Quelle: ESA 24. August 2022.

24. August 2022 – Die Weltraumantennen der ESA werden gemeinsam mit der Goonhilly Earth Station im Vereinigten Königreich sechs der kleinen Satelliten verfolgen, um sicherzustellen, dass sie am Zielort ankommen und ihre Daten nach Hause übermittelt werden.

Sie sind jeweils etwa so groß wie ein großer Schuhkarton und ihre Einsatzziele sind genauso verschieden wie ihre Zielorte – der Mond, die Erdumlaufbahn, der Weltraum oder sogar ein Asteroid. Sie alle eint das Versprechen, unser Wissen über den Weltraum – von Asteroiden bis zur Weltraumstrahlung – zu vertiefen und gleichzeitig neue Technologien für künftige Missionen zu testen, die Menschen für einen Aufenthalt auf dem Mond brauchen.

„Unsere Estrack-Stationen werden bei der Bestimmung der Flugbahnen der CubeSat-Satelliten, bei der Übermittlung ihrer Daten und bei der Steuerung der sechs Raumfahrzeuge eine zentrale Rolle spielen“, erklärt Lucy Santana, die bei der ESA für die Bodeneinrichtungen für Weltraummissionen zuständig ist.

„Wir sind sehr stolz darauf, unseren Anteil an der Rückkehr der Menschheit zum Mond zu leisten.“

CubeSats verteilen sich
Etwa anderthalb Stunden nach dem Start führt die Zwischenstufe des kryogenen Antriebs (Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS)) eine ‚translunare Injektionszündung‘ durch, um das Raumfahrzeug Orion und die Flotte der CubeSats in Richtung Mond zu befördern. Die CubeSats werden dann ausgesetzt und verteilen sich wie Löwenzahnsamen im Wind.

Die CubeSats werden in den ersten Stunden nach dem Start zu bestimmten Zeiten entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Mission ausgesetzt. ArgoMoon von der italienische Weltraumagentur (ASI) wird der erste CubeSat sein, den die ESA nur wenige Stunden nach dem Start mit der Cebreros-Station in Spanien verfolgen wird.

Kurz nach der Trennung, während die restlichen CubeSats auf ihren eigenen Flugbahnen ausgesetzt werden, müssen mehr Augen zum Himmel gerichtet werden. Die ESA wird dafür in Zusammenarbeit mit Goonhilly die Unterstützung durch ihre Bodenstationen in den zwei Wochen nach dem Start für etwa 75 Stunden sicherstellen.

„Wir freuen uns darauf, von hier im Vereinigten Königreich aus zu dieser bahnbrechenden Mission beizutragen. Goonhilly spielte 1969 bei der Verbreitung des Filmmaterials der Apollo-Mondlandung eine wichtige Rolle. Jetzt gehen wir einen Schritt weiter und unterstützen die Rückkehr der Menschheit zum Mond“, erklärt Matthew Cosby, Chief Technology Officer bei Goonhilly.

„Unsere 32 m lange Weltraumantenne wird seit 2021 für die Kommunikation mit ESA-Raumfahrzeugen verwendet. Die Unterstützung der Artemis I CubeSats ist eine großartige Möglichkeit, um unsere Fähigkeiten zu zeigen, während wir diesen kommerziellen Dienst weiter ausbauen.“

Wellen schlagen
Eine der wichtigsten Maßnahmen, mit denen Estrack die Artemis CubeSats unterstützen wird, ist die Bestimmung ihres Standorts und ihrer Flugbahn mit Hilfe eines sogenannten „Doppler-Effekts“. Jeder Satellit sendet Informationen auf einer Frequenz von ca. 8 GHz, die von Stationen auf der Erde erfasst und verfolgt werden.

Wenn sich das Raumfahrzeug beim Aussenden seiner Nachricht auf die Erde zubewegt, wird die Lichtwelle leicht gequetscht, wodurch sich die Wellenlänge verkürzt und sich die Frequenz erhöht. Bewegt sich der CubeSat hingegen von der Erde weg, wird seine Nachricht gedehnt und seine Frequenz verlängert sich. Anhand dieser Informationen kann die Missionskontrolle genau einschätzen, wo sich die Raumsonde befindet und wohin sie fliegt.

Auf zum Mond – kleine Satelliten mit großem Nutzen
Die von Goonhilly mit der Erde verbundenen CubeSats und die Deep Space-Antennen der ESA veranschaulichen das Potenzial von kleinen Raumfahrzeugen, große Einblicke zu ermöglichen.

