Quelle: OHB SE.

Augsburg. Unser Nachbarplanet Mars bekommt immer wieder Besuch von der Erde: Sonden umkreisen ihn, Rover werden abgesetzt, wir „hörten“ kürzlich vom Mars und fieberten bis vor kurzem dem Erstflug des NASA-Helikopters „Ingenuity“ entgegen. Die Europäische Weltraumorganisation ESA und ihr US-Pendant NASA wollen im Programm Mars Sample Return (MSR) die robotische Exploration des Roten Planeten auf ein neues Level bringen: Mars-Bodenproben sollen in den 2030er Jahren zur Erde gebracht werden. Die Augsburger MT Aerospace AG, die zum Bremer Hochtechnologiekonzern OHB SE gehört, trägt mit Tanksystemen maßgeblich zum „Earth Return Orbiter“ (ERO), dem größten europäischen Part dieses Vorhabens, bei.

„Wir wurden mit Entwicklung, Fertigung und Qualifizierung der Tanksysteme des europäischen Raumfahrzeugs beauftragt, das die Gesteinsproben im Mars-Orbit übernehmen und in eine Erdumlaufbahn bringen wird. Wir sind sehr stolz, unser über viele Jahre aufgebautes Know-how bei dieser hochanspruchsvollen Mission einbringen zu können“, sagt Hans Steininger, der Vorstandsvorsitzende der MT Aerospace AG. Das Unternehmen hat einzigartige Fertigungstechnologien entwickelt und ist führend im Leichtbau aus Metall- und Verbundwerkstoffen. Die fortschrittlichen Strukturbauteile und Tanks kommen in europäischen und internationalen Trägersystemen (u.a. Ariane und Space Launch System), Raumfahrzeugen, Satelliten und bei der Flugzeug-Flotte von Airbus erfolgreich zum Einsatz.

3 x hin, 1 x retour
Mit der Ankunft des NASA-Marsrovers „Perseverance“ im Februar diesen Jahres ist der erste Schritt im ambitionierten „Mars Sample Return“-Programm erfolgt: Sich umsehen und Gesteinsproben sammeln. Im Jahr 2026 wollen sowohl NASA als auch die ESA erneut zum Roten Planeten aufbrechen: Die NASA schickt dann mit der „Sample Retrieval Lander“-Mission einen von der ESA beigesteuerten „Sample Fetch Rover“ zum Einsammeln der bis dahin von „Perseverance“ gefüllten Proben-Container sowie ein „Mars Ascent Vehicle“, das die Container in den Mars-Orbit transportiert. Dorthin schickt die ESA ihren ERO, der das etwa fußballgroße Behältnis einfangen und an Bord nehmen wird. ERO wird für die Rundreise zum Mars und dieses anspruchsvolle Manöver mit verschiedenen Antrieben ausgestattet, die dazugehörigen Tanksysteme kommen größtenteils aus Augsburg.

Tanks von MT Aerospace ermöglichen die Reise zum Mars – und zurück
Die MT Aerospace AG ist Spezialistin für die Entwicklung und Fertigung hochpräziser Strukturen und Tanks für die Luft- und Raumfahrt – sowohl aus metallischen als auch aus Verbundwerkstoffen, als Einzelstück, Kleinserie oder Serienfertigung. „Wir entwickeln und fertigen größtenteils in Deutschland und haben über die Jahre ein attraktives Tank-Portfolio aufgebaut und einzigartige Fertigungstechnologien entwickelt“, so Thomas Schermann, der bei MT Aerospace das Tank-Geschäft verantwortet. „Wenn es auf möglichst geringe Masse ankommt, wählen wir ein entsprechend dünnwandigeres Design, das durch CFK-Umwickelung (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) die nötige Stabilität erhält.“

Bislang wurden ca. 21.000 Tanks für die Luftfahrt verkauft. Zu den Kunden zählt vor allem der europäische Flugzeughersteller Airbus. Rund 330 Tanks für Satelliten wurden bis dato beispielsweise an Thales Alenia Space, Airbus und Unternehmen der OHB SE ausgeliefert. Für die ERO-Mission wurden nun drei unterschiedliche Tanksysteme geordert:

• Der größte Tank für den europäischen ERO ist der 900 Liter fassende L-XTA Xenontank. Er wird den hocheffizienten elektrischen Antrieb des Raumfahrzeugs versorgen, der neben der Transferphase auch für Manöver im Mars-Orbit genutzt wird. Der Auftrag mit einem Volumen von 1 Mio. Euro wurde vom industriellen Hauptauftragnehmer der ERO-Mission, Airbus SAS, Frankreich, vergeben. Bereits im nächsten Jahr soll der mit CFK umwickelte metallische Spezialtank an den Kunden ausgeliefert werden.
• Auch bei den Tanks für den chemischen Antrieb des Raumfahrzeugs hat sich Airbus für die Expertise der MT Aerospace AG entschieden. Der 2,8 Mio. Euro Vertrag über die Fertigung und Qualifizierung dieser Tanks wurde letzte Woche unterzeichnet. Es handelt sich um mehrere metallische Tanks aus der ursprünglich für Telekommunikationssatelliten entwickelten E3000-Tankserie; so werden Entwicklungskomplexität und -aufwand minimiert. Sie fassen je 225 Liter und geben unter Nutzung der Kapillarwirkung über eine komplexe Baugruppe (das Propellant Management Device) die benötigte Menge an Treibstoff und Oxidator in der Schwerelosigkeit frei. Das chemische Antriebssystem wird für das Einschwenken in den Mars-Orbit sowie den Wiederaustritt nach dem Einfangen der Proben genutzt werden.
• Des Weiteren war die MT Aerospace AG auch bei den Helium-Hochdrucktanks (HeHPV, Helium High Pressure Vessel) für ERO erste Wahl: Im Unterauftrag zu Avio S.p.A, Italien, wird neben der bestehenden 50 Liter Version der etablierten Tankfamilie ein 90 Liter fassender Hochdrucktank (Innendruck 310 bar) entwickelt und gefertigt. Der an der dünnsten Stelle weniger als 1mm dicke metallische Liner wird mit einer CFK-Ummantelung verstärkt, um an Bord des Raumfahrzeugs den nötigen Überdruck auf die mit Flüssigtreibstoff gefüllten Tanks erzeugen zu können. So wird der chemische Antrieb während kritischer Manöver zuverlässig mit Treibstoff versorgt.

Die ERO-Mission ist sehr anspruchsvoll. Die wissenschaftlichen Untersuchungen der wertvollen Fracht werden zu ganz neuen Erkenntnissen führen und die von Mars-Sonden übermittelten oder bisher automatisiert auf der Marsoberfläche durchgeführten Experimente ideal ergänzen. „Wir haben unsere Kunden durch die allseits anerkannte Qualität unserer Arbeit sowie mit kurzen Lieferzeiten überzeugt und können so einen entscheidenden Beitrag zu dieser einzigartigen Mission leisten“, freut sich Simon Bühler, der bei MT Aerospace AG für den Vertrieb der Tanks zuständig ist.

Über MT Aerospace AG
Die MT Aerospace AG ist ein Unternehmen in der Luft- und Raumfahrt mit rund 600 Mitarbeitern an den Standorten Augsburg, Cagliari (Italien), Santiago de Chile und Kourou, Französisch-Guayana. MT Aerospace entwickelt und produziert Schlüsselkomponenten für die Europäische Trägerrakete Ariane, die Airbus-Flugzeugflotte, Raumfahrzeuge und Satelliten. MT Aerospace ist ein Technologieführer in Leichtbau-Strukturen unter Verwendung von Metall und Composite-Materialien. Mit einem Auftragsvolumen von zehn Prozent ist MT Aerospace der größte Lieferant für das Ariane-Programm außerhalb Frankreichs.

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• Mars Sample Return

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Quelle: Technische Universität München.

Die Schweißnähte des riesigen Treibstofftanks einer Rakete müssen beim Start immense Kräfte aushalten. Für solche besonders stabilen Nähte wird das Verfahren des Rührreibschweißens genutzt. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) wollen das Verfahren effizienter machen. Sie nutzten dabei die Positronen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), um atomare „Löcher“ im Material präzise zu lokalisieren.

Das Verfahren des Rührreibschweißens wird immer häufiger bei Bauteilen eingesetzt, bei denen die Nähte besonders dicht und stabil sein müssen. Etwa im Flugzeugrumpf, im Kühlsystem des Autos oder auch beim Treibstofftank einer Rakete. Im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren benötigt das Rührreibschweißen kein zusätzliches Schweißmaterial, und die Temperaturen bleiben in der Regel unter der Schmelztemperatur. Damit ist das Verfahren besonders für temperaturempfindliche Materialien wie das leichte Aluminium geeignet.

