Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: Boeing, NASA, ULA, USAF.

TDRS-Raumfahrzeuge spielen in vielen internationalen und US-amerikanischen Raumfahrtprogrammen eine maßgebliche Rolle. Sie sind beispielsweise in der Lage, von Raketen im Flug gesendete Telemetriedaten zu geeigneten Bodenstationen weiterzuleiten und Kommunikationsverbindungen zwischen der Internationalen Raumstation (ISS) und der Erde zur Verfügung zu stellen.

Der am 18. August 2017 auf einer Rakete vom Typ Atlas V gestartete TDRS M ist der dritte und letzte einer mit TDRS K begonnenen und mit TDRS L fortgesetzten Baureihe. Das von Boeing in El Segundo im US-amerikanischen Bundesstaat Kalifornien für einen Preis von 289 Millionen US-Dollar gebaute Raumfahrzeug wurde beim 72. Flug einer Atlas-V-Rakete in den Weltraum transportiert.

Die Mission der von Lockheed Martin gebauten und der United Launch Alliance (ULA) vermarkteten Rakete begann um 12:29 Uhr UTC (14:29 Uhr MESZ) von der Rampe Nr. 41 der Luftwaffenbasis Cape Canaveral (Cape Canaveral Air Force Station, CCAFS) im US-Bundesstaat Florida. Angesetzt war der Start auf 12:03 Uhr UTC zu Beginn eines vierzig Minuten langen Startfensters, musste aber wegen einer Auffälligkeit beim Herunterkühlen des Triebwerks der Centaur-Oberstufe um einige Minuten verschoben werden.

TDRS M mit einer Startmasse von rund 3.454 Kilogramm wurde von einer Atlas V in 401-Konfiguration, die hier zum 37. Mal zum Einsatz kam, transportiert. Das bedeutet, dass auf der Zentralstufe mit dem Kerosin mit flüssigem Sauerstoff verbrennenden RD-180-Triebwerk von RD-AMROSS eine Centaur-Oberstufe mit einem Triebwerk aufgesetzt war, seitlich an der Zentralstufe keine Feststoffbooster angebracht waren und die Nutzlastverkleidung 4 Meter Durchmesser hatte.

Das Haupttriebwerk der Zentralstufe der Atlas V mit der Seriennummer AV-074 zündete rund 2,7 Sekunden vor dem Abheben von der Startanlage. Etwa 19 Sekunden nach dem Abheben begann die Rakete, ihre Flugbahn in die erforderliche Richtung zu neigen. Rund 92 Sekunden nach dem Abheben passierte die Rakete den Bahnpunkt mit der höchsten dynamischen Druckbelastung (Max-Q).

Der BECO für Booster Engine Cutoff genannte Brennschluss der Zentralstufe erfolgte rund vier Minuten und 2 Sekunden nach dem Abheben. Wenige Sekunden später wurde die Zentralstufe abgetrennt. Vier Minuten und 18 Sekunden nach dem Abheben begann die erste Brennphase des RL10C-1-Triebwerks von Pratt & Whitney Rocketdyne am Heck der Centaur-Oberstufe. Acht Sekunden später wurde die Nutzlastverkleidung abgeworfen, die den Satelliten an der Raketenspitze beim Flug durch die dichten Schichten der Atmosphäre geschützt hatte.

Nach der etwas über 13,5 Minuten dauernden ersten Brennphase der Centaur war eine elliptische Parkbahn erreicht. Deren der Erde nächster Bahnpunkt lag bei rund 193 Kilometern über der Erde, ihr erdfernster Bahnpunkt bei rund 25.680 Kilometern über der Erde. Die Neigung dieser Bahn gegen den Erdäquator betrug rund 27 Grad.

Rund 90 Minuten befanden sich Centaur und Nutzlast in einer Freiflugphase, bevor die Centaur wieder ihr Haupttriebwerk startete. Letzteres geschah rund eine Stunde und 48 Minuten nach dem Abheben. Die Brennphase dauerte rund 56 Sekunden und bewirkte die Ausbildung einer 4.644 x 35.790 Kilometer-Bahn, die 26,23 Grad gegen den Äquator geneigt war. Die angestrebten Sollwerte waren 4.640 x 35.788 Kilometer bei 26.2 Grad. Rund eine Stunde und 54 Minuten nach dem Abheben war es dann soweit: TDRS M wurde erfolgreich auf einer Erdumlaufbahn ausgesetzt.

