Europejski projekt Phoebus, wspólnie rozwijany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), ArianeGroup i MT Aerospace, wchodzi w nową fazę, w której technologia kompozytowa przenosi się z laboratorium na duże, konkretne demonstratory. Cel jest ambitny: zastąpić klasyczne metalowe zbiorniki na górnym stopniu rakiety Ariane 6 zbiornikami z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP), co pozwoli zaoszczędzić kilka ton masy, zapewnić większą wydajność i obniżyć koszty jednego startu. Za pojęciem „czarny górny stopień” kryje się wieloletni rozwój, który łączy materiały, inżynierię kriogeniczną, systemy bezpieczeństwa i logistykę przemysłową od Augsburga i Bremy po Trauen i Lampoldshausen.

Dlaczego w ogóle kompozyty na górnym stopniu?

Każdy zaoszczędzony kilogram masy na górnym stopniu rakiety mnoży się w końcowym ładunku użytecznym. Rozwiązania CFRP, przy odpowiedniej architekturze warstw, matrycy i kontroli produkcji, pozwalają na subtelną równowagę między wytrzymałością, sztywnością i odpornością na ekstremalne temperatury, a wszystko to przy znacznie niższej masie niż w przypadku stopów aluminium lub metali zoptymalizowanych kriogenicznie. W systemach rakietowych już dziś używamy kompozytów do owiewek i dużych silników na paliwo stałe (takich jak P120C), ale użycie kompozytów jako podstawowej struktury zbiorników kriogenicznych jest znacznie trudniejszym zadaniem. Właśnie na tym polu Phoebus podnosi poprzeczkę technologiczną i poziom gotowości (TRL), aby przyszły „Black Upper Stage” mógł zostać faktycznie skomercjalizowany jako następca dzisiejszego górnego stopnia Ariane 6.

Ekstrema ciekłego wodoru: −253 °C i cząsteczka, która znajduje każdą mikropęknięcie

Wodór jest najmniejszą i najbardziej żywiołową cząsteczką we wszechświecie. W rakiecie Ariane 6 jest używany jako paliwo kriogeniczne i utrzymywany w stanie ciekłym w temperaturze około −253 °C, zaledwie dwadzieścia stopni powyżej zera absolutnego. W tych temperaturach większość polimerów i kompozytów staje się bardziej krucha, więc inżynierowie spotykają się z takimi zjawiskami jak mikropęknięcia w matrycy, rozwarstwienie (delaminacja) czy zmiany przepuszczalności. Dodatkowo wodór łatwo dyfunduje przez mikroskopijne ścieżki, więc nawet minimalne wady mogą stać się kanałami wycieku. Konstruktorzy Phoebusa muszą zatem zaprojektować zbiornik, który jednocześnie wytrzyma ekstremalne gradienty temperatury, cykliczne obciążenia ciśnieniowe i naprężenia mechaniczne od wibracji podczas startu.

Od „butelki” do zbiornika o średnicy 2 metrów: droga krok po kroku

Pierwsze eksperymenty w ramach projektu Phoebus wykorzystywały małe demonstratory o pojemności około 60 litrów, tzw. „butelki”, aby udowodnić, że struktura CFRP, przy odpowiedniej architekturze laminatu i procesach obróbki końcowej, może niezawodnie przechowywać ciekły wodór bez przecieków i niepożądanych reakcji. Na tych demonstratorach potwierdzono podstawowe modele materiałowe, skalibrowano parametry dla niskich temperatur i opracowano metodologie badań, które do tej pory istniały głównie tylko dla zbiorników metalowych.

Po „butelkach” następuje ważny krok naprzód: wykonanie zbiornika o średnicy 2 metrów i pojemności prawie 2600 litrów. W tej skali pojawia się cała seria nowych wyzwań, od kontroli tolerancji przy automatycznym układaniu włókien (AFP) i precyzji połączeń, po zarządzanie naprężeniami szczątkowymi po utwardzeniu i integrację przyłączy, zaworów i czujników, które muszą pozostać niezawodne w temperaturze −253 °C.

Produkcja w Augsburgu, testy w Niemczech: kto co robi?