Sind die Bauteile fest eingespannt, wird an deren Grenzfläche der schnell drehende Schweißstift des Schweißgerätes entlanggeführt. Der Stift weicht das Material durch Reibungswärme auf, ohne es zu schmelzen. Während sich der Stift voran bewegt, verrührt er die beiden Bauteile an der Grenzfläche und sorgt nach dem Abkühlen für eine besonders feste Naht.

Das Problem bei dem erst 30 Jahre alten Verfahren sind fehlende Erfahrungswerte. Bei jedem neuen Bauteil und Material müssen die Einstellungen des Geräts durch Ausprobieren bestimmt werden. Durch eine automatische Regelung, welche die Einstellungen selbst bestimmt und anpasst, würde sich die Effizienz des Verfahrens enorm verbessern. Dafür hat Dr. Andreas Bachmann in seiner Forschungsarbeit an der TUM ein Regelungskonzept entwickelt.

Positronen finden „Löcher“ im Metall
Zunächst untersuchte Bachmann anhand einer speziellen Aluminiumlegierung, die in der Raumfahrt eingesetzt wird, wie genau die Temperatur und Schweißgeschwindigkeit den Prozess beeinflussen. Dazu nutzte er die weltweit intensivste Positronenquelle NEPOMUC der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). „Mit der Methode der Doppler-Verbreiterungsspektroskopie konnten wir die Defekte im Metall in und nahe der Schweißnaht finden“, sagt Bachmann.

Forschende schießen bei der Doppler-Verbreiterungsspektroskopie Positronen in das Metallgitter. Hier werden sie von den ebenfalls positiv geladenen Atomrümpfen im Gitter abgestoßen und bewegen sich von selbst zu Leerstellen, wo sie auf ihr Antiteilchen, ein Elektron, treffen. Die Teilchen löschen sich gegenseitig aus und senden dabei Energiestrahlen aus, die wiederum detektiert werden. Die gemessenen Strahlen geben Auskunft über die Position und Häufigkeit von atomaren Leerstellen.

Defekte sind temperaturabhängig
Die Forschenden fanden bei ihren Untersuchungen weniger Defekte bei höheren Schweißtemperaturen um die 500 Grad Celsius. „Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren sind 500 Grad allerdings immer noch sehr niedrig“, erklärt Bachmann. „Es ist also so: Eine geringere Schweißtemperatur ist für die temperaturempfindlichen Materialien natürlich besser; wenn sie zu gering ist, wirkt sich das aber negativ auf die Festigkeit der Naht aus.“ Die ideale Schweißtemperatur ist für die Materialien unterschiedlich und muss jeweils bestimmt werden.

Mit diesen Erkenntnissen entwickelte Bachmann eine Regelung, bei der die optimale Temperatur eingestellt wird. Ein Sensor misst die Temperatur in Echtzeit. Mithilfe eines Algorithmus wird bestimmt, wie schnell sich das Werkzeug drehen muss, damit die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert 0 beträgt. „Eine Schweißnaht mit Regelung war im Test 1,5-Mal so fest wie ohne Regelung“, erklärt Bachmann.

Außerdem zeigte er, dass theoretisch auch eine Regelung ohne Temperatursensoren möglich wäre. Dabei wird der Widerstand beim Drehen des Schweißstiftes gemessen und auf diese Weise die Temperatur bestimmt. „Je wärmer das Metall ist, desto leichter lässt es sich umformen, beziehungsweise mit dem Werkzeug verrühren“, erklärt Bachmann, der mittlerweile in der Industrie arbeitet. „Wie leicht oder wie schwer sich das Metall verrühren lässt, kann über das an der Spindel, also den Motor, der das Werkzeug antreibt, anliegende Moment gemessen werden.“ Dieser Ansatz könnte weiterentwickelt werden, um den Einsatz dieser Regelung in der Praxis zu erleichtern.

Publikation
Bachmann, A.; Gigl, T.; Hugenschmidt, C. P.; Zaeh, M. F.: Characterization of the microstructure in friction stir welds of EN AW-2219 using coincident Doppler-broadening spectroscopy. In: Materials Characterization 149, (2019) o. Nr., S. 143 – 152.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Hauptaufgabe der siebenköpfigen Besatzung der Discovery ist der Transport des japanischen Labormoduls (JEM = Japanese Experiment Module) und des daran befestigten Manipulatorarms zur Raumstation ISS. Dort soll es am Backbord-Kopplungsstutzen des Verbindungsmoduls Harmony angekoppelt werden. Danach wird das bereits beim letzten Shuttleflug nach oben transportierte japanische Logistikmodul von Harmony-Zenit nach JEM-Zenit umgesetzt. Zur dauerhaften Inbetriebnahme beider Module sind insgesamt 3 Außenbordeinsätze erforderlich. Dabei werden in erster Linie Versorgungsleitungen verlegt und angeschlossen.

Die Besatzung der Discovery ist international. Kommandant ist Mark Kelly, der bereits zweimal im All war. Ihm zur Seite stehen die Neulinge Kenneth Ham (Pilot), Karen Nyberg, Ronald Garan, Akihiko Hoshide und Gregory Chamitoff. Außerdem ist Michael Fossum an Bord, der schon bei der Mission STS 121 mit von der Partie war. Chamitoff soll Garrett Reisman ablösen, der seit Mitte März zur Stammbesatzung der ISS gehört.

Die Vorbereitungen zur Mission liefen vergleichsweise problemarm ab. Schwierigkeiten mit dem Haupttank führten aber zu Verschiebungen im gesamten Shuttle-Flugplan. Tank Nummer 128 traf erst am 26. März in Cape Canaveral ein und wurde am 14. April mit den bereits montierten Feststoffboostern verbunden. Ende April gesellte sich die Discovery dazu. Der komplette Stack wurde am 3. Mai zum Startkomplex gefahren.

Und hier noch ein Überblick der wichtigsten Aktionen:

• Flugtag 1: Start
• Flugtag 2: Begrenzte Inspektion des Hitzeschildes und Vorbereitungen auf Kopplung
• Flugtag 3: Kopplung an die ISS
• Flugtag 4: Installation des Labormoduls an Harmony, EVA 1
• Flugtag 5: Öffnen und Inbetriebnahme des Labormoduls
• Flugtag 6: EVA 2, Rack-Transfer
• Flugtag 7: Umkoppeln des Logistikmoduls, Aktivierung des japanischen Manipulators
• Flugtag 8: Ersterprobung des japanischen Manipulators
• Flugtag 9: EVA 3
• Flugtag 10: Wartungsarbeiten im Inneren der Station
• Flugtag 11: Abkopplung, Umfliegen der Station
• Flugtag 12: Inspektion des Hitzeschildes der Raumfähre
• Flugtag 13: Landung

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Ein Beitrag von christianbewermeyer. Quelle: NASA.

Die NASA begründete die Verschiebung mit wetterbedingten Verzögerungen bei der Auslieferung des Treibstofftanks zum Kennedy Space Center in Florida. Außerdem wollte man verhindern, dass die Belegschaft am Wochenende des Memorial Days, einem Feiertag, arbeiten muss.
Die Mission STS-124 soll einen weiteren Teil des japanischen Kibo-Labors zur Internationalen Raumstation (ISS) bringen.

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Autor: Thomas Pallmann.

Viele Erkenntnisse wurden aus dem letzten Flug gewonnen und zahlreiche Änderungen, vor allem am externen Tank, wurden vorgenommen. Das Hauptziel der Discovery-Crew, bestehend aus Kommandant Steve Lindsey, Pilot Mark Kelly und den Missionsspezialisten Mike Fossum, Lisa Nowak, Stephanie Wilson und Piers Sellers, wird es sein, neue Ausrüstung zu testen, welche die Sicherheit des Space Shuttles noch weiter erhöhen soll. Außerdem werden sie die Internationale Raumstation (ISS) mit frischen Versorgungsgütern und Experimenten beliefern und mit Thomas Reiter ein drittes Besatzungsmitglied an Bord der Internationalen Raumstation bringen. Damit werden sich erstmals seit dem 4. Mai 2003 wieder drei permanente Besatzungsmitglieder auf der ISS befinden. Thomas Reiter wird hauptverantwortlich für den Transfer von Versorgungsgütern vom Space Shuttle zur Raumstation sein und bei den Weltraumausstiegen die Astronauten bei ihren Vorbereitungen unterstützen.

