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Die nächsten ATV

Ich bin Autor des Buchs. "Das ATV und die Versorgung der ISS". Den Link dazu finden sie weiter unten. Dieses Buch erschien nach dem Start von Johannes Kepler. Eine weitere Auflage ist nicht geplant. Daher gibt es die Berichterstattung über die nächsten ATV hier auf der Website. Käufer des Buches können auf der Website zu meinen Büchern auch ein Ergänzungsskript als PDF herunterladen.

Johannes Kepler

Start von Johannes Kepler von der ISS aus beobachtetDie Fertigung weiterer vier ATV hat einen Umfang von 875 Millionen Euro. Von diesen vier sind drei für die Versorgung der ISS vertraglich vorgesehen. Ein weiterer Transporter erlaubt es der ESA, ihren Anteil an der Nutzung des Columbus Labors über die zustehenden 51% hinaus zu erhöhen und mehr Crewzeit für einen Europäer zu beanspruchen.

Insgesamt verlief die erste Mission sehr glatt. So verbrauchte Jules Verne bei den Manövern weniger Treibstoff – er hatte für die Demonstrationstage zusätzliche Vorräte mitgeführt. Dies soll sich auch auf die folgenden Flüge auswirken. Für die folgenden ATV Flüge soll der eigene Treibstoffverbrauch nur noch 1.500 – 1.800 kg betragen. Nun stehen 4.500 – 5.200 kg für den Reboost zur Verfügung, verglichen mit 4.000 – 4.700 kg nach den Planungen. Das Kurs-Radar wies eine höhere Reichweite von 6,5 km auf. Der Transporter reagierte erheblich präziser und empfindlicher auf Kommandos.

Es zeigte sich, dass die GPS-Empfänger an Bord der Raumstation angepasst werden müssen. Das Ablösen der Folie an der Außenseite wurde durch zu kleine Entlüftungsöffnungen verursacht. Die Belastungsmessungen beim Ariane 5 Start waren nur teilweise lesbar, da die Sensoren ein erhöhtes Rauschen aufwiesen. Wahrscheinlich ist dies auch der Grund, warum das zweite ATV erneut nicht die volle Nutzlast ausnutzt. Als weitere Störung wurde erkannt, dass die Steuertriebwerke beim Betrieb die Startracker Kameras durch Streulicht stören.

Diese kleinen Anomalien sind allerdings normal und haben keinen Einfluss auf Konstruktion und Betrieb der folgenden Raumfrachter.

Das zweite Raumschiff wurde „Johannes Kepler“ getauft. Es gab zwei Gründe für die Entscheidung – es jährte sich 2009 der 400. Geburtstag des Hauptwerks von Kepler „Astronomia Nova“ und die Wahl passte auch gut zum internationalen Jahr der Astronomie. Da Frankreich und Deutschland die beiden am stärksten engagierten Nationen sind, wurde zuerst ein Raumschiff nach einer französischen und deutschen Persönlichkeit benannt. Andere Vorschläge, die auch deutsche Raumfahrtpioniere wie Hermann Oberth umfassten, konnten sich nicht durchsetzen – schade, denn nach Kepler ist schon eine Raumsonde der NASA benannt, die nach Exoplaneten fahndet.

Die Fertigung von ATV-2 stoppte in einer Phase, in der noch wesentliche Teile verändert werden konnten, bis Jules Verne erfolgreich an die ISS andockte. Bei einer Produktionszeit von 27 Monaten, den folgenden Tests und Vorbereitungen auf den Start bedeutete dies einen Start des ATV-2 nicht vor Mitte 2010. Johannes Kepler wird mehr Fracht zur ISS transportieren, da die Maximalnutzlast von 19.700 aus 20.050 kg angehoben wurde und die Racks für die trockene Fracht jeweils um 50 kg leichter sind. Diese Performancesteigerungen erhöhten die Nutzlast um 650 kg. Gleichzeitig ist das Nutzlastvolumen im Druckbehälter um 2 m³ größer. Die inzwischen leichteren Booster, bei denen an den Verbindungen zwischen den Segmenten 1.900 kg eingespart wurden, erhöhten die Nutzlast der Ariane 5. Die Maximalnutzlast ist noch nicht ausgeschöpft, so fasst die Oberstufe, deren Treibstoffzuladung missionsspezifisch angepasst wird wie beim Start von Jules Verne nur 5,2 t Treibstoff, als deutlich weniger als das Maximum von 10 t.

