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Starttisch und Versorgungsmast der Ariane 6

C Donges SteelTec

Ausgewählte Einreichung
'Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2019'
Donges SteelTec GmbH

Erläuterungsbericht zur Einreichung beim 'Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2019' von Donges SteelTec GmbH

Aufgabenstellung
Die neue Trägerrakete Ariane 6 soll auch zukünftig den unabhängigen Zugang Europas zum All sicherstellen. Sie erfordert neue an den modernen Träger angepasste Startanlagen auf dem europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Frz. Guyana.

Abb.: C CNES

MT Aerospace AG und ihre Tochter MT Mechatronics GmbH erhielten im Oktober 2016 von CNES, der französischen Raumfahrtbehörde, den Auftrag, die Strukturen und Systeme am Startplatz zu entwickeln, zu bauen und auf dem Weltraumbahnhof zu montieren. Mit Engineering, Fertigung und Montage des Starttischs und des Versorgungsmastes wurde die Donges SteelTec GmbH von MT Mechatronics beauftragt. Der Starttisch stellt dabei die Plattform für die Integration und den Start der Rakete dar; auf ihm werden die Zentralstufe der Rakete und die Booster zusammengeführt. Der Mast dient der Versorgung der Raketenkomponenten und Ihrer Nutzlast nach ihrer Montage auf dem Tisch.

Der erste Starttermin für die Ariane 6 ist mit dem 16. Juli 2020 bereits festgelegt. Um diesen Termin sicherzustellen, müssen die Startanlagen bis Mitte 2019 getestet, qualifiziert und abgenommen sein. Für den Starttisch und den Versorgungsmast bedeutet dies eine Fertigstellung der Montage bis Anfang 2019.

 

Lösungsweg
Beschreibung der Konstruktion
Der 66 m hohe Versorgungsmast stellt die Versorgung der einzelnen Komponenten der Rakete und ihrer Nutzlast sicher. Die unteren 6,20 m sind in die Betonkonstruktion der Startanlage integriert, die oberen knapp 60 m bestehen aus einem quadratischen Hohlkasten mit Kantenlänge 6,50 m. Alle 3,84 m ist eine Bühne angeordnet, die gleichzeitig zur Aussteifung dient. Die Wände des Kastens werden durch vertikal verlaufende Flachstahlsteifen und Ringflansche ausgesteift.
Unterteilt wird der Mast in 17 Schüsse entsprechend der Bühnenanordnung, die als Transport- und Montageeinheiten im Werk komplett zusammengebaut werden. Die Bemessung und Konstruktion ermöglicht eine Erhöhung des Mastes um weitere drei Schüsse.
Die einzelnen Schüsse des Mastes werden in der Regel über vorgespannte Ringflanschverbindungen verbunden.
Der Mast wird auf ein Meter dicken Wänden einer 20 m hohen Massivkonstruktion verankert. Zur Ausführung kommt hier GEWI-Verankerung mit Durchmesser 75 in S670/800, die in den aufwändig ausgesteiften Fußpunkt integriert werden.
Die sehr hohen Lasten der schwenkbaren Versorgungsarme auf etwa 40 m Höhe werden durch eine Unterkonstruktion im Inneren des Mastes in das globale Tragwerk weiterleitet. Diese Unterkonstruktion sollte die freigehaltene Installationsebene zwischen Wand und Bühne sowie die Bühne selbst aber so wenig wie möglich beeinflussen, was sehr gedrungene Schweißprofile zur Folge hat.
Für das Einbringen und Austauschen verschiedener Ausrüstungselemente sind auf der Rückseite des Mastes größere Öffnungen erforderlich. Wandteile mit der Abmessung 1800 x 3600 mm können demontiert werden und müssen im eingebauten Zustand gasdicht verschraubt sein.
Das Gesamtgewicht der Stahlkonstruktion beläuft sich auf etwa 430 t.