Die Mission musste mehrfach von den Managern des Space Shuttle-Programms verschoben werden, und dies lag vor allem am externen Tank. 127 Sekunden nach dem Start löste sich beim ersten Testflug der Discovery ein mittelgroßes Stück Isolierschaum vom externen Tank in der Nähe der so genannten „Protuberance Airload Rampen“ (PAL). Diese Rampen sind keilförmige Schichten aus Isolierschaum, die entlang der Rohre und Kabel am externen Tank angebracht sind, um diese vor dem starken Luftstrom zu schützen, der während des Starts möglicherweise Schäden an den wichtigen Kabeln und Rohren hervorrufen könnte. Fast drei Jahre hat ein Team von Spezialisten damit verbracht herauszufinden, ob die PAL-Rampen wirklich gebraucht werden. Es wurden zahlreiche Tests in Windkanälen gemacht und neue verbesserte Computermodelle entwickelt, um die strukturelle Belastung dieses Gebietes noch besser zu verstehen. Schon vor STS-114 gab es Planungen, die PAL-Rampen zu ersetzen und der zum Glück folgenlose Zwischenfall bei dieser Mission zeigte, dass eine Änderung unumgänglich war. Nach langen Tests und zahlreichen Versuchen mit Modellen wurde entschieden, das man die PAL-Rampen komplett entfernen kann, ohne zu riskieren, dass die Kabelstränge oder die unter Druck stehenden Rohre beschädigt werden. Durch den Wegfall dieser Rampen spart man fast 37 Pfund an Isolierschaum und reduziert so das Risiko des Space Shuttles immens.

Ein weiterer Punkt am externen Tank, den man genau unter die Lupe genommen hat, sind die so genannten „Ice/Frost-Rampen“. Diese Rampen sollen verhindern, dass sich an den Metallhalterungen, die an mehreren Stellen auf der gesamten Länge des externen Tankes angebracht sind, Eis bilden kann. Die Metallhalterungen dienen dazu, die Rohre und Kabel am externen Tank zu befestigen. Insgesamt gibt es 34 solcher Rampen am gesamten externen Tank: zwölf am Tank für den flüssigen Sauerstoff und 16 am Tank für den flüssigen Wasserstoff. Nachdem man das ganze Video- und Fotomaterial , das während der Mission STS-114 aufgezeichnet wurde, gesichtet hatte, stellte man fest, dass sich von drei dieser Rampen Isolierschaum gelöst hatte. Nachdem ein Team einen eingelagerten Tank nach möglichen Ursachen untersucht hatte, kam man zu dem Urteil, dass sich durch das starke Abkühlen des Tanks während der Betankung und den Druckaufbau im Tank kurz vor dem Start Risse im Isolierschaum der Rampen bilden können. Das Management des Space Shuttle-Programms hat sich nach langen Beratungen mit den entsprechenden Teams dafür entschieden, die Rampen für den anstehenden Flug von Discovery noch nicht zu modifizieren. Diese Entscheidung wurde aufgrund von verschiedensten Faktoren getroffen, wie zum Beispiel das Verhalten der Rampen während früherer Flüge und dem Fakt, dass derzeit noch kein zufrieden stellendes Alternativdesign dieser Rampen vorliegt.

Der letzte Bereich des externen Tanks, der die Aufmerksamkeit der Techniker beanspruchte, war die neu entwickelte Zweibein-Konstruktion. Diese Neuentwicklung war notwendig geworden, da sich von der alten Halterung der entscheidende Brocken Isolierschaum löste, der den Verlust der Columbia zur Folge hatte. Von dem neuen Zweibein löste sich während des Starts von Discovery ein kleines Stück Isolierschaum vom dem Punkt, an dem eine Strebe des Zweibeins am externen Tank befestigt ist. Die Ursache wird darin vermutet, dass Gase durch kleine Lücken – verursacht durch Kabel, die für die Heizelemente an den Verankerungspunkten des Zweibeins gebraucht werden – unter den Schaum gelangen kann und sich dort aufgrund des sehr kalten Tanks verflüssigen und beim Start, wenn sich der Tank erwärmt, wieder in den gasförmigen Zustand übergehen und so Teile des Isolierschaumes absprengen kann. Dieses Problem umgeht man, indem man die Verkabelungen der Heizelemente und Sensoren durch eine verbesserte Version ersetzt hat, die diese Lücken nicht mehr entstehen lässt.

Neben den Veränderungen am externen Tank werden auch neue Kameras eingesetzt, um eine noch bessere Überwachung des Space Shuttles zu gewährleisten. Neben den schon während STS-114 eingesetzten Kameras am externen Tank, den beiden Boostern und den Kameras am Space Shuttle, werden zwei zusätzliche Kameras in den beiden Feststoffraketen eingebaut. Eine Kamera wird jeweils die entsprechende Flügelkante beobachten und die zweite die Unterseite der Flügel sowie die Hitzeschutzkacheln unterhalb des Orbiters. Die Aufnahmen dieser Kameras werden nicht direkt zur Bodenstation gefunkt, sondern erst nach Bergung der beiden Booster ausgewertet werden können. Des Weiteren wurde eine der beiden Filmkameras unterhalb des Orbiters, sowie die Filmkameras der Crew, mit denen sie den externen Tank nach der Absprengung dokumentieren, durch digitale Fotokameras ersetzt, um so eine schnellere Verfügbarkeit sicherzustellen. Außerdem wurde am „Orbiter Boom Sensor System“ (OBSS) eine weitere neue Kamera angebracht. Diese soll neben der besseren Erkennung von Schäden an den Paneelen der Flügelkanten auch die bessere Erkennung von hervorstehenden Lückenfüllern, wie man sie während des letzten Fluges der Discovery sehen konnte, sicherstellen. Am Boden hat man drei zusätzliche Radaranlagen in Betrieb genommen, um das Shuttle während der kritischen Flugphase von T+60 Sekunden bis T+2 Minuten noch genauer beobachten zu können.

Auch für die beiden geplanten Weltraumausstiege bekommen die beiden Astronauten Piers Sellers und Mike Fossum eine neue Kamera. Die bisherige Filmkamera wird gegen die gleiche digitale Fotokamera ausgetauscht, wie sie auch an Bord des Space Shuttles eingesetzt wird. Einziger Unterschied sind zahlreiche Modifikationen an der Kamera, um sie für den Einsatz im Vakuum des Weltalls tauglich zu machen. Sellers und Fossum werden dabei während ihrer Arbeit von Discovery-Pilot Mark Kelly unterstützt, der die Aufgabe des Koordinators aus dem Inneren des Space Shuttles übernimmt. Lisa Nowak und Stephanie Wilson werden während des ersten Ausstieges den Roboterarm des Space Shuttles bedienen und während des zweiten Weltraumausstieges den Roboterarm der Raumstation benutzen. Der erste Außeneinsatz, welcher am fünften Flugtag stattfindet, wird zweigeteilt sein. Im ersten Teil werden Sellers und Fossum Wartungsarbeiten am Mobilen Transporter durchführen. Sie werden einen Kabeltrenner sichern oder falls nötig austauschen. Im Dezember 2005 hat ein vergleichbarer Kabeltrenner unterhalb des Transporters – auf der erdzugewandten Seite – aus Versehen ein Kabel durchtrennt. Nachdem diese Aufgabe erledigt ist, werden die beiden Astronauten das „Orbiter Boom Sensor System“ auf seine Tauglichkeit für Wartungsarbeiten an schwer erreichbaren Stellen des Space Shuttles überprüfen. Zu diesem Zweck werden zuerst Sellers und dann beide Astronauten am Ende des 15 Meter langen Auslegers Wartungsarbeiten simulieren. Sensoren, die am OBSS angebracht sind, werden die Bewegungen und Schwingungen aufzeichnen, sodass Ingenieure nach der Mission die Stabilität des Auslegers abschließend bewerten können.

Während des zweiten Außeneinsatzes, am siebenten Flugtag, werden Sellers und Fossum eine Ersatzpumpe für die Klimaanlage der Internationalen Raumstation installieren und das erdzugewandte „Trailing Umbilical System“ (TUS) austauschen. Das TUS versorgt den Mobilen Transporter mit Strom und stellt eine Daten- und Video-Verbindung zwischen Transporter und Station her.

Während der gesamten Mission des Space Shuttles werden die Planungsteams der NASA den Stand der Verbrauchsgüter kontrollieren. Sollten es die Reserven des Space Shuttles zulassen, dann werden die Missionsmanager einen weiteren Außeneinsatz für Piers Sellers und Mike Fossum ansetzten. Ziel dieses eventuellen dritten Ausstieges wird es sein, Reparaturtechniken für die verstärkten Karbonteile an der Flügelkante und die Karbonkappe an der Nase des Orbiters zu demonstrieren. Zuerst wird Sellers mit einer Infrarotkamera Aufnahmen der Flügelkanten machen, während er mithilfe des Canadarm 2 der Raumstation in Richtung Frachtraum der Discovery befördert wird. Im Frachtraum angekommen werden Fossum und Sellers an vorbereiteten Testobjekten verschiedene Arten von Reparaturen durchführen. Nach der Rückkehr des Shuttles werden diese reparierten Teile dann in Versuchen auf ihre Haltbarkeit und Effektivität überprüft. Damit beenden wir unseren Überblick über die wichtigsten Details des anstehenden Fluges der Discovery. Wir von Raumfahrer.net werden sie durch die gesamte Mission mit täglich aktuellen Nachrichten begleiten und wünschen der Crew einen sicheren und erfolgreichen Flug.

