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Das Space Shuttle

In meiner kleinen Reihe über das amerikanische Space Shuttle habe ich versucht dieses komplexe Thema in einzelne Artikel zu verpacken:

Nutzlasten

Payload BayZiel war eine maximale Nutzlast von 65.000 Pfund (29.484 kg) in einen 204 km hohen 28.8 Grad geneigten Orbit. Die maximale Landenutzlast sollte bei 32.000 Pfund (14.515 kg) liegen. Allerdings gab es schon von Anfang an Pläne diese weiter zu steigern. So sollten die Triebwerke stufenweise 104 und 109 Schub erreichen und eine zweite Generation sogar 115 Prozent. Der Tank sollte leichter werden. Diese Steigerungen sollten entweder die Nutzlasten erhöhen oder es erlauben schwerere Materialen einzusetzen. So plante man ursprünglich ab 1984 die Kacheln im Temperaturbereich bis 550 Grad durch Titanbleche ersetzen. Die Nutzlast hing jedoch immer hinter der Sollnutzlast hinterher und es gab später auch nicht die Mittel für größere Modernisierungen des Shuttle Systems. Für die Nutzlast steht ein zylinderförmiger Raum von 18.38 m Länge und 4.57 m Durchmesser zur Verfügung. Eine Beschränkung war auch bei Ausbauplänen die maximale Landenutzlast von 14.515 kg, da bei der Landung die Belastung nicht wie beim Start in der Achse Cockpit-Heck wirken, sondern auf die Bodenstruktur des Orbiters, das Fahrwerk einwirkt. Das bedeutet auch, dass bei Notlandungen eine zu schwere Nutzlast abgestoßen oder Treibstoff abgelassen werden muss.

Als Nutzlast muss man im Prinzip den Orbiter die Nutzlast und den Tank sehen. Davon macht die eigentliche Nutzlast jedoch nur etwas mehr als ein Fünftel aus. Daher sinkt die Nutzlast rapide ab, wenn der Shuttle eine höhere Bahn erreichen muss (erfordert eine höhere Vertikalgeschwindigkeit) oder eine Bahn mit höherer Inklination erreichen muss (geringer "Bonus" durch die Erdrotation). Dies zeigt folgende Tabelle (projektierte Nutzlasten)

Bahnhöhe Inklination Nutzlast
185 km 28.45 29484 kg
185 km 90 14515 kg
500 km 28.45 11340 kg
1100 km 28.45 7000 kg
1350 km 28.45 0 kg

Der Orbiter sollte nach den Planungen eine Leermasse von 68040 kg aufweisen. Doch keiner der Orbiter war so leicht: Zum einen waren die Orbiter etwas schwerer als geplant, zum anderen gab es nach der Explosion der Challenger Änderungen. Vor dem Challenger Unglück hatte die Columbia als ältester Orbiter eine maximale Nutzlast von 19.5 t und befand sich in einer Umbauphase die sie auf 23.7 t steigern sollte. Die Challenger lag bei 27 t und die beiden modernsten Orbiter Discovery und Atlantis bei 28.7 t. Geplant waren durch weitere Verbesserungen 31.7 t Nutzlast. Die Gesamtmasse von Nutzlast und Orbiter kann 129 t erreichen. Nach dem Challenger Unglück mussten die maximalen Nutzlastmassen durch Umbauten revidiert werden. noch hoffte man die ursprünglichen Ziele durch Steigerung des Schubniveaus der Triebwerke auf 109 % zu erreichen. Tests am Boden ergaben jedoch Probleme, und so beschränkte man sich auf das erprobte 104 % Schubniveau:

Bahnhöhe Inklination Nutzlast
204 km 28.45 25400 kg
407 km 28.45 18150 kg

Die Columbia wog ohne alle Treibstoffe bei Wiederaufnahme der Flüge 1988 genau 82,288 kg, Discovery 78,448 kg Atlantis 78,687 kg, die Endeavour 79,135 kg. Man konnte das erhöhte Leergewicht durch leistungsstärkere Triebwerke und leichtere Tanks teilweise auffangen, doch die anvisierten maximalen 31.7 t Nutzlast für die Orbiter 3-5 (Discovery, Atlantis und Endeavour) konnte man nicht mehr erreichen. Bei Wiederaufnahme der Flüge 1988 wurde eine maximale Nutzlast von 24933 kg angegeben :

