge. On the one hand, it must obviously hold with the pressures in flight, that is to say 2,55 bars for the liquid hydrogen part and 3,40 bars for that of oxygen, but also resist corrosion and the technical constraints. To resist the loads while respecting an assessment masses most reduced possible, the structure of aluminium has variable thicknesses of 2,1 mm to 3,7 mm. On the Vulcan engine which equips the launcher ARIANE 5, the respective hydrogen and oxygen consumption during 600 seconds in a mass report/ratio of mixture from approximately 5,1 determined the size of the tanks. Thus that which contains hydrogen, located in the compartment of bottom, is approximately three times larger than that of oxygen, the density of this last being nearly sixteen times higher than that to hydrogen. The 25,6 tons of hydrogen and the 130,6 tons of oxygen are separated by a bottom spherical common constituted from one alone aluminium skin insulated, which allows a significant weight saving, namely the weight equivalent to a bottom, a skirt and part of the launcher, since this one is shared. Huit réservoirs par an L'investissement réalisé dans le cadre du programme s'élève à plus de 350 millions de francs pour cette usine et les outillages, notamment pour les deux bancs de soudure géants automatisés avec contrôle radiographique intégré, et le puits blindé de 30 mètres de profondeur doté de parois d'un mètre soixante d'épaisseur et d'un couvercle de confinement de 260 tonnes. Cette unité a été conçue pour fabriquer un réservoir toutes les six semaines, soit huit par an. Ajoutons que Cryospace a également en charge le développement et la fabrication des lignes cryogéniques de la baie moteur ainsi que les liaisons du lanceur au sol au moment de son lancement. En rythme de croisière, près de 120 personnes travaillent dans ce lieu. Une "cathédrale" pour assembler l'étage cryotechnique Un simple mur mitoyen sépare Cryospace du nouveau site d'intégration lanceur, le "Super SIL" comme on l'appelle par opposition au petit SIL existant déjà dans la partie sud de l'établissement des Mureaux et où sont intégrés les lanceurs Ariane 4. C'est un immense bâtiment à la mesure du programme. Aussi haut que l'Arc de Triomphe, il est long de 150 mètres, large de 40 m et occupe 6 000 m2 de surface au sol. C'est dans cet édifice aux allures de cathédrale qu'Aérospatiale, architecte industriel, assemble l'étage principale cryotechnique (EPC) à partir du grand réservoir sorti de Cryospace auquel s'ajoutent d'autres éléments en provenance des usines des partenaires européens. Il s'agit principalement de la jupe avant fabriquée chez Man en Allemagne, du bâtimoteur réalisé chez Fokker aux Pays Bas, du groupe d'activation (GAM) provenant de la Sabca en Belgique, et enfin du moteur cryotechnique Vulcain de la Société Européenne de Propulsion (SEP) qui arrive de Vernon, située à quelques km des Mureaux. A simple party wall separates Cryospace from the new site of integration launcher, the "Super SIL" as one calls it in opposition to the small SIL existing already in the southern part of the establishment of Mureaux and where are integrated the launchers Ariane 4. It is an immense building with the measurement of the program. As high as the Triumphal arch, it 150 meters is long, broad and 40 m occupies 6 000 m2 of surface on the ground. It is in this building with the paces of cathedral that Aérospatiale, industrial architect, assemble the stage principal cryotechnic (EPC) starting from the large tank come out of Cryospace to which are added other elements coming from the factories of the European partners. It is mainly of the skirt before manufactured at Man in Germany, of the engine mount produced at Fokker in the Netherlands, about the group of activation (GAM) coming from Sabca in Belgium, and finally from the engine cryotechnic Vulcan of the European Company of Propulsion (SEP) which arrives from Vernon, located to a few km of Mureaux. 26 semaines d'intégration A présent, suivons le parcours d'un étage principale dont l'intégration va durer 26 semaines et nécessiter la présence d'une centaine d'ingénieurs et de techniciens. Tout d'abord, on s'occupe des deux extrémités, la jupe avant, une structure cylindrique placée au sommet du réservoir, et le bâtimoteur qui est une structure tronconique placée sous le réservoir. Quatre docks, deux par structures, permettent d'effectuer les pré-intégrations qui durent douze à treize semaines. Afin de garantir une propreté de classe 100 000, les docks du bâtimoteur sont équipés en salle blanche. Le réservoir, reçu de Cryospace en position verticale, est mis en place dans le dock dit "de rivetage" où il va tout d'abord être équipé de sa jupe avant. Le bâtimoteur est à son tour déplacé au moyen d'un pont roulant vers l'un des grands docks d'assemblage final où il est placé et boulonné. L'équipement de l'étage avec ses raccordements fluides et électriques, le montage des protections diverses et l'intégration du moteur Vulcain vont durer environ trois mois. Quand l'équipe d'intégration a terminé les diverses tâches d'assemblage, arrivent alors les séquences "contrôles" particulièrement rigoureuses : étanchéité, télémesure, pilotage, synthèse, etc... Une fois achevées ces opérations, l'étage quitte enfin le "Super Sil". Le grand dock s'ouvre alors pour libérer l'EPC qui en est sorti au moyen d'un pont roulant. La délicate manoeuvre de "désérection" est différente de celle utilisée pour les précédentes versions du lanceur. La partie basse est d'abord fixée sur un portique de basculement qui permet ainsi de la coucher grâce au pont roulant. Il est ensuite déplacé délicatement à l'horizontal sur un impressionnant chariot de transport à l'aide de deux ponts : un conteneur préssurisé de 42 m de long, 7 m de large et 6,75 m de haut qui doit protéger l'étage pendant son acheminement maritime vers Kourou en Guyane. 240 millions de francs pour une vingtaine d'années de service C'est ainsi une véritable chaîne industrielle qui est progressivement en train de se mettre en place afin de pouvoir produire à terme huit étages cryotechniques par an. Mais la montée en cadence étant assez lente, la production ne sera que de cinq par an en 1999. D'un côté d'Ariane City, ce sont des tôles et des équipements qui entrent, alors que de l'autre sortent des étages complets prêts pour l'embarquement sur les péniches. Cet outil industriel pour lequel Aérospatiale et l'Agence Spatiale Européenne (ESA) ont investi 240 millions de francs, devrait servir pendant une vingtaine d'années. Quant au "Petit Sil", situé dans la partie sud de l'établissement des Mureaux, où sont intégrés actuellement les premier et troisième étages d'Ariane 4, il devrait cesser son office, en 1999, après plus de vingt ans de bons et loyaux services, date programmée de l'ultime vol de la dernière Ariane "classique". Contact Aerospatiale Espace et Defense - Tél. 34.92.12.34. Fax. 34.92.12.54. ESA - Agence Spatiale Européenne - Tél. 53.69.76.54. L'année