Quelle: NASA, 5. Dezember 2024.

5. Dezember 2024 – Bei der Rückkehr der Orion von ihrer unbemannten Mission um den Mond stellten die Ingenieure fest, dass Gase, die im Inneren des Avcoat genannten ablativen Außenmaterials des Hitzeschilds entstanden waren, nicht wie erwartet entweichen und abfließen konnten. Dadurch baute sich Druck auf und es kam zu Rissen, so dass an mehreren Stellen verkohltes Material abbrach.

„Unsere frühen Artemis-Flüge sind eine Testkampagne, und der Artemis I-Testflug gab uns die Möglichkeit, unsere Systeme in der tiefen Weltraumumgebung zu testen, bevor wir bei künftigen Missionen eine Besatzung mitnehmen“, sagte Amit Kshatriya, Deputy Associate Administrator, Moon to Mars Program Office, NASA Headquarters in Washington. „Die Untersuchung des Hitzeschilds hat dazu beigetragen, dass wir die Ursache und die Art des Problems sowie das Risiko, das wir unseren Besatzungen zumuten, wenn sie sich auf den Mond begeben, vollständig verstehen.“

Ergebnisse

Die Teams gingen methodisch vor, um die Ursache des Verlustes von ablativem Material zu verstehen und zu ermitteln. Dazu gehörten detaillierte Proben des Hitzeschilds von Artemis I, die Auswertung von Bildern und Daten von Sensoren auf dem Raumfahrzeug sowie umfassende Tests und Analysen am Boden.

Während Artemis I verwendeten die Ingenieure die Technik des „Skip Guidance Entry“, um Orion zur Erde zurückzubringen. Diese Technik bietet mehr Flexibilität, da sie die Reichweite von Orion nach dem Wiedereintritt zu einem Landeplatz im Pazifischen Ozean vergrößert. Bei diesem Manöver tauchte Orion in den oberen Teil der Erdatmosphäre ein und nutzte den atmosphärischen Luftwiderstand zur Verlangsamung. Anschließend nutzte Orion den aerodynamischen Auftrieb der Kapsel, um wieder aus der Atmosphäre zu entkommen, und trat dann für den endgültigen Abstieg mit Fallschirmen zur Wasserlandung wieder ein.

Anhand der Daten über die Reaktion des Avcoat-Materials von Artemis I konnte das Untersuchungsteam die Umgebung der Eintrittsbahn von Artemis I – ein Schlüsselelement für das Verständnis der Ursache des Problems – in den Arc-Jet-Anlagen des Ames Research Center der NASA in Kalifornien nachstellen. Sie beobachteten, dass in der Zeit zwischen den Eintauchvorgängen in die Atmosphäre die Heizraten sanken und sich die Wärmeenergie im Avcoat-Material des Hitzeschilds ansammelte. Dies führte zur Ansammlung von Gasen, die Teil des erwarteten Ablationsprozesses sind. Da das Avcoat keine „Permeabilität“ aufwies, baute sich ein Innendruck auf, der zu Rissen und ungleichmäßiger Ablösung der äußeren Schicht führte.

Die Teams führten umfangreiche Bodentests durch, um das Phänomen des „Skip“ vor der Artemis I Mission zu reproduzieren. Sie testeten jedoch mit viel höheren Heizraten, als das Raumfahrzeug während des Fluges erlebte. Die hohen Heizraten, die am Boden getestet wurden, ermöglichten es einer durchlässigen Verkohlung, sich zu bilden und wie erwartet abzutragen, wodurch der Gasdruck abgebaut wurde. Die weniger starke Erhitzung während des tatsächlichen Wiedereintritts von Artemis I verlangsamte den Prozess der Verkohlung, erzeugte aber dennoch Gase in der Verkohlungsschicht. Der Gasdruck baute sich bis zu dem Punkt auf, an dem der Avcoat zerbrach und Teile der verkohlten Schicht freigesetzt wurden. Jüngste Verbesserungen an der Arc-Jet-Anlage ermöglichten eine genauere Reproduktion der von Artemis I gemessenen Flugbedingungen, so dass dieses Rissverhalten bei Bodentests nachgewiesen werden konnte.

Obwohl Artemis I unbemannt war, zeigten die Flugdaten, dass eine Besatzung sicher gewesen wäre, wenn sie an Bord gewesen wäre. Die Temperaturdaten der Systeme des Besatzungsmoduls in der Kabine lagen ebenfalls innerhalb der Grenzwerte und bewegten sich konstant in einem Bereich um 25 Grad Celsius. Die thermische Leistung des Hitzeschilds übertraf die Erwartungen.