Lunar IceCube und LunaH-map wurden für die Suche nach Wasser auf dem Mond entwickelt. Die Entdeckung von Wasser wäre für Langzeitmissionen von entscheidender Bedeutung, da die Forscher:innen es für die Gewinnung von Atemluft und die Herstellung von Raketentreibstoff aus Eis benötigen.

Biosentinel und CuSP werden unser Verständnis der Weltraumstrahlung erweitern und entscheidende Wissenslücken über die Gesundheitsrisiken für Forscher:innen im tiefen Weltraum durch Sonnenstrahlung und hochenergetische galaktische kosmische Strahlung schließen.

Darüber hinaus werden ArgoMoon und NEA Scout neue Betriebstechnologien testen, die die zukünftige Art und Weise, wie wir zum Mond fliegen, beeinflussen werden. ArgoMoon von der italienischen Raumfahrtagentur ASI wird einer der ersten CubeSats sein, der als persönlicher Fotograf für den Flug der Orion zum Mond eingesetzt wird.

NEA Scout wird den kleinsten Asteroiden anfliegen, der je von einer Raumsonde erforscht wurde – 2020 GE dürfte ein wenig kleiner als ein Schulbus sein. Während der Erkundung des Asteroiden wird es ein 86 Quadratmeter großes Sonnensegel für den Antrieb durch die Sonneneinstrahlung nutzen.

Die Daten dieser zum ersten Mal durchgeführten Missionen werden über europäische Antennen auf die Erde übertragen, wo die Teams sie an den richtigen Ort bringen und sicherstellen, dass wir die sich verteilenden Satelliten im Auge behalten.

Die Landung auf dem Mond war schwierig. Die Rückkehr für einen längeren Aufenthalt wird noch mehr Planung, Vorstellungskraft und Einfallsreichtum erfordern, und das Estrack-Netzwerk der ESA mit seinen über den Erdball verteilten Antennen wird entscheidend sein. Die ESA verfügt über jahrzehntelange Erfahrung im Bodenbetrieb und ein globales Netzwerk von Augen zum Himmel und spielt eine führende Rolle bei der Vernetzung der Erde mit dem Weltraum, während wir zum Mond vorstoßen.

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

Es ist ein Meilenstein, wie ihn der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA seit 40 Jahren nicht mehr gelungen ist: Das Critical Design Review ihrer neuen Schwerlastträgerrakete Space Launch System (SLS) wurde mittlerweile endgültig abgeschlossen. Dabei handelt es sich um eine rigorose Prüfung des Designs der gesamten Rakete, die es der NASA ermöglichen soll, wieder Menschen zu Zielen jenseits des niedrigen Erdorbits zu befördern. Bereits im Juli haben 13 Teams aus Ingenieuren und unabhängigen Experten elf Wochen lang im Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, über 1.000 Dokumente und 150 Gigabyte Daten bezüglich des SLS genauestens überprüft. Bei möglichen Problemen wurde das Design verbessert. Ein Team aus Experten der Agentur und der Industrie bestätigte separat, dass die Entwicklungsarbeiten in dem geplanten Zeit- und Kostenrahmen bleiben werden. Die Ergebnisse wurden dann im Oktober an das NASA-Hauptquartier weitergeleitet.

Unter die Lupe genommen wurde dabei das Design der drei Ausbaustufen des SLS: Der Block I, der wohl nur beim Erstflug zum Einsatz kommt und 70 t Nutzlast in einen niedrigen Erdorbit (LEO) befördern kann, der Block IB, der dank einer leistungsfähigeren Oberstufe 105 t schafft, und der Block II, der durch leistungsfähigere Booster auf 130 Tonnen LEO-Nutzlast kommen würde. Auch wurde nun offiziell die Farbgebung der Rakete bekanntgegeben: Lange war das SLS auf Renderings der NASA in einer schwarz-weißen Lackierung zu erkennen, ähnlich der der Saturn-Mondrakete, um Ähnlichkeiten zur eingestellten Ares V-Rakete zu vermeiden.

Nun wird das SLS die Farbe der Isolierung haben, die zur Kühlung die Tanks der Rakete umgeben wird: Orange. „Wir haben das Design des SLS festgelegt, wir haben erfolgreich die erste Runde der Tests der Booster und der Triebwerke abgeschlossen, und alle wichtigen Komponenten für den ersten Flug werden momentan hergestellt. Es gab ein paar Schwierigkeiten, und es werden wohl noch mehr auf uns zu kommen, aber diese Überprüfung stellt sicher, dass wir auf dem richtigen Weg zum ersten Flug sind“, fasste Bill Hill, stellvertretender Administrator des Exploration Systems Development-Programms, die jüngsten Entwicklungen zusammen.