Bahnhöhe Inklination Nutzlast
204 km 28.45 24947 kg
204 km 57 18598 kg
204 km 99 13426 kg
+1 km Orbithöhe -25 kg
+1 Grad Inklination -227 kg

Diese Angaben galten für die drei neueren Orbiter. Die Columbia hatte eine um 3.810 kg niedrigere Nutzlast. Vor allem durch ihr um 3.240 kg höheres Leergewicht, der Rest durch Umbaumaßnahmen für die Aufnahme von Ausrüstung für Langzeitmissionen. Die Columbia ist seitdem reserviert vor allem für Spacelab Missionen.

Später stieg die Nutzlast wieder leicht an, weil man bei Modernisierungen leichtere Materialen einsetzte und Booster und Triebwerke in der Leistung steigerte. Die wichtigste Steigerung war ein neuer Tank der um 2700 kg leichter war. Bis auf Columbia wurde auch die Luftschleuse in die Nutzlastbucht integriert. Sie konnte entfallen wenn man an MIR oder die ISS andockte. Für Missionen zu diesen Raumstationen stieg seit 1992 die Nutzlast um 7.257 kg an. Im Jahre 2000 (vor dem Verlust der Columbia) gab die NASA folgende Nutzlastmassen an:

Orbithöhe Bahnneigung Nutzlast
204 km 28.45 Grad 28.800 kg
278 km 28.45 Grad 27.500 kg
593 km 28.45 Grad 18.400 kg
407 km 51.6 Grad 18.200 kg
Landung 22.000 kg

Es wurden für niedrige Orbits also fast die projektierten Nutzlastmassen erreicht. Die Nutzlast für höhere Orbits und die Landenutzlast ist sogar höher als bei der Indienststellung. Dies war nötig, da sonst die Orbiter nicht viel zum Aufbau der ISS (407 km hoher Orbit mit 52 Grad Neigung) hätten leisten können. Ohne die Umbaumaßnahmen hätten die Orbiter nur 10.6 t zur ISS gebracht.

Es wurden insgesamt 6 Orbiter gebaut: (Stand 1.1.2005)

Die NASA lehnte einen Vorschlag Boeings im Jahre 2003 ab, der einen Nachbau von 1-2 Orbitern unter Einsatz moderner Werkstoffe und aktueller Computertechnologie vorsah.

Die Infrastruktur

Der Space Shuttle profitierte sehr stark von der für das Apollo Programm geschaffenen Infrastruktur. Damals wurden über 1 Milliarde Dollar für das VAB, die Startrampen und andere Anlagen investiert. Für den Orbiter wurde das VAB (Vertical Assembly Buildung) der NASA im Kennedy Space Center umgebaut. Auch andere Teile des Saturn Programms wie die Startrampen 39A und 39B und der Transporter (Crawler) zur Startrampe wurden wieder verwendet. Für die Landung entstand eine Landebahn im Kennedy Space Center. Sie befindet sich 3 km von der Startrampe entfernt und hat eine Länge von 4572 m und eine Breite von 91.5 m. Die Landebahn verläuft von Nordwesten nach Südosten. Es gibt an beiden Seiten der Landebahn eine 305 m lange Sicherheitsauslaufzone. Die Landebahn machte es möglich die Wartungszeit und die Kosten des Starts zu verringern, da vorher die Shuttles in der Edwards Air Force Base im Westen der USA landeten und mit einer umgebauten Boeing 747 überführt werden mussten.