ATV-02 „Johannes Kepler“

Trockengewicht:

9.800 kg ohne Racks

10.470 kg mit Racks

Startgewicht:

19.712 kg, 20.060 kg mit Adapter zur Ariane 6 ES)

Fracht zur ISS:

7.090 kg

Davon Reboost-Treibstoff:

4.536 kg (6.576,6 kg gesamt)

Davon Refüll-Treibstoff:

850,6 kg

Davon trockene Fracht:

1.605 kg (+1.084,3 kg für 6 Racks)

Davon Gase:

100 kg

Starttermin:

16.2.2011

Geplante Missionsdauer:

109 Tage

Primäres Missionsziel des zweiten ATV ist mit über 5 t Treibstoff die ISS nach deren Fertigstellung eine höhere Bahn zu transportieren, um die Abbremsung durch die Atmosphäre und dadurch auch den zukünftigen Treibstoffverbrauch zu senken. Der Reboost Treibstoff alleine reicht aus, um den Orbit um 40 km anzuheben. Dazu kommt noch Treibstoff für die Triebwerke von Swesda. Geplant ist eine Anhebung der Station um 40 bis 50 km. Der genau Wert hängt sowohl von der Masse ab (angedockte Raumfahrzeuge) wie auch von der natürlichen Abbremsung der Station, die zwischen den Manövern wieder absinkt. Wie bei Jules Verne werden es mehrere Manöver sein, da die Triebwerke nicht so lange am Stück betrieben werden können, bis der ganze Treibstoff verbrannt ist.

Die Anhebung der Station nach der Fertigstellung war auch der Grund für die mehrfache Verschiebung des Starts. Das ATV kann diese erst nach Ablegen des letzten offiziellen Aufbaufluges durchführen. Da die Planung, der Space Shuttle Starts sich mehrfach änderte, ist nun der Start kurz vor der Mission STS-134 geplant. Sollte die NASA noch einen weiteren Flug ansetzen, ist dessen Nutzlast geringer. Verschiedene Faktoren führten dann nochmals zu einer Verschiebung des Starts von November 2010 auf Februar 2011. Die Startkampagne war daher noch länger als beim ersten Transporter. Seit dem 25.5.2010 war Johannes Kepler in Kourou. Das ATV ist nicht der einzige Besucher der Station. In zwei Monaten werden ein Space Shuttle, ein Progresstransporter und das HTV die Station anfliegen. Wenn einmal die kommerziellen Versorgungsflüge durch die USA aufgenommen werden, dann wird diese Flugrate normal werden. Die Anhebung der Bahn von rund 350 auf 400 km Höhe wird den jährlichen Treibstoffbedarf der ISS von 19.000 Pfund (rund 8.600 kg) auf 8.000 Pfund (3.600 kg) reduzieren. Er ist ein wichtiger Schritt in der Optimierung der Frachtmenge, nachdem nun die Space Shuttles nicht mehr zur Verfügung stehen.

Die Fracht im Druckbehälter gliedert sich wie folgt:

Typ

Gewicht

Ersatzteile

555,59 kg

Essen

519,94 kg

Missionsunterstützung

204,58 kg

Versorgungsgüter (Hygiene, Batterien, Reinigung)

181,72 kg

Anderes

54,08 kg

Kleidung

48,09 kg

Werkzeuge

26,52 kg

Public Relation

14,85 kg

Gesamt

1605,35 kg

Die ESA gibt die Missionskosten für Johannes Kepler mit 420 Millionen Euro an. Die Annäherungsphase ist verkürzt worden und dauert nun nur noch 8 bis 11 Tage. Erstmals wurde auch die Möglichkeit des „Late Cargo Access“ genutzt: Der größte Teil der Fracht im Druckbehälter wurde schon im September verladen. Kurz vor dem Start am 29.1.2011 seilte sich ein Techniker durch die offene Luke in das ATV ab (das schon in Startkonfiguration war, also senkrecht aufgerichtet) und befestigte 28 weitere Säcke mit 430 kg zusätzlicher Fracht im Druckbehälter. Diesmal wird der Wiedereintritt nicht von Flugzeugen verfolgt, aber das ATV nimmt auch einen 4 kg schweren konischen Picosat mit einem Durchmesser von 40 cm mit, der life vom Wiedereintritt Daten zur Erde funken soll. Dieser Reentry Breakup Recorder (REBR) verfügt über Miniatursensoren, die mit dem ATV verbunden sind und Temperaturen, Druck und andere Werte aufzeichnen. Er ist mit einem Schutzschild verbunden, der die eigene Zerstörung verzögern soll. Aktiviert wird das, an der Außenhülle des ATV angebrachte System, beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Es zeichnet dann für 5 Minuten Daten auf. Das endet, wenn Johannes Kepler desintegriert und so der REBR abgelöst wird. Dann baut der Minisatellit eine Funkverbindung zu einem Iridiumsatelliten auf und überträgt in einem letzten Telefonat die Daten zur Erde. Das Gerät könnte ein Vorläufer einer Blackbox für Raumfahrzeuge sein, welche die lebenswichtigen Daten aufzeichnet und im Falle einer Havarie Informationen über die Ursache liefern kann. Eine Bergung ist nicht vorgesehen. Eine baugleiche Kopie wurde auch beim zweiten HTV Test eingesetzt und lieferte Daten während dieses auseinanderbrach.