MT Aerospace w Augsburgu realizuje kluczowe etapy produkcji wewnętrznego zbiornika ciśnieniowego (pressure vessel) i powiązanych z nim elementów kompozytowych. Firma zbudowała zdolności do produkcji struktur kompozytowych i zbiorników o średnicy do 3,5 metra, z zaawansowanymi automatycznymi maszynami do układania taśm i przędz oraz systemami natywnej kontroli jakości. ArianeGroup przejmuje odpowiedzialność za testowanie zbiorników, w tym za projektowanie i budowę nowego stanowiska testowego, a także za definiowanie procedur testowych, protokołów bezpieczeństwa i architektury pomiarowej. W zespołach uczestniczą również partnerzy specjalizujący się w inżynierii kriogenicznej i analityce, podczas gdy niektóre weryfikacje możliwości systemu powierzono również instytutom państwowym.

Harmonogram rozwoju: jesień 2025 r., przeglądy do końca roku i testy wiosną 2026 r.

We wrześniu 2025 r. zakończono pierwszy zestaw operacji produkcyjnych na wewnętrznej komorze zbiornika na ciekły wodór o średnicy 2 m. Do grudnia przewidziano zamknięcie fazy produkcyjnej, co obejmuje końcowe owinięcia kompozytowe, kołnierze łączące i przygotowanie do integracji instrumentów. Krytyczny przegląd projektu (CDR) jest planowany do końca 2025 r., aby potwierdzić wszystkie kluczowe założenia konstrukcyjne i dać „zielone światło” dla prac budowlanych na miejscu testowym i instalacji sprzętu. Kampania testowa z ciekłym wodorem jest planowana na kwiecień 2026 r. i będzie prowadzona na stanowisku testowym ArianeGroup w Trauen w Niemczech.

Trauen jako scena kriogeniczna: co to oznacza logistycznie?

Trauen jest częścią niemieckiej sieci zakładów i instalacji specjalizujących się w wodorze: oprócz głównej roli ArianeGroup w Europie, lokalizacja służy jako centrum rozwoju, kwalifikacji i testowania podsystemów, sprzętu i demonstratorów pracujących z ciekłymi mediami kriogenicznymi. Dla Phoebusa oznacza to, że w jednym miejscu zostaną zintegrowane systemy napełniania, towarzystwo zbiorników na gazy obojętne, systemy odpowietrzania i odzysku gazu, infrastruktura ognioodporna i strefy obwodu bezpieczeństwa. Biorąc pod uwagę fakt, że ciekły wodór, mimo temperatury −253 °C, niezwykle łatwo tworzy mieszaniny palne, każda operacja napełniania i testowania odbywa się przy rygorystycznych procedurach i wielowarstwowych barierach bezpieczeństwa.

Jak „słucha się” zbiornika: czujniki, pomiary i modele

Aby zrozumieć zachowanie kompozytowego zbiornika podczas napełniania, szczelnego utrzymywania i opróżniania w temperaturze −253 °C i pod podwyższonym ciśnieniem, konstrukcja jest „posypana” czujnikami. Na i w laminacie znajdują się tensometry, sieci światłowodowe, sondy temperatury, czujniki ciśnienia i bardzo czułe analizatory wycieków. Szczególnym wyzwaniem jest pomiar mikroskopijnych wycieków w warunkach kriogenicznych: gotowych rozwiązań przemysłowych prawie nie ma, więc zespół opracował własne konfiguracje testowe z kalibrowanymi wyciekami, mediami obojętnymi (hel) i algorytmami, które oddzielają szum instrumentalny od rzeczywistych sygnałów. Dane są rejestrowane przy różnych „krokach” obciążenia, aby zmapować miejsca, w których mikropęknięcia pojawiają się najwcześniej, i porównać wyniki z numerycznymi modelami warstwa po warstwie.

Do jakiego etapu dojdziemy w testach: do punktu przed pęknięciem

Plan zakłada „popychanie” zbiornika przez wiele faz, aż do granicznego punktu, w którym zaczną pojawiać się kontrolowane pęknięcia – ale zatrzymanie testu przed całkowitym pęknięciem. Dzięki temu uzyskuje się kluczowe informacje o rezerwach wytrzymałości, progresji uszkodzeń i marginesach bezpieczeństwa w stosunku do rzeczywistych obciążeń podczas przygotowań do startu i w pierwszych minutach lotu. Każdy cykl napełniania i opróżniania jest monitorowany telemetrycznie, a między krokami przeprowadza się szczegółową analizę danych i przegląd struktury za pomocą metod nieniszczących (np. ultradźwięki, termografia, emisja akustyczna).