Ariane 5. Espace. Ariane : dans l'attente du premier tir Commencé il y a dix ans, le développement d'Ariane 5 touche à sa fin. Dans dix mois, le 29 novembre prochain, le nouveau lanceur européen devrait en effet décoller pour la première fois de la base de lancement de Kourou en Guyane. Entièrement nouveau, ce lanceur de près de 57 m de haut pour un poids de 730 tonnes, contre 470 t pour Ariane 4, pourra satelliser 6,8 tonnes en orbite géostationnaire, au lieu de 4,2 t pour la version actuelle d'Ariane. En orbite basse cette capacité atteint 20 tonnes. Estimée à plus de 45 milliards de francs, cette aventure qui aura mobilisé plus de 6000 personnes permet à l'Europe de disposer du lanceur le plus moderne du prochain siècle, un lanceur fiable et économique qui devrait rester en service pendant les vingt à trente prochaines années. Au cours des années 80, de nombreuses études prospectives menées sur l'évolution prévisible du marché des lancements ont montré, d'une part que la taille et le poids des satellites commerciaux destinés à l'orbite géostationnaire allaient augmenter et, d'autre part, que les pays intéressés par ce marché étaient de plus en plus nombreux. Face à ces prévisions, Ariane 4 ne suffisait plus. Or si l'Europe souhaitait conserver sa place de leader mondial en matière de lancement, il fallait impérativement qu'elle se dote d'une fusée plus puissante et plus fiable mais, avant tout, d'un rapport coût/efficacité amélioré. Dans ce contexte, les ministres européens, réunis sous l'égide de l'Agence Spatiale Européenne à La Haye, en novembre 1987, décidèrent donc le développement du lanceur Ariane 5 capable de transporter des charges automatiques, des éléments de station et des véhicules habités. Started ten years ago, the development of ARIANE 5 is nearing its end. In ten months, next 29 November, the new European launcher should indeed take off for the first time of the base of launching of Kourou in Guyana. Entirely new, this launcher of almost 57 m top for a weight of 730 tons, against 470 T for ARIANE 4, will be able to put into orbit 6,8 tons in geostationary orbit, instead of 4,2 T for the current version of ARIANE. In low orbit this capacity reaches 20 tons. Estimated at more than 45 billion francs, this adventure which will have mobilized more than 6000 people makes it possible Europe to have the most modern launcher of the next century, a reliable and economic launcher which should remain in service during the twenties to thirty next years. Ariane 5 : un vecteur totalement différent Ce nouveau lanceur qui devrait, si tout se déroule comme prévu, quitter le sol de la Terre et s'élever dans le ciel le 29 novembre prochain est un vecteur totalement différent de ceux que les européens ont lancé jusqu'à présent. Ces prédécesseurs, les Ariane 1, 2, 3 et 4 étaient en effet des fusées constituées de plusieurs étages mis à feu successivement et utilisant des propergols dont la réaction chimique génére l'énergie utilisée pour alimenter les moteurs-fusées. Ariane 5, de son côté, repose sur un concept différent, comparable techniquement à celui de la navette spatiale américaine. Ce lanceur se divise en deux composites : d'une part, le composite inférieur constitué d'un étage principal cryotechnique (EPC) à hydrogène et à oxygène liquides et de deux étages d'accélération à poudre (EAP), d'autre part, le composite supérieur qui abrite notamment la case à équipements. Selon le type de lancement envisagé, le composite inférieur peut, soit supporter directement l'ensemble constitué par le véhicule spatial dans le cas d'un vol habité, soit être surmonté d'une partie haute dont la configuration dépendra de la mission. C'est ainsi que le lancement simultané de plusieurs satellites en orbite de transfert géostationnaire s'effectue avec une partie haute constituée d'un étage monomoteur à ergols stockables, d'un case à équipements, d'une structure porteuse, baptisée "Speltra", destinée à permettre l'emport de deux satellites, et d'une coiffe "courte". Par contre, le lancement d'un seul satellite se fait avec l'étage à ergols stockables, et une coiffe "courte" ou "longue". Vulcain, pièce maîtresse du lanceur D'un diamètre de 5,4 m et d'une hauteur de 30,5 m l'étage principal cryotechnique (EPC) est propulsé par un moteur baptisé, et pour cause, "Vulcain". Allumé et contrôlé au sol avant le décollage pour vérifier son bon fonctionnement et autoriser la mise à feu des propulseurs à propergol solide, cette pièce maîtresse d'Ariane 5 qui utilise un des couples d'ergols les plus énergétiques de la chimie (hydrogène/oxygène), délivre en effet une poussée de 89 tonnes au décollage et d'environ 115 tonnes dans le vide, et consomme en 570 secondes 25 tonnes d'hydrogène liquide et 130 tonnes d'oxygène liquide stockées à basse température dans les réservoirs (-253°ree; C pour l'hydrogène et -183°ree; C pour l'oxygène). Précisons qu'après l'extinction du moteur, le composite supérieur est séparé. L'étage cryotechnique poursuit seul alors un vol balistique au cours duquel il est mis en rotation autour d'un axe transverse. Il retombe ensuite naturellement dans l'océan. C'est grâce à deux turbopompes indépendantes développant une puissance mécanique très élevée que s'effectue l'alimentation en ergols. A titre d'exemple, rappelons que la turbopompe hydrogène développe 12 MW et débite 600 litres par seconde, pour une masse de seulement 240 kg. Cependant, ce propulseur vulcain reste insuffisant pour faire décoller Ariane 5 à lui tout seul. Le plus important moteur à poudre jamais construit en Europe Aussi l'étage principal cryotechnique est-il flanqué de deux étages d'accélération à poudre (EAP) d'un diamètre de 3,03 m pour une hauteur de 31 m et une masse au décollage d'environ 270 tonnes. Chacun de ces EAP est équipé principalement d'un moteur à propergol solide (MPS). Le MPS est le moteur à poudre le plus important jamais construit en Europe. Rappelons qu'à eux seuls, les deux MPS fournissent 92% de la poussée nécessaire au décollage du lanceur, soit 540 tonnes. Deux minutes suffisent à la combustion des 240 tonnes de propergol solide. Le MPS comporte trois segments de propergol assemblés, une enveloppe en acier constituée de sept viroles et d'une tuyère munie d'une butée flexible afin d'orientier la poussée. Pour la fabrication de cette tuyère, les ingénieurs de la SEP (Sociéte Européenne de Propulsion) ont fait largement appel aux matériaux composites tels que le carbone, la silice phénolique ou les élastomères. Cette pièce est en effet le siège de sollicitations thermiques et mécaniques gigantesques. Par exemple, le col de la tuyère, dont les performances déterminent en grande partie la qualité de la poussée du propulseur, doit supporter des températures de l'ordre de 3000°ree;C et un débit de gaz de deux tonnes par seconde, ceci à une vitesse sonique. Ajoutons que le chargement en propergol des segments intermédiaire et arrière du moteur ainsi que l'assemblage de l'étage sont réalisés