Nach einer eintägigen Verzögerung startete Johannes Kepler am 16.2.2011 zur ISS. Anders als beim Jungfernflug vor zwei Jahren gab es diesmal bei der Inbetriebnahme keinerlei Probleme, keine Alarme, keine Verzögerung. Anders als Jules Verne dockte er schon nach 9 Tagen an – auch diesmal ohne Probleme. Zum zweiten und letzten Mal unterstützte das KURS-Radar die Navigation ab einer Entfernung von 3.500 m. Ab 250 m übernahmen die Telegoniometer und ab 50 m waren die Videometer aktiv. Erstmals konnte ein europäischer Astronaut, Paolo Nespoli die Kopplung verfolgen. Er war auch mit einem Kollegen am Kontrollpult und hätte die Kopplung abbrechen können.

ISS Höhe 2010Die verkürzte Annäherungsdauer an die Station schlägt sich auch darin nieder das weniger Treibstoff für den Flug zur ISS benötigt wird, so sind nominell dafür 2.000 kg bei Johannes Kepler vorgesehen, bei Jules Verne waren noch 2.500 kg für diese Aufgabe eingeplant. Insgesamt sind neun Anhebungen der Bahn der ISS bis zum Missionsende geplant. Die große Zahl ergibt sich daraus, dass die Triebwerke nicht so lange am Stück arbeiten können und auch die ISS in dieser Zeit noch zwei Besuche von Space Shuttles erhält. Durch die starke Abnahme der Nutzlast der Shuttles (um rund 2.500 kg wenn die ISS um 50 km weiter von der Erde entfernt ist) muss sich die Mission des ATV nach dem Flugplan der Space Shuttles richten, was schon eine Startverschiebung von November 2010 auf Februar 2011 bewirkte. Bis zum 1.6.2011 wurde die Station nur wenig angehoben um ein zu starkes absinken zu vermindern. Bis zu diesem Datum musste die NASA warten, bis die Endeavour abgedockt hatte. Dies war der vorletzte geplante Space Shuttle Flug. Der letzte wird nur noch Ersatzteile auf Paletten (sogenannte ORU's – Orbital Replacement Units) bringen, sodass die transportierte Nutzlast deutlich leichter ist. An dem Diagramm ist dies deutlich sichtbar – die Station sank in einem Monat während man auf die Endeavour wartet, bzw. sie angekoppelt war um rund 12 km ab, ohne dass man etwas dagegen unternahm.

Nach einigen kleineren Zündungen – dem ersten schon 24 Stunden nach der Ankopplung erfolgten die beiden „Big Boosts“ am 11+15.6.2011. Bei jedem gab es zwei Zündungen von je 35-40 Minuten Dauer, mit einer Pause zwischen den beiden Zündungen um die maximale Betriebsdauer der Triebwerke nicht zu überschreiten und sie abkühlen zu lassen. Jedes Manöver hebt dabei die ISS um 20 km an. Gestartet wird von einer 342 km hohen Umlaufbahn und nach beiden Anhebungen sollte sie 380 km Höhe erreichen. Zusätzlich gab es auch eine außerplanmäßige Zündung am 2.4.2011 um die ISS in eine sichere Distanz zu bringen, als sie einem Bruchstück einer Kollision zwischen Cosmos 2251 und Iridium 33 ausweichen musste. Neben den Bahnanhebungsmanövern änderte Johannes Kepler auch sechsmal die räumliche Lage der ISS – weniger als Jules Verne, doch dieser war auch deutlich länger an der Station angekoppelt.

Datum

Anhebung

Geschwindigkeit

verbrauchter Treibstoff

25.2.2011

0,86 km

0,5 m/s (3 min, 18 s)

63 kg

18.3.2011

3,70 km

2,17 m/s (14 min, 43 s)

290 kg

2.4.2011

0,85 km

0,5 m/s (3 min 18 s)

63 kg

5.5.2011

1,02 km

0,6 m/s (4 min, 3 s)

77 kg

3.6.2011

4 km

2,5 m/s (17 min)

340 kg

11.6.2011

9,2 km
10,1 km

5,2 m/s (36 min, 6 s)
5,8 m/s (40 min, 12 s)

1.456 kg

15.6.2011

10,2 km

5,84 m/s (39 Min 40 s)

796,2 kg

19.5.2011

6,9 km

3,96 m/s (26 min 53 s)

539 kg

Gesamt:

46,83 km

27,07 m/s (ca. 3 h)