Cape Canaveral erlaubt Starts mit Bahnneigungen von 28.8 Grad bis 57 Grad. Diese Einschränkung resultiert aus der Aufstiegsbahn, die nicht über bewohntes Land führen darf. Es wurde vom US Militär eine Startanlage bei der Vandenberg Air Force Base errichtet. Diese war vor allem für militärische Starts gedacht, hätte aber auch für zivile Nutzlasten polare Orbits erlaubt. Diese Anlage erlaubte Inklinationen von 56 bis 104 Grad. Vor der Fertigstellung gab es jedoch die Challenger Katastrophe und damit den Rückzug des DoD aus dem Shuttle Projekt. Kein Shuttle ist jemals von Vandenberg aus gestartet. Etwa 3.2 Milliarden USD wurden für die Startanlage in Vandenberg inklusive Landebahn investiert. Es zeigte sich, dass man die Kosten stark unterschätzt hatten, denn geplant waren ursprünglich nur 1 Milliarde USD (Cape Canaveral: 800 Millionen USD). Vandenberg sollte schon 1984 fertig gestellt sein, doch durch die steigenden Kosten wurde es 1986 fertig. Just als die ersten Starts von dort erfolgen sollten kam die Challenger Katastrophe. Für Starts von Vandenberg war auch das 109 % Schublevel erforderlich. Auch dieses war nun nicht mehr nötig.

Bei jedem Start gibt es eine Reihe von Ausweichlandeplätzen für den Fall eines Startabbruchs oder Notlandung. Es handelt sich dabei um militärische Flughäfen die über genügend große Landebahnen in der richtigen Orientierung verfügen. Im Falle einer Havarie werden die Landebahnen dort geräumt und der Shuttle kann dort landen. Zu Beginn des Shuttle Programms gab es feste Ausweichlandeplätze auf US Militärbasen bei Hawaii, Okinawa, Rota (Spanien), Dakar, White Sands und der Edwards Air Force Base, wo auch die ersten Landungen des Shuttle stattfanden.

Flugprofil

Start des Space ShuttleWie bei anderen modernen Raketen übernehmen die Booster des Shuttles die Hauptlast des Schubs. Dadurch können die Haupttriebwerke sieben Sekunden vor dem Start gezündet werden und während des Hochlaufens auf korrekte Funktion überprüft werden. Im Falle eines irregulären Verhaltens werden diese sofort abgestellt, dies kam z.B. bei der D-2 Mission vor. Bei T-3 Sekunden müssen alle Triebwerke 90 % den Nennschubs aufweisen. Ist dies der Fall so wird das Kommando zum Zünden der Feststoffbooster 3 Sekunden später gegeben. Die drei Sekunden braucht das Shuttle um wieder in die Vertikale zu kommen. Bei Zündung der Triebwerke im 0.25 Sekunden Abstand gibt es einen Impuls, der den Shuttle leicht nach hinten schwingen lässt. Erst bei T-0 werden die Booster gezündet die innerhalb von unter 100 ms den vollen Schub liefern und damit hebt der Shuttle ab. 26 Sekunden nach dem Start werden die Triebwerke auf 65 % heruntergefahren um die Belastung beim Durchbrechen der Schallmauer zu minimieren. Der Schub der Feststoffbooster sinkt schon 55 Sekunden nach dem Start aus dem gleichen Grund. 90 Sekunden nach dem Start wird der Schub auf 90 % erhöht und nach Ausbrennen der Feststoffbooster wieder auf 100 Prozent. Die Booster brennen 124 Sekunden und werden in 45 km Höhe abgetrennt.

Das Schubprofil der Triebwerke ist komplex: Nach 26 Sekunden werden sie auf 65 % herunter gefahren um die aerodynamische Belastung zu senken. Nach 60 Sekunden werden sie wieder hochgefahren (auf maximales Schubniveau). Nach 7 Minuten 30 Sekunden wird der Schub der Triebwerke langsam zurückgenommen um eine Belastung von maximal 3 G zu erreichen. Er sinkt bis auf 65 Prozent beim Brennschluss nach 510 Sekunden.