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Autor: Thomas Pallmann.

Nun steht das Space Shuttle Discovery auf der Startrampe, um die Shuttle Flüge wieder aufzunehmen. Doch was hat sich getan bei der Nasa um das Shuttle sicherer zu machen? Diese Fragen wollen wir in den kommenden Ausgaben beantworten. Unser Blick wird sich zuerst auf den externen Tank richten, dessen abgelöster Isolierschaum den Unfall eingeleitet hatte. Dann werden wir uns dem Orbiter selbst widmen und in den letzten beiden Folgen wird das Management und die Crew unser Hauptaugenmerk sein sowie sonstige Änderungen bei der NASA.

Der Externe Tank (ET)
Während den Untersuchungen des CAIB wurde deutlich das Schaumstoffstücke, die sich während des Starts vom externen Tank lösen eine ernst zu nehmende Gefahr für den Orbiter darstellen können. Insbesondere von vier Gebieten am ET geht eine erhöhte Gefahr aus. Diese Gebiete sind die vorderen Zweibeinrampen, die Bälge der Zuleitung für den flüssigen Sauerstoff, die beiden Protuberance Airload (PAL) Rampen und der Zwischentankflansch des Wasserstofftanks. Um die Gefahr, die von diesen Gebieten ausgeht zu eliminieren, implementiert die NASA ein 3-Phasen-Programm. Phase 1 beinhaltet die Verbesserung oder das Neudesign von kritischen Punkten am externen Tank, die noch vor dem Start vom Space Shuttle Discovery durchgeführt werden. Phase 2 enthält Verbesserungen für den externen Tank, die in die Herstellung des Tanks einfließen, sobald sie zur Verfügung stehen. Phase 3 enthält abschließend Entwicklungen, die ein komplettes Neudesign des Externen Tank beinhalten. Diese werden allerdings immer mit den Plänen das Shuttleprogramm nach Fertigstellung der ISS einzustellen abgewogen.

Zu den wichtigsten Elementen der Phase 1 Arbeiten gehörte ein komplettes Neudesign der vorderen Zweibein Verankerungen, an deren Stelle der Orbiter mit dem externen Tank verbunden wird. Das Neudesign war nötig geworden, da sich in der Vergangenheit immer wieder große Stücke der Schaumstoffisolierung abgelöst hatten und auf den Orbiter getroffen sind. Das ET-Entwicklungsteam hat deshalb schon nach STS-112 die Neuentwicklung dieser Verankerungen begonnen. Die neuen Zweibein Verankerungen haben den Vorteil, das man auf große komplexe Rampen aus Isolierschaum verzichten kann bei denen es im Herstellungsprozess immer wieder zu Fehlern beim Aufsprühen des Schaumes kam. Die neuen Zweibeinhalterungen enthalten zudem Heizelemente, die die Bildung von Eis verhindern sollen, das sich möglicherweise beim Start ablösen könnte und den Orbiter beschädigen kann.

Die nächste potenzielle Gefahrenquelle am externen Tank sind die Bälge der Zuleitungen für den flüssigen Sauerstoff an deren kalter Oberfläche Luftfeuchtigkeit kondensiert und zu Eis wird, was beim Start eine Gefahrenquelle darstellt. Um diese Eisbildung zu unterbinden, setzt man eine Abtropfkante ein. Diese Kante lenkt das kondensierte Wasser von den Bälgen ab und sorgt so dafür das sich die Eisbildung stark reduziert. Bei Tests stellte sich allerdings heraus, das die Abtropfkante alleine nicht ausreicht um die Bildung von gefährlichem Eis zu unterbinden. Damit die Sicherheit des Shuttles dennoch sicher gestellt ist, wird man die Eisbildung ganz genau beobachten und bei zu starker Eisbildung den Start verschieben. Daneben arbeitet man derzeit an einer endgültigen Lösung für das Eisproblem und testet verschiedene zusätzliche Modifikationen für diese Kante.

In den Fokus der Nasa Techniker sind auch die Protuberance Airload Rampen geraten, die am externen Tank angebracht werden, um die aerodynamischen Kräfte die auf den Kabeln und Leitungen während des Fluges wirken zu reduzieren. Bisher gab es nur einen einzigen Fall, bei dem sich Schaum abgelöst hatte. Dieses Ereignis hatte sich während STS-4 zugetragen und wurde auf Reparaturarbeiten an den Rampen zurückgeführt. Nichtsdestotrotz hat die Nasa diese Rampen an die Spitze ihrer Prioritätenliste gesetzt, da aufgrund ihrer Größe und Position am externen Tank sich große Stücke vom Isolierschaum ablösen und den Orbiter treffen könnten. Tests haben hier ergeben, dass von den derzeitigen Rampen keine Gefahr ausgehen sollte. Dennoch entschied man sich dafür in Zukunft auf diese großen Rampen verzichten zu wollen und aus diesem Grund entwickelt man derzeit für Phase 2 Alternativen, die die derzeitigen Rampen ersetzten sollen. Um herauszufinden welche Alternative am besten ist um die Rampen zu ersetzten, führt man derzeit Windkanaltests an Modellen durch. Außerdem wird der externe Tank für die STS-121 Mission mit weiteren Sensoren ausgestattet um akkurate Daten zu erhalten. Mit diesen Daten wird dann entschieden, welche Modifikationen an den PAL Rampen durchgeführt wird.

Das letzte wichtige Gebiet am externen Tank ist der Zwischentankflansch. Dieser Flansch ist eine Verbindung am externen Tank, die mit Bolzen festgemacht wird und dann in einem Zweiwegeverfahren von Hand mit Isolierschaum übersprüht wird. Es kam bereits bei einigen Flügen zum Verlust vom Isolierschaum. Der Grund dafür ist gasförmiger Stickstoff, der im Zwischentank zu Sicherheitszwecken eingesetzt wird. Wenn dieser Stickstoff mit dem kalten Wasserstofftank in Berührung kommt, wird er flüssig und dringt in den Isolierschaum ein und füllt dort kleine Lücken, die unweigerlich beim aufsprühen des Isolierschaumes von Hand entstehen. Dieser flüssige Stickstoff geht während des Starts des Shuttles aufgrund von Reibungswärme wieder in den gasförmigen Zustand über und der daraus entstehende Druck sorgt für das Ablösen des Isolierschaumes vom externen Tank.

Um hier eine höhere Sicherheit zu erreichen, hat die Nasa das bisherige Arbeitsverfahren komplett abgeschafft und mit einem erweiterten Dreiwegeverfahren ersetzt. Zuerst wurden die Bolzen umgedreht um so eine weniger komplexe Geometrie auf der Seite des Wasserstofftankes zu erreichen. Dies ermöglicht den Technikern ein einfacheres aufsprühen des Isolierschaumes und dadurch Lücken im selbigen zu vermeiden. Die langen Enden der Bolzen werden nun mit Hilfe von Isolierschaum in die Längsstreben des Zwischentankes eingearbeitet. Zum Abschluss wird der ganze Zwischentankflansch mit Isolierschaum abgedeckt.

Neben der Konzentration auf diese vier wichtigen Gebiete, entwickelt die Nasa ein nichtinversives Prüfverfahren für den Isolierschaum um Fehler schon in einem frühen Stadium zu erkennen. In Phase 2 werden Verbesserungen des Isolierschaumes sowie des Analyseverfahrens des externen Tankes gesucht, um besser feststellen zu können wo man eventuell auf den Einsatz des Isolierschaumes verzichten kann. Für Phase 3 prüft die Nasa derzeit Möglichkeiten, den externen Tank komplett neu zu designen. Ziel ist ein „glatter“ Tank, an dem es keine externen Leitungen und Kabel mehr gibt. Ob diese Pläne allerdings in die Tat umgesetzt werden können, wird sich erst in Zukunft zeigen können da sämtliche Modifikationen in Phase 3 immer wieder mit den Plänen abgestimmt werden müssen, das Shuttleprogramm nach Fertigstellung der Internationalen Raumstation einzustellen.

Der Orbiter
Das Columbia Unglück hat gezeigt, das das Hitzeschutzsystem des Shuttles verwundbar gegenüber Einschlägen ist.