3.623 kg

Nachdem Johannes Kepler von Ende Februar 2011 bis Anfang Juni weitgehend inaktiv an der Raumstation war ging danach alles recht schnell. Nicht nur wurden alle Bahnanhebungen innerhalb weniger Tage durchgeführt, sondern auch der Müll wurde umgeladen. Schon am 18.6.2011 wurde die Luke verschlossen und zwei Tage später stand der Wiedereintritt an. Wieder brachten zwei Zündungen das ATV zum Verglühen. Das erste ergab eine Bahn von 381 x 220 km Höhe und danach folgte das finale Manöver, dass zum Aufbrechen über dem Südpazifik führte. Als Johannes Kepler die Station verließ, hatte er noch über eine Tonne Treibstoff in den Tanks. Zwei Zündungen von 10 Minuten 9 s und 9 Minuten 14 s Dauer brachten den Frachter erst in eine elliptische Übergangsbahn und dann zum Verglühen. Dies erfolgte schon drei Stunden nach dem Ablagen. Wie das Andocken ging nun alles viel schneller als bei Jules Verne, der sich viel länger in der Übergangsbahn aufhielt. In 80 km Höhe ging der Funkkontakt zu Johannes Kepler verloren, als er 2.500 km östlich von Neuseeland über unbewohntem Gebiet verglühte. Die ESA ging recht großzügig mit den Treibstoffreserven um, da diese beiden Zündungen zusammen nur etwa 400 kg Treibstoff erfordern,. Der Transporter also noch über 600 kg nicht genutzten Treibstoff verfügte. Ein Teil davon ist sicher nicht nutzbar, aber doch deutlich weniger als 9% der Gesamttreibstoffmenge. (Typisch rechnet man mit 1-3% nicht nutzbarem Resttreibstoff).


Edoardo Amaldi

Johannes Kepler

Jules Verne

Treibstoff für die Mission:

2.261 kg

2.030 kg

3.598 kg

Reboost Treibstoff:

3.150 kg

4.535 kg

2.260 kg

Wasser:

285 kg

0

267 kg

Gase:

100 kg

100 kg

22 kg

Refülltreibstoff:

860 kg

851 kg

860 kg

Gesamt: Flüssigkeiten und Gase:

4.395 kg

5.486 kg

3.407 kg

Normale Frachtzuladung:

1.665 kg

1.170 kg

1.150 kg

Late Cargo access:

535 kg

435 kg

0

Gesamt trockene Fracht:

2.200 kg

1.605 kg

1.150 kg

Gesamtnutzlast:

6.595 kg

7.091 kg

4.557 kg

Entsorgter Müll:

Max 6.495 kg

1.200 kg

1.090 kg

Edoardo Amaldi

Der dritte Transporter wurde „Edoardo Amaldi“ getauft, nach dem Wissenschaftler der 1989 starb. Edoardo Amaldi war Experimentalphysiker. Er war mitbeteiligt bei der Entdeckung der langsamen Neutronen, die den Weg zum ersten Kernreaktor ebneten. Nach dem Zweiten Weltkrieg war er einer der Personen, der auf die Gründung einer europäischen Organisation drängte die Satelliten entwickelte – der ESRO, aus der sich später die ESA entwickelte. Er gilt als Vater der italienischen Raumfahrt. Allerdings ist Edoardo Amaldi außerhalb von Italien kaum jemanden bekannt. Es scheint eine italienische Besonderheit bei ESA Projekten zu sein, das Namensgebungsrecht so zu wählen, dass Personen gewählt werden, die im letzten Jahrhundert lebten, aber nicht so gut bekannt sind. So wurde schon die Raumsonde „BepiColombo“ nach Guiseppe Colombo benannt, der den Kurs von Mariner 10 zu Merkur berechnete. Sicher eine herausragende Leistung, aber nicht vergleichbar mit der anderer Raumfahrtpioniere. Dem Autor fiele als prominenter italienischer Wissenschaftler des letzten Jahrhunderts z.B. Enrico Fermi ein. Aber vielleicht ist er durch die Beteiligung an dem Bau der Atombombe und den Gang 1938 ins Exil nicht „sauber“ und „italienisch“ genug. Er wird im Juli 2011 in Kourou eintreffen und im Januar/Februar 2012 zur ISS aufbrechen.

Ihm folgt ein Jahr später „Albert Einstein“, so benannte die ESA den vierten Transporter auf Vorschlag der Schweizer Delegation. Obwohl Einstein von Geburt Deutscher ist und den größten Teil seines Lebens in Deutschland und den USA verbrachte, entwickelte er die Relativitätstheorie in der Zeit, in der er in der Schweiz lebte (von 1896 bis 1914). Wahrscheinlich suchten die Schweizer nach einer international bekannten Persönlichkeit, auch wenn Einstein keinerlei Berührungspunkte zur Raumfahrt hatte. Die Transporter werden nacheinander von den beteiligten Ländern nach der finanziellen benannt.

Der letzte ATV der ursprünglich bestellten Serie wird Georges Lemaître heißen. Der Belgier ist der Schöpfer der Urknalltheorie. Sie besagt, dass das Universum aus einer Singularität entstand und sich seitdem ausdehnt. Georges Lemaître hat ein sehr bewegtes Leben gehabt und war zuerst Priester, bevor er Astronomie studierte. Er entdeckte in Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, dass ein statisches Universum nicht möglich ist. Stattdessen musste es sich dauerhaft ausdehnen. Dies entdeckte er 1927, etwa zwanzig Jahre später konnte Hubble diesen Tatbestand bei der Vermessung der Rotverschiebung ferner Galaxien bestätigen.