Die Ingenieure verstehen sowohl das Materialphänomen als auch die Umgebung, mit der die Materialien während des Eintritts interagieren. Wenn sie das Material oder die Umgebung verändern, können sie vorhersagen, wie das Raumfahrzeug reagieren wird. Die NASA-Teams waren sich einig, dass die Agentur ein akzeptables Flugkonzept entwickeln kann, das die Sicherheit der Besatzung gewährleistet, indem sie den aktuellen Hitzeschild Artemis II mit betrieblichen Änderungen für den Eintritt verwendet.

Der Untersuchungsprozess der NASA

Kurz nachdem die NASA-Ingenieure den Zustand des Hitzeschilds von Artemis I entdeckt hatten, begann die Behörde mit einer umfassenden Untersuchung, an der ein multidisziplinäres Team von Experten für Wärmeschutzsysteme, Aerothermodynamik, thermische Tests und Analysen, Belastungsanalysen, Materialtests und -analysen sowie viele andere verwandte technische Bereiche beteiligt war. Das Engineering and Safety Center der NASA wurde ebenfalls hinzugezogen, um technisches Fachwissen zu liefern, einschließlich zerstörungsfreier Bewertung, thermischer und struktureller Analyse, Fehlerbaumanalyse und anderer Testunterstützung.

„Wir haben den Prozess zur Untersuchung des Hitzeschilds sehr ernst genommen, wobei die Sicherheit der Besatzung die treibende Kraft hinter der Untersuchung war“, sagte Howard Hu, Manager des Orion-Programms im Johnson Space Center der NASA in Houston. „Der Prozess war sehr umfangreich. Wir haben dem Team die Zeit gegeben, die es brauchte, um alle möglichen Ursachen zu untersuchen, und sie haben unermüdlich gearbeitet, um sicherzustellen, dass wir das Phänomen verstehen und die notwendigen Schritte unternehmen, um dieses Problem für zukünftige Missionen zu entschärfen.“

Der Hitzeschild von Artemis I wurde während des Fluges mit Drucksensoren, Dehnungsmessern und Thermoelementen in unterschiedlichen Tiefen des Ablationsmaterials ausgestattet. Die Daten dieser Instrumente ergänzten die Analyse der physikalischen Proben und ermöglichten dem Team die Validierung von Computermodellen, die Erstellung von Umweltrekonstruktionen, die Erstellung von internen Temperaturprofilen und einen Einblick in den Zeitpunkt des Verkohlungsverlustes.

Etwa 200 Avcoat-Proben wurden aus dem Hitzeschild von Artemis I im Marshall Space Flight Center der NASA in Alabama entnommen, um sie zu analysieren und zu untersuchen. Das Team führte eine zerstörungsfreie Bewertung durch, um in das Innere des Hitzeschilds zu sehen“.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus der Untersuchung dieser Proben war, dass lokale Bereiche mit durchlässigem Avcoat, die vor dem Flug identifiziert worden waren, keine Risse oder Verkohlungsverluste aufwiesen. Da diese Bereiche zu Beginn des Eintritts durchlässig waren, konnten die durch die Ablation erzeugten Gase ausreichend entweichen, wodurch Druckaufbau, Risse und Verkohlungsverluste vermieden wurden.

Zur Unterstützung der Ursachenanalyse führten die Ingenieure nach dem Flug acht separate thermische Testkampagnen durch, wobei 121 einzelne Tests durchgeführt wurden. Diese Tests fanden in Einrichtungen mit einzigartigen Fähigkeiten im ganzen Land statt, darunter die Aerodynamic Heating Facility im Arc-Jet Complex in Ames zur Prüfung konvektiver Erwärmungsprofile mit verschiedenen Prüfgasen, das Laser Hardened Materials Evaluation Laboratory auf der Wright-Patterson Air Force Base in Ohio zur Prüfung von Strahlungserwärmungsprofilen und zur Bereitstellung von Echtzeit-Radiographie sowie die Interaction Heating Facility in Ames zur Prüfung kombinierter konvektiver und strahlender Erwärmungsprofile in der Luft im Maßstab eines ganzen Blocks.

Die Aerothermieexperten führten auch zwei Hyperschall-Windkanal-Testkampagnen im Langley Research Center der NASA in Virginia und in den aerodynamischen Testeinrichtungen des CUBRC in Buffalo, New York, durch, um eine Vielzahl von Char-Loss-Konfigurationen zu testen und analytische Modelle zu verbessern und zu validieren. Permeabilitätstests wurden auch bei Kratos in Alabama, an der Universität von Kentucky und bei Ames durchgeführt, um das Elementarvolumen und die Porosität des Avcoats weiter zu charakterisieren. Die Advanced Light Source Testanlage, eine wissenschaftliche Nutzereinrichtung des US-Energieministeriums am Lawrence Berkeley National Laboratory, wurde von den Ingenieuren ebenfalls genutzt, um das Erhitzungsverhalten des Avcoat auf Mikrostrukturebene zu untersuchen.