Aus diesem Grund forderte das Columbia Accident Investigation Board (CAIB) in seinem Bericht ein intensives Programm zur Stärkung des Orbiters. Zu Beginn identifizierte ein Planungsteam 17 Designmöglichkeiten für den Orbiter. Dabei konzentrierte sich das Team auf folgende Ziele: Verbesserte Festigkeit gegenüber Einschlägen während des Starts und Einschlägen von Mikrometeoriten oder Weltraumtrümmer, erhöhte Temperaturtoleranz, Reduzierung von Leak Paths, Redundanz für den Wiedereintritt, erweiterte Möglichkeiten für Wiedereintrittsflugbahnen bei einem Notfall und Reduzierung der nötigen Arbeitsschritte in einem Notfall. Die 17 Designoptionen wurden einem Kontrollgremium vorgelegt. Am Ende der Beratungen blieben 15 Verbesserungen am Orbiter, die in 8 verschiedenen Gruppen zusammengelegt wurden übrig. Ähnlich wie beim externen Tank hat die Nasa die Verbesserungen in drei Implementierungsphasen eingeteilt. Phase 1 enthielt Modifizierungen, die unbedingt vor dem Start von Discovery gemacht werden mussten. In Phase 2 kamen Modifikationen, die nicht unbedingt vor der Wiederaufnahme des Shuttleprogramms implementiert werden mussten. Diese Änderungen werden eingebracht, sobald sich die Gelegenheit ergibt. Phase 3 enthält Projekte die längere Zeit beanspruchen, um in die Hardware integriert zu werden.

In Phase 1 gab es vier wichtige Gebiete am Orbiter, die geändert werden mussten. Als erstes wurden kleine Spalten an den Türen des Hauptfahrwerks entfernt, um so die Hitzebeständigkeit an den Siegeln der Türen zu verbessern. Diese Änderung ist aber nur eine Zwischenlösung, bis die für Phase 2 vorgesehene Neuentwicklung des Hitzeschutzes an den Hauptfahrwerkstüren eingesetzt werden kann. Sowohl bei Discovery als auch bei Atlantis wurde die Phase 1 Zwischenlösung angewandt. Das Space Shuttle Endevour, welches sich derzeit in seiner planmäßigen Wartungsphase befindet, wird im Juli direkt die Phase 2 Neuentwicklung bekommen.

Die nächste wichtige Änderung ist der Schutz der Tragflächenholme hinter den verstärken Karbon Paneelen 5 bis 13. Dieses Gebiet ist das Verwundbarste an der Tragfläche der Orbiter. Der besondere Schutz der Holme in den Tragflächen erhöht die Fähigkeiten des Orbites mit einem kleinen Schaden an der Vorderseite der Tragfläche wieder sicher in die Erdatmosphäre einzutreten. Bei Discovery wurde diese Modifikation der Paneele 5 bis 13 im Februar abgeschlossen. Bei den beiden anderen Orbitern werden ebenfalls diese Änderungen vorgenommen. Sobald weitere Tests und Zertifizierungsverfahren abgeschlossen sind, werden bei allen drei Shuttles alle 44 Paneele (22 pro Flügel) diese Modifikation erhalten.

Eine weitere Phase 1 Änderung besteht im entfernen der geklebten Bolzen an der vorderen Reaction Control System Abdeckung. Diese wurden an allen drei Orbitern gegen mechanisch befestigte Bolzen ausgetauscht. Durch diese Maßnahme soll ein sicherer Verankerungspunkt für wichtige Bestandteile des Hitzeschutzes sicher gestellt werden.

Die letzte Modifikaton in Phase 1 beinhaltet das Austauschen von zwei Seitenfenstern. Diese wurden durch dickere Scheiben mit verbesserter Hitzebeständigkeit ersetzt. Discovery hat diese neuen Fenster bereits und die anderen beiden Orbiter werden ebenfalls bald diese neuen Fenster bekommen. Neben diesen zum größten Teil schon implementierten Phase 1 und 2 Änderungen, entwickelt man im Rahmen der Phase 3 an einer Verstärkung der Hitzeschutzkacheln auf der Unter- und Oberseite des Space Shuttle. Die Design Phase dieser Verstärkung wurde im Januar abgeschlossen.

Arbeiten am Hitzeschild des Space Shuttle waren dem CAIB allerdings nicht genug. Man forderte im Abschlussbericht auch eine Verbesserung der Inspektion für die verstärkten Karbonkomponenten des Shuttles unter Zuhilfenahme von nichtinversiven Verfahren. Die bisherige Strategie der Nasa war es, durch großzügige Sicherheitsmargen die strukturelle Integrität der Komponenten sicherzustellen, und darüber hinaus in periodischen Abständen bereits geflogene Komponenten aus dem Programm zu nehmen und in Beschusstests zu prüfen ob die Haltbarkeit mit den Vorhersagen übereinstimmen. Um die Forderung des CAIB zu erfüllen, entwickelt die Nasa ein Inspektionsverfahren mit dem man die Komponenten am Orbiter jederzeit testen kann, ohne sie abmontieren zu müssen. Man hat 4 Techniken ausgewählt und ist derzeit dabei diese für den Einsatz in naher Zukunft vorzubereiten. Um die verstärkten Karbonkomponenten für die Wiederaufnahme der Shuttle Flüge zu zertifizieren, hatte man bei den Space Shuttles Discovery und Atlantis alle Komponenten d. h. die Nasenkappe und die dazugehörigen Kinn Paneele, sowie die Paneele an der Flügelkante abmontiert und zum Hersteller gesandt, der mit verschiedensten Methoden die Sicherheit der Komponenten verifiziert hat. Die Komponenten von Endevour wurden zudem zusätzlich noch im Kennedy Space Center untersucht und mit den Herstellerdaten abgeglichen.

Außer der Verstärkung und Verbesserung des Hitzeschildes bekam das Shuttle auch neue Hardware in Form eines Auslegers hinzu. Dieser Ausleger wird mithilfe des Roboterarmes benutzt um Schäden am Orbiter mit Hilfe von Sensoren, die am Ende des Auslegers angebracht sind, zu erkennen. Desweiteren kann man den Ausleger benutzten um Astronauten bei einer Inspektion der Hitzeschild zu unterstützten, falls dieses notwendig werden sollte.

Die Nasa hat durch all diese Modifikationen und Änderung am Orbiter, alle Bedenken des CAIB zur Sicherheit des Shuttles abgedeckt. Doch die Arbeit des CAIB endete nicht alleine mit der Flughardware und darum werden wir uns in der nächsten Folge mit dem Management und der Crew beschäftigen und mit der Frage, was sich alles mit dem baldigen Start vom Space Shuttle Discovery in diesen Bereichen geändert hat.

Das Management / Die Crew
In seinem Abschlussbericht behandelte das Columbia Investigation Board nicht alleine die technischen Schwächen des Space Shuttles. Man warf auch einen strengen Blick auf das Management und die Entscheidungsprozesse innerhalb der Nasa und kam zu dem Ergebnis, das auch in diesen Bereichen dringend nachgebessert werden muss.

Das CAIB bemängelte vor allem eine gestörte Sicherheitskultur innerhalb der NASA und kritisierte, dass man Entscheidungen eher auf vergangenen Erfolgen basiert hat und nicht auf technischen Daten und kontinuierlichen Tests. Um diese Mängel zu beseitigen, verfolgt man bei der NASA ein umfangreiches Programm nach Vorgaben des CAIB.

Die erste Forderung des CAIB war die Neustrukturierung des Trainings vom Mission Management Team (MMT). Das MMT ist dafür verantwortlich Entscheidungen vor und während des Fluges zu treffen, die über den Verantwortungsbereich des Launch directors oder des Flight directors hinausgehen. Dabei gibt es zwei Management Teams. Der Verantwortungsbereich des ersten Teams, welches sich am Kennedy Space Center befindet, fängt zwei Tage vor dem Start an und endet zwei Stunden nach dem Start. Von da an übernimmt das Flight Management Team im Johnson Space Center die Verantwortung und betreut die Mission, bis die Crew das Shuttle nach der Landung verlassen hat. Das bisherige Training des MMT konzentrierte sich hauptsächlich auf die Startvorbereitungen und die einzelnen Startphasen, inklusive den verschiedenen Startabbrüchen. Darüber hinaus traf sich das MMT bisher in unregelmäßigen Abständen zu seinen Meetings.

Dies gehört mit den neuen Plänen der NASA nun der Vergangenheit an. Das Training wurde stark ausgeweitet. In seinen Trainingssimulationen wird das MMT nun mit der Shuttle Crew, der Bodenkontrolle, dem Startkontrollteam sowie mit verschiedenen Instanzen sowohl innerhalb als auch außerhalb der NASA zusammenarbeiten, um so die Kommunikation zwischen den einzelnen Elementen zu verbessern. Das Training wird von unabhängigen externen Beratern unterstützt, die auch die Effektivität des Trainings beurteilen. Darüber hinaus wurden die Regularien innerhalb des MMT verschärft. So wird das MMT durch interne und externe Fachkräfte erweitert und die Verantwortungsbereiche klarer definiert. Man verlangt nun von jedem Mitglied des MMT eine Mindestanzahl von Trainingstunden, bevor sie die Berechtigung erhalten im MMT zu arbeiten. Des weiteren achtet man nun stärker darauf, dass sich das MMT während einer Mission täglich trifft.

