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Autor: Thomas Wehr / 21. April 2010, 08:05 Uhr

Besserer MMOD-Schutz vermied Discoverys Notlandung

Während Discoverys STS-128-Mission (August-September 2009) wurde der Radiator des Shuttles von einem Mikrometeoriten oder Weltraummüllpartikel getroffen. Nähere, jetzt erst bekannt gewordene Untersuchungen ergaben, dass durch den Verbesserungsprozess eine Notlandung des Shuttles vermieden wurde.

Quelle: NASA: Orbital Debris Programm Office
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Während der Flugabschlussuntersuchung vom Space Shuttle Discovery, nach Ihrem Flug im August/September 2009, wurden 14 Mikrometeoriten- und Weltraummüll-Treffer (MMOD - micrometeoroid and orbital debris) auf dem Kabinenfenster, bis zu 16 Treffer an Flügelkante und Nase und 21 Treffer an den Nutzlastbucht-Kühlradiatoren gefunden.

Einer der Treffer ist vielleicht der bedeutendste, weil er eine 10 Jahre alte Erfolgsgeschichte aufdeckt, so das Orbital Debris Programm Office. Obwohl nicht der größte Krater, lag die Einschlagstelle des MMOD-Treffers an einer strategisch wichtigen Stelle, wo eine Kühlflüssigkeitsröhre an der Radiatorrückwand mit dem Radiator verbunden war.

NASA

Bild vergrößernBild 1: Einschlagskrater am inneren der Ladebuchttore des Shuttles. Der Einschlag traf den sogenannten Aluminium Doppler direkt über einer FREON Kühlmittelleitung, die zur Kühlung der Bordelektronik dient.
(Bild: NASA)
Dieser Einschlagskrater ist deshalb so bedeutend, zeigt er doch, wie richtig die Entscheidung in den 1990er Jahren war, die Shuttle-Flotte stärker gegen MMOD-Treffer abzusichern, ohne welche die FREON-Kühlmittelleitung gebrochen und das Shuttle durch die entsprechenden Flugrichtlinien, innerhalb von 24 Stunden, zu einer Rückkehr zu einer primären Landebahn (Primary Landing Site - PLS) gezwungen wäre. Das Resultat wäre unter Umständen ein Missionsverlust (lost-of-mission) - ein Abbruch der Mission, ohne die Missionsziele auch nur annähernd erreicht zu haben.

Das Space Shuttle wurde in den 1970ern entwickelt, zu einer Zeit, wo menschlich hergestellter Weltraummüll noch weitestgehend unbemerkt war. Somit wurde das Shuttle nur mit Mikrometeoritenschutz ausgestattet. Das führte dazu, dass sich sehr schnell Beschädigungen durch Weltraummüll zeigten. Der erste bemerkenswerte Treffer war eine 0,2 mm große Delle an einem Fenster, während der STS-7-Mission (1983), welche dafür sorgte, dass das Fenster für den nächsten Flug ausgetauscht werden musste.

In den frühen 1990ern führte die NASA den sogenannten BUMPER-Code in Ihre Simulationsmodelle ein, mit welchem das Beschädigungsrisiko verschiedener Flächen eines Raumfahzeuges in Abhängigkeit von Orbit und Flugrichtung durch MMOD ermittelt werden konnte.

Analysen zeigten, dass das Beschädigungsrisiko des Shuttle extrem von Fluglage und Ausrichtung abhängig war. Die höchste Verwundbarkeit, welche zu einem sofortigen Missionsabbruch führt, war die Kühlschleife, welche nahe der Radiatoroberfläche verlegt ist.

Zu dieser Zeit gab es für das Hitze-Abstrahlsystem des Shuttles zwei Freon-Kühlmittelschleifen (F21), welche durch die Radiatoren an der Ladebucht zu den Vorratstanks geführt wurden. Es gab keinerlei Vorkehrungen Lecks im System abzuschotten. Die Beschädigung einer Kühlmittelleitung führte zum Verlust eines kompletten Kühlstranges und damit zur Abschaltung etwa der Hälfte der Bordelektronik in der Kabine.

Die damals existierenden Flugrichtlinien forderten in einer solchen Situation den umgehenden Missionsabbruch und die Rückkehr zur nächstmöglichen "Primary Landing Site".

Ein Leck in einer Kühlmittelleitung führt zu einem schnellen Verlust der Kälteleistung, welche ein sequetielles Abschalten der Bordelektronik notwendig macht und damit das Reaktionsvermögen, unter anderem beim Wiedereintritt, auf andere Anomalien in dieser kritischen Missionsphase stark einschränkt, da die Redundanz in der Bordelektronik verlorengeht.

Die BUMPER-Vorhersagen wurden, im Rahmen des ersten Fluges des U.S. Mikrogravitätslabors (USML-1) während STS-50 im Jahre 1992 einem Test unterzogen.

Eins der Experimente bedingte, dass das Shuttle mit der Nase nach oben und der Nutzlastbucht in Richtung des Geschwindigkeitsvektors 10 Tage der 14-tägigen Mission fliegen musste.