Równoległy front: zbiorniki tlenu o dużej średnicy

Podczas gdy zbiornik na wodór przechodzi swoją ścieżkę rozwojową, w ramach tego samego programu postępują również demonstratory na ciekły tlen. Tam nacisk kładzie się na podejście bezwykładzinowe (lineless) i potwierdzenie, że CFRP może zawierać LOX bez niepożądanych reakcji i bez wycieków. W poprzednim cyklu produkcyjnym wykonano i ukończono pierwszy zbiornik w pełnej skali o średnicy około 3,5 m, co jest mocnym sygnałem, że rozwiązania kompozytowe w dziedzinie kriogenicznej dojrzewają również przy większych średnicach. Równolegle udoskonala się procesy automatycznego układania warstw oraz systemy kontroli jakości inline, które już podczas układania warstw rozpoznają anomalie i wady.

Od Phoebusa do ICARUS-a: co oznacza „czarny górny stopień”

Phoebus został pomyślany jako demonstrator technologiczny, który kładzie podwaliny pod następną generację górnego stopnia, często wspominaną pod roboczą nazwą ICARUS (Innovative Carbon ARiane Upper Stage). Sukces demonstratorów z wodorem i tlenem otworzyłby drzwi do zintegrowanego górnego stopnia ze zbiornikami kompozytowymi, systemami kriogenicznymi i kompatybilną strukturą, która utrzymuje całkowitą masę na minimalnym poziomie, a funkcjonalność (autonomia, ponowne zapalenie, głębokie opróżnienie) na maksymalnym. Dodatkowo rozważane są implikacje dla architektury linii zasilających, systemów napełniania na platformie startowej i standardów konserwacji w trakcie cyklu życia operacyjnego.

Bezpieczeństwo na pierwszym miejscu: zarządzanie ryzykiem przy ciekłym wodorze

Chociaż wodór w testach jest utrzymywany w ekstremalnie niskiej temperaturze, jego zdolność do zapalenia się w kontakcie z utleniaczem lub iskrą wymaga skrajnej dyscypliny. Kampanie testowe prowadzone są w ścisłych strefach zakazu dostępu, z redundantnymi systemami detekcji wodoru, automatyczną inertyzacją azotem lub helem, szybkimi zaworami upustowymi ciśnienia i systemami przeciwpożarowymi dostosowanymi do warunków kriogenicznych. Każda procedura ma z góry przygotowane scenariusze i punkty przerwania, a zespoły przechodzą wielokrotne próby na sucho przed pierwszym napełnieniem LH₂.

Szerszy obraz przemysłowy: od materiałów do miejsc pracy

Rozwój Phoebusa to nie tylko historia technologiczna: to także program przemysłowy, który umacnia europejską autonomię w dziedzinie kompozytowych zbiorników kriogenicznych. Inwestycje w sprzęt, ludzi i procesy w Augsburgu, Bremie i na niemieckich poligonach testowych wzmacniają łańcuchy dostaw i tworzą warunki, aby Europa sama projektowała, produkowała, testowała i kwalifikowała kluczowe elementy górnych stopni rakiet. W perspektywie długoterminowej wiedza zdobyta w sektorze kosmicznym przenosi się na lotnictwo (inicjatywy dotyczące samolotów na LH₂), energetykę (zbiorniki i rurociągi na wodór) i mobilność (zbiorniki naziemne, logistyka).

Technologia z bliska: co tworzy dobry zbiornik CFRP na LH₂

• Architektura laminatu: precyzyjne układanie orientacji włókien w celu zarządzania anizotropią i zapobiegania „wahaniom” naprężeń wokół otworów i przyłączy.


• Matryca i kompatybilność: system żywiczny, który w temperaturze −253 °C zachowuje ciągliwość i przyczepność do włókien, z minimalną siecią mikropęknięć po utwardzeniu.


• Metody produkcji: automatyczne układanie włókien (AFP/ATL) z nadzorem jakości inline, kontrolowane cykle utwardzania i obróbki cieplne po procesie.


• Przyłącza i przejścia: hybrydy metal-kompozyt, które łagodzą koncentracje naprężeń i zapewniają uszczelnienie przy cyklicznym obciążeniu.