Mit dem nun endgültig abgeschlossenen Critical Design Review wurde grünes Licht für die Produktion von Hardware für das SLS gegeben. Inzwischen konzentriert sich die NASA auf die Vorbereitung aufwendiger Qualifikationstests. Diese haben es nicht mehr zum Ziel, das Design der Rakete zu verbessern, sondern sollen bestätigen, dass die wichtigsten Elemente des SLS korrekt funktionieren und bereit für den Erstflug sind. Eine Auswahl der jüngsten Fortschritte:

1. Hauptstufe

In der Michoud Assembly Facility (MAF), einer gewaltigen Fertigungshalle nahe New Orleans, ist die Produktion von Hardware für die Hauptstufe inzwischen weit fortgeschritten. Bei der Hauptstufe des SLS handelt es sich um einen etwa 65 Meter langen und achteinhalb Meter durchmessenden Zylinder, in dem in zwei Tanks der flüssige Treibstoff für die Haupttriebwerke aufbewahrt werden soll. Über 50 einzelne Elemente für diese Tanks wurden inzwischen gefertigt, Ringe, Dome und Zylinder. Auch soll das Vertical Assembly Center des Gebäudekomplexes in diesen Tagen nach einer langwierigen Reparatur wieder von der Herstellerfirma ESAB an den Betreiber Boeing übergeben werden. Bei dem Vertical Assembly Center handelt es sich um eine über 55 Meter hohe Schweißmaschine, mit der die einzelnen Ringe, Dome und Zylinder zu fertigen Tanks zusammengeschweißt werden sollen. Bis Ende dieses Jahres soll sichergestellt werden, dass die Maschine nun korrekt funktioniert, danach können die Schweißarbeiten beginnen.

Neben der Hauptstufe für den ersten Flug des SLS sollen auch zwei Qualifikationsartikel der beiden großen Treibstofftanks gefertigt werden. Diese sollen dann auf dem Gelände des Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, strukturellen Belastungstests ausgesetzt werden. Zu diesem Zweck werden dort momentan zwei neue Teststände errichtet: Einen für den LOX (Flüssiger Sauerstoff)-Tank, einen für den LH2 (Flüssiger Wasserstoff). Der Teststand für den LH2-Tank trägt die Nummer 4693 und wird mit knapp 66 Metern deutlich höher als der andere sein. Er besteht aus mehreren Stahlsegmenten, die auf dem Fundament eines ehemaligen Teststandes für das legendäre F-1 Triebwerk zusammengeschweißt werden. Schon jetzt ragt das Bauwerk weit über der Baumlinie auf. Wenn der Teststand fertig ist, wird er aus zwei Türmen bestehen, zwischen denen dann der Treibstofftank angebracht wird. Er wird mit flüssigem Stickstoff gefüllt und dann von mehreren hydraulischen Aktuatoren den mechanischen Belastungen ausgesetzt, die auch beim Start der Rakete zu erwarten sind. So soll bestätigt werden, dass der Tank den Belastungen standhält.

2. Oberstufe und Adapter

Auf dem zweiten Stand soll nicht nur der Tank für flüssigen Sauerstoff, sondern auch eine andere, über 20 Meter hohe Struktur getestet werden, die sich beim fertigen SLS oberhalb der Hauptstufe befinden wird. Sie besteht aus mehreren verschiedenen Komponenten (von unten nach oben):
– Einem etwa drei Meter hohen und achteinhalb Meter durchmessenden Simulator der Hauptstufe
– Einem Testartikel des kegelstumpfförmigen Adapters, der die Oberstufe mit der Hauptstufe verbindet
– Einem Testartikel der Oberstufe der Rakete
– Einem Testartikel des Adapters, der die Oberstufe mit der Nutzlast verbindet
– Einem Simulator der Unterseite des Orion-Raumschiffs. Eine unbemannte Version von Orion wird die Nutzlast beim ersten Flug sein, später soll das Raumschiff einmal Menschen zu Zielen in den Tiefen des Weltalls befördern.
Die Simulatoren der Hauptstufe und von Orion sowie der Testartikel des zweiten Adapters wurden bereits fertiggestellt. Der Testartikel des kegelstumpfförmigen Adapters wird momentan bei der Herstellerfirma Teledyne Brown gefertigt.