Neben dem Mission Management Teams, gab es noch Änderungen in der NASA Struktur. Wie vom CAIB gefordert, wurde eine vom Space Shuttle Programm unabhängige technische Autorität geschaffen. Dieser Posten wird vom NASA Chefingenieur ausgefüllt. Seine Aufgabe ist es sicherzustellen, das technische Entscheidungen die Sicherheit des Space Shuttle nicht beeinträchtigen werden. Er kann dazu Experten innerhalb der Nasa beauftragen, die dann aus einem separaten Budget bezahlt werden. Dadurch werden diese Experten unabhängig von Manager Entscheidungen und Budgetproblemen innerhalb des Space Shuttle Programmes. Zusätzlich zu der technischen Autorität, wurden die Kompetenzen des Office of Saftey and Mission Assurance sowie des Space Shuttle Systems Engineering and Integration Office gestärkt und erweitert um die Sicherheit des Space Shuttle Programms zu erhöhen.

Aber nicht alleine auf das Management kamen Veränderungen zu. Auch die Crew des Space Shuttles hat neue Aufgaben erhalten. Diese neuen Aufgaben fangen an mit der Inspektion des Shuttles nach dem es eine sichere Umlaufbahn und enden bei einem möglichen Weltraumspaziergang um das Shuttle zu reparieren. Um das Shuttle nach erreichen der Umlaufbahn zu untersuchen, steht den Astronauten das neue Orbiter Boom Sensor System zur Verfügung. Dieses Sensorsystem wird mithilfe des Roboterarmes dazu benutzt Schäden an den vorderen Flügelkanten und der Nasenkappe zu erkennen.
Wenn dann das Shuttle mit seinen Rondevouzmanövern beginnt um an der Internationalen Raumstation anzudocken, wird die Shuttlecrew den Orbiter direkt unterhalb der Raumstation auf den Rücken drehen, damit die Crew der ISS detaillierte Aufnahmen der Unterseite des Space Shuttles machen kann. Sobald der Orbiter an die ISS angedockt hat, wird erneut das Orbiter Boom Sensor System eingesetzt um eine noch detaillierte Suche nach Rissen und Löchern im Hitzeschild vorzunehmen. Sollte bei diesen Untersuchungen irgendwelche Schäden am Space Shuttle entdeckt werden, werden diese bei einem Weltraumspaziergang repariert. Dabei wird der Roboterarm des Space Shuttle an der Raumstation festgemacht und dann das Shuttle von der ISS abgelöst. Sobald das Shuttle frei ist, wird es gedreht so das die Schadstelle der Raumstation zugewandt ist.

Bei den einzelnen Reparaturmechanismen stieß man allerdings auf einige Probleme, so das beim Start vom Space Shuttle Discovery nur eine sehr limitierte Reparaturmöglichkeit des Hitzeschildes existiert. STS-114 und STS-121 werden von der NASA dazu genutzt, um die bisher entwickelten Methoden unter realen Bedingungen an präparierten Testobjekten zu erproben und diese dann am Boden ausgiebig auf ihre Tauglichkeit zu untersuchen. Während STS-114 konzentriert man sich im speziellen auf zwei Reparaturverfahren. Das erste Verfahren wird eingesetzt um kleinere Schäden an den Hitzeschutzkacheln zu beheben. Es besteht aus einem Siliziumkarbid Material, welches mit einem Träger Material kombiniert wird und dann auf die Schadstelle aufgetragen wird. Die zweite Methode soll dazu genutzt werden, um kleine Risse in den verstärkten Karbonteilen der Flügel zu reparieren. Hier kommt ein experimenteller nicht oxidischer Kleber zum Einsatz, der die Risse versiegeln soll. Zusätzlich werden die Astronauten noch die Handhabung von verschiedenen Werkzeugen testen, um so in der Zukunft ein optimales Reparaturverfahren zu erhalten.

Damit schließen wir unser Blick auf das Management und die Crew. Im letzten Teil unserer Serie werden wir uns mit den kleineren aber dennoch nicht unwichtigen Dingen beschäftigen, die von der Nasa unternommen wurden, um eine sichere Rückkehr des Shuttles zu gewährleisten.

Sonstige Änderungen
Im letzten Teil unserer Serie richten wir unsere Aufmerksamkeit auf die Dinge, die nicht direkt ins Blickfeld rücken aber dennoch wichtig für die Sicherheit des Space Shuttles sind.

Bei seiner Aufklärung des Unfalls von Columbia, fragte sich das Columbia Accident Investigation Board warum niemand die Gefahr, die vom dem Stück Isolierschaum ausging, korrekt einschätzte. Man stieß sehr schnell auf das Computerprogramm Crater mit dessen Hilfe man bei der Nasa Einschläge der Schaumstoffisolierung des externen Tankes auf den Orbiter analysieren kann.

Wie die Tests des CAIB gezeigt haben, waren die Computermodelle von Crater inakkurat und veraltet so das sie den Schaden, den das Space Shuttle Columbia erlitten hatte, nicht vorhersagen konnte.

Man entschloss sich daher bei der Nasa Crater einzustellen und arbeitete mit verschiedenen Organisationen, darunter Boeing sowie verschiedenen Nasa Center, zusammen um neue Analysewerkzeuge zu erstellen. Jedes der neuen Programme soll seine eigene Stärken bieten und so die derzeitige Analyse signifikant verbessern.

Um alle Modelle auf ihre Genauigkeit zu überprüfen, wurden die verschiedensten Komponenten Beschusstests unterzogen und dann mit den Prognosen im Computer verglichen.

Neben der direkten Schadenserkennung, wurden auch Modelle entwickelt die dabei helfen sollen Sicherheitsmargen für die einzelnen Komponenten zu etablieren und außerdem zukünftige notwendige Modifikationen am Shuttle erkennen zu können, indem man zum Beispiel den externen Tank mithilfe der Computermodelle nach weiteren gefährlichen Stellen absucht.

Neben Crater spielt auch das Coputerprogramm Bumper eine wichtige Rolle. Bumper wird dazu eingesetzt um die Risiken von Mikrometeoriten und Weltraumschrott zu analysieren. Analysen aus diesem Programm können zu Veränderungen der Flugbahn oder zu einem modifizieren der Flughardware führen. Das CAIB forderte hier, das man das Space Shuttle mit demselben Grad an Sicherheit operiert, wie man es bei der Internationalen Raumstation errechnet hat. Derzeit besteht bei der Internationalen Raumstation eine 0,5-prozentige Chance pro Jahr für einen katastrophalen Einschlag. Das derzeitige Risiko für einen Verlust eines Space Shuttles durch Mikrometeoriten oder Weltraumschrott liegt bei 1 zu 200 pro Mission. Will man dieselbe Sicherheit haben wie bei der Internationalen Raumstation, so muss das Risiko auf 1 zu 1000 reduziert werden. Während den Arbeiten, um diese Forderung des CAIB zu erfüllen, erkannte man allerdings das man diese Rate nicht erreichen konnte. Die meisten Modifikationen an der Shuttle Hardware würden zu viel Zeit beanspruchen und nicht mehr rechtzeitig zur Verfügung stehen, bevor man das Shuttle Programm in 2010 beenden würde. Um dennoch eine Reduzierung des Risikos zu erreichen, entwickelte man drei Lösungen, die man in kurzer Zeit implementieren konnte.

Zum Ersten änderte man die Lage von Shuttle und Internationaler Raumstation nach dem Andocken, damit die Raumstation jetzt als eine Art Schutzschild gegen kleine Mikrometeoriten und Weltraumschrott fungieren kann, die dem Shuttle sonst gefährlich werden könnten.

Zum Zweiten plant man eine weitere Inspektion des Hitzeschildes gegen Ende der Mission um so gefährliche Einschläge von Mikrometeoriten erkennen zu können.

Als Letztes hat man noch in den Tragflächen des Shuttles extra Sensoren eingebaut um kleine Einschläge messen zu können. Allerdings haben diese Sensoren nur eine begrenzte Lebensdauer von 3-5 Stunden aufgrund ihrer kleinen Batterien. Eine Verbesserung der Batterielebensdauer wurde bereits genehmigt, allerdings muss sich die Effizienz dieser Verbesserung erst noch zeigen. Mit all diesen Maßnahmen will man das zukünftige Risiko auf 1 zu 485 reduzieren.

Auch um die Startrampe herum wird sich einiges verändert haben, wenn das Space Shuttle Discovery zum Start bereit ist. An der Startrampe selber stellte das CAIB Probleme mit der Zinkgrundierung fest. Diese Zinkgrundierung wird dazu benutzt um das Metall vor Korrosion zu schützen. Bei Regenfällen kann es aber dazu kommen das sich etwas von dem Zink ablöst und sich zusammen mit dem Regenwasser auf den verstärkten Karbonteilen ablagert und dort zu Stecknadel großen Löchern führt. Um dies zu verhindern, verbesserte man die Wartung der Startrampen. Nach einem Start wird nun die komplette Startrampenstruktur nach Stellen untersucht, wo die Zinkgrundierung frei liegt. Diese Stellen werden dann neu überstrichen um ein Auswaschen der Zinklegierung zu verhindern. Außerdem wurden die Reinigungsprozeduren der Startrampe nach einem Start unter die Lupe genommen um das Freilegen der Grundierung an der Startrampe zu minimieren.