• Warstwy barierowe i przepuszczalność: optymalizacje, które zmniejszają dyfuzję wodoru przez matrycę bez znacznego wzrostu masy.


• Inspekcje NDT: ultradźwięki, termografia i światłowody wbudowane w strukturę do monitorowania uszkodzeń w czasie rzeczywistym.

Czego można oczekiwać od kampanii testowej w kwietniu 2026 r.

Planowana seria testów obejmuje napełnianie i opróżnianie przy zdefiniowanych poziomach ciśnienia, cykle termiczne, testy pod obciążeniem wibracyjnym, a na końcu test zbliżania się do stanów granicznych. Szczególną uwagę poświęca się monitorowaniu „pierwszych pęknięć” – są to mikroskopijne zjawiska wskazujące na miejsca, w których lokalnie gromadzą się naprężenia. Takie obserwacje bezpośrednio wpływają na iteracje projektu i instrukcje produkcyjne, skracając drogę do zbiornika, który z większymi marginesami wytrzymuje rzeczywiste warunki lotu.

Wpływ na operacje Ariane 6 i pozycjonowanie na rynku

Udane przejście na lżejszy górny stopień przynosi podwójną korzyść: większy ładunek użyteczny na docelową orbitę i potencjalnie niższy koszt za kilogram. Dzięki temu Ariane 6 zyskuje dodatkową elastyczność dla konstelacji, misji międzyplanetarnych o bardziej złożonych profilach wtrysku oraz misji wymagających ponownego zapłonu i precyzyjnego zarządzania energią orbitalną. „Czarny górny stopień” byłby również mocnym sygnałem dla rynku, że Europa posiada własne, innowacyjne technologie kompozytowe na poziomie, który rozwiązuje również kriogeniczne wyzwania ciekłego wodoru i tlenu.

Plany do końca 2025 r.: krytyczne decyzje i prace budowlane

Do 31 grudnia 2025 r. przewidziany jest krytyczny przegląd projektu infrastruktury testowej i zbiornika, po czym nastąpi rozpoczęcie prac budowlanych i instalacji specjalistycznego sprzętu na miejscu. Dokumentacja musi potwierdzić, że spełnione są wszystkie kryteria bezpieczeństwa, że scenariusz testowania jest wykonalny i że marginesy są zgodne z celami programu. Otwiera to drogę do wiosennego harmonogramu testów z ciekłym wodorem w kwietniu 2026 r.

Jak ta historia wpisuje się w FLPP: program, który zmniejsza ryzyko przyszłości

Phoebus jest częścią programu FLPP (Future Launchers Preparatory Programme) ESA, którego rolą jest zmniejszenie ryzyka technicznego i rozwojowego przed wejściem w kosztowne fazy produkcji seryjnej i operacji. Poprzez FLPP finansuje się i koordynuje demonstratory, przeprowadza weryfikacje, ustanawia standardy i przekazuje wiedzę między partnerami przemysłowymi. Ustanowiono ramy, w których nowe technologie – takie jak kriogeniczne zbiorniki CFRP – mogą zostać udowodnione w terenie, a następnie włączone do rzeczywistych systemów z wyraźnymi efektami rynkowymi.

Czego nauczyliśmy się na małych demonstratorach i dlaczego jest to ważne

„Butelka” o pojemności 60 litrów to nie tylko symboliczny krok, ale także kluczowy krok do walidacji podstawowych założeń fizycznych: jak mikropęknięcia rozwijają się w temperaturach kriogenicznych, jak zmiany parametrów procesu produkcyjnego wpływają na przepuszczalność, jak bardzo pomagają warstwy barierowe i w których miejscach należy wzmocnić laminat wokół przyłączy. Te lekcje stanowią rdzeń wiedzy, która jest następnie skalowana na zbiorniki o średnicy 2 m i większe, przy stałym dostosowywaniu modeli komputerowych do wyników badań.

Sprzęt, który robi różnicę: od AFP do cyfrowej weryfikacji jakości

Do produkcji dużych zbiorników kompozytowych kluczowa jest automatyzacja. Maszyny do automatycznego układania włókien (AFP/ATL) pracują z dużą precyzją, ale dla zbiorników kriogenicznych potrzebne jest dodatkowe „oko w czasie rzeczywistym”. Wbudowane systemy inspekcji wizualnej i termicznej podczas produkcji pozwalają na rozpoznanie wad na warstwie, na której powstały, zanim zostaną ukryte przez głębsze warstwy. Równolegle prowadzone jest cyfrowe rejestrowanie procesu – cyfrowy wątek – który później ułatwia korelację między wadami, procesami i zachowaniem zbiornika podczas testu.