Die Haupttriebwerke brennen insgesamt 510 Sekunden bis in 110 km Höhe nahezu Orbitgeschwindigkeit erreicht ist. 20 Sekunden nach Brennschluss wird der externe Tank abgetrennt, der nach einer halben Erdumkreisung zirka 20.000 km vom Startplatz entfernt in den indischen Ozean eintaucht. Dieses Missionsprofil ist fest vorgegeben, und wird auch eingehalten wenn noch genügend Treibstoff im Tank wäre, um einen Orbit zu erreichen. Der Orbiter selbst erreicht seine Bahn durch Zündung der kleinen OMS Triebwerke 100 Sekunden nach Abwurf des Tanks zuerst um einen Orbit mit einem erdnächsten Punkt von 100 km und einem erdfernsten Punkt in der Zielbahnhöhe zu erreichen (zirka 90 m/s). Dazu feuern die OMS Triebwerke 75 Sekunden lang. Nach einer halben Erdumkreisung (etwa 35 Minuten) in der Zielhöhe werden die OMS Triebwerke erneut gezündet um diesen kreisförmig zu stabilisieren.

Die Verweildauer im Orbit ist abhängig von der Besatzungsstärke. Mit einer Besatzung von 7 Personen beträgt die Verweildauer nominell 7 Tage. Sie ist allerdings bis auf 16 Tage steigerbar durch den Einbau von zusätzlichen Filtern, Tanks mit Wasserstoff und Sauerstoff für die Brennstoffzellen. Weiterhin wird dann auch eine weltraumtaugliche Dusche eingebaut, die es bei den normalen Flügen nicht gibt.

Landung des ShuttleDie Manöver im Orbit hängen von der Mission ab. Die Rückkehre zur Erde geschieht wiederum durch 120 Sekunden dauerndes Zünden der OMS Triebwerke gegen die Flugrichtung. Dies senkt den erdnächsten Punkt der Bahn bis zur Erdoberfläche. Danach dreht sich der Shuttle um die Achse, so dass er mit der Nase in die Flugrichtung schaut. Der Shuttle hat eine Querreichweite von 2034 km, d.h. er kann jeden Flugplatz mit einer Landebahn in der richtigen Orientierung und der richtigen Länge in einem Korridor dieser Breite rund um den Orbit anfliegen.

Die Abbremsung des Shuttles geschieht über 8000 km Länge und dauert 31 Minuten. Der Eintritt beginnt in 122 km Höhe. Der Shuttle landet zuerst wie die Kapseln rein ballistisch, erst in 13 km Höhe beginnt die aerodynamische Phase, in welcher der Shuttle langsam die verbliebene Restgeschwindigkeit abbaut. Trotzdem beträgt die Landegeschwindigkeit noch 340 km/h - deutlich höher als bei Verkehrsflugzeugen und vergleichbar den Landungen auf Flugzeugträgern. Daher ist auch die relativ lange Landebahn zum Ausrollen von 4 km Länge nötig. (Von der etwa 2.5 km bei einer normalen Landung genutzt werden). Ein ab Flug 40 eingeführter Fallschirm, der bei der Landung entfaltet wird, reduziert die Landestrecke um 300-600 m. Die Belastung beträgt bei der Landung maximal 1.6 G.

Sicherheit

Die früheren bemannten Missionen der USA waren mit "Fluchttürmen" - Schubstarken Feststofftriebwerken - ausgerüstet, welche die Kapsel von der Rakete weg katapultieren konnten. Sie wurden abgesprengt wenn das Risiko eines Versagens mit tödlichem Ausgang wesentlich kleiner war als der Verlust an Nutzlast für einen Orbit. Bei der Saturn 5 zum Beispiel. nachdem alle Triebwerke der zweiten Stufe hochgelaufen waren und keine Unregelmäßigkeiten zeigten. Später konnte man die Rakete noch abschalten und die Kapsel abtrennen und wassern lassen.