Im Frühjahr 2024 setzte die NASA ein unabhängiges Prüfungsteam ein, das den Untersuchungsprozess, die Erkenntnisse und die Ergebnisse der Behörde umfassend überprüfte. Die unabhängige Überprüfung wurde von Paul Hill geleitet, einem ehemaligen NASA-Führungsmitglied, das nach dem Columbia-Unfall als leitender Direktor für die Rückkehr zum Flug diente, das Mission Operations Directorate der NASA leitete und derzeit Mitglied des Aerospace Safety Advisory Panel der Behörde ist. Die Überprüfung erstreckte sich über einen Zeitraum von drei Monaten, um den Zustand des Hitzeschilds nach dem Flug, die Daten der Eintrittsumgebung, die thermische Reaktion des Ablators und die Untersuchungsfortschritte der NASA zu bewerten. Das Überprüfungsteam stimmte mit den Erkenntnissen der NASA über die technische Ursache für das physikalische Verhalten des Hitzeschilds überein.

Fortschritte bei Hitzeschilden

Da die NASA weiß, dass die Durchlässigkeit von Avcoat ein Schlüsselparameter zur Vermeidung oder Minimierung von Verkohlungsverlusten ist, verfügt sie über die richtigen Informationen, um die Sicherheit der Besatzung zu gewährleisten und die Leistung künftiger Artemis-Hitzeschilde zu verbessern. Im Laufe ihrer Geschichte hat die NASA aus jedem ihrer Flüge gelernt und Verbesserungen in die Hardware und den Betrieb eingebaut. Die während des Artemis-I-Testflugs gesammelten Daten haben den Ingenieuren unschätzbare Informationen für künftige Konstruktionen und Verbesserungen geliefert. Die Leistungsdaten des Mondrückflugs und ein robustes Qualifizierungsprogramm für Bodentests, das nach den Erfahrungen des Artemis I-Flugs verbessert wurde, unterstützen die Produktionsverbesserungen für den Hitzeschild von Orion. Künftige Hitzeschilde für Orions Rückkehr von Artemis-Mondlandungsmissionen werden so produziert, dass sie einheitlich und durchgängig durchlässig sind. Das Qualifikationsprogramm wird derzeit zusammen mit der Produktion von durchlässigeren Avcoat-Blöcken in der Michoud Assembly Facility der NASA in New Orleans abgeschlossen.

Weitere Informationen über Artemis finden Sie im Internet: https://www.nasa.gov/artemis

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Artemis I Mission – Orion auf SLS

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Ein Beitrag von Martin Knipfer. Quelle: NASA, NSF.

Wenn Orion, das neue Raumschiff der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA, nach seiner Mission jenseits des Erdorbits wieder in die Atmosphäre der Erde eintritt, wird sich die Raumkapsel aufgrund der Reibung äußerst stark erhitzen. Temperaturen bis zu 2.400 °C werden auf das Crewmodul einwirken. Zum Glück verfügt die Kapsel über einen Schutz: Das Raumschiff verfügt an der Unterseite über einen diskusförmigen Hitzeschild, mit dem voran sie in die Erdatmosphäre eintritt. Die Oberfläche dieses Hitzeschilds besteht aus einem ablativen Material namens AVCOAT, das in mehrere Tausend Löcher auf der Oberfläche des Hitzeschildes gefüllt wird. Bei dem Wiedereintritt schmilzt das Material teilweise und transportiert so durch die Strömung die Hitze von dem Hitzeschild weg, wodurch die Kapsel gekühlt wird.

Ein solcher Hitzeschild kam auch bei Orions Erstflug erfolgreich zum Einsatz, EFT-1 (Exploration Flight Test 1) im Dezember 2014. Erfolgreich beschützte er die Raumkapsel vor den extremen Temperaturen von über 2.200 °C während des Wiedereintritts nach zwei Erdumrundungen. Inzwischen ist Orion wieder „zu Hause“ angekommen, nämlich im Kennedy Space Center in Florida. Dort wird das Raumschiff gründlich inspiziert, diese Untersuchungen sind inzwischen fast vollständig abgeschlossen. Am 13. Februar wurde die Kapsel in der Launch Abort System Facility (LASF) mithilfe eines speziellen Krans hochgehoben, um den Hitzeschild zu entfernen. Dieser wurde dann auf den Anhänger eines Lastwagens verfrachtet, um ihn für weitere Inspektionen zu dem Marshall Space Flight Center (MSFC) in Alabama zu transportieren. Dort kam der Hitzeschild am 9. März an.