Integracja z systemami rakietowymi: to nie tylko zbiornik, ale cały ekosystem

Zbiornik kompozytowy zmienia również inne części górnego stopnia: od przewodów i zaworów kriogenicznych, przez izolację i rozwiązania przeciw gejzerom, po sposób zarządzania odparowywaniem (boil-off) i relaksacją ciśnienia na stanowisku startowym. W grę wchodzą subtelne decyzje o tym, gdzie umieścić czujniki, jak poprowadzić kable i światłowody, aby wytrzymały wibracje i naprężenia termiczne, oraz jak rozwiązać przyłącza serwisowe, które są kompatybilne z istniejącym sprzętem naziemnym do napełniania. Wszystko to musi zmieścić się w masie i objętości, które mają sens dla wydajności misji.

Perspektywa ekologiczna: wodór, emisje i przyszła mobilność

Chociaż emisje rakietowe są specyficzne i stanowią niewielki udział w globalnych statystykach, technologie opracowane do bezpiecznego obchodzenia się z ciekłym wodorem i lekkimi zbiornikami kriogenicznymi będą miały szerszy wpływ. Wiedza o barierach przepuszczalności, strefach bezpieczeństwa, inertyzacji i wykrywaniu wycieków przeniesie się na lotnictwo, które bada wodór jako paliwo, ale także na mobilność lądową i infrastrukturę energetyczną, gdzie kluczowe jest zmniejszenie strat i ryzyka w całym łańcuchu.

Co nastąpi po kwietniu 2026 r.: droga do kwalifikacji

Jeśli wyniki pokażą, że kompozytowy zbiornik na wodór spełnia kryteria szczelności, wytrzymałości i trwałości przy akceptowalnych marginesach, kolejne kroki będą prowadzić do rozszerzonych kampanii testowych, w tym testów długotrwałego przechowywania ciekłego wodoru, cykli termomechanicznych o dużej liczbie powtórzeń oraz kontroli integracyjnych na poziomie systemu górnego stopnia. Równolegle optymalizowana będzie produkcja, poszukiwane będą miejsca na dalsze oszczędności masy i finalizowane będą standardy, które będą towarzyszyć przejściu od demonstratora do konfiguracji kwalifikowanej do lotu.

Kluczowe punkty w jednym miejscu

• Rozwój kompozytowych zbiorników na ciekły wodór i tlen dla górnego stopnia Ariane 6 w celu znacznej oszczędności masy.


• Produkcja wewnętrznego zbiornika ciśnieniowego o średnicy 2 m zakończyła pierwsze fazy we wrześniu 2025 r.; zakończenie produkcji planowane do grudnia.


• Krytyczny przegląd projektu do końca 2025 r. umożliwi rozpoczęcie prac budowlanych na miejscu testowym.


• Kampania testowa z ciekłym wodorem jest planowana na kwiecień 2026 r. w Trauen (Niemcy); scenariusz obejmuje stopniowe zbliżanie się do punktu przed pęknięciem.


• Równolegle postępuje również bezwykładzinowy zbiornik LOX w pełnej skali (ok. 3,5 m średnicy), co potwierdza dojrzałość rozwiązań CFRP w warunkach kriogenicznych.


• Projekt jest częścią programu FLPP ESA i buduje europejską autonomię w krytycznych technologiach przyszłych systemów nośnych.

Słowniczek pojęć dla szybszego rozeznania

• CFRP (Carbon-Fibre Reinforced Plastic) – tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym; wysoki stosunek wytrzymałości do masy.


• Zbiornik kriogeniczny – zbiornik na ultra-zimne ciecze (LH₂, LOX) w temperaturach poniżej −150 °C.


• Lineless – konstrukcja zbiornika bez wewnętrznej metalowej/plastikowej wykładziny; kompozyt bezpośrednio przechowuje ciecz kriogeniczną.


• CDR (Critical Design Review) – formalny przegląd, który potwierdza, że projekt jest gotowy na następną fazę.


• AFP/ATL – zautomatyzowane metody układania włókien lub taśm kompozytowych z wysokim stopniem powtarzalności.