Eine weitere Forderung des Columbia Accident Investigation Board an den Startprozeduren war, das die Nasa sicherstellen sollte das mindestens drei brauchbare Ansichten des Space Shuttle vom Start bis mindestens zum Abwurf der Feststoffbooster verfügbar sind. Durch das Fehlen einer hochauflösenden Highspeed Kamera beim Start von Columbia war man nicht in der Lage die genaue Größe und den Einschlagort des Schaumstoffstückes festzustellen, das letztendlich zum Verlust des Space Shuttle Columbia geführt hatte. Aus diesem Grund forderte das CAIB auch, das die Funktionstüchtigkeit der Kameras ein Kriterium für die Startfreigabe des Shuttles wird. Das heißt wenn einer der Kameras nicht funktioniert, darf das Space Shuttle nicht starten. Um diese Forderungen umzusetzen, rüstete die Nasa ihre Kameras an den bis dahin 14 Stationen mit neuen Optiken aus und stockte dann auf 20 Kamerastationen auf. Außerdem wurde das Personal an diesen Kameras einem erweiterten Training unterzogen um optimale Qualität bei den Aufnahmen zu gewährleisten. Für die Zukunft plant man bei der Nasa alle Kameras mit Fernsteuerungsmodulen auszurüsten, sowie die Kameras mit modernsten Tracking System auszustatten.

Außer den Kameras am Boden werden die ersten beiden Shuttlestarts STS-114 und STS-121 auch von zwei Flugzeugen begleitet werden, die Aufnahmen aus 60,000 Fuß Höhe machen. Man erhofft sich durch den Einsatz dieser Flugzeuge auch dann gute Bilder zu haben, wenn einzelne bodenbasierte Kameras durch Wolken oder den Abgasstrahl der Shuttletriebwerke keine direkte Sicht mehr zum Shuttle haben. Nach den beiden Starts will man die Effektivität der Flugzeuge prüfen und gegebenenfalls auch bei zukünftigen Starts und Landungen einsetzten.

Des Weiteren werden weitere Kameras am externen Tank angebracht, um bei jedem Start eine optimale Sicht auf alle Teile des Space Shuttles zu gewährleisten.

Damit beenden wir unseren Blick auf die Bemühungen der Nasa das Space Shuttle wieder sicher zu machen. Nach nun 2 Jahren steht wieder ein Shuttle auf der Startrampe 39-B des Kennedy Space Center und wartet auf seinen Start. Das derzeitige Startfenster sieht vor, das das Space Shuttle Discovery zwischen dem 13. und 31. Juli startet. Hoffen wir also auf einen guten Start.

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Autor: Michael Schumacher.

Seit 1981 dient der Space Shuttle als Arbeitspferd für das amerikanische bemannte Raumfahrtprogramm. Er ist eine Kombination aus Startfahrzeug und bemanntem Raumschiff, die drei große Bestandteile umfasst. Das Orbiter Vehicle (OV), der bemannte Teil dieser Kombination gleicht in seinem Aussehen einem Flugzeug mit Deltatragflächen.

Wenn ein Space Shuttle vom Launch Complex (LC) 39 des Kennedy Space Center (KSC) auf Merritt Island an der Atlantikküste von Florida abhebt, liefern zwei Solid Rocket Boosters (SRBs), die eine Länge von 45,5 Metern und einen Durchmesser von 3,7 Meter besitzen, einen Schub von jeweils 1.316 Tonnen und damit 71 Prozent des für den Start erforderlichen Schubes. Ihr Leergewicht beträgt 82,5 Tonnen und mit Treibstoff wiegen sie 573,7 Tonnen. Sie sind jeweils an den Seiten des 47,0 Meter langen und 8,4 Meter im Durchmesser messenden External Tank (ET) befestigt, der den wichtigsten strukturellen Bestandteil bildet und auf seinem Rücken das OV trägt. Seine Leermasse beläuft sich auf 31 Tonnen und gefüllt besitzt er eine Masse von 734 Tonnen. Der ET beinhaltet zudem die Flüssigsauerstoff- und Flüssigwasserstofftreibstoffe für die drei Space Shuttle Main Engines (SSMEs) am hinteren Ende des OV, die jeweils 170 Tonnen für den Start produzieren. Die SSMEs haben jeweils eine Länge von 4,3 Metern, sind 2,3 Meter breit und wiegen 2,9 Tonnen. Das OV besitzt zudem jeweils ein Orbit Maneuvering System (OMS) Gehäuse auf jeder Seite des Leitwerkes, die einen einzelnen 2.722 Kilogramm schubstarken Motor besitzen, der den Einschuss in die Erdumlaufbahn unterstützt, größere Manöver in der Erdumlaufbahn und das Bremsmanöver zum Verlassen der Erdumlaufbahn am Ende der Mission durchführt. Jedes Gehäuse enthält noch zwölf 395 Kilogramm schubstarke Motoren des Orbiter Reaction Control System (ORCS). Zusammen mit 14 weiteren solcher Motoren in der Nase des OV bewirken diese Düsen die Bewegung um die Roll, Pitch und Yaw Achsen für die Lagekontrolle. Jeweils zwei 11,3 Kilogramm schubstarke Motoren in jedem Gehäuse zusammen mit zwei solchen Motoren in der Nase erleichtern kleinere Manöver in der Erdumlaufbahn. Diese beiden Systeme bilden das Orbital Attitude Maneuvering System (OAMS).

Der Space Shuttle wird wie eine Rakete senkrecht gestartet. Die SSMEs werden zuerst gezündet und nur wenn ihr Funktionieren bestätigt wurde, werden die SRBs gezündet, um den für das Abheben notwendigen Schub zu produzieren. Die Hauptaufgabe der SRBs besteht darin, den Space Shuttle durch die dickeren Schichten der Atmosphäre zu heben. Nach Brennschluss, zwei Minuten nach dem Abheben, werden die SRBs abgetrennt. Mit Hilfe von Fallschirmen führen sie dann eine weiche Wasserung im Atlantik durch, werden dort geborgen und zurück nach Cape Canaveral geschleppt, um zum Hersteller zur Zerlegung, Reinigung, Instandsetzung und Vorbereitung für eine andere Mission zurückzukehren. Die beiden verbleibenden Bestandteile ET und OV setzen ihren Aufstieg in die Erdumlaufbahn fort, wobei die SSMEs weiterhin ihren Treibstoff vom ET beziehen. Sobald die erforderliche Höhe und Geschwindigkeit erreicht sind, werden die drei SSMEs abgeschaltet, der ET abgetrennt und die Motoren des OMS werden gezündet um das OV in die gewünschte Erdumlaufbahn zu bringen. Der ET tritt über dem Pazifik wieder in die Atmosphäre ein und verglüht.

Der Hauptrumpf des OV zwischen den Tragflächen beinhaltet die 18,3 Meter lange, 5,2 Meter breite und 4,0 Meter hohe Nutzlastbucht. Die Gesamtlänge des OV beträgt 37,2 Meter, seine Spannweite ist 23,8 Meter und es hat eine Höhe von 17,3 Meter. Es besitzt eine Nutzlastkapazität von 29,5 Tonnen und bringt es somit auf eine Gesamtmasse von 111 Tonnen. Das Leergewicht beträgt 68 Tonnen. Beim Start ist die Nutzlastbucht von zwei länglichen Toren verschlossen. Sobald das OV in der Erdumlaufbahn angekommen ist, werden die Nutzlastbuchttore geöffnet, damit die Radiatoren, die sich an der Innenseite befinden, dem Weltraum ausgesetzt werden können. Falls sich die Nutzlastbuchttore nicht öffnen lassen, muss der Space Shuttle unbedingt zur Erde zurückkehren bevor sich seine elektrische Ausrüstung überhitzt. Mit geöffneten Nutzlasttoren ist das OV für den Flug in der Erdumlaufbahn bereit. Auf Missionen zur ISS wird der vordere Teil in der Nutzlastbucht vom Orbiter Docking System (ODS) eingenommen, während der hintere Teil ISS Modulen, Spacehab Modulen, Multi-Purpose Logistics Modules (MPLMs) oder anderen Nutzlasten Platz bietet. Ein Remote Manipulator System (RMS) ist an einer Seite der Nutzlastbucht befestigt, um die Nutzlasten zu bewegen und bei Ausstiegen zu helfen. Der vordere Teil des OV beherbergt das Flugdeck und darunter das Mitteldeck. Im Unterdeck sind die Systeme des Raumfahrzeuges untergebracht. Der Kommandant und der Pilot steuern das OV vom Flugdeck aus. Der RMS wird von Missionsspezialisten ebenfalls vom hinteren Flugdeck aus bedient, das über große nach oben und hinten zeigende Fenster verfügt. Das Mitteldeck stellt zusätzliche Sitzplätze für die Besatzung während Start und Wiedereintritt zur Verfügung, genauso wie Schlafräume, Bordküche und Waschgelegenheiten. Vom Mitteldeck erhält man durch die Luke auch Zugang zur inneren Luftschleuse, falls sie sich an Bord befindet oder zu einem Tunnel, der zu den Modulen in der Nutzlastbucht führt.