en Guyane. Le segment avant étant, quant à lui, chargé en Italie. Un énorme pari que l'Europe doit gagner Fixé sur l'Etage Principal Cryotechnique, le composite supérieur qui a un diamètre externe de 5,4 m et peut atteindre 20 m de haut, se compose, en dehors des charges utiles, de la case à équipements, de l'Etage à Propergols Stockables (EPS) qui peut emporter jusqu'à 9,7 tonnes d'ergols et fonctionne durant 1100 secondes, de la SPELTRA (en cas de lancement double), de la coiffe longue (2,4 tonnes) ou courte (1,4 tonne) selon les charges utiles et des adaptateurs de charge utile. La case à équipements contient les équipements électriques du lanceur et notamment le calculateur de bord ainsi que le Système de Contrôle d'Attitude (SCA) qui fonctionne avec 70 kg d'hydrazine. A environ dix mois du premier lancement, les programmes d'essais et de qualification d'Ariane 5, particulièrement serrés, se poursuivent normalement. Néanmoins, il reste encore beaucoup à faire avant le 29 novembre 1995 pour que l'Europe gagne cet énorme pari et marque des points dans la compétition spatiale internationale face à ses concurrents américains (lanceur Atlas), russes (lanceur Proton), japonais (lanceur H2), mais également chinois (fusée Longue Marche) et indiens (fusée PSLV). Encadré 1 - La turbopompe à hydrogène : une merveille de la technologie La turbopompe à hydrogène du moteur Vulcain représente sans aucun doute une des merveilles actuelles de la technologie de pointe. Elle ne pèse que 240 kilos mais tourne à 34 000 tours/minute et développe ne puissance de 12 MWatts. Son rôle est d'alimenter en hydrogène liquide provenant du réservoir de l'étage, ceci à gros débit et forte pression, la chambre de combustion. Lors des essais réalisés à la Société Européenne de Propulsion (SEP), à Vernon, près de Paris, cette turbopompe a été testée à sa puissance maximale, soit 16 MWatts, et en cavitation. Contact CNES - Direction des Lanceurs - Tél. 60.87.71.11. ESA - Agence Spatiale Européenne - Tél. 53.69.76.54. L'année Ariane 5. Espace. Le CSG à l'heure d'Ariane 5 Pour accueillir le nouveau lanceur européen Ariane 5, le Centre Spatial Guyanais (CSG) installé à Kourou a vu le déroulement de nombreux travaux au cours de ces dernières. A l'intérieur même du CSG a été construit un complexe colossal qui regroupe tous les moyens sol Ariane 5, c'est-à-dire l'ensemble des installations de production, d'essais et de lancement, sur une superficie de 2 100 hectares. C'est à l'extrémité nord de ce complexe que s'élève ELA 3. Tel est le nom de cet ensemble de lancement Ariane 5 qui se compose de deux zones, la zone de préparation des lanceurs et la zone de lancement. Coût total de ce complexe : 6,4 milliards de francs, avec participation industrielle de onze pays de l'Agence Spatiale Européenne. Pour la première fois dans l'histoire d'Ariane, une partie du lanceur est fabriquée sur place. Il s'agit des Etages d'Accélération à Poudre (EAP) qui sont constitués principalement d'un moteur comportant trois segments de propergol assemblés. Afin notamment de résoudre les problèmes de sécurité liés au transport de segments de masse importante de propergol solide, le chargement des segments intermédiaire et arrière du moteur ainsi que l'assemblage de l'étage sont réalisés en Guyane. Le BIP : 130 000 m3 et 55 m de haut Il a donc fallu implanter une usine de propergol en Guyane. Baptisée UPG et couvrant une superficie de 300 hectares, celle-ci a été construite par la Société Nationale des Poudres et Explosifs (SNPE) et est exploitée par la société Régulus (BPD-Italie/SNPE-France). Unité de production à très haut niveau d'automatisation, cette installation est l'une des rares au monde permettant ces capacités de chargement : plus de 100 tonnes de propergol par segment Les segments sont acheminés par la route depuis l'UPG vers le Bâtiment d'Intégration Propulseurs (BIP) à l'aide d'un fardier, une remorque à roues multiples spécialement conçue pour cet usage. Dans ce volume climatisé de 130 000 m3 et d'une hauteur de 55 m, les différents segments sont assemblés en position verticale sur une palette dans les cellules d'intégration dont les portes s'ouvrent sur une voie ferrée. C'est Europropulsion (SEP/France-BPD/Italie) et l'Aérospatiale qui réalise ce travail à la cadence de dix EAP par an, le premier pour l'intégration du Moteur à Propergol Solide (MPS), le second pour l'intégration de l'Etage d'Accélération à Poudre (EAP). Un déflecteur résistant à une poussée de 1350 tonnes A un kilomètre au sud du BIP est situé le Banc d'Essai de l'Etage Accélérateur à Poudre (BEAP), conçu comme son nom l'indique pour le développement et la qualification des EAP. Pour rejoindre ce lieu, les EAP empruntent une voie ferrée. C'est dans une tour de 50 m de hauteur, posée sur une structure pyramidale en béton surplombant un déflecteur de jet taillé dans le granit, pouvant résister à une poussée maximale de 1350 tonnes, que sont essayés les EAP en position verticale, tuyère vers le bas pour être le plus proche possible des conditions de vol. Plus au nord, la même voie ferrée relie le BIP au Bâtiment d'Intégration Lanceur (BIL). C'est dans cet édifice imposant de 58 m de haut pour un volume de 80 000 m3 qu'est préparé le lanceur. Ici, l'Etage Principal Cryotechnique (EPC), fabriqué par Aérospatiale, l'Etage à Propergols Stockables, réalisé en Allemagne par Daimler Bens Aerospace, et la case à équipements, sous la maîtrise d'oeuvre de Matra Marconi Space (MMS), sont érigés sur la table de lancement. D'une masse à vide de 870 tonnes, cette table, d'un type entièrement nouveau et que russes et américains considèrent comme optimale, est équipée d'un mât ombilical en deux parties de 58 m de haut et contient les terminaux fluides et électriques en interface avec le lanceur. Puis les deux EAP provenant du BIP sont mis en place de chaque côté de l'EPC qu'ils viennent supporter. Suivent un ensemble de contrôles électriques et d'étanchéité. La durée des opérations dans le BIL est de treize jours. Huit jours pour l'assemblage final du lanceur Après cette étape, l'ensemble lanceur/table dont la masse est de 1 500 tonnes est tracté en direction du Bâtiment d'Assemblage Final (BAF) par un camion, et alimenté par le Groupe Servitude Table (GST) qui lui assure la fourniture de l'énergie et les ventilations/conditionnement durant les phases de transfert. Entièrement climatisé, ce bâtiment haut de 90 m a un volume de 123 000 m3. Ici, la durée des opérations s'élève à huit jours. Dans le hall d'encapsulation du BAF, et en parallèle aux travaux effectués sur le lanceur à l'intérieur du BIL, d'autres équipes préparent les satellites. Les charges utiles sont encapsulées, c'est-à-dire placées dans la coiffe du lanceur. Le "composite haut" est alors assemblé sur le lanceur et raccordé au mât ombilical. C'est dans ce lieu que la première chronologie de lancement se déroule. Après le remplissage de l'EPS en ergols stockables, huit heures avant le lancement, l'ensemble table et