Aus der erreichten Bahn heraus besorgt TDRS M den Flug zu einer Position im Geostationären Orbit (GEO) innerhalb von 18 Tagen nach dem Start aus eigener Kraft. Zu diesem Zweck wurde er mit einem 490 Newton starken Zweistofftriebwerk des Typs R-4D-11-300 von Aerojet Rocketdyne ausgerüstet, das Monomethylhydrazin (MMH) als Treibstoff und Stickstofftetroxid (NTO / N₂O₄) als Oxidator benutzt.

Nach Abschluss einer umfangreichen Test- und Inbetriebnahmephase, die rund fünf Monate dauern soll, will die NASA TDRS M als TDRS 13 in das aktuelle TDRS-Betriebsnetz integrieren. Mindestens 15 Jahre soll sich das auf Boeings Satellitenbus BSS-601HP basierende Raumfahrzeug dann bestimmungsgemäß verwenden lassen.

Mit Strom werden die Kommunikationsnutzlast und die übrigen elektrischen Systeme von TDRS M von zwei Solarzellenauslegern versorgt, die je nach Beleuchtungssituation zwischen 2,8 und 3,3 Kilowatt elektrische Leistung bereitstellen. Zwei richtbare, in Startkonfiguration zusammengefaltete Antennen mit 4,6 Meter durchmessenden Gitternetzreflektoren von TDRS M können für Einzelverbindungen zu anderen Raumfahrzeugen im S, K_u– und K_a-Band mit hohen Datenraten verwendet werden. Gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Raumfahrzeugen ermöglicht eine phasengesteuerte Gruppenantenne (Phased-Array-Antenne), die auf dem in Betriebsposition dem der Erde direkt zugewandten Deck des Satellitenkörpers montiert ist. Für Verbindungen mit Bodenstationen auf der Erde gibt es eine zusätzliche Antenne mit einem Reflektordurchmesser von 1,9 Metern.

TDRS M ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 42.915 und als COSPAR-Objekt 2017-047A. Die Centaur-Oberstufe der Trägerrakete ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 42.916 und als COSPAR-Objekt 2017-047B.

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• TDRS M (TDRS 13) auf Atlas V 401 AV-074 vom LC-41 CC
• TDRSS – Tracking and Data Relay Satellite System

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Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: NASA/GSFC, Raumcon.

Am 23. Januar 2014 am Abend um 09:33 p.m. Ortszeit Cape Canaveral, also 24. Januar um 03:33 Uhr morgens in Mitteleuropa, wurde eine Altas V-Rakete mit TDRS-L erfolgreich gestartet. Bei der Nutzlast handelt sich nach TDRS-K (oder jetzt TDRS-11) um das zweite Exemplar aus der dritten Generation US-amerikanischer Bahnverfolgungs- und Datenrelais-Satelliten (Tracking and Data Relay). Das „L“ ist der Ordnungsbuchstabe und deutet an, dass der Satellit noch nicht auf Arbeitsposition ist. Ab Inbetriebnahme im Orbit wird dann numerisch durchgezählt. Aus TDRS-L wird TDRS-12. Mit dem Neuzugang verfügt das TDRS-System über acht aktive und einen Reserve-Satelliten.

Der 43. Start einer Atlas V, diesmal in der Minimalkonfiguration 401 (die Ziffernfolge steht für 4 Meter Durchmesser der Nutzlastspitze, null zusätzliche Hilfstriebwerke und ein Oberstufentriebwerk), verlief problemlos. Allerdings kam es zu einer 28-minütigen Verzögerung innerhalb des Startfensters zwischen 03:05 und 03:45 Uhr MEZ zur Klärung von Unstimmigkeiten beim Empfang der Telemetriedaten. Gut eine Stunde und 46 Minuten nach dem Abheben wurde der Satellit ausgesetzt. TDRS-L wurde in einen Orbit von 4.839 mal 35.788 Kilometer mit einer Inklination von 25,5 Grad entlassen. Bereits kurz nach der Separation ist das Entfalten der beiden großen Antenneschirme vorgesehen. Der Arbeitsorbit wird mit Hilfe eines Bordtriebwerkes innerhalb von elf Tagen erreicht. Dort sind die nächsten Schritte das Entfalten der Solarzellenausleger und das Ausfahren aller Antennen. Danach beginnt einen dreimonatige Test- und Kalibrierungsphase, bevor der Satellit an die NASA übergeben wird.