Der Start von „ Edoardo Amaldi“, Eddi, wie er meistens abgekürzt wird, fällt in das kritischste Jahr des ISS-Betriebs. 2012 gibt es keine Space Shuttle Mission mehr, aber auch die kommerziellen Versorgungssysteme hängen Jahre hinter den Planungen hinterher.

Beide Firmen – SpaceX mit der Dragon und OSC mit der Cygnus haben in den letzten Jahren laufend die Jungfernflüge ihrer Kapseln verschieben müssen. Anders als letztes Jahr gibt es auch keinen Start eines HTV. Da nun mehr Sojusflüge erfolgen, um die Besatzungsstärke aufrecht zu erhalten, gibt es auch nur drei Progressstarts. Das bedeutet dass der Juniorpartner ESA 2012 fast 50% der Versorgungsbedarfs der Station erbringt. Ohne das ATV wäre der Betrieb der ISS nicht aufrecht zuerhalten.

Eddi wird weniger Fracht zur ISS bringen, obwohl er leichter ist und man weitere Befestigungsmöglichkeiten ausnutzte. Dies liegt an der Konzeption des ATV und der erfolgreichen Mission von Johannes Kepler. Die ATV sollten vor allem Treibstoff, Gase und Flüssigkeiten befördern. Sperriges Frachtgut sollte ja das Shuttle bringen und so kann man nicht die volle Nutzlastkapazität ausnutzen, obwohl nun noch mehr Fracht im Druckbehälter ist. Eddi ist daher einige Hundert Kilo leichter als Johannes Kepler und befördert auch weniger Fracht, die jedoch dringend benötigt wird, so Ersatzteile für das Fluids Control Pump Assembly (FCPA). Dieses Bauteil des Umweltkontrolsystems ist kritisch, es wandelt Urin in Trinkwasser um. Es arbeitet zwar problemlos, aber es gibt keine Ersatzteile, daher hat die NASA beschlossen diese kurzfristig mit dem ATV zur Station zu bringen.

ISS Höhe 2011Da Johannes Kepler die Station in eine viel höhere Bahn brachte, in der sie weitaus weniger schnell absinkt, wie auch die Grafik links zeigt, wird Eddi weniger Treibstoff transportieren als sein Vorgänger. Die über 3 t Reboosttreibstoff sind immer noch mehr als man benötigt um die Bahnhöhe aufrecht zu erhalten (rund 1,8 t werden dafür benötigt), obwohl es 1,5 t weniger Treibstoff als bei Johannes Kepler sind,

Trotz acht zusätzlichen Befestigungsbehältern mit 1 m³ Volumen ist die Fracht im Druckmodul aber beschränkt, einfach weil das Volumen nicht ausreicht. Die Astronauten werden erst alles ausräumen müssen. Es gibt nach dem Beladen der „Late Cargo“ keinen freien Platz mehr in der Mitte. Die Beladung erfolgte drei Wochen später als noch bei Johannes Kepler am 17.2.2012. Insgesamt ermöglichen die neuen Behälter 600 kg mehr als beim letzten ATV zur ISS zu bringen.

Eddi wird länger an der ISS verbleiben, geplant ist eine Missionsdauer von 171 Tagen. Er soll die Bahn nochmals anheben, sodass die ISS beim Ablegen in 420 km Höhe angelangt ist. Dies reduziert den Treibstoffbedarf für die Aufrechterhaltung der Bahn weiter.

ATV-03 Edoardo Amaldi

Trockenmasse

9.778 kg, 10805 kg mit Frachtcontainern

Treibstoff für die Mission:

2.261 kg

Gesamtstartmasse ATV ohne Fracht:

12.039 kg

Maximale Startmasse:

20.100 kg in einen 300 km hohen 51,6° geneigten Orbit

Maximale Fracht:

7.384 kg

Zugeladene Fracht:

6.595 kg

Startmasse:

19.702 kg ATV-03
20.050 kg mit Adapter zur Ariane 5 ES

Die nächsten Transporter

Änderungen wird es bei den folgenden ATV geben. Das ATV wurde 1995 entwickelt, als noch das Space Shuttle die Hauptlast des Transports tragen sollte. Nun liegen operative Erfahrungen mit der ISS vor und das Shuttle wandert in das Museum. Sein Ausfall muss von den anderen Frachtern aufgefangen werden. Das Shuttle hätte aber vor allem trockene Fracht wie Essen, Ersatzteile befördert. Durch die Verzögerung beim Ausbau nimmt die Station ihren Vollbetrieb nun in Zeiten niedriger Sonnenaktivität auf und benötigt so weniger Treibstoff für die Aufrechterhaltung der Bahn. Ein neues System an Bord bereitet zudem mehr Wasser auf und verringert so den Bedarf an transportiertem Wasser.