Auch der Testartikel der Oberstufe wurde vor Kurzem fertiggestellt. Bei der Oberstufe, die die Bezeichnung ICPS (Interim Cyrogenic Propulsion Stage) trägt, handelt es sich um eine nur leicht modifizierte Version der zweiten Stufe der Delta-IV Rakete. Für die ICPS wird der Wasserstofftank verlängert, zusätzliche Hydrazintanks für die Lagekontrolle angebracht und die Flugelektronik für das neue Missionsprofil angepasst.

Die ICPS soll -nachdem die Hauptstufe ausgebrannt ist- zünden und Orion in einen niedrigen Erdorbit transportieren. Danach führt sie auch die TLI (Trans Lunar Injection) durch, den Einschuss in eine Mondumlaufbahn. Sehr wahrscheinlich wird dies der einzige Einsatz der ICPS bleiben, da die NASA danach plant, eine stärkere Oberstufe einzusetzen. Der Testartikel der ICPS wurde am 26. Oktober 2015 bei einer Presseveranstaltung von der Herstellerfirma ULA (United Launch Alliance) vorgestellt. Er soll demnächst zum Marshall Space Flight Center verlegt werden, wo er 2016 mit den anderen Elementen zu der fertigen Teststruktur verbunden werden soll. Auch mit der Herstellung der Flugversion der ICPS wurde bereits begonnen.

3. Booster/Triebwerke

Zum Antrieb verfügt das SLS neben der Ober- und der Hauptstufe noch über zwei Feststoffbooster, die links und rechts neben der Hauptstufe angebracht werden. Diese erzeugen beim Start der Rakete den Hauptanteil des Schubs, indem sie statt flüssigem festen Treibstoff verbrennen.

Eine Testzündung am Boden zu Qualifikationszwecken im März 2015 war bereits ein großer Erfolg. Nun steht für April 2016 die nächste Testzündung an, die die Bezeichnung QM-2 (Qualification Motor 2) trägt. Anders als bei der ersten soll dieses Mal der Motor heruntergekühlt werden, sodass der Feststoffbooster auch für Zündungen bei niedrigen Temperaturen qualifiziert werden kann. Die Produktion und Inspektion der einzelnen Treibstoffsegmente für diese Testzündung ist mittlerweile bei der Herstellerfirma OrbitalATK in Promontory, Utah, in vollem Gange. Auch wurden die Elektroniksysteme als Vorbereitung bei einer simulierten Testzündung getestet. Die nächste Testzündung im Stennis Space Center des RS-25 Haupttriebwerks, das den flüssigen Treibstoff in der Hauptstufe verbrennt, wurde auf Anfang 2016 verschoben. Da es sich bei den Triebwerken nicht um ein kritisches Element im Zeitplan handelt, hat man sich dazu entschieden, die nächste Aktualisierung der Steuerungssoftware abzuwarten.

Diese Vorbereitungen erfolgen im Rahmen des Erstfluges des SLS, einer Mission mit der Bezeichnung Exploration Mission 1 (EM-1). Zunächst startet die Rakete das Raumschiff in einen niedrigen Erdorbit. Danach zündet das Triebwerk der Oberstufe erneut, sodass das unbemannte Raumschiff nun in Richtung Mond fliegt. Das Raumschiff bremst daraufhin mithilfe seines Servicemoduls in eine Umlaufbahn 70.000 km über der Mondoberfläche ein. Durch eine weitere Zündung des Triebwerks des Servicemoduls verlässt das Raumschiff nach etwa einer Woche diese Umlaufbahn und fliegt wieder zurück zur Erde. Das Servicemodul wird abgetrennt und das kapselförmige Crewmodul tritt mit über 39.000 km/h in die Erdatmosphäre ein, bevor die Kapsel im Pazifik an Fallschirmen landet. Diese Mission wird den ersten Flug eines zumindest bemannbaren Raumschiffs zum Mond seit 45 Jahren und den weitesten Flug eines solchen Raumschiffs aller Zeiten darstellen.

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• Space Launch System (SLS) – Planung und Processing
• Space Launch System (SLS) – Kosten/Nutzen/Meinungen/künftige Entwicklung

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Ein Beitrag von Martin Knipfer.

