Automated Transfer Vehicle (ATV)

14.04.2006 / Autor: Michael Schumacher und Michael Stein

Das ATV der ESA ist eine unbemannte Erdorbitstufe für das Startfahrzeug Ariane 5. Anfang März wurde ein für die Kommunikation zwischen Internationaler Raumstation (ISS) und dem Raumtransporter ATV vorgesehenes Funksystem erfolgreich getestet.

Orbitale Piruetten für das ATV (Michael Stein / April 2006)
Bei der Versorgung der ISS spielt der europäische Raumtransporter ATV (= Automated Transfer Vehicle) in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle. Bisher wird die Internationale Raumstation ausschließlich von amerikanischen Space Shuttles sowie unbemannten russischen Progress-Transportern mit Versorgungsgütern und Ersatzteilen beliefert. Auch der Abtransport nicht mehr benötigter Hardware sowie des angefallenen Mülls wird von diesen beiden Transportsystemen übernommen. Doch schon von Beginn der ISS-Planungen an war der Einsatz unbemannter japanischer und europäischer Raumtransporter zur Versorgung der ISS-Besatzungen fest eingeplant. Dafür gibt es gleich mehrere handfeste Gründe: Nach den Erfahrungen der ersten Jahre des Shuttle-Betriebs war allen Beteiligten klar, dass eine hauptsächlich auf den amerikanischen Raumfähren basierende Versorgung des orbitalen Forschungslabors schlicht zu teuer werden würde. Außerdem ist die ISS ein internationales Projekt, zu dem natürlich auch die europäische und japanische Seite ihren Betrag leisten sollen und wollen. Und nicht zuletzt bedeutet die Entwicklung eines eigenen Transportsystems auch ein weiteres Stück Autonomie für die europäische Raumfahrt.

Das ATV im Anflug auf die ISS.
(Grafik: ESA)

Nach der Columbia-Katastrophe (Februar 2003) ist die Bedeutung des ATV für die zukünftige Versorgung der ISS noch angestiegen, denn der erst vor wenigen Wochen von den Spitzen der beteiligten Raumfahrtagenturen beschlossene neue ISS-Aufbauplan sieht kaum noch so genannte Logistikflüge der amerikanischen Raumfähren zur ISS vor. Die risikoreichen Flüge der Shuttle-Flotte sollen auf ein für den Abschluss des ISS-Aufbaus notwendiges Minimum reduziert werden; der Einsatz der Raumfähren ist zu riskant (und kostspielig), um damit Versorgungsgüter in den Erdorbit zu transportieren. Außerdem sehen die Planungen der NASA die Außerdienststellung aller Raumfähren bis 2010 vor, so dass spätestens von diesem Zeitpunkt an die Versorgung der zukünftig sechsköpfigen ISS-Besatzungen vollständig von unbemannten Transportsystemen wie dem ATV übernommen werden muss.

Ursprünglich sollte der Start des ersten, auf den Namen Jules Verne getauften ATV im Frühjahr 2006 erfolgen. Vor allem aufgrund von Softwareproblemen musste dieser Termin jedoch auf Mai 2007 - so die derzeitigen Planungen - verschoben werden. Jules Verne befindet sich derzeit im ESTEC, dem Technologiezentrum der ESA in den Niederlanden. Doch die Vorbereitungen auf den Flug des Transportraumschiffs laufen nicht nur am Boden auf Höchsttouren: Im Rahmen dieser Aktivitäten wurde Anfang März auch der so genannte "Proximity Communication Link" erfolgreich zwischen ISS und zwei ESA-Bodenstationen getestet.

Hinter dieser Bezeichnung verbirgt sich ein Kommunikationssystem, das eine Datenverbindung zwischen dem ATV und der Internationalen Raumstation während der Annäherungsphase herstellt. Das ATV wird sich üblicherweise vollautomatisch der ISS nähern und ohne menschliches Zutun am russischen Servicemodul Swjesda ankoppeln. Sobald das Transportraumschiff sich der ISS auf 100 bis 30 Kilometer Entfernung angenähert hat, tritt der Proximity Communication Link in Aktion: Über diese Funkverbindung werden mit einer Übertragungsrate von 20 kBaud Telemetriedaten zwischen dem Orbitallabor und dem ATV ausgetauscht. Somit kann die Besatzung an Bord der Raumstation permanent verfolgen, ob der Anflug des Transporters mit gut 20 Tonnen Masse planmäßig verläuft.