Neben den demnächst zwei aktiven TDR-Satelliten der dritten Generation stützt sich das Bahnverfolgungs- und Datenrelais-System noch auf vier Satelliten aus der ersten und drei aus der zweiten Generation. Es gewährleistet eine unterbrechungsfreie 24-Stundenkommunikation mit allen wichtigen US-Weltraummissionen, allen voran mit der ISS. Die Unterstützung ist aber nicht nicht nur auf US-Missionen beschränkt.

Das Investitionsvolumen für TDRS-K (gestartet am 30. Januar 2013) und TDRS-L einschließlich der wegen dieser neuen Satelliten notwendig gewordenen Modernisierung der TDRS-Bodenstation in White Sands, New Mexico, beläuft sich auf rund 715 Mio. US-Dollar. Neben White Sands existiert noch eine TDRS-Bodenstation auf Guam im westlichen Pazifik. Die stetige Erneuerung des TDRS-Systems wird laut Planung 2015 mit dem Start von TDRS-M fortgesetzt. 2016 könnte noch TDRS-N folgen, über die bestehende Option beim Hersteller Boeing ist aber noch nicht entschieden.

Die dritte Satelliten-Generation sendet wie die erste im S-Band und hat wie diese die Fähigkeit zur simultanen Kommunikation mit mehreren Nutzern. Über den S-Band Multiple Access, bestehend aus 32 Empfänger- und 15 Sender-Antennen an der Vorderseite des Satellitenbusses Boeing 601, können gleichzeitig die Signale von bis zu fünf Satelliten von TDRS-L empfangen und weitergeleitet werden. Daneben gibt einen S-Band Single Access zum Empfang wenig fokussierter (low gain) Signale, einen Ku-Band Single Access für hochauflösende Zwei-Wege-Videoübertragungen und einen Ka-Band Single Access, der große Übertragungsraten (800 Mbps) für wissenschaftliche Daten bietet. Dazu dienen die beiden charakteristischen, beweglichen 5-Meter-Parabolantennen in Verbindung mit einer dritten, kleineren Parabolantenne. Die beiden Stabantennen (omni antenna) sind für Telemetrie, Tracking und Steuerbefehle reserviert. Die Leistungsfähigkeit der Solarzellen wurde erhöht. Sie liefern je nach Sonnenausrichtung zwischen 2,85 und 3,22 Kilowatt elektrische Leistung. Die Startmasse von TDRS-L beträgt 3,545 Tonnen. Die über die Solarpanels gemessene Spannweite kommt auf 22 Meter. Über beiden großen Antennen gemessen, ist der Satellit 13,1 Meter breit. Die Lebensdauer ist auf 15 Jahre ausgelegt, eine Einsatzdauer, die von den frühen Vorgängern regelmäßig erheblich überschritten wurde (siehe Auflistung unten).

Das TDRS-Projekt wurde 1973 gestartet. Es ist, wenn man so will, ein Langzeitprojekt der Nach-Apollo-Ära. 1983 erfolgte der erste Start eines TDR-Satelliten. Der letzte Satellit dieser ersten Generation war TDRS-G oder 7. Die zweite Generation waren TDRS H, I und J. Nach Integration im TDRS-System werden sie unter den Nummern 8, 9 und 10 geführt. Die Historie im Einzelnen:

• TDRS-1: Start am 4. April 1983 mit STS-6 Challenger; im Juni 2010 außer Betrieb genommen.
• TDRS-2: Der Satellit ist beim Start am 28. Januar 1986 im Rahmen von STS-51L Challenger mit der Challenger-Explosion verloren gegangen. Die numerische Zählung wurde trotz Nichterreichens des Orbits wegen der besonderen Tragik fortgesetzt.
• TDRS-3: Start am 29. September 1989 mit STS-26 Discovery; als Reserve-Satellit über der Nordost-Küste Brasiliens positioniert.
• TDRS-4: Start am 13. März 1989 mit STS-29 Discovery; im Dezember 2011 außer Betrieb genommen.
• TDRS-5: Start am 2. August 1991 mit STS-43 Atlantis; aktiv und positioniert über den Phoenix Islands im Pazifik.
• TDRS-6: Start am 13. Januar 1993 mit STS-54 Endeavour; aktiv und positioniert über der Nordost-Küste Brasiliens.
• TDRS-7: Start am 13. July 1995 mit STS-70 Discovery; aktiv und positioniert über dem Indischen Ozean. TDRS-7 ist Ersatz für den verloren gegangenen TDRS-2.
• TDRS-8: Start am 30. Juni 2000 auf Atlas IIA; aktiv und positioniert über dem Indischen Ozean.
• TDRS-9: Start am 8. März 2002 auf Atlas IIA; aktiv und positioniert über der Nordost-Küste Brasiliens.
• TDRS-10: Start am 4. Dezember 2002 auf Atlas IIA; aktiv und positioniert über den Phoenix Islands im Pazifik.
• TDRS-11: Start am 30. Januar 2013 auf Atlas V; aktiv aber noch im Testbetrieb (Stand November 2013) und positioniert über dem Pazifik.
• TDRS-L: Start am 24. Januar 2013 auf Atlas V; Abschluss Transferorbit nach 11 Tagen; Kalibrierung und Tests etwa drei Monate.
• TDRS-M: Start voraussichtlich in der zweiten Jahreshälfte 2015.

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• TDRS-L auf Atlas V 401 AV-043

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Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: Nasa, Space.com.

Dass Software-Aktualisierungen mitunter spannend verlaufen, weiß man aus seinem privaten und häufig auch aus dem beruflichen Leben. Das ist nicht anders bei der Internationalen Raumstation ISS. So hat ein derartiges Manöver vor wenigen Tagen am 19. Februar 2013 den dort oben kreisenden Astronauten einen gut dreistündigen, fast totalen Kommunikationsausfall beschert – „fast total“ nur deshalb, weil man wenigstens beim Überflug über Russland kurze Anweisungen zur Behebung des Kommunikationsproblems geben und nachfragen konnte, ob denn sonst alles funktioniere. So war es, soviel vorweg. Gleich nach der unfreiwilligen Funkpause versicherte ISS-Kommandant Kevin Ford (USA) in einer Audiobotschaft, die Station und ihr Kurs seien völlig in Ordnung und die derzeit sechsköpfige Besatzung aus Kanada, Russland und den USA in bester Verfassung.

Doch der Reihe nach. Die Probleme begannen an besagtem 19. Februar um 15.45 Uhr MEZ (9:45 a.m. EST), als von der NASA-Bodenstation im Johnson Space Center in Houston eine Software-Aktualisierung auf den Stationsrechner der ISS aufgespielt wurde. Dieser Computer überwacht alle kritischen Funktionen der ISS. Um den Vorgang abzuschließen, wurde im Laufe der Aktualisierung laut NASA auf einen Reserverechner umgeschaltet. Dabei brach die Verbindung zu den Bahnverfolgungs- und Relaissatelliten der NASA (TDRS = Tracking and Data Relay Satellites) und damit auch die Verbindung zum Kontrollzentrum in Houston ab. Um 17.00 Uhr MEZ (11:00 a.m. EST) konnten die Amerikaner erstmals über russische Bodenstationen Kontakt mit der ISS-Besatzung aufnehmen und eine Prozedur zur Behebung des Problems übermitteln. Dazu musste ein weiterer Ausweichcomputer aktiviert werden. Der Vorgang muss dann doch etwas komplexer gewesen sein, denn erst um 18.34 Uhr MEZ (12:34 p.m. EST) war der direkte Kontakt nach Houston wieder hergestellt.