Als nächstes wurde er ausgeladen und auf einer großen Halterung befestigt, damit Ingenieure Proben des AVCOAT-Materials entnehmen konnten. Durch diese Proben kann die Dicke der einzelnen Schichten bestimmt werden, wodurch die NASA das Verhalten des Hitzeschilds besser verstehen kann. Als nächstes wird die verbleibende AVCOAT-Schicht mit der 7-Achsen CNC-Fräse des Marshall Space Flight Centers „wegrasiert“. Auch werden Sensoren entfernt, die als nächstes zu dem Ames Research Center zurückgebracht werden sollen, genauso wie die herausgefrästen Proben des Hitzeschilds. Im Juni wird der Hitzeschild zum Langley Research Center in Virginia befördert, wo er an einer Testversion der Orion-Kapsel angebracht werden soll. Mit dieser Kapsel sollen 2016 Wasserungstests in dem Wasserbecken auf dem Gelände des Zentrums stattfinden. Der ursprüngliche Hitzeschild dieses Testartikels wurde vor Kurzem an Bord eines Super Guppy-Frachtflugzeuges wieder zurück zum Hersteller Lockheed Martin in Denver geschickt. Die Orion-Kapsel, die bei EFT-1 zum Einsatz kam, soll nach Abschluss aller Untersuchungen den Bodenanlagen des Kennedy Space Centers übergeben werden. Die Kapsel wird dann für einen Testflug des turmförmigen Startabbruchsystems 2019 erneut eingesetzt.

Der größte Teil des Hitzeschilds von Orion wird -wie beschrieben- mit AVCOAT-Material bedeckt sein. Es existieren weiterhin jedoch noch sechs scheibenförmige Kompressionspads auf der Oberseite, deren Konsistenz eine andere ist: Sie bestehen aus einem Material namens zweidimensionaler Kohlenfaserphenol. Sie beschützen Orion nicht nur vor der Hitze während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre, sondern verbinden auch die Kapsel mit dem Servicemodul und müssen daher den enormen Kräften während des Starts und der Abtrennung der Kapsel standhalten. Für Orions nächsten Flug haben die Ingenieure des Ames Research Center jedoch ein neues Material als Ersatz entwickelt: Dieser wird als dreidimensionaler Multi-Functional Ablative Thermal Protection (3D-MAT) bezeichnet. Der Unterschied liegt darin, dass nun Schnüre aus Quarz dreidimensional gewoben werden. Das bedeutet, dass die Schnüre nicht mehr nur der Länge und Breite nach, sondern auch senkrecht gewoben werden.

Die Entwicklung dieses Materials begann vor drei Jahren. Der Grund für diese Entscheidung lag darin, dass Orions Hitzeschild bei der nächsten Mission wesentlich höheren Temperaturen widerstehen muss, die jenseits der Grenzen von dem bisherigen zweidimensionalen Kohlenfaserphenol liegen. Deshalb wurden Proben verschiedener Materialien in dem Ames Research Center hohen Temperaturen ausgesetzt. Während diesen Tests zeigte sich, dass 3D-MAT sich wesentlich besser verhält als das bisherige zweidimensionale Material, das unter den selben Bedingungen brach. Nach drei Jahren der Entwicklung werden nun die Ergebnisse dem Orion-Programm übergeben. Die Fertigung des neuen Materials ist aufwändig: 5.000 Fäden, jeder einzeln kontrolliert, werden zu einem etwa 7,5 Zentimeter dicken, 60 cm breiten, 50-lagigen Block verwoben. Mit einem Spezialkleber werden kleinste Lücken zwischen den Lagen und den einzelnen Fäden verschlossen.

Die Daten, die während EFT-1 gesammelt wurden, sollen auch in das Critical Design Review des Raumschiffs im Sommer einfließen, eine rigorose Designprüfung, bei der das endgültige Design von Orion festgelegt wird. Im Mai soll dann in der Michoud Assembly Facility, einer gewaltigen Fabrikationshalle nahe New Orleans, die Fertigung der nächsten Orion-Kapsel beginnen, im April die Montage des turmförmigen Startabbruchsystems für diesen Flug. Ebenfalls soll dieses Jahr eine Testversion des europäischen Servicemoduls strukturell getestet werden.

Orion wird das neue Raumschiff der NASA sein. Während die kommerziellen Partner der NASA für den Transport von Fracht und Astronauten zur ISS im Erdorbit zuständig sind, wird das auch MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle) genannte Raumschiff Astronauten zu verschiedenen Zielen jenseits des Low Earth Orbits (LEO) transportieren. So kann eine intensivere Erkundung des Weltalls als je zuvor stattfinden. Mit der Entwicklung von Orion wurde bereits im Rahmen des 2010 gestrichenen Constellation-Programms begonnen. So konnten die Entwicklungsarbeiten an einem Raumschiff, an dem bereits mit Hochdruck gearbeitet wurde, fortgeführt werden.