Nach umfangreichen Diskussionen mit den Shuttle-Managern und Einschlag-Tests auf verschiedenen Komponenten des Raumschiffs, welche sich in der Nutzlastbucht des Orbiters befanden, wurde entschieden, die Mission wie geplant zu fliegen.

Glücklicherweise traf kein MMOD-Einschlag die Kühlleitungen. Jedoch zeigte die Nach-Flug-Untersuchung der Radiatoren, dass das MMOD-Einschlagsbild dem der BUMPER-Vorhersage sehr nahe kam und weitaus mehr Treffer zu verzeichnen waren, als bei Shuttle Missionen, bei denen die Nutzlastbucht zur Erde zeigte.

Somit traten nach STS-50 neue Flugregeln in Kraft, welche das Shuttle nötigten mit dem Heck voraus und der Ladebucht zur Erde gewandt zu fliegen, sofern von Nutzlast oder Orbiter keinerlei andere Anforderung ausgingen.

Diese Regeln funktionierten gut, solange das Shuttle unabhängig flog. Flüge zur russischen Raumstation MIR oder zur Internationalen Raumstation ISS setzten das Kühlsystem einem höheren MMOD-Einschlags-Risiko während der gekoppelten Phase aus.

1997 wurden durch das Space-Shuttle-Programm Modifikationen an den Orbitern genehmigt, um sie stärker gegen die anwachsende MMOD-Umgebung zu schützen.

Drei dieser Modifikationen betrafen das Freon-Kühlsystem, wobei zwei durch STS 128 kritisch geprüft wurden.

Quelle: NASA

Bild vergrößernBild 2 a/b: Schnitt durch den Radiator des Shuttles vor (a) und nach (b) der Modifikation. Klar erkennbar der wabenförmige Trägerkörper, in den die Kältemittelleitung eingelassen wurde, welche in Verbindung mit der abstrahlenden Deckschicht steht. Im rechten Bildteil (b) findet man die Modifikation, eine zusätzlich über der Kälteleitung aufgebrachte Aluminiumschicht, der sogenannte "Aluminium Doppler".
(Bild: NASA)

Zum Einen wurde ein Extra-Layer, eine 0,5 mm dicke Aluminiumschicht (aluminium doubler - Aluminium Doppler) auf dem Radiator, direkt über den Kältemittelleitungen aufgebracht (Bild 2b). Außerdem wurden automatische Trennventile in die Kältemittelleitungen eingefügt, die das Gesamtsystem von einem evtuellen Leck in einem Radiator abtrennen und somit schützen sollen.

Somit soll genügend Freon zurückgehalten werden, um die Kühlung aller Bordelektronik während des Wiedereintritts zu gewährleisten und die Wärme an das "flash evaporator system" abzugeben.

Wenn also genügend Kühlmittel am Austritt gehindert werden konnte, ist eine vorzeitige Rückkehr unnötig.

Die Modifikationen wurden im Rahmen von Routinewartungen der Shuttle-Flotte zwischen 1998 und 1999 vorgenommen. Diese vor 11 Jahren getätigten Modifikationen retteten die STS-128-Mission, so die Orbital Debris Quarterly News, vor dem vorzeitigen Ende.

NASA

Bild vergrößernBild 3: Einschlagssimulation zur Überprüfung der Simulationsparameter. 2 Mikrosekunden nach dem Einschlag zeigt sich, dass dieser durch das Wärme-Tape (grün) ging und durch den Aluminium-Doppler (rot) ausreichend gebremst wurde.
(Bild: NASA)

Während der STS-128-Mission traf ein Weltraummüllpartikel den "aluminium doubler", jenes während der Modifikation über der Kältemittelleitung aufgebrachte Aluminium-Material direkt über der FREON-Leitung. Simulationen ergaben, dass die Leitung ohne den "aluminium doubler" gebrochen wäre. Ohne die zweite Modifikation, "Begrenzung der Leckagen auf die Radiator-Paneele", wäre alles unter Druck stehende Kühlmittel entwichen und hätte das Shuttle innerhalb von 24 Stunden zur Landung mit halbierter Bordelektronik gezwungen.

Quelle: NASA

Bild vergrößernBild 4: Einschlagssimulation wie Bild 3, jedoch ohne den zusätzlichen Schutz durch den Aluminiumstreifen über der Kälteleitung. Das Partikel dringt durch das Wärme-Tape (grün) und das Frontpaneel (gelb) des Radiators und trifft die Kälteleitung (hellblau), die daraufhin bricht.
(Bild: NASA)

Nur durch die Zusammenarbeit folgender Teams wurde dieser Erfolg sichtbar
  • NASA Orbital Debris und Space Shuttle Management Teams
  • Das Orbital Debris Program Office erstellte das Weltraummüll-Flussmodell anhand von wissenschaftlichen Modellen und Messdaten.
  • Das Hypervelocity Impact Technology Facility (HITF) Team, welches den BUMPER-Code einsetzte und somit die Anfälligkeit des Kühlsystems und dessen missionskritische Bedeutung demonstrierte
  • Das Space Shuttle Program Management, welches sich unter angespannten ökonomischen Bedingungen für eine Erweiterung der Orbitersicherheit entschied
Modifikationen, die sich erst ein Jahrzehnt später auszahlten ...

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