Von existenzieller Bedeutung wird die Funkverbindung, falls einmal - allen eingebauten Sicherheitssystemen zum Trotz - die automatische Navigation versagen und ein Zusammenprall des ATV mit der ISS drohen sollte: Der Proximity Communication Link erlaubt es der ISS-Besatzung, in jeder Phase des Anflugs die Kontrolle über das Transportraumschiff zu übernehmen und es manuell zu steuern. Nach erfolgter Ankopplung der Transporters an die Raumstation wird das Funksystem wieder für die nächsten sechs Monate deaktiviert. Kurz vor der Abtrennung des ATVs von der ISS wird das Kommunikationssystem dann wieder hochgefahren. Zu diesem Zweck muss jedes Mal eine "Proximity Communication Equipment" (PCE) genannte Elektronikbox von der Größe eines Tischkühlschranks mit den Systemen der ISS verbunden und aktiviert werden. Die Außenantennen des Proximity Communication Link sind im Rahmen eines "Weltraumspaziergangs" der damaligen ISS-Besatzung bereits im September 2004 neben der Schleuse am Ende des russischen Moduls Swjesda installiert worden, wo ab dem kommenden Jahr die ATVs an die Raumstation andocken werden (jedes ATV wird mit zwei 19 Zentimeter durchmessenden Antennen ausgestattet sein).

Das gesamte Proximity Communication Link - bestehend aus dem PCE und den Antennen an der Außenhülle der Raumstation - wird fünf Tage vor dem Start jedes ATV getestet werden; nur bei erfolgreichem Verlauf dieses Tests erhalten die Transportraumschiffe die Startfreigabe. Ein ebensolcher Test konnte von der ESA vor einigen Wochen nun erstmals mit Erfolg durchgeführt werden. Außer den auf der ISS installierten Komponenten des Proximity Communication Link haben zwei Bodenstationen der ESA in Spanien an dem Test Anfang März teilgenommen: Die 15 Meter durchmessenden Parabolantennen der Stationen Maspalomas (im Süden von Gran Canaria) sowie Villafranca (bei Madrid) empfingen für rund 40 Minuten während dreier Überflüge der ISS das Funksignal des Proximity Communication Link "laut und deutlich - trotz eines Sandsturms über Maspalomas zur Empfangszeit", wie der für das ATV-Kommunikationssystem verantwortliche ESA-Mitarbeiter Detlef Otto betonte. Die beiden Bodenstationen simulierten bei diesem Test die Antennen des ATV.

Einige Tage vor dem Test musste die Elektronikbox PCE von der ISS-Besatzung in das russische Servicemodul Swjesda gebracht und dort mit den dafür vorgesehenen Anschlüssen verbunden werden, womit Waleri Tokarew - damaliger Flugingenieur der Raumstation - rund einen Tag beschäftigt war. Damit der Test durchgeführt werden konnte, wurde die Internationale Raumstation mit über 180 Tonnen Masse um 90 Grad gedreht, so dass das russische Service-Modul Swjesda - und damit auch die Antennen des Proximity Communication Link - zur Erde zeigten. Die Drehung in die für den Test erforderliche Lage und später wieder zurück verbrauchte insgesamt 40 Kilogramm Treibstoff und wurde ferngesteuert von der Erde aus durchgeführt.

Beim ersten Flug eines ATV im nächsten Jahr wird der Proximity Communication Link auch während des Abdockens und des Abflugs aktiviert sein. Später dann wird dieses Kommunikationssystem jedoch wahrscheinlich nur während der Annäherungsphase des Transportraumschiffes an die ISS zum Einsatz kommen. Außer dem nun getesteten Proximity Communication Link verfügt das ATV über ein weiteres Kommunikationssystem, mit dessen Hilfe Telemetriedaten und Befehle während der gesamten Flugphase zwischen dem Tansporter und dem Kontrollzentrum in Darmstadt ausgetauscht werden. Diese Kommunikation läuft sowohl über die Satelliten des Tracking and Data Relay Satellites System der NASA wie auch über den europäischen Kommunikationssatelliten Artemis. Über diesen europäischen Kommunikationssatelliten wird auch der Großteil der Datenübertragung mit dem ATV laufen, solange das Transportraumschiff an der ISS angedockt ist.