lanceur est transféré vers la Zone de Lancement (ZL), située à 2,8 km du BAF, près de l'ancien pas de tir ELA 1 des lanceurs Ariane 1 et 2. Nous sommes alors à six heures du lancement. Afin d'être le moins vulnérable possible, cette zone contient un minimum d'installations. Elle se compose des déflecteurs de jet, d'un massif de protection des interfaces fluides et électriques et d'installations de stockage pour les ergols cryotechniques (oxygène et hydrogène liquides). Un château d'eau permet d'assurer un déluge sur les déflecteurs de jet au moment de la mise à feu afin d'amortir les vibrations acoustiques, et sur la table de lancement pour la refroidir. Deux usines pour produire hydrogène et oxygène liquides La chronologie finale débute six heures avant le lancement avec le remplissage des réservoirs de l'Etage Principal Cryogénique (EPC). L'hydrogène et l'oxygène liquides, stockés dans des réservoirs mobiles, proviennent de deux usines implantées dans la base même et exploitées par la société Air Liquide Spatial Guyane. LH2, la première de ces usines, produit de l'hydrogène liquide par reformage de méthanol. Ayant une capacité de production de 33m3 par jour, elle peut stocker l'hydrogène dans cinq réservoirs mobiles de 320 m3 et un réservoir de 110 m3, tous utilisés en zone de lancement. LOX, la seconde usine, produit de l'oxygène et de l'azote liquide en liquéfiant l'air à raison de 8 m3 par jour d'oxygène liquide et de 40 m3 par jour d'azote liquide. Là encore, l'oxygène liquide est stocké dans cinq réservoirs mobiles de 140 m3 et un réservoir de 20 m3, ces stocks étant utilisés en zone de lancement. C'est depuis le Centre de Lancement n°ree; 3 (CDL3) qu'est effectué le décompte final. Cette structure comporte une enceinte protégée de 2700 m2 pouvant résister à la retombée d'éléments du lanceur. Deux salles de contrôle permettent le déroulement de deux campagnes de lancement en parallèle. Durant les lancements, le CDL, comparable au cockpit d'un avion, abrite les équipes de tir, dirigées par le Chef des Opérations Ensemble de Lancement (COEL). Précisons que ce n'est pas lui que chaque téléspectateur peut voir sur le petit écran lors des lancements mais le Directeur des Opérations (DD0) qui, pour sa part, est installé au Centre technique dans la salle appelée "Jupiter", comparable à la tour de contrôle d'un aéroport, située à 14 km de là, et où sont centralisées toutes les informations (données lanceur, satellites, etc...). Contact CNES - Direction des Lanceurs - Tél. 60.87.71.11. ESA - Agence Spatiale Européenne - Tél. 53.69.76.54. http://www.metal-industries.com/Der98012.html Avec sa filiale Cryospace, c’est le Centre Opérationnel Industrie Aérospatiale des Mureaux qui a étudié et qui réalise l’essentiel de la fabrication de l’EPC en faisant appel aux technologies les plus sophistiquées connues notamment en tôlerie. Fort de son expérience avec Ariane 4, le Centre a participé à la conception et au développement de l’EPC. Ses activités vont de l’expression du besoin au maintien en conditions opérationnelle suivant une méthodologie d’analyse spécifique regroupant l’ensemble des fonctions du cahier des charges imposées par l’EPC. Des plans de développement décrivent l’ensemble des essais de qualification. La conception et le dimensionnent s’est effectué à l’aide de moyens de CAO modernes : 40 stations de travail utilisant le logiciel Catia. En parallèle, un logiciel de gestion des données techniques a garantit la qualité des études. Les études de résistance des matériaux ont été menées à partir des programmes Nastran et Samcef alors que d’autres logiciels «maison» ont été développés, en particulier pour les calculs thermiques. En outre, un plan qualité suit systématiquement chaque opération menée sur l’EPC. Résultat : le Centre possède à son actif la livraison de 12 réservoirs produits à ce jour répondant aux attentes de son client. Tout commence par la fabrication des panneaux des viroles, et des secteurs de fond des réservoirs. Chaque EPC est constitué de sept viroles et de trois fonds. Chaque virole comprend trois panneaux. Pour mettre en forme les grandes tôles usinées à plat de l’Etage Principal Cryogénique d’Ariane 5, Aerospatiale aux Mureaux a investit dans un tout nouvel atelier. Ultra-propre, cet atelier permet la production en série des panneaux constituant les viroles. Outil dernier cri, il garantit une production en petite série tout en respectant les coûts et les délais. La réalisation des panneaux pour le vol 505 a qualifié la gamme d’usinage et de préparation du réservoir. Soudage automatisé d’un fond de réservoir Ariane sur un banc spécial (Doc. AEROSPATIALE) Machine de contrôle des panneaux par courants de Foucault. (Doc. AEROSPATIALE CRYOSPACE) Banc d’assemblage par soudage des viroles du réservoir principal cryogénique (Doc. AEROSPATIALE CRYOSPACE) Réservoir de l’étage cryogénique d’Ariane 5 sur son banc de soudage final. Assemblage des sept viroles et des trois fonds hémisphériques. (Doc. AEROSPATIALE CRYOSPACE) Croquage commandé par ordinateur Tout d’abord, les tôles brutes de laminage, en alliage d’aluminium 2219 de trois mètres sur six mètres, sont usinées dans le sens de l’épaisseur sur une fraiseuse double tête d’usinage équipée d’électrobroches grande vitesse de 60 kW. Lors de cet usinage, des bossages et des sur-épaisseurs bien déterminées sont exécutées sur une face «dans la masse». Elles serviront à accrocher les différents accessoires sur la structure du réservoir. D’autre part, des «trottoirs» en périphérie des tôles serviront à leur manutention, puis de sur-épaisseurs de soudage lors de l’assemblage des viroles. L’autre face de la tôle reste entièrement lisse. La section de chaque panneau varie entre 1,7 et 20 mm. La sur-épaisseur initiale du brut est de 3 mm supplémentaire sur chaque face. © METAL INDUSTRIES 1998 http://esapub.esrin.esa.it/rfs/rfs13/muerfs13.htm Structural system tests for Ariane-5 K. Mühlbauer, IABG Launcher structures are subjected to very high dynamic loads by their propulsion systems and by the aerodynamic interactions. The fulfillment of stringent requirements must be demonstrated in the development process. Structural tests on launcher elements are an essential part of the launcher development. Ariane-5 consists of three different large structural constituents: the main cryogenic stage equipped with the Vulcain engine, the upper composite with one or two payload compartments, and two identical solid propellant boosters. Under contracts placed by the Industrial Architect Aerospatiale, extensive structural system tests were performed on these main constituents by IABG during the last two years. Their purpose was to adapt and verify the mathematical models developed to predict the stress distribution and the dynamic behaviour during flight, including structural loading, flight control and Pogo* aspects. Due to its size, the main cryogenic stage had to be tested at its manufacturing site, i.e. on the premises of Cryospace in