Daraus ergibt sich, dass mehr trockenes Frachtgut nötig ist und weniger Treibstoff und Wasser. Dieser Verschiebung der Anforderungen muss das ATV angepasst werden. Weiterhin ist die mittlere Dichte des Frachtgutes geringer und lag bei den bisherigen Flügen des Shuttles zur Station bei 200-250 kg/m³ anstatt bei 500 m³, wie dies der Auslegung des ATV zugrunde lag. Für diese Menge wurden die Transportracks ausgelegt. Das hat zwei Folgen: Zum einen sind die Racks unnötig massiv für diese leichtere Fracht und zum anderen steht nicht das Volumen zur Verfügung, um das Gewichtslimit auszunutzen. Anstatt maximal 5.500 kg wird ein ATV mit der derzeitigen Konfiguration und derzeitigen Fracht, die recht voluminös ist, so maximal 3.200 kg im Druckbehälter transportieren können, obwohl natürlich mehr wünschenswert ist. Auf der anderen Seite gibt es aber auch nicht den Bedarf an Treibstoff und Wasser, für den die Transporter ausgelegt sind. So könnten ohne Anpassungen die ATV unter bestimmten Umständen nicht ihre Nutzlastkapazität ausschöpfen. Leider sind diese bei den geplanten Flügen gegeben.

Die ESA konstruiert daher neue leichtgewichtige Racks, welche die Nutzlast im Druckmodul erhöhen. Jedes Rack wiegt 50 kg weniger. Zusammen resultieren bei acht Racks so 400 kg mehr Nutzlast. Johannes Kepler setzt schon leichtgewichtigere Racks ein, die auch 2 m³ mehr Volumen zur Verfügung stellen. Indem weitere Befestigungen an der Rückseite des ICC, an den schrägen Flächen am vorderen Konus und hinteren Konus angefügt werden, kann noch mehr Fracht im ICC zugeladen werden:

Die beiden letzten ATV 4+5 werden zudem in Zeiten niedriger Sonnenaktivität eingesetzt werden. Die NASA rechnet dann mit einem Treibstoffbedarf von nur 1.500 kg pro Flug zum Anheben der Station. Das ist ein Problem, da die Auslegung eine minimale Treibstoffmenge von 1.821 kg voraussetzt. Derzeit laufen Überlegungen, durch eingebrachte Blasen in den Tanks deren Fassungsvermögen zu verkleinern und die Software so anzupassen, sodass sie mit der veränderten Gewichtsverteilung und dem neuen Schwerpunkt zurechtkommt. Während das Erste recht einfach umzusetzen ist, gilt das Zweite als deutlich schwieriger.

Bei den beiden letzten ATV wird aus demselben Grund auch kein Refülltreibstoff benötigt. Daher wird bei diesen beiden Transportern das Refüllsystem ausgebaut und so zusätzlich zu den 860 Treibstoff noch 430 kg für dieses Subsystem eingespart. Johannes Kepler wird kein Wasser zur ISS transportieren. Durch eine neue Wasserrückgewinnungsanlage an Bord der ISS ist auch bei den folgenden Transportern der Wasserbedarf gering. Auch dieses System könnte also eingespart werden. Allerdings war dies bei der Produktion von Johannes Kepler, die ja Jahre vor dem Start begonnen wurde, nicht vorgesehen. Die folgenden ATV werden aber die Möglichkeit besitzen, wenn dieser Wunsch erneut recht spät aufkommt, einen oder mehrere der drei Wassertanks vor dem Flug zu entfernen und die Leitungen zu diesen zu schließen. Dies könnte weitere 100 kg Gewicht einsparen.

Auch wird die Gefahr durch Mikrometeoriten heute geringer eingeschätzt als bei der Konzeption des Transporters. Es ist vorgesehen, den Mikrometeoritenschutzschild daher zu verändern. Er besteht heute aus einer 1,6 mm starken Aluminiumwand, umhüllt von mehreren Lagen an Gewebe. Die Gewebelagen bleiben, aber die Dicke der Aluminiumschicht soll auf 1,2 mm gesenkt werden. Das erhöht die Fracht um 60 kg.

Ein weiterer Wunsch ist es, noch möglichst spät Änderungen an der Fracht vorzunehmen, genannt „Late Cargo Access“. Dies ist derzeit nur begrenzt möglich. Diese Möglichkeit soll für zukünftige ATV ausgebaut werden.