Es war von vorneherein klar, dass dies beim Space Shuttle nicht möglich sein würde. Vorschläge die Mannschaftskabine abtrennbar zu machen und im Notfall abzusprengen wurden verworfen, weil diese die Nutzlast um fast 10 t erniedrigt hätte und der Orbiter fast keine Nutzlast mehr zur erde zurückführen hätte können. Auch Vorschläge anstatt der Feststoffraketen Booster mit flüssigen Treibstoffen einzusetzen hatten keine Chance zur Verwirklichung, da das Budget für den Shuttle sehr klein war. Von den geplanten 5.5 Milliarden USD Entwicklungskosten entfielen alleine 4 Milliarden auf den Orbiter. Da war wenig Platz für die Entwicklung großer Flüssigraketen. Es gab wie bereits erwähnt massive Proteste gegen diese Rakete von Seiten der Entwickler der Saturn 5. Wie sich zeigen sollte behielten sie recht,

Wenn die Feststofftriebwerke gezündet sind ist es nicht mehr möglich den Shuttle von den Raketen abzutrennen. Die durch die hohe Beschleunigung auftretenden aerodynamischen Kräfte würden den Orbiter stark beschädigen. Ein Flugabbruch ist erst nach Abtrennen der Feststoffraketen nach 140 Sekunden möglich. Bis 204 Sekunden nach dem Start kann der Shuttle bei Ausfall eines Haupttriebwerks zurück zum Startplatz gelangen ("Return to Launch Site". Er legt die Strecke gleitend zurück und landet nach 20-25 Minuten.

Später ist der Shuttle zu weit von dem Startplatz entfernt. Bis 5 Minuten nach dem Start ist eine Notlandung auf Landeplätzen in Zaragoza und Moron, Spanien und Istres in Frankreich möglich. Der Shuttle landet dort etwa 45 Minuten nach dem Start. Bei einem noch späteren Ausfall eines Haupttriebwerkes können die beiden anderen die Leistung abfangen und es gibt einen "Abort to Orbit" : Der Shuttle erreicht zumindest einen niedrigen Orbit. Wenn zwei Triebwerke ausfallen oder andere System massiv an Leistung verlieren so gibt es noch den Modus Abort Once Around, bei dem der Shuttle fast eine Erdumkreisung vollführt und in White Sands, Edwards Air force Base oder dem Kennedy Space Center landet.

Worauf die NASA bei ihren Seiten nicht eingeht ist wie der Shuttle bei der Landung leichter wird. Ein Space Shuttle wiegt beim Start voll aufgetankt bis zu 129 t. Das maximale Landegewicht beträgt aber nur 108.9 t. Bei einer normalen Mission ist der Space Shuttle immer leichter als beim Start. Alleine 10 t macht der OMS Treibstoff aus, dazu kommt der RCS Treibstoff und der Wasserstoff und Sauerstoff für die Brennstoffzellen die im Orbit verbraucht werden. Auch ist die zulässige Masse im Nutzlastraum um 15 t kleiner als beim Start. Wie aber wird bei einem Transatlantikflug der Space Shuttle seine Nutzlast innerhalb von wenigen Minuten los ?

Beim Wiedereintritt hat nach der Challenger Katastrophe die Besatzung ab 12 km Höhe die Möglichkeit den Orbiter durch eine absprengbare Ausstiegslucke zu verlassen. Die Gefahrenanalyse der NASA sah vornehmlich die Haupttriebwerke als Problem an. Niemand rechnete mit einer Explosion der Feststoffbooster wie bei der Challenger oder der Beschädigung des Orbiters durch Schaumstoffteile. Die Frage die man sich heute stellen muss ist : Welche Gefahren die man bisher nicht wahrgenommen hat gibt es noch ?