Les Mureaux, France. A number of test configurations simulated the varying conditions during flight, comprising the mechanical boundary conditions existing before and after booster separation, as well as various filling levels of the propellant tanks. Static stiffness and surflux tests were performed, applying loads in axial and lateral directions and measuring strains and displacements at several levels and particularly interesting locations such as the booster attachment fittings. Dynamic excitation was applied laterally at various locations and axially on the engine dummy in order to measure acceleration and pressure response functions and to determine the relevant global and local modes of vibration. The upper composite could be tested at IABG in Ottobrunn, Germany, due to its transportability by parts. Not less than eleven test configurations were necessary to take into account the variability of the upper composite with respect to its single and dual-launch capability as well as the changes of its structural configuration during flight and deployment of the payloads. The test programme itself was similar in principle to that of the main stage. The solid-propellant boosters are filled with propellant and integrated at the European Space Port CSG in Kourou, French Guiana, so that also the structural system tests had to be performed there. Because the development programme of the booster includes several real firing tests, only one additional test using artificial excitation of the whole booster was needed: the booster, filled with propellant and resting on its transport pallet, was dynamically excited in lateral directions to measure its lowest bending modes. The results obtained in this manner correspond to the ground transport and assembly configuration. The dynamic behaviour of the booster flight configuration, on the other hand, was studied during the booster firing test M3 (see Reaching for the Skies, No. 12), by realising several dedicated nozzle actuation sequences to excite the booster in its most important low-frequency modes of vibration. The resulting transient vibration responses were measured with more than 100 accelerometers and analysed afterwards to determine the relevant dynamic characteristics. More details about this test programme will be published in the proceedings of the CNES/ESA conference on Spacecraft Structures and Mechanical Testing, held in Paris in June 1994. *Pogo phenomena are vibrations in which the coupling between structure modes and propellant feed system modes can lead to possibly dangerously high vibration levels. Upper composite (without fairing) inside the test rig http://www.airliquide.com/ALGroupe/fr/ar5fr.htm SPATIAL Air Liquide a joué dès l'origine un rôle très actif dans le programme spatial européen. En France, le Groupe fabrique les réservoirs cryotechniques d'oxygène et d'hydrogène liquides d'Ariane 4, à Sassenage. Il fabrique également aux Mureaux ceux d'Ariane 5 à travers Cryospace (55% Air Liquide, 45% Aérospatiale). Air Liquide est le principal fournisseur de gaz industriels et de services associés pour le programme spatial européen, avec en particulier une filiale dédiée au service du pas de tir des fusées à Kourou en Guyane. Pour le spatial, 1997 a été une année de grands succès. SPATIAL : deux succès majeurs en 1997 pour AIR LIQUIDE. D'abord la réalisation du 100e réservoir cryotechnique pour la fusée Ariane 4 (100e lancement réussi), puis la validation, avec le deuxième tir de qualification d'Ariane 5, du grand réservoir cryotechnique du lanceur européen. En 1997, le Groupe a reçu la commande d'une série de vingt réservoirs supplémentaires pour le troisième étage d'Ariane 4. Pour Ariane 5, il a livré deux réservoirs et trois sont prévus en 1998. AIR LIQUIDE Southwest - Pacific Southwest Area 8001 Irvine Center Drive Suite 1570 Irvine, CA 92618 Tél. : (1) 714-789-6400 Fax : (1) 714-789-6420 Spatial Division Techniques Avancées (DTA) BP 15 38360 SASSENAGE Tél. : 33 (0)4 76 43 60 30 Fax : 33 (0)4 76 43 60 98 Télex : AL SAS 320825 F CRYOSPACE BP 2 78133 LES MUREAUX CEDEX Tél. : 33 (0)1 34 92 11 73 Fax : 33 (0)1 34 92 10 52 http://www.go-ariane.com/main/tech/tech_20.html ARIANE 5 CRYOTECHNIC CORE STAGE The central core of Ariane 5 is the cryotechnic "H155" stage, designated "EPC" "(Etage Propulsion Cryogénique"). 30.5 meters high, with a 5.4 meter external diameter, it is 15 times bigger than the cryotechnic third stage of Ariane 4 !! The EPC is essentially composed of an aluminium tank with two compartments that contain the liquid oxygen and liquid hydrogen propellants. At its base, on a thrust frame which transmits thrust to the stage, is the Vulcain engine. At the core's summit is a forward skirt which links Ariane 5's lower and upper composites and which transmits the thrust from the two solid boosters. The propellant tank, fully insulated given the extremely low temperatures of the propellants, is in fact a single reservoir divided into two compartments with a common bulkhead. The upper section for the liquid oxygen has a capacity of 120 cubic meters. The lower section contains 380 cubic meters of liquid hydrogen. This represents respectively 130 and 25 tonnes. (These propellants are produced at plants in the Kourou space complex). These reservoirs are only a few millimeters thick : 1.3 mm for the hydrogen and 4.7 mm for the oxygen !! Given the huge size of the stage, when the tanks are empty, they are pressurised to prevent collapse ! Their manufacture (by the Cryospace joint subsidiary of Aerospatiale and Air Liquide) inves innovative autoclave forming and extremely precise welding. The smallest leak would be fatal ! The EPC total mass is 170 tonnes. This cryotechnic stage accounts for only 8% of the total thrust at liftoff. Assembly of the Ariane 5 launcher starts in the BIL (Launcher Integration building) where the EPC stage is erected on the launch table, and where the two solid propellant boosters are mated either side of the core stage. The vehicle equipment bay is positionned together with the upper stage (EPS) AESTUS engine. Our photo left shows the base of Ariane 5 on the launch table. In the center the cryotechnic stage, with the three aft attachment struts to each booster. Below the EPC is the thrust frame and Vulcain engine, shrouded by a purple protective cover. The silver tanks constitute part of the Helium pressurisation system. The Vulcain engine operates for 570 seconds before shutdown. The upper composite then separates and the core stage follows a ballistic trajectory, during which it is spun on a transversal axis, before falling back (or what is left after burnup) into the Pacific Ocean some 2000 kilometers off the coast of South America. Prime Contractor for the EPC is AEROSPATIALE; the crygenic tanks CRYOSPACE; the thrust frame FOKKER; the forward skirt MAN and the Vulcain SEP. [All photos and diagrams go-ariane / MoaR except where indicated] ------------ For October 31, 1997 Ariane 502 a great