Ein ATV über den Wolken der Erde.
(Grafik: ESA)

Allgemeines zum ATV (Michael Schumacher / August 2003)
Im Rahmen der Flüge zur ISS wird es an den hinteren Kopplungsstutzen des Service Module "Swjesda" ankoppeln, um Stückgut, Wasser, Atemluft, Stickstoff und Sauerstoff zu liefern, die Tanks des Lagekontrollsystems mit Treibstoff aufzufüllen und die Bahnhöhe der Raumstation anzuheben sowie nicht länger benötigte Gegenstände von der Raumstation wegzutransportieren.

Sein Moduldesign erlaubt es, dass die einzelnen Raumfahrzeuge für die unter Druck und nicht unter Druck beförderten Frachten wenn erforderlich optimiert werden können. Für die Entwicklung der Treibstofftanks und des unter Druck gesetzten Frachtbehälter zeichnete sich Alenia Aerospazio verantwortlich. Die Versorgungsmissionen sollen regelmäßig alle 15 Monate stattfinden. An Stückgut kann das ATV 1.500 bis 5.500 Kilogramm transportieren, an Wasser bis zu 840 Kilogramm, an Stickstoff, Sauerstoff und Atemluft bis zu 100 Kilogramm, wobei pro Flug nur zwei Gase transportiert werden können, an Treibstoff für das Lagekontrollsystem bis zu 4.500 Kilogramm.

Die Nutzlastkapazität liegt insgesamt bei 7.667 Kilogramm. Der Start des ATV erfolgt mit zusammengefalteten Solarzellenflügeln. Die Stromversorgung wird dabei durch nicht wieder aufladbare Batterien gewährleistet. Entfaltet besitzen die Solarzellenflügel eine Spannweite von 22,3 Metern, die die Energie für die wieder aufladbaren Batterien für die Zeit, in der sich das ATV im Erdschatten befindet, erzeugen.

Der Flug zur ISS erfolgt automatisch. Die Hauptkomponenten des ATV sind das System für den Antrieb und zur Anhebung der Erdorbithöhe, die Avionikausrüstung, das Guidance, Navigation and Control (GN&C) System, das Kommunikationssystem, das System zur Stromerzeugung und –speicherung, das Temperaturregelungssystem sowie das russische System zur Ankopplung und zum Auftanken. Das Hauptantriebsystem besteht aus vier Triebwerksdüsen mit einer Schubkraft von jeweils 490 Newton.

Das Lagekontrollsystem nutzt 28 Triebwerksdüsen mit jeweils 220 Newton Schubkraft. Als Treibstoff kommt Monomethylhydrazin und als Oxydator Stickstofftetroxyd zum Einsatz. Die Kommunikation mit der Erde erfolgt über ein S-Band Communications System über das Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS). Die Kommunikation vom ATV zur ISS erfolgt ebenfalls über ein S-Band Communications System. Zur Navigation wird das Global Positioning System (GPS) genutzt. Die vier Solarzellenflügel bestehen jeweils aus vier Panelen und speichern die gewonnene Energie in wieder aufladbaren Batterien mit 40 Amperestunden.

Das ATV besitzt eine Länge von 9,8 Metern, an der breitesten Stelle einen Durchmesser von 4,5 Metern und eine Trockenmasse von 5.320 Kilogramm. Die Trockenmasse des Frachtbehälters liegt bei 5.150 Kilogramm. Die Gesamtmasse liegt bei 10.990 Kilogramm. Die Zuladung für Verbrauchsgüter und Atemluft liegt bei 2.094 Kilogramm. Die Gesamtmasse des ATV beträgt 13.084 Kilogramm. Es besitzt eine Startmasse von 20.750 Kilogramm und kann 6.500 Kilogramm an verbrauchten Materialien von der ISS wegtransportieren.