Die Oberstufe des Space Launch Systems (SLS) soll dazu dienen, die Nutzlast endgültig auf die vorgesehene Bahn zu befördern. Sie soll auf einem Stufenadapter auf die Kernstufe aufgesetzt und an dem oberen Ende der Oberstufe mit der Nutzlast verbunden werden. Nach dem Abwurf der Kernstufe wird die Oberstufe gezündet. Insgesamt sind drei verschiedene Oberstufen für das SLS vorgesehen:

1. ICPS (Interim Cyrogenic Propulsion Stage)
Diese Oberstufe ist eine Übernahme von der im Einsatz befindlichen Delta IV-Trägerrakete. Nur leichte Modifikationen sollen getätigt werden, wie etwa eine Verlängerung des LH2-Tanks, zusätzliche Hydrazin-Tanks für die Lageregelung und geringfügige Veränderungen der Avionik. Bei der Delta IV dient die ICPS als Delta Cryogenic Second Stage (DCSS) bereits mit hoher Zuverlässigkeit seit mehreren Jahren als Zweitstufe. Sie soll nur bei der Block I-Version des SLS eingesetzt werden, die lediglich für die ersten SLS-Flüge vorgesehen ist. Angetrieben wird die Stufe von einem einzigen RL-10B2 Triebwerk. Es verfügt über eine ausfahrbare Düse aus Kohlenfaser und ist in der Lage, einen Schub von 110 kN und einen spezifischen Impuls von 462 s zu erzeugen. Seine Höhe beträgt 4,14m, sein Durchmesser 2,21 m und sein Gewicht 277 kg. Es verwendet die Treibstoffe LH2 (flüssiger Wasserstoff) und LOX (flüssiger Sauerstoff), die in zwei Tanks der Oberstufe aufbewahrt werden. Insgesamt wiegt der Treibstoff 27.200 kg, die gesamte Oberstufe 30.710 kg. Sie misst 13,7m in der Länge und 5m im Durchmesser. Folgende Nutzlastdaten kann das SLS mit ihr erreichen:

LEO (Low Earth Orbit – niedriger Erdorbit): 70t
Mond: 24t
Mars: 20,2 t
Europa: 2,9 t
Uranus : 0,13 t

2. EUS (Exploration Upper Stage)
Diese Oberstufe ist eine Neuentwicklung. Sie wäre weitaus leistungsfähiger als die ICPS und würde daher wohl auch häufiger zum Einsatz kommen. Im Moment führt die Herstellerfirma Boeing Studien bezüglich dieser Oberstufe durch. Die EUS soll bereits beim ersten bemannten Flug des SLS, Exploration Mission 2, geplant Ende 2021, zum Einsatz kommen. Verschiedene Triebwerkskombinationen wurden vorgeschlagen, um die EUS anzutreiben:

vier RL-10B2 Triebwerke mit je 110 kN Schub
zwei MB60 Triebwerke mit je 250 kN Schub
ein J2-X Triebwerk mit 1307 kN Schub

Letzten Endes wurde entschieden, das RL-10 Triebwerk zu verwenden. Die EUS soll ähnlich der ICPS aufgebaut sein: Oben befindet sich ein LH2-Tank mit 8,4m Durchmesser. Da dieser Durchmesser mit dem der Kernstufe des SLS übereinstimmt, kann der Tank mit denselben Gerätschaften in der MAF (Michoud Assembly Facility) gefertigt werden. Mit einer X-Struktur aus Kompositmaterialien ist er mit dem 5,5m durchmessenden LOX-Tank verbunden, an dem wiederum die vier RL-10C1 Triebwerke angebracht sind. Insgesamt wiegt die EUS 119,182 t und wird etwa 19 m lang sein. Mit ihr verfügt das SLS über folgende rechnerische Nutzlastdaten:

LEO: 93,1 t
Mond: 38,1 t
Mars: 31,7 t
Europa : 8,1 t
Uranus : 1,7 t

3. EDS (Earth Departure Stage)
Diese Oberstufe sollte ab 2032 in der leistungsgesteigerten Block II-Version des SLS zum Einsatz kommen. Sie wäre 24m lang und ebenfalls 8,4 m im Durchmesser gewesen und von zwei J2-X Triebwerken angetrieben worden. Dieses Triebwerk wurde bereits im Rahmen des inzwischen gestrichenen Constellation-Programms entwickelt und bereits einige Male zu Testzwecken gezündet. Das SLS hätte mit der EDS über eine Nutzlast von 130 t in den LEO verfügt. Jedoch gilt es inzwischen als am Wahrscheinlichsten, dass statt der Earth Departure Stage lediglich die EUS sowie die verbesserten Booster, deren Entwicklung bereits begonnen hat, bei der Block II-Version des SLS zum Einsatz kommen. Letztere SLS-Variante wäre laut Plan dazu in der Lage, sogar 155 t in den LEO und 45 t auf eine Fluchtbahn von der Erde weg zu befördern.

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