success for Aerospatiale Aerospatiale news release Aerospatiale applaudes the success of the qualification flight of Ariane 5. The launch, witnessed with anticipation by the entire European space community fulfilled all expectations. Aerospatiale played the major technical role in the Ariane 5 program as industrial architect and principle stage contractor. Its responsibilities include piloting the development program, technical direction, studies engineering and testing for the complete launcher, and the delivery of the flight program. Michel Delaye* said: "We have just experienced a great moment, which has well rewarded our efforts". "Aerospatiale is the architect of this success. The European space industry has met this new challenge, necessary for its further development and full of potential. Ariane is a symbol of European excellence. Now, with confidence, we will begin preparations for the third qualification flight that will carry the Atmospheric Reentry Demonstrator built by Aerospatiale, a capsule designed to show our skills in the fields of reentry, high precision guidance and control, parachute landing and recuperation." As stage contractor, Aerospatiale builds the main cryogenic stage (EPC) in Les Mureaux (near Paris), and the solid booster stages (EAP) in French Guiana. The company also provides other elements incuding tanks built in its Aquitaine center near Bordeaux. Since the first design study 15 years ago, more than 800 employees of Aerospatiale have contributed to today's success. Aerospatiale led a team of 240 European companies in 12 European countries, a brilliant example of international industrial cooperation. Aerospatiale will immediately begin the post flight data analysis of the Ariane 502 flight with the European Space Agency, responsible for overall program supervision, and the French space agency, CNES, prime contractor. Then, preparations for the second qualification flight, Ariane 503, foreseen for spring 1998, will begin. Ariane 5 will maintain Europe's position as world leader for commercial satellite launches to geostationary orbit, and will enable Europe to actively participate in space activities in the XXIst century. * Corporate Executive Vice-President Aerospatiale Group, President of * Space and Defense Business ------------ EVENT TIME 502 Timeline Altitude (km) Velocity (m/s) Abs Rel End EPC burn 9'43 9'49 139.6 8211 7741 EPC Separation 9'49 142.3 8233 7763 http://www.manufacturing.net/magazine/dn/archives/1996/dn0325.96/06f6671.htm March 25, 1996 Aerospace Technology Ariane 5: Europe's heavy lifter New rocket should keep Europe the commercial-launch market leader Terrence Lynch, Contributing Editor Who owns space? The Europeans do, or so they claim... Russia, America, China, and others go into space largely for defense or national prestige. But with two-thirds of the world's commercial space-launch business, Europe has quietly taken over as the leader in making space flight pay. Underscoring its preeminence, the European Space Agency (ESA) will soon launch the first all-new, heavy-lift rocket since the Space Shuttle. The Ariane 5 promises a range of orbits, payload configurations, and reliability currently unmatched by any other booster. If the future isn't what it used to be--no pinwheel space stations and single-stage-to-orbit aerospace planes--then the Ariane 5 represents the future that is. It will haul 39,000-lb, 15-ft-diameter payloads to low-earth-orbit or push three or more individual satellites of 12,000 lbs total weight to geosynchronous transfer orbit. Judging by experience, this is region in space where new generations of direct-satellite communications, earth-observation satellites, and fledgling space manufacturing will get their start. Born amid promise. The Ariane 5 project began with the Long-Term Space Plan adopted at a meeting of European Space Ministers in Rome in 1985. The agreement called for the development of a winged, reusable space plane dubbed Hermes, an orbiting laboratory called Columbus, and a new heavy lifter to get them off the ground. Recession and technical uncertainty killed the space plane. Columbus' fate remains tied to the multinational space-station project. Only the new rocket came to be. Given its original intent, Ariane 5 had to depart from the step-by-step approach taken in the development of earlier Arianes. Arianes 1 through 4 were, in a sense, classic designs with stacked cryogenic and hypergolic stages and a variety of strap-on boosters to increase lift capability. Their in-service reliability was good--over 95%, but not good enough to be called man-rated. Moreover, the desired jump in lifting capacity and payload size with a requisite 10% lower cost-per-lb-lifted precluded merely scaling up the existing blueprints. "A great effort was made to gain reliability compatible with manned flights," says Juan de Dalmau, an Ariane ground facilities engineer with ESA in Paris. The most powerful Ariane 4 has 10 liquid-fueled engines, compared with only four engines on any Ariane 5. "This gives us more reliability and less cost," he explains. Cost may seem a delicate issue to bring up in the context of a machine built to carry people into space, especially in light of the Challenger disaster. But over its development, cost became a critical matter to Ariane 5's designers. Funds for the program came from ESA's 12 member nations and were disbursed through the prime contractor, the French space agency CNES. As the European recession of the late '80s came on, money spent on development work became increasingly hard to justify. The program went ahead, but with a new constraint called "Design to Cost." As opposed to a fixed-profit, cost-plus contract, Design to Cost required detailed planning up-front. Contractors, with oversight from CNES, established target costs based on program and market conditions, then worked to keep development costs below the target figure. "It certainly leads to a conservative approach when choosing technologies," says de Dalmau, "but it also allowed us to start with a full funding commitment from ESA's member states." The conservative design philosophy resulted in an expected 98.5 % reliability rating; solid funding allowed the consortium to plan for more-powerful Ariane 5 derivatives in the future. New architecture. At first glance, the Ariane 5 resembles the Space Shuttle, minus the orbiter. Shorter and wider than previous Arianes, it comprises a lower "composite" that features a main cryogenic stage (known by the French acronym EPC) and two large solid-fueled boosters (EAP), and an upper composite that houses the payload, guidance and control bay, and the hypergolic third stage (EPS). The completed assembly stands some 167 ft high, with an overall launch weight of more than 1.6 million lbs. The countdown to launch follows a relatively brisk 22-day assembly and check-out sequence. Part of the six-billion European-Currency-Unit ($6.28 billion U.S.) cost of the Ariane 5 project went