Der nächste Flug von Orion steht nicht später als im November 2018 mit der Mission EM-1 (Exploration Mission 1) an. Bei dieser Mission soll ein unbemanntes Orion-Raumschiff zum Mond fliegen und dort in eine stabile Mondumlaufbahn einschwenken. EM-1 wird etwa 25 Tage dauern und neben einem europäischen Servicemodul, das Technologien des inzwischen eingestellten ATV-Raumtransporters verwendet, auch den neuen Schwerlastträger der NASA einsetzen, das Space Launch System (SLS). Das SLS befindet sich noch in der Entwicklungsphase, gleichzeitig werden große Teile der Infrastruktur, die bereits am Kennedy Space Center existiert, modernisiert und umgebaut, damit das SLS dort starten kann.

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Ein Beitrag von Martin Knipfer.

Das Crewmodul (CM) des Orion-Raumschiffs dient dazu, die Besatzung auf ihrer Reise zu verschiedenen Himmelskörpern geschützt unterzubringen. Es startet auf dem Space Launch System (SLS) und landet nach seiner Mission mithilfe von Fallschirmen sanft im Ozean. Es basiert fast vollständig auf dem Crewmodul des Orion CEVs, das für das inzwischen gestrichene Constellation-Programm entwickelt wurde. Das CM von Orion besteht aus vier Teilen:

1. Die Druckkabine

Die Druckkabine des Crewmoduls ist der einzige Bereich, in dem sich die Besatzung während ihres Fluges aufhalten wird. Auch handelt es sich bei ihr um die tragende Struktur der Kapsel, um die alle Komponenten herum angebracht werden. Die Druckkabine wird mit gewöhnlicher Luft bei auf der Erde üblichem Druck gefüllt sein. Sie hat eine flaschenähnliche Form, die dadurch entsteht, dass insgesamt sieben Platten aus einer Aluminium-Lithium Legierung unterschiedlich gewölbt werden. Diese Platten der Aluminium-Druckkabine werden nach ihrer Herstellung in der Michoud Assembly Facility (MAF) durch Rührreibschweißen aneinandergefügt. Dass die verwendeten Aluminiumplatten über eine Art Muster verfügen, liegt daran, dass von dickeren Platten Aluminium entfernt wird, während dünne „Rippen“ zurückbleiben. Durch diese Vorgehensweise, Isogrid genannt, kann bei gleicher Stabilität Gewicht eingespart werden. Der Innenraum der Druckkabine ist um etwa 50 % größer als der von Apollo, in ihm finden für gewöhnlich vier Astronauten Platz. In die Außenwand der Druckkabine sind neben einer Luke zum Ein- und Ausstieg vier Fenster aus Acrylglas eingearbeitet: Zwei, die der Crew erlauben, nach oben zu schauen, und zwei für einen horizontalen Blick zur Seite.

Diese sitzen auf vier Sitzen, die nicht nur zusammengeklappt werden können (wodurch der Innenraum besser ausgenutzt werden kann), sondern auch die Krafteinwirkungen beim Aufprall absorbieren können. Unterhalb der Sitze befinden sich vier Schränke aus Aluminium, in denen für gewöhnlich die Kleidung, Kameras und weitere Ausrüstung aufbewahrt wird. Sollte Orion erhöhter Strahlung ausgesetzt sein, können die Astronauten diese Gegenstände an verschiedenen Orten in der Kabine anbringen und selbst in die Schränke hineinklettern. So werden sie der Strahlung weniger stark ausgesetzt sein. Die Astronauten werden des Weiteren über eine campingähnliche Toilette, einen Wasserspender, eine Abfallpresse und einen kleinen Bereich, der durch Vorhänge vom restlichen Raumschiff abgetrennt ist und in dem die Astronauten sich anziehen oder eine Katzenwäsche durchführen können, verfügen – Annehmlichkeiten, die die Apollo-Mondraumschiffe noch nicht besaßen. Gesteuert wird das Raumschiff durch ein sogenanntes Glascockpit mit drei LCD-Bildschirmen jeweils von der Größe eines A4-Blattes verfügen. Statt über 2.000 Schaltern wie im Space Shuttle wird es in Orion nur noch etwa 60 geben, auch Checklisten auf Papier werden nicht mehr benötigt.