Insgesamt sollten die ersten fünf ATV ohne diese Änderungen 27.670 kg Fracht für die NASA zur ISS bringen. Die Änderungen werden es erlauben 500 kg mehr beim ATV-3 und jeweils 1.150 kg bei den ATV-4 und 5 zu transportieren. Zusammen sind dies rund 10% mehr oder 30.470 kg bei allen fünf Transportern zusammen. Die Maximalnutzlast der ATV wird dabei nicht überschritten, weil die zusätzliche Frachtmenge vor allem trockene Fracht niedriger Dichte ist, die es sonst es nicht erlaubt hätte, die Maximalnutzlast eines ATV voll auszunutzen. Eine Verlängerung des ISS Betriebs bis 2020 würde nach EADS Astrum Angaben zwei weitere Transporter erfordern.

Die Verträge mit der NASA sehen vier Transporter vor, ein fünfter wird als Kompensation eine weiteren Astronautenaufenthaltes benötigt. Was danach kommt ist offen. Die Betriebsdauer der ISS wurde zwar 2010 von 2015 auf 2020 verlängert. Jedoch bedeutet dies auch dass die komplette Versorgung nun neu verhandelt wird. Das ATV wurde konzipiert, als die NASA das Space Shuttle als Hauptversorger vorsah. Nun hat sich nicht nur die Zusammensetzung dr Fracht verändert – alle Transporter müssen nun mehr Fracht in Druckbehältern mitführen, sondern auch die Verfügbarkeit der Kopplungspunkte. Ursprünglich war geplant die Hälfte der Besatzung mit den Shuttles zur ISS zu bringen, nun geschieht dies mit Sojus Kapseln die so einen Kopplungspunkt permanent besetzen. Daher wünscht die NASA einen Transporter der weniger Flüssigkeiten transportiert und die Russen einen Transporter der nicht so lange den Kopplungspunkt an Swesda blockiert.

Diese Problematik prägt auch die Diskussion um den ATV-Nachfolger ARV. Gleichzeitig ist offen wie viele ATV noch benötigt werden und wie sie ins All gelangen sollen.

Die Bestellungen von Arianespace bis zum Jahr 2016 beinhalten keine weitere Ariane 5 ES. Nach Angaben des DLR ist das Raumschiff nur für den Start auf der Ariane 5 ES ausgelegt. ESA Dokumente weisen dagegen auch die Möglichkeit des Transports mit der Ariane 5 ECA aus. Derzeit hat die Ariane 5 ECA eine Maximalnutzlast von 20,6 t, rund 150 kg weniger als die Ariane 5 ES in den ISS Orbit. Die ESA plante sicher nach dem Auslaufen der Ariane 5 ES den Start mit der ebenfalls wiederzündbaren ESC-B Oberstufe, doch deren Entwicklung stagniert seit 2004.

Arianespace und Astrium LV wollen aber die Nutzlast der Ariane 5 ECA für den GTO-Orbit bis Ende 2010 um 400 kg steigern. Anfang 2011 überschritt die Nutzlast für den GTO-Orbit die 10 t Marke, vorher waren es 9,6 t gewesen. Die gleichen Maßnahmen sollten auch die Nutzlast in den ISS Orbit um 700 kg steigern. Allerdings wird wahrscheinlich für den Transport des Frachters eine erneute Qualifikation der ESC-A Oberstufe notwendig sein. Die ESC-A Oberstufe ist derzeit für Nutzlasten von maximal 16.000 kg ausgelegt.

Nur theoretisch ginge es auch ohne Oberstufe: Die EPC erreicht bei GTO Missionen fast eine Umlaufbahn. Bei etwas geringerer Nutzlast gelangt sie auch in einen Orbit. Für Hermes Missionen war ursprünglich auch keine Oberstufe vorgesehen. Die Nutzlast mit der EPC alleine liegt bei der derzeitigen Version bei 20,8 t – also in fast gleicher Höhe wie bei der Ariane 5 ES. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass die EPC einen Orbit erreicht. Das ist nicht erwünscht, schließlich soll die Bildung von Weltraummüll vermieden werden. Um die Nutzlast zu maximieren und die Stufe schnell zu deorbitieren wäre ein sehr niedriger Orbit von nur 160-170 km Höhe das Optimum. Der Raumfrachter muss dann nach kurzer Zeit (wenige Stunden bis wenige Tage) seine Triebwerke zünden, um einen höheren Orbit erreichen. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass das Anheben des Orbits zwar schnell erfolgen muss, aber in einem Zeitrahmen, der auch bei der nominellen Mission üblich ist.

Eine alternative Möglichkeit wäre eine Aufstiegsbahn wie bisher. Hier liegt das Apogäum auf der Höhe der ISS. Das Perigäum liegt so niedrig, dass die EPC nach weniger als einem Umlauf beim ersten Durchlaufen des Perigäums verglüht. Eine Bahn mit einem erdnächsten Punkt in rund 60 km Höhe erfüllt z.B. diese Anforderungen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass wie bei den bisherigen Missionen die Position festgelegt werden kann, wo die EPC verglüht. Das ist bei einer niedrigen Erdumlaufbahn nicht möglich. Doch nun muss der Frachter sofort nach Brennschluss der Zentralstufe aktiviert werden und im Apogäum nach einem halben Umlauf die Bahn anheben. Als Nebeneffekt ist die Nutzlast noch etwas höher. Ariane 5 könnte 21.500 kg in einen 60 × 350 km Orbit transportieren. Das Raumfahrzeug benötigt dann noch etwa 700 kg des eigenen Treibstoffs um diese Bahn zu zirkularisieren, da noch rund 100 m/s für einen ISS Orbit in 350 km Höhe fehlen. So könnte insgesamt mehr Fracht zur ISS transportiert werden, auch wenn etwas weniger Reboost Treibstoff zur Verfügung steht.