toward construction of new facilities at ESA's Kourou, French Guiana launch complex. The new infrastructure can prepare two launchers simultaneously and fire the new rocket as often as 10 times per year. Included were liquid oxygen and liquid hydrogen production facilities that can produce 33 m3 of liquid hydrogen (LH) and 14 m3 of LOX or liquid oxygen (8,700 and 3,700 gal, respectively) per day. Also included was an on-site plant that can produce between 32 and 40 middle and aft segments for the solid-propellant boosters. Launch of an Ariane 5 begins by starting the cryogenic "Vulcain" main engine. Designed by Soci‚t‚ Europe‚nne de Propulsion (SEP), Suresnes, France, the Vulcain uses a gas-generator cycle. In other words, the engine is fed oxygen and hydrogen by dual turbopumps, themselves powered by LOX and LH bled from the fuel tanks and ignited in a separate combustion chamber. LH and LOX, routed though 516 injection elements in the rocket's combustion chamber, are electrically ignited and produce a throat pressure of 1,600 psi at 5,800F. Liquid hydrogen, routed through the combustion chamber and nozzle walls prior to burning, keeps the structures from melting during the engine's 576-second nominal burn time. According to SEP documents, the cycle provides a reasonable performance level, while ensuring higher reliability and lower costs. Producing about 180,000 lbs of thrust at sea level (256,000-lbs vacuum), Vulcain is the most powerful rocket engine Europe has produced. Nevertheless, once started and up-checked by controllers, it's instantly eclipsed by the ignition of the twin EAP solid-fueled boosters. Rated at nearly 1.5 million lbs thrust each, the solids provide more than 90% of Ariane 5's initial lift capacity. Although smaller than the Space Shuttle boosters, they're still the most powerful rockets of any kind developed in Europe. The solid's bottom two sections are filled on-site in South America, with the casing segments, carbon-carbon composite nozzle and gimbal system, and the specially formed, topmost solid-propellant segment brought in from Europe. As a unit, they burn though their million lbs of polybutadiene, ammonium perchlorate, and aluminum propellant in just over two minutes, lofting the "stack" over 37 miles high before being jettisoned to be recovered at sea. Multinational cooperation. During ascent and orbital insertion, trajectory and attitude control are maintained by computers backed by ring-laser gyros and hydrazine-fueled thrusters housed in the vehicle equipment bay (VEB) in the upper composite structure. Manufactured by Matra Marconi Space, Toulouse, France, the bay is assembled with a Spanish carbon-fiber chassis, Swedish computers, Belgian pyrotechnic controls, and batteries and attitude-reference equipment from France, Italy, Scotland, and Germany. According to Francois Lopez, an integration engineer with Matra, the Ariane 5's VEB uses a digital data bus for communication. Although its increased diameter and possible man-rating called for complete redundancy in electronics, the data bus architecture reduces the weight of wiring compared to the parallel-communications of earlier Ariane VEBs. Continuing the launch sequence, the Vulcain engine burns out at just under T+10 minutes at an altitude of 87 miles. Pyrotechnics jettison the German-made aerodynamic fairing covering the payload, then detach the lower composite from the nitrogen tetroxide-hydrazine-fueled upper composite. Depending on the payload and the orbit desired, the upper composite stack can then burn to create a highly elliptical geostationary transfer orbit, a heliocentric orbit, or any of several circular orbits around the earth. All options are available for loading into the VEB computers prior to launch. With captive boosters, three or more separate satellites borne by a single Ariane 5 can have their pick of orbital slots. Emerging market. The Ariane 5 debuts in a burgeoning commercial launch market. According to the Wall Street Journal, as many as 350 satellites, delivering world-wide paging, digital radio, telephone, and video transmission, are expected to be launched in the next five years. Given successful test flights and a hand-over to commercial-launch vendor Arianespace early next year, the short-term prospects for the newest heavy lifter seem bright. Nevertheless, the end of the Cold War has brought forth a number of challengers to Ariane's preeminence. American missile manufacturers are working with Russian rocket-engine designers to create new, lower-cost chimeric launchers. Boeing has a project underway to launch Russian Zenit heavy-lift rockets from a floating platform in the North Sea. Since most commercial satellites have a life expectancy of 10 years, the current feast of launch candidates may turn into a famine in the year 2005 or so. Increased competition and market vagaries make the Ariane 5's payoff less certain than its predecessors'. Still, Arianespace launches incur the lowest loss-insurance costs of any competitor in the business. And, according to ESA's de Dalmau, "The Ariane project has had many spin-offs in Quality Assurance and Configuration Management fields." For the Europeans, owning space means growing on Earth. return to Design News | Manufacturing Marketplace Copyright© 1996 Design News A CAHNERS PUBLICATION http://www.essonne.cci.fr/E/TF/IND3.html Space: In expectation of the Ariane 5 launch The mondial leader of satellites launch, Arianespace, situated in Evry, is tossing the qualification of his "Ariane 5" launch rocket. The international supremacy of european space Group depend of this new launch rocket technical's result. Next September, Ariane 5, the new European launch rocket that failed its first launch should take off from the Kourou base in French Guiana. In Evry, at the Arianespace headquarters, tension is rising as test and qualification programs are being performed on this 57 meters high thruster weighing 730 tons that can put 6.8 tons of satellite into geostationary orbit and up to 20 tons in low orbit. Estimated to have cost more than 45 billion francs, this adventure has mobilized more than 6 000 people. Numerous studies concerning the predictable evolution of the satellite launching market have shown that the size and weight of commercial satellites that are to be put into geostationary orbits will increase and that more and more countries are interested by this market. In other terms, Ariane 4 was no longer sufficient. Now, if Europe wanted to maintain its leadership position in the field of satellite launching, it was vital that it should have a more powerful and reliable rocket with, most importantly, an improved cost/efficiency ratio. It is within this framework that the decision was made, in November 1987, to develop a new launch rocket baptized Ariane 5. A totally different launch rocket As compared to its predecessors, Ariane 1, 2, 3 and 4 which were all rockets composed of several stages, each fired successively using