Der Starttisch dient der Trägerrakete als Integrations- und Startplattform. Die Abmessungen betragen 20 m x 18 m bei einer Bauhöhe ohne Aufbauten von 3,8 m. Das Gesamtgewicht der Stahlkonstruktion beläuft sich auf etwa 720 t.
Das Haupttragwerk gliedert sich in einen umlaufenden Hohlkasten und in vier davon nach innen auskragende Hohlkastenstege. Diese werden im Zentrum des Tisches zusammengeführt. Die Grundrissform bedingt fünf größere Öffnungen, die die Ableitung des Abgasstrahls der Raketenendstufe (kreisförmige Öffnung im Zentrum) und der Booster bei einem Raketenstart ermöglichen.
Die Hohlkästen sind begehbar und beinhalten Technikräume sowie diverse Medienleitungen.
Eine geschlossene Haube dient als Übergangsbauwerk zum Fundament des Versorgungsmastes. Durch diese Haube werden Versorgungsleitungen vom Betonbauwerk zum Starttisch geführt.
Auf dem Starttisch werden zwei Versorgungskästen (Mangs) für die Rakete montiert.
Vier Lagerpunkte (Adapter) nahe der Kreisöffnung dienen als Absetzpunkte für die Rakete. Die Booster, die über selbstfahrende Transporter (Fardiers) antransportiert werden, stehen jeweils auf einem Palettenpaar, das auf Schienen von den Fadiers auf den Tisch verfahren werden kann. In Endposition werden sie abgesenkt, bis die Märtyrerpalette auf den drei vorgesehenen Lagerpunkten genau positioniert aufliegt. Sind alle erforderlichen Booster nach diesem Prinzip positioniert, wird die Zentralstufe der Trägerrakete mit den Boostern verbunden und an den Adaptern entlastet.
Die Form der Blechkonstruktion folgt wie bereits beschrieben den funktionalen Anforderungen. Die Aussteifung der Bleche erfolgt in regelmäßigen Abständen über Querschotts und teilweise über zusätzliche Längssteifen insbesondere im Bereich der Obergurte. Weitere massive Aussteifungen sind im Bereich der Auflager vorhanden.
Der Tisch ist im Eigengewichtszustand statisch bestimmt über drei Kalottenlager gelagert. Für den Lastzustand Raketenstart werden zusätzlich weitere 5 Vertikallager aktiviert, die bei der Montage kraftschlüssig aber lastfrei eingebaut werden.
Die Dimensionierung mit einem globalen Sicherheitsfaktor lässt keine Plastizierungen zu und führt zu einer sehr robusten Konstruktion. Alle tragenden Schweißnähte des Tischs sind als durchgeschweißte Nähte ausgeführt.


Wahl der Werkstoffe
Aufgrund der funktionalen Anforderungen sowie der Belastungssituation kam sowohl für den Mast als auch für den Starttisch nur eine Stahlkonstruktion in Frage. Aufgrund der Verformungsanforderungen wurde beim Mast in weiten Teilen mit S235 gearbeitet, beim Starttisch wurde überwiegend S355 eingesetzt. An den Auflagern kamen Lagerplatten in S690 zum Einsatz.