Dieses Szenario wurde allerdings schon vor der Anpassung der EPS-Stufe untersucht. Ohne Wiederzündung hätte auch diese den Transporter in einem elliptischen Orbit mit einem nur 60 km hohen Perigäum ausgesetzt. Dann ständen nur 10 Minuten für die Inbetriebnahme des Raumfahrzeugs zur Verfügung. Das ist sehr knapp, insbesondere wenn nicht auf Anhieb ein Funkkontakt zustande kommt. Daher wurde diese Möglichkeit damals verworfen und die kostenintensivere Neuqualifikation der EPS-Oberstufe gewählt. Die gleichen Überlegungen sprechen auch heute gegen diese Vorgehensweise.

Diese Berechnungen des Autors beruhen auf den offiziellen Launchkits von EADS, die für die Ariane 5 Missionen die Geschwindigkeit und das Restgewicht der Rakete nach der Abtrennung von der EPC ausweisen.

Wenn die ESC-B Oberstufe zur Verfügung steht (nicht vor 2016), so könnte diese nach ESA Angaben 23 t zur ISS transportieren. Mit ihr würde der Transporter seine Maximalfracht erreichen, die auf 9,5 t beschränkt ist.

Ariane 5 Konfiguration

Nutzlast in 350 km hohen ISS Orbit

Ariane 5 ES

20.750 kg (21.450 kg ab 2011*)

Ariane 5 ECA

20.600 kg (bei 9.600 kg GTO Nutzlast)
21.300 kg (bei 10.000 kg GTO Nutzlast*)

Ariane 5 (ohne Oberstufe), 160 km Orbit

21.300 kg – 22.000 kg Nutzlast*

Ariane 6 (ohne Oberstufe) 60 × 350 km Orbit

20.800 kg – 21.500 kg Nutzlast*

Ariane 5 ECB (teilbefüllt mit 17,5 t Treibstoff)

23.000 kg

*: Berechnungen des Autors, alle anderen Angaben von der ESA.
Bis 2015 werden europäische Raumtransporter folgende Fracht zur ISS befördern:

Nutzlast

Gewicht

Europas Anteil an den ISS Betriebskosten:

ca. 19.000 kg

ESA Nutzlasten für Columbus:

5.400 kg

ESA Ersatzteile für Columbus:

2.500 kg

Verschiedene Ausrüstung:

1.200 kg

Gesamt:

28.100 kg

Pro Transporter (5 Stück):

5.620 kg

Mit geplanten Änderungen:

29.470 kg

Pro Transporter (5 Stück):

5.894 kg

Für die Zeit nach 2015 muss die ESA über den Bau weiterer ATV entscheiden, genauso wie über eine weitere Nutzung von Columbus. Soll 2016 der nächste Transporter starten, so müsste die ESA bis 2013 einen Produktionsauftrag erteilen.

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Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 128 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation, das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum.

Das Buch Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation ist eine kompakte Einführung in die ISS. Es wird sowohl die Geschichte der Raumstation wie auch die einzelnen Module besprochen. Wie der Titel verrät liegt das Hauptaugenmerk auf der Technik. Die Funktion jedes Moduls wird erläutert. Zahlreiche Tabellen nehmen die technischen Daten auf. Besonderes Augenmerk liegt auf den Problemen bei den Aufbau der ISS. Den ausufernden Kosten, den Folgen der Columbia Katastrophe und der Einstellungsbeschluss unter der Präsidentschaft von George W. Bush. Angerissen werden die vorhandenen und geplanten Transportsysteme und die Forschung an Bord der Station.

Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.

Das bisher letzte Buch Skylab: Amerikas einzige Raumstation ist mein bisher umfangreichstes im Themenbereich bemannte Raumfahrt. Die Raumstation wurde als einziges vieler ambitioniertes Apollonachfolgeprojekte umgesetzt. Beschrieben wird im Detail ihre Projektgeschichte, den Aufbau der Module und die durchgeführten Experimente. Die Missionen und die Dramatik der Rettung werden nochmals lebendig, genauso wie die Bemühungen die Raumstation Ende der siebziger Jahre vor dem Verglühen zu bewahren und die Bestrebungen sie nicht über Land niedergehen zu lasen. Abgerundet wird das Buch mit den Plänen für das zweite Flugexemplar Skylab B und ein Vergleich mit der Architektur der ISS.

Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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