propellants, the chemical reaction of which generated energy that powered the rocket engines, the Ariane 5 rocket is a totally different transporter. It is based on a concept that is technically comparable to the American space shuttle. It is separated into two components: on the one hand, the inferior component is composed of a main liquid hydrogen and oxygen cryotechnic stage (EPC) and of two powder-driven acceleration stages (EAP) and, on the other hand, the superior component which comprises the equipment housing. Depending on the type of launch considered, the inferior component can either carry the space vehicle unit, in cases of manned flights, or be topped by an upper level, the configuration of which will depend on the mission involved. The launching of several satellites into geostationary transfer orbits can thus be undertaken by using an upper level composed of a single engine stage, powered by stockable propellants, an equipment casing, a carrier structure called "Speltra" designed to carry two satellites and a "short" nose cone. On the other hand, a single satellite launch will be undertaken with the stockable propellant stage and a "short" or "long" nose cone. For takeoff, Ariane 5 has two types of thrusters, Vulcain, the principle stage engine, and the solid propellant engines (MPS) that each power the two powder-driven acceleration stages. Vulcain, the most important part of this thruster, uses on of the most powerful propellant combinations in chemistry (hydrogen/oxygen). Delivering 89 tons at liftoff and approximately 11 tons in flight, this thruster consumes 25 tons of liquid hydrogen and 130 tons of liquid oxygen in 570 seconds. As for the MPS, it is the most important powder-driven engine ever built in Europe. Let us not forget that these two engines alone provide 92% of the thrust that is necessary to lift the rocket off the ground, that is 450 tons. 240 tons of solid fuel are consumed within 2 minutes. A giant complex at KOUROU At the present time, preparations are being made at the Kourou Space Center in French Guiana where, to handle the new thruster, a colossal complex has been built that regroups, on a 5 200 acre site, all the ground-based infrastructure, that is the full production, testing and launching units. For the first time in the history of Ariane, part of the thruster is manufactured on the spot, ie. the two powder-driven acceleration stages (EAP) comprising mainly an engine that includes the assembly of three fuel segments. To solve the security problems involved in the transportation of very large solid fuel segments, it has been decided to perform the loading of the intermediary and rear segments of the engine and the assembly of the stage at Kourou. This is why a propellant manufacturing unit has been set up in French Guiana. Baptized UPG and covering 1 000 acres, this highly automated production unit is one of the few in the world that offers loading capacities of more than 100 tons per segment. These segments are then moved to the Thruster Integration Building (BIP), an air-conditioned area of 130 000 cubic meters and 55 meters high in which they are vertically assembled on a palette. A mile away to the south, is the Powder-driven Accelerator Stage Testbench (BEAP) where, in a 50 meters high tower built over a pyramid-shaped concrete structure overhanging a granite jet deflector that can withstand up to 1 350 tons of thrust, each Powder-driven Acceleration Stage is tested in a vertical position, the nozzle pointing down, so as to be as close as possible to actual fight conditions. Further to the north is the Thruster Integration Building (BIL). In this large edifice, 58 meters high for a volume of 80 000 cubic meters, the thruster is prepared. Here, the Main Cryotechnic stage, the Stockable Propellant Stage and the equipment housing are assembled on the launch pad. Weighing 870 tons, this entirely new type of launch pad which the Russians and the Americans consider optimum, is equipped with a umbilical mast 58 meters high. It contains electrical and fluid terminals that are interfaced with the launcher. Next, the two EAPs arriving from the BIP are positioned on either side of the EPC which they then uphold. Thereafter follows a set of electrical and impermeability controls. The operations performed in the BIM take thirteen days. Initial countdown procedure, eight hours before launching The assembled structure, rocket and launch pad, the total weight of which is 1 500 tons, is drawn by truck to the Final Assembly Building (BAF). This entirely air-conditioned building is 90 meters high for a volume of 123 000 cubic meters. Eight days are needed to perform the operations in this edifice. In the BAF's encapsulation hall and in parallel with work being performed on the thruster inside the BIL, other teams prepare the satellites. All useful equipment is encapsulated, that is loaded in the nose cone. The "upper component" is then assembled and hooked up to the umbilical mast. This is where the initial launch countdown procedure is performed. After loading the EPS with stockable propellant, eight hours before blastoff, the rocket and launch pad are transferred to the Launching Zone (ZL). We are six hours away from liftoff. This is when the final countdown procedure starts with the filling of the Principle Cryotechnic Stage tanks. The final countdown itself takes place in the Ní 3 Launch Center (CDL3). This 2 700 square meter reinforced edifice is built to withstand falling thruster elements. In order to be able to run two parallel launching campaigns, two such control centers were built. An enormous gamble with considerable assets During the launch, the CDL, which is comparable to an aircraft cockpit, houses the launch teams directed by the Chief of Launching Operations (COEL). This is not the individual that TV viewers see during blastoffs. They see the Operations Director who is situated 14 kms away in the technical center of the "Jupiter" hall which is comparable to an airport control tower and where all information is centralized (Launch data, satellites, etc..). Back home, at Evry, a control center allows thirty-odd technicians to follow each blastoff and to analyse the various parameters. There is no doubt that extreme tension will hang over the place during the next Ariane 5 launch. Everybody will be crossing their fingers at blastoff since, for Ariane 5, it will be vital to win this enormous bet so as to chalk up essential points in this new phase of international space competition which looks as though it will be very rough. Arianespace, the world's number one commercial space transport company with 50% of the world market, has considerable assets to face up to this challenge. Over the last seven years, Ariane has launched over two thirds of the satellites in the western hemisphere at a rate of one per month. That's hard to better! Arianespace : Bd de l'Europe - BP 177 - 91006 Evry cedex - Tél. : 01 60 87 60 00 - Fax : 01 60 87 62 47.