2. Avionik und RCS

Um den unteren Teil der Druckkapsel sind verschiedene Systeme positioniert. Zum einen das Reaction Control System (RCS), das aus zwölf kleinen Triebwerken vom Typ MR-104 G besteht. Die Triebwerke werden von der Firma Aerojet geliefert, arbeiten mit nur einem Treibstoff und können etwa 800 Newton Schub in Vakuum erzeugen. Insgesamt befinden sich etwa 165 Kilogramm Treibstoff an Bord von Orion für die Triebwerke, das RCS soll mit ihnen für eine richtige Ausrichtung Orions vor und während des Wiedereintritts sorgen. Auch befinden sich zahlreiche Avioniksysteme an Bord von Orion. Sie sind sozusagen das Computergehirn von Orion und verwenden modernste Technologie. Gebaut werden die Systeme von der Firma Honeywell, sie sind achtmal schneller als die Bordcomputer der ISS und 25mal schneller als die des Space Shuttles. Die Computer sind modular aufgebaut und basieren auf denen des Boeing 787 Dreamliners, das GPS kann Orions Lage in nur acht Sekunden exakt bestimmen, die Elektronik ist strahlungsgehärtet und der Datenbus wird auch kommerziell eingesetzt. Zur exakten Lagebestimmung verfügt Orion neben dem GPS und einem Inertialsystem über sogenannte Star-Tracker, die in der Lage sind, Bilder vom Sternenhimmel mit Computerdaten auf Sternbilder abzugleichen und so die Ausrichtung des Raumschiffs exakt feststellen können. Für die Daten-, Video und Stimmübertragung mit Kommunikationssatelliten und Bodenstationen werden vier Phased-Array Antennen verwendet. Dank dem Einsatz modernster Technologien können die Avionik und die Kommunikationssysteme höhere Datenmengen bei gleichzeitig niedrigerem Stromverbrauch verarbeiten. Der Strom wird entweder von den Solarzellen des Servicemoduls oder von sechs Lithium-Ionen Akkus an Bord geliefert, das System arbeitet mit 120 Volt.

3. Hitzeschutzschild

Orion verfügt über zwei verschiedene Hitzeschutzschilde, die die Raumkapsel beim Wiedereintritt in die Erdathomsphäre vor der enormen Hitze beschützen sollen: Der untere und der obere Hitzeschild. Der untere ist eine aus Blöcken bestehende, diskusähnliche Platte mit einem Durchmesser von fünf Metern. Er ist an der breiteren Unterseite der Kapsel angebracht. Da Orion mit diesem Hitzeschild voran in die Erdathmosphäre eintritt, erhitzt er sich besonders stark, beim Wiedereintritt von einem Flug zum Mond beträgt die Temperatur an ihm bis zu 2.700 ° C. Deshalb besteht er aus einem besonders hitzefesten, wabenförmigen Material namens AVCOAT. Dieses rötliche Material verdampft teilweise beim Wiedereintritt und führt so Wärme ab, deshalb wird es als ablativ bezeichnet. Dieser Hitzeschild wird in insgesamt 180 Blöcken gefertigt: Jeder der Blöcke besteht aus einer Fiberglasschicht mit mehreren tausend Löchern. In diese Honigwaben wird dann das AVCOAT-Material manuell hineingespritzt. Dann werden die Blöcke auf einer Titan-CfK Trägerstruktur angebracht, insgesamt wird es etwa 320.000 einzelne Honigwaben geben. Mithilfe von Röntgenstrahlung wird untersucht, ob tatsächlich auch jede einzelne mit AVCOAT-Masse gefüllt ist. Das Ergebnis ist der größte Hitzeschild seiner Art, der jemals gefertigt wurde. Die hitzebeständige Schicht ist etwa vier Zentimeter dick, etwa 20 % schmelzen beim Wiedereintritt weg.

Daneben gibt es noch einen weiteren Hitzeschild, nämlich den oberen Hitzeschutzschild. Er unterscheidet sich deutlich von dem unteren: Er besteht nicht aus einem großen Block, sondern wegen der weniger hohen Temperatur, die auf ihn wirken wird, aus vielen kleinen Kacheln, wie sie beim Space Shuttle eingesetzt wurden. Diese bestehen aus einem Material aus verschiedenen Schichten von einem Verbundwerkstoff namens AETB-8 und dienen nicht nur zum Schutz vor Hitze, sondern auch vor Mikrometeoriten und Weltraummüll. Die Kacheln werden mechanisch auf größere Paneelen angebracht, die dann an der kegelstumpfförmigen Außenseite der Kapsel montiert werden. Insgesamt werden etwa 960 einzelne Kacheln an der Kapsel angebracht sein (das Space Shuttle verfügte über etwa 23.000). Nicht nur deshalb wird die Wartung von Orions oberem Hitzeschild wesentlich einfacher sein: Auch sind die einzelnen Kacheln größer (20×20 cm gegenüber 15×15 cm) und einander sehr ähnlich. Auf die Außenwand dieser Kacheln wird in Zukunft eine metallische, silbern glänzende Beschichtung aufgetragen, um die Kapsel während des Fluges besser vor Kälte zu isolieren und Wärmeverluste zu minimieren.