Besondere Ingenieurleistungen
Bauseitig wurde für beide Konstruktionen eine Konzeptplanung beigestellt. Außerdem waren Randbedingungen wir Transportabmessungen, Hubgewichte und Montagemöglichkeiten zu berücksichtigen. Alle Anforderungen waren dabei im Zusammenhang mit den Toleranzvorgaben zu betrachten.
Der Mast wurde in 17 Schüsse geteilt, die auf der Baustelle passgenau zusammengebaut werden mussten. Die Stoßplatten, die pro Seitenwand bis zu 72 HV-Schrauben beinhalten, wurden gemeinsam gebohrt und anschließend gefräst. Die einzelnen Seitenwände wurden in der Werkstatt separat vorgefertigt, dann zu einem Schuss zusammengebaut und im Anschluss auf den Schuss darunter vormontiert und vermessen. Diese detaillierte Fertigungsplanung gewährleistet die schnelle und sichere Montage.
Technische Herausforderung waren zudem die Schnittstellen zum Fundament und zu den Betankungsarmen. Aufgrund der Lasten beim Raketenstart muss am Fußpunkt ein Moment von 200.000 KNm verankert werden. Die geometrischen Randbedingungen erforderten eine Aufweitung des Fußpunktes mit komplexer Aussteifung, so dass die Lasten mittig in die darunter stehende ein Meter dicke Betonwand eingeleitet werden konnte.
Die großen Lasten aus den Betankungsarmen mussten an die 20 mm starke Außenwand des Mastes angeschlossen werden. Außen war keine Lastaufnahmekonstruktion möglich und auch im Innenbereich des Mastes stand nur 230 mm Konstruktionsraum zur Verfügung, um eine Anschlusskonstruktion für die Bolzenverbindung unter zu bringen.
Die Fertigung des Tisches erfolgte ebenfalls in einzelnen Segmenten. Eine komplette Vormontage im Werk war erforderlich, um sicherzustellen, dass die auf der Baustelle verschweißte Konstruktion die geforderte Maßhaltigkeit erreicht. Die Montage des Tisches erfolgte auf einem Vormontageplatz neben der eigentlichen Endposition. Nach Fertigstellung und Vermessung wurde der Tisch mit SPMTs (Motorisierte Transport-Platform) in die Endposition verfahren und dann auf die Lager abgesenkt. Die Lagerpunkte wurden vorher exakt eingemessen, die Lager entsprechend eingebaut und vergossen. Die Kontaktlager wurden über keilförmige Lagerplatten exakt nach der Positionierung des Tisches ausgerichtet.
Die höchsten Anforderungen an die Genauigkeit waren an die Schienen zum Verfahren der Boosterpaletten und an die Adapter gestellt. Während die Adapter gefräst werden konnten mussten die Schienen für die Paletten vergossen werden. Es wurde also eine Konstruktion entwickelt, die die vertikalen und horizontalen Lasten aufnehmen kann und die ein Ausrichten mit einer Genauigkeit von 1/10 mm erlaubt.

 

Zusammenfassung
Die beiden zentralen Bauwerke der Startanlage, der Starttisch und der Versorgungsmast, stellten komplexe Anforderungen an Statik, Konstruktion, Fertigung, Transport und Montage. Die Belastung auf die Konstruktionen während eines Startvorgangs ist außergewöhnlich: dabei muss die volle Funktionalität gewährleistet bleiben. In der Konstruktion mussten sowohl die Schnittstellen zur Raketentechnik berücksichtigt als auch alle Anforderungen an die Baubarkeit beachtet werden. Die Einhaltung der Toleranzen und das Sicherstellen einer einfachen Montage auf der Baustelle waren In der Fertigung die maßgebenden Anforderungen. Dabei wurden die Bauwerke so zerlegt, dass ein Transport über Straße und Schiff nach Frz. Guyana möglich war. Auf der Baustelle wurde der Tisch nach dem Zusammenbau und dem vollständigen Verschweißen noch verfahren und millimetergenau in die endgültige Position abgesenkt., Der Mast konnte am Fußpunkt und an den ersten Stößen so genau ausgerichtet werden, dass an der Spitze die vorgegebenen Toleranzen eingehalten wurden. Die Koordination mit der Montage der Ausrüstungskomponenten bringt das Projekt dann zu einem erfolgreichen Abschluss.
Alle Herausforderungen konnten mit unseren Auftraggebern MT und CNES in vielen Diskussionen und nach intensiven Prüfungen gelöst und zum Abschluss gebracht werden.

 

Fertigstellung
2019
Architekt
CNES Centre national d'études spatiales
Ingenieur
Dipl.-Ing. Thorsten Nicolay Donges SteelTec GmbH
Bauherr
ESA European Space Agency