Vor der Zündung zum Verlassen der Erdumlaufbahn müssen die Nutzlastbuchttore geschlossen werden. Das OV tritt mit der angehobenen Nase voran in die Atmosphäre ein. Sobald es sich in der unteren Atmosphäre befindet, sind seine aerodynamischen Flächen an den Tragflächen und am Leitwerk einsetzbar. Ein Microwave Scanning Beam Landing System (MSBLS) führt das OV, nun einem Segelflugzeug gleich, zur Landebahn. Das dreibeinige Fahrgestell wird erst 30 Sekunden vor der Landung ausgefahren. Das aus jeweils zwei Rädern bestehende Hauptfahrwerk setzt zuerst auf, ein Bremsfallschirm wird entfaltet um das Fahrzeug zu verlangsamen und es auf die Landebahn auszurichten, die Nase wird gesenkt, der Bremsfallschirm wird gelöst und schließlich bewirken Bremsen den Stillstand des Fahrzeuges. Danach wird das Fahrzeug von der Landebahn heruntergezogen und kehrt in die Orbiter Processing Facility (OPF) zurück, um instandgesetzt zu werden.

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Autor: Michael Stein

Genauso wie Motorfahrzeuge vor langen Reisen aufgetankt werden müssen benötigen Raumfahrzeuge volle Tanks, bevor sie abheben um andere Planeten zu besuchen. Um in eine Umlaufbahn um den Mars zu gelangen und seine täglichen Operationen im Orbit um den Planeten zu absolvieren hat Mars Express ein Haupttriebwerk und einen Satz von acht kleinen Steuerdüsen. Diese Triebwerke müssen mit Treibstoff versorgt werden, der in diesem Fall aus zwei hochgiftigen chemischen Flüssigkeiten besteht die miteinander reagieren, sobald sie gemischt werden.

Mars Express hat zwei Treibstofftanks – einen für jede der beiden Komponenten -, die vor dem Start gefüllt werden müssen. Um diese gefährliche Operation durchzuführen sind eine umfangreiche und sorgfältige Vorbereitung jedes Beteiligten sowie eine perfekte Abstimmung mit der Bedienungsmannschaft der Einrichtung notwendig.

Für die Befüllung wird eine spezielle Einrichtung genutzt: Die Hazardous Processing Facility (= Gefahrstoff-Verarbeitungseinrichtung). Während des Befüllens werden permanent die Kontaminierungsgrade überwacht, Feuerwehrleute und medizinisches Personal stehen unmittelbar in der Nähe bereit. Der Zugang zur Einrichtung ist auf das absolut notwendige Personal begrenzt. All‘ diese Vorsichtsmaßnahmen werden getroffen, um Verletzungen von Menschen oder die Kontaminierung der Umwelt zu vermeiden.

Während einer Trainingseinheit bekam unser Manager für die Startkampagne, Michael Wittig, die Möglichkeit zu erleben was es heißt, ein „Fuelling Operator“ [vulgo: Tankwart – Anm.d.Übers.] zu sein. Für diesen Job musste er einen speziellen, luftdichten SCAPE-Schutzanzug tragen. SCAPE bedeutet „Self-Contained Apparatus Protective Ensemble“ und ist ein wenig wie ein Raumanzug, jedoch für den Einsatz bei gefährlichen Operationen während der Arbeiten am Boden gedacht. Obwohl man nie mehr als ein paar Schritte von einem „SCAPE-Kollegen“ entfernt ist fühlt man sich schnell alleine und sehr abhängig von der Versorgung mit Atemluft, dem Kommunikationssystem und der Integrität bzw. Dichtheit des Anzugs.

Im Falle von Mars Express haben wir zunächst 297 Kilogramm des Oxidators in die Tanks gefüllt und zwei Tage später 178 Kilogramm des eigentlichen Treibstoffs. Wie gehofft lief alles glatt. Während einer der letzten SCAPE-Aktivitäten fiel das Kommunikationssystem eines SCAPE-Operators aus. Das Problem wurde jedoch schnell behoben. Sein Kollege wies ihn per Handzeichen an, sich hinzusetzen und abzuwarten, bis alle gefährlichen Arbeitsschritte erledigt waren.

Nachdem die Einrichtung von allen gefährlichen Dämpfen befreit war wurde Mars Express zur so genannten Upper Composite Integration Facility transportiert, wo die Raumsonde auf einen Adapter und dieser auf die Fregat-Oberstufe der Sojus-Rakete montiert wurde. Mit dem erfolgreichen Betanken geht der hektische und kritische Teil der Startvorbereitungen zu Ende. Es war die letzte größere – und die gefährlichste – Aktivität an dem Raumfahrzeug, so dass wir nun dem Start entgegensehen.

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Autor: Karl Urban

Das Space Shuttle lässt sich in drei Komponente aufteilen, von der nur eine nicht wiederverwendbar ist. Der Orbiter, das eigentliche Shuttle, wird auf der Startplattform mit dem externen Tank und zwei Feststoff-Boostern gekoppelt. Beim Start bilden die Booster die erste Raketenstufe. Der Tank liefert den Treibstoff für das Haupttriebwerk, das im Orbiter integriert ist.

3. Das Haupttriebwerk
Die drei Haupttriebwerke des Space Shuttles produzieren zusammen mit den Feststoff-Boostern den nötigen Schub zum Abheben des Orbiters. Sie arbeiten nach dem Start für 8,5 Minuten, also die Zeit, die das Shuttle mit „voller Kraft“ fliegen muss. Nach dem Abwurf der Feststoff-Booster produzieren alleine die Haupttriebwerke den Schub, um das Shuttle von „nur“ 4.828 km/h auf 27.358 km/h zu beschleunigen, und das in ganzen sechs Minuten.

Während der Beschleunigung verbrennen die Triebwerke ca. 1,9 Millionen Liter Treibstoff, die zuvor im orangen externen Tank gespeichert waren. Die Haupttriebwerke verbrennen flüssigen Wasserstoff – die zweitkälteste Flüssigkeit der Welt – und flüssigen Sauerstoff. Die Abgase des Triebwerks bestehen größtenteils aus reinem Wasserdampf, denn während der Reaktion von Wasser- und Sauerstoff entsteht Wasser – damit sind die Haupttriebwerke sehr umweltfreundliche Komponenten. Der Gasausstoß bewirkt den Schub, der das Shuttle schließlich in den Erdorbit befördert.

Die Triebwerke verbrauchen weniger in als 25 Sekunden so viel Treibstoff, wie in einen mittelgroßen Swimming-Pool passt, und die Treibstoffpumpen arbeiten dabei 13 Mal so schnell wie die eines Autos bei 120 km/h. Die Triebwerke erzeugen den Schub durch die Verbrennung der hochenergetischen Treibstoffe in einem gestaffelten Verbrennungszyklus. Teilweise werden sie in einen „Vorbrenner“ geleitet, um den nötigen Druck der Turbopumpen zu gewährleisten, die wiederum den Treibstoff in die Hauptbrennkammer pumpen. Die Temperatur in der Brennkammer kann dabei mehr als 3.300 °C erreichen.

Jedes der drei Space Shuttle-Haupttriebwerke arbeitet mit einem Treibstoffverhältnis von 6:1 (Sauerstoff / Wasserstoff). Dabei wird am Boden ein Schub von 179,097 Tonnen erzeugt, im Vakuum steigt dieser Wert auf 213,188 Tonnen. Die Triebwerke können minimal auf 65 Prozent Schubleistung gedrosselt werden, der maximale Wert liegt bei 109 Prozent. Dies erlaubt einen hohen Startschub während des „Lift-off“ und der ersten Flugminuten, lässt aber auch eine Reduzierung zu, um das Limit von 3 G (entspricht der 3-fachen Gravitationskraft) nicht zu überschreiten. Auch kurz nach dem Start – etwa 35 bis 80 Sekunden nach Abheben der Raumfähre – wird die Leistung der drei Haupttriebwerke reduziert, um die Belastung des Orbiters beim Flug durch den dichten Teil der Erdatmosphäre etwas zu reduzieren.

Die Haupttriebwerke der US-Raumfähren sind seit Beginn des Shuttle-Programms der NASA mehrmals verbessert worden, wobei der Hauptaugenmerk auf einer erhöhten Betriebssicherheit lag. Bis heute sind es die einzigen existierenden Flüssigtreibstoffantriebe, die mehr als nur einmal zum Einsatz kommen.

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