Ganz neu ist die Erfahrung nicht. Bereits 2010 kam es zu einem einstündigen Funkverbindungsausfall, als vom Hauptcomputer auf ein Reservesystem umgeschaltet werden musste. Der jetzige Vorfall wurde im Internet angesichts der 100-Mrd.-Dollar-Investition gleich mit einigem Zynismus kommentiert: typisch für einen bestimmten Softwarehersteller, ein chinesischer Hacker-Angriff, der vorbeifliegende Asteroid oder besser gleich außerirdische Invasoren seien die Ursache, zum Glück gebe es noch eine Amateurfunkstation an Bord, so lauteten einige Kommentare.

Die NASA wird am 22. Februar 2013 allen Interessierten beweisen, dass sie kommunikationstechnisch auf der Höhe der Zeit ist. Im Rahmen eines Video-Livechat mit Google+-Hangout und schriftlich über Google+, Twitter oder Facebook können ab 15.30 Uhr MEZ (10:30 a.m. EDT) für eine Stunde direkt Fragen an die beiden US-amerikanischen Besatzungsmitglieder und den Kanadier gestellt werden. Das Ganze kann passiv über Google+ oder Youtube verfolgt werden (Näheres bei der NASA hier).

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• ISS-Expedition 34
• ISS – Hauptthema ab 19. Februar 2013

Der Beitrag ISS: Nach Funkstille nun Kommunikation für alle erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Klaus Donath. Quelle: NASA.

Die K_u-Band-Antenne vom Space Shuttle erfüllt zwei Aufgaben. Einmal dient sie als Radarantenne zur Abstandsmessung bei Andockmanövern, andererseits ist sie dafür verantwortlich, im K_u-Band (12-18 GHz) mit den Datenrelais-Satelliten (TDRS) im Geostationären Orbit zu kommunizieren. Diese ermöglichen im Normalfall eine ständige Hochgeschwindigkeitsverbindung zum Boden.
Nachdem die Crew diverse Versuche unternommen hatte, das System neu zu starten, wurde es von Mission Control zumindest für den 2. Flugtag als inoperabel erklärt. Das ist insofern problematisch, als dass genau an diesem Tag Inspektionen des Hitzeschildes mit dem speziellen Roboterarm (OBSS) geplant sind, dessen Daten und Bilder im Normalfall live übertragen werden. Da genau das voraussichtlich nicht möglich sein wird, wurde ein Alternativplan entwickelt. Die Astronauten sollen die Inspektion nun selbstständig durchführen und die visuellen Daten selbst auswerten. Stellen, bei denen sich die Crew unsicher ist, werden auf Band aufgenommen und nach dem Docking mit der ISS über die stationseigene K_u-Band-Antenne zum Boden übertragen. Die NASA hat sich dafür schon zusätzliche Übertragungskapazitäten vom K_u-Band-System der ISS geblockt.
Dass damit wahrscheinlich auch das Abstandsradar während des Andockprozesses nicht zur Verfügung steht, erschwert das Rendezvous zwar, aber es ist weiterhin möglich, mittels GPS, Star-Trackern und laserbasierten, handgesteuerten Abstands-Messgeräten ausreichend Daten für ein sicheres Docking zur Verfügung zu stellen.

Während der Dockingphase kann selbstverständlich auf das System der ISS zurückgegriffen werden. Für die nach dem Docking geplante Late-Inspection gibt es allerdings noch keinen beschlossenen Plan. Dafür gäbe es keine Möglichkeit, die Daten an Mission Control zu übertragen. Man macht es also entweder am letzten Dockingtag noch an der ISS oder aber man verlässt sich auf die ausgebildete Crew, die Bilder zu analysieren.

Die Kommunikation per Sprache ist nur teilweise gefährdet, da das Shuttle zusätzlich über S-Band, wenn darüber auch deutlich weniger Daten übertragen werden können, kommunizieren kann. Auch wenn der Zeitplan der Crew durch diesen Ausfall beeinträchtigt werden würde, können alle primären Aufgaben der STS-131-Mission weiterhin erfüllt werden.

Weitere Infos zu STS 131:

• STS 131 Crew trifft am KSC ein
• NASA bestätigt Starttermin für STS 131
• Shuttle Discovery erfolgreich gestartet

Raumcon:

• STS 131 – Mission und Landung

Der Beitrag Probleme mit Discoverys Ku-Band-Antenne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.