Aufgaben des Space Shuttle

Der Space Shuttle war ursprünglich dafür gedacht Satelliten in eine niedrige Umlaufbahn zu befördern, und auch dort Reparaturen an Satelliten durchzuführen. Weiterhin waren viele Flüge mit dem Europäischen Labor Spacelab geplant. Damit hoffte man eine Raumstation einsparen zu können und trotzdem viel unterschiedliche Forschung in der Schwerelosigkeit und im Vakuum durchführen zu können. Ein Nachteil des Space Shuttle war, dass er selbst nur einen niedrigen Orbit erreicht. Dies liegt darin, dass der Orbiter mehr als 2/3 der Masse ausmacht, die einen Orbit erreicht. Nimmt die Masse ab, so geht dies voll auf Kosten der Nutzlast. Leer könnte ein Space Shuttle höchstens eine Bahn von 1100 Kilometer Höhe erreichen. So war die Nutzlast als der Shuttle in Dienst gestellt wurde für die ISS Umlaufbahn in 350-400 km Höhe bei 51° Bahnneigung bei unter 13 t. Daher hat die NASA gerne der ESA die Versorgung der ISS der ESA überlassen, die dazu unbemannte Transporter mit einer Ariane 5 ab 2004 starten wird.

Praktisch alle Flüge des Space Shuttle nach 1999 dienen nur dem Aufbau der internationalen Raumstation. Neben der Fähigkeit sehr sperrige Fracht zu transportieren ist hier auch wichtig, dass die Besatzung in EVA Teile an der Station montieren kann. Schon in den neunziger Jahren begann man daher die Space Shuttles aufgerüstet um höhere Orbits zu erreichen. Das Modernisierungsprogramm sollte auch die Gesamtzuverlässigkeit erhöhen (vor allem von den Triebwerk) und die Elektronik auf einen aktuelleren Stand bringen. Weiterhin galt es vor allem die Nutzlast für höhere Bahnen zu steigern, da die ISS sich in 400 km Höhe und für Space Shuttles ungünstiger Bahnneigung von 52 Grad befindet. (bedingt durch die Versorgungsflüge der Russen, deren Startort bei 52 Grad nördlicher Breite liegt).

Shuttle Carrier

Anfang bis Mitte der achtziger Jahre wurden zudem weitere Pläne laut, aus dem Space Shuttle einen Schwerlast Transporter zu bauen. Für das damals propagierte Programm der Verteidigung im Weltraum (SDI) war eine erheblich höhere Nutzlastkapazität vonnöten. Es gab mehrere Konzepte die ausgearbeitet wurden. Das erste war das eines normalen Space Shuttles, jedoch ohne Systeme für eine Besatzung. Damit entfallen etwa 15 t der Orbitermasse und die Nutzlast steigt auf 45-51 t. Gleichzeitig sinken die Kosten für die Wartung. Eine Version mit 3 Feststoffboostern sollte 67 t Nutzlast befördern können. Die Startkosten wurden mit 240 Millionen USD (2 Booster) beziehungsweise 253 Millionen USD (3 Booster) angegeben und waren bei dieser Nutzlastgröße wieder geringer als die von Amerikanischen Trägerraketen.

Man erwog hier sogar die Centaur G Prime, die beim normalen Space Shuttle nicht mehr starten durfte wieder einzusetzen. Mit ihr hätte man 9000 kg in den geostationären Orbit transportieren können. Neben der Versorgung der Raumstation "Freedom" sollten mit dem Shuttle-C schwere Raumsonden wie Cassini, CRAFT und eine Sonde zum Mars welche Bodenproben zur Erde zurückbringt gestartet werden.

Der nächste Schritt war ein unbemannter Space Shuttle ohne Flügel starten. Er wäre nicht wieder verwendbar gewesen. Dieser Shuttle Carrier sollte 65 Tonnen in die Umlaufbahn befördern. Es entfällt der 11.4 t schwere Hitzeschutzschild und die Flügel. Eine Orbiter Zelle mit einem verlängerten Treibstofftank und 4 Feststoffboostern hätte sogar 120 t in den Orbit befördern können.

Die ersten Ideen für einen Shuttle-C gab es schon vor dem Erstflug und bis Ende der achtziger Jahre wurde er immer wieder propagiert. Er schien auch die Lösung für die enormen Nutzlasten zu sein, die man für das SDI Programm brauchte. Doch die NASA erhielt nie die Mittel diesen zu entwickeln. Mit der Einstellung von SDI Ende der achtziger Jahre war auch der Shuttle-C nicht mehr nötig.