4. Fallschirme und Andocksystem

Nachdem Orion seinen Wiedereintritt beendet hat, muss die Kapsel weiter abgebremst werden, um sanft mit einer Geschwindigkeit von etwa 35 km/h im pazifischen Ozean zu landen. Dazu verfügt sie über ein komplexes Fallschirmsystem, dass sich am obersten Ende der Kapsel unter einer 205 kg schweren Verkleidung namens Forward Bay Cover befindet. Diese wird abgeworfen, wodurch sich zwei Überschallfallschirme entfalten können. Sie bremsen Orion so weit ab, dass kleinere Pilotfallschirme die drei rot-weißen Hauptfallschirme „herausziehen“ können. Eine Landung mit nur zwei Hauptfallschirmen ist ebenfalls problemlos möglich. Jeder Hauptfallschirm hat einen Durchmesser von etwa 35 m, ist wiederverwendbar und wiegt nur ungefähr 150 kg. Die Fallschirme wurden ausführlich getestet, sowohl im Windkanal als auch bei mehr als einem dutzend Testabwürfen. Alle Fallschirme sind ringförmig um eine weitere wichtige Komponente von Orion angeordnet: Der Andocktunnel.

An seiner Oberseite ist das Andocksystem angebracht, das LIDS genannt wird. Mit ihm kann Orion an Raumstationen, Landern und vielem mehr automatisch ohne das Zutun eines Piloten andocken. Das stellt eine Neuheit für ein amerikanisches Raumschiff dar, bisher musste das Andocken per Hand erfolgen. Die Technologie wurde erstmals Anfang 2011 bei der Space Shuttle Mission STS-134 erfolgreich mit dem STORMM-System getestet. LIDS besteht aus einem Ring mit einem Innendurchmesser von 80 cm, mit dem System können Strom, Daten und Luft transferiert werden. Im Notfall kann auch ein manuelles Andocken erfolgen.

Technische Daten Orion-Crewmodul:

Durchmesser: 5,03 Meter
Höhe: 3,3 Meter
Startgewicht: 10.387 Kilogramm
Landegewicht: 9.299 Kilogramm
Rückkehrnutzlast: 100 Kilogramm
Maximale Missionsdauer: 21 Tage bemannt, 180 Tage angedockt
Projektierte Sicherheit: 10x höher als die des Space Shuttles
Hersteller: Lockheed Martin

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Die NASA hat sich für ein Hitzeschutzschildmaterial entschieden, das die kommende Generation von Raumschiffen zur Erkundung des Weltraums und Versorgung der internationalen Raumstation beim Rücksturz zur Erde vor der dabei auftretenden Reibungshitze schützen soll.

Das Avcoat genannte System mit einer abschmelzenden Materialschicht soll die Temperaturbelastungen der künftigen Orion-Kapseln beim Wiedereintritt durch seine eigene geringe Wärmeleitfähigkeit auf einem vertretbaren Maß halten und die aus der beim Wiedereintritt vor dem Schild auftretenden Schockfront aufgenommene Wärme effektiv abführen.

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre am Ende des Rückflugs von einer Mondmission muss die Kapsel Temperaturen von über 2.700 Grad Celsius überstehen. Der diskusförmige Schild an der Basis der Orion-Kapsel wird dabei einen Großteil der Hitze aufnehmen, beim Wiedereintritt wird er in Flugrichtung zeigen. Ein Teil des Schildes verdampft, wodurch die aufgenommene Wärme abgeführt wird.

Das Orion-Projektbüro vom Johnson Space Center der NASA in Houston hatte die Aufgabe, herauszufinden, welche technische Lösung die angesichts der Problemstellung am besten passende sein würde. In einem mehr als drei Jahre dauernden Auswahlprozess wurden acht verschiedene Materialien untersucht. Die zwei zuletzt übrig gebliebenen Kandidaten, Avcoat und PICA, haben sich beide bereits am Ende von Weltraummissionen bewährt.

PICA steht für Phenolic Impregnated Carbon Ablator, also für phenolimprägniertes kohlenstoffhaltiges Abschmelzmaterial. Entwickelt wurde das Material vom Ames-Forschungszentrum der NASA. Es wurde an der Stardust-Rückkehrkapsel, welche von Lockheed gebaut worden war, verwendet. Das Material wurde in einem monolithischen Block hergestellt, der außen an der Basis angebracht, die Kapsel schützte, die 2006 mit Proben aus dem Schweif des Kometen Wild 2 und dem interstellaren Raum zur Erde zurückkehrte. Die Eintauchgeschwindigkeit in die Erdatmosphäre lag dabei über 12 km/s.

Avcoat wurde an den Apollo-Kapseln benutzt, sowie bei den allerersten Spaceshuttle-Missionen an bestimmten Stellen der Raumfähre. Wabenförmige Zellen aus besonders leichtem Fiberglasmaterial wurden in Handarbeit mit phenoplastischem Epoxidharz gefüllt. In einzelne Blöcke zerschnitten erfolgte anschließend eine Verklebung mit der primären metallenen Tragstruktur.

Untersucht wurden alle Materialien u. a. in Bezug auf Gewicht, Leistung hinsichtlich des Hitzeschutzes, Stabilität, Kosten, Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit. NASA und ihr Hauptauftragnehmer für Orion, Lockheed Martin, entschieden sich für Avcoat als robustes, zuverlässiges und bereits eingeführtes Material. Lockheed Martin wird zusammen mit dem Subunternehmer Textron Defense Systems die Weiterentwicklung und die Anpassung des Materials an die Konstruktion der Orion-Kapsel fortführen.

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Quelle: NASA.

Die Teile des Apollo-TPS haben an der Apollo-Kapsel mit der Seriennummer 011 einen suborbitalen Flug und den anschließenden, durch drei zusätzliche Zündungen des Haupttriebwerkes des Servicemoduls mit sehr hoher Geschwindigkeit (8,9 km/s) erfolgten Wiedereintritt überstanden, und sind deshalb von besonderem Interesse.

Die Apollo-Kapsel, die am 25. August 1966 auf einer Saturn-IB gestartet wurde, erreichte eine maximale Fughöhe von 1.128 Kilometern über der Erde und landete nach einer Flugzeit von einer Stunde, dreiunddreißig Minuten und zwei Sekunden im Pazifik in der Nähe von Wake Island, wo sie vom Flugzeugträger USS Hornet / CV12 (CV = Carrier Vessel) aufgefischt wurde.

Eines der Ziele der AS-202 und inoffiziell Apollo 3 genannten Mission war es damals, die Konstruktion des TPS bei hohen Wiedereintritts-geschwindigkeiten zu überprüfen und zu bestätigen. Das TPS, bestehend aus den Hauptkomponenten am Kapselboden, an den Kapselseitenwänden und dem Ring um den Durchstiegstunnel, verwendete ein von der AVCO Corporation entwickeltes Material, das bei hohen Temperaturen langsam abschmilzt und dadurch darunterliegende Schichten vor hohem Temperatureintrag schützt. Wabenförmige Zellen aus besonders leichtem Fiberglasmaterial wurden in Handarbeit mit phenoplastischem Epoxidharz gefüllt. In einzelne Blöcke zerschnitten erfolgte anschließend eine Verklebung mit der primären metallenen Tragstruktur der TPS-Komponenten.

Nach dem kurzen Flug ins All erlebte die Apollo-Kapsel mit der Seriennummer 011 sogenannte land-impact-tests, bei welchen die Auswirkungen des Aufpralls der Kapsel auf harten Untergrund statt auf Wasser untersucht werden sollten. Reichlich beschädigt wurde die Kapsel später dem Smithsonian National Air and Space Museum übergeben. Die eigentliche Kapsel erreichte schließlich das USS Hornet Museum in Alameda und ist jetzt auf dem Flugzeugträger, der die Kapsel nach ihrem Flug 1966 barg, ausgestellt.

Bestandteile des TPS der Kapsel wurden in der Paul E. Garber Preservation, Restoration and Storage Facility in Suitland eingelagert. Ende Juni 2008 begannen Wissenschaftler und Ingenieure der NASA, TPS-Komponenten aus der Apollo-Ära beim Smithsonian National Air and Space Museum zu sichten. Für die Orion-Entwickler war es wie Weihnachten im Juli, als sie die Möglichkeit bekamen, die vor zweiundvierzig Jahren bei AS-202 eingesetzten Hitzeschutzteile zu untersuchen. Deren Analyse wird bei der Entwicklung und Konstruktion des TPS für die Orion-Kapsel helfen, ist man überzeugt.

In den kommenden Monaten sollen zerstörerische und nicht zerstörerische Tests an dem aufgefundenen TPS-Material durchgeführt werden. Auch die metallene Tragstruktur des Apollo-TPS wird weiter begutachtet und untersucht. Insbesondere weil die Orion-Kapsel im Gegensatz zu Apollo wiederverwendbar sein soll, wird noch einiges an Arbeit zu leisten sein.

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