Das Ende des Shuttle

Columbia ExplosionDie Geschichte des Space Shuttle ist geprägt durch zwei Katastrophen: Der Verlust der Space Shuttles Challenger und Columbia. Dabei starben 14 Menschen. Beide Ereignisse haben einschneidende Auswirkung auf das Shuttle Programm. Bei Challenger wurde klar, dass man beim Start der Shuttles bislang sehr leichtsinnig war, Warnungen und Zwischenfälle ignorierte. Als Folge wurden die Shuttles nicht nur sicherer sondern auch die internen Strukturen umgekrempelt.

Von 1988-2003 absolvierten die Shuttles über 90 Flüge, unbemerkt von der Öffentlichkeit wurde das System verbessert, dabei die Sicherheit, wie auch die Nutzlast gesteigert. Gleichzeitig versuchte man der Kostenexplosion, die es bis Anfang der neunziger Jahre gab Herr zu werden. Es sah danach aus, als würde der Space Shuttle auch noch weitere 10-20 Jahre fliegen, zumal alle Projekte für einen Nachfolger eingestellt wurden, da es nicht gelang die Ziele hinsichtlich beförderter Nutzlast und Kostenreduzierung einzuhalten. In den Zahlen waren die Verbesserungen beeindruckend:

Challenger ExplosionDer Verlust der Columbia hat zu einem Umdenken geführt. Auch wenn Experten sich streiten, ob man vom Orbit aus das beschädigte RCC Panel hätte inspizieren können so sind sich doch alle darin einig, dass nach der Beschädigung die Rettungschancen für die Besatzung minimal waren. Ob man durch andere Flugmanöver beim Wiedereintritt den Shuttle hätte retten können ist sehr fraglich. Eine Rettungsmission kann angesichts des komplexen Systems "Shuttle" nicht so schnell gestartet wie dies nötig wäre und wer garantiert, dass dort nicht das gleiche passiert ? So kam die Untersuchungskommission zu dem Schluss nur noch Shuttle Missionen zu genehmigen, bei denen man die Raumstation ISS erreichen kann. Folgerichtig wurde beschlossen den Shuttle nach Fertigstellung der ISS im Jahre 2009/10 auszumustern, obgleich man zwischen 2003 und 2005 weitere 1.4 Milliarden Dollar für Shuttle Upgrades ausgegeben hat.

Wie würde ein neuer Shuttle aussehen? Jesco von Puttkammer, NASA Manager meint, es liefe auf einen "Shuttle 2" hinaus. Wenn man die technische Entwicklung seit 1970 ansieht so muss man ihm recht geben. Es fehlen Werkstoffe um mit einer Stufe auszukommen. Zwei wieder verwendbare Stufen wären noch teurer als der derzeitige Shuttle und das Konzept einer Zentralstufe mit Wasserstoff und 2 Feststoffraketen wurde auch von den Raketen Ariane 5 und H-2 übernommen.

Die Frage ist aber falsch gestellt. Sie müsste eher lauten: Braucht man einen bemannten Raumsegler der viel Nutzlast transportieren kann ? Heute beantwortet man diese Frage mit "Nein". Es ist preiswerter Nutzlasten unbemannt mit einer Rakete zu starten und für Monatagearbeiten und Besatzungsbeförderung ein kleines Shuttle zu bauen, das nur soviel Raum hat wie die Besatzung braucht. In den USA werden derartige Konzepte als Nachfolger für den Shuttle untersucht und auch Russland soll Pläne haben die Sojus Kapseln durch einen kleinen Raumgleiter zu ersetzen.

Der Shuttle in Zahlen

Bei dem Space Shuttle als bemanntes Raumfahrzeug ist es sehr schwierig allgemeine technische Daten zu bekommen. Dazu gehören genaue Massen und Nutzlastangaben. Man wird bei den entsprechenden Presskits mit Angaben über die Besatzung und ihre Mission reichlich versorgt, erfährt jedoch kaum über das Space Shuttle als System, und wenn dann sind es "Differenzangaben", das sind Angaben wie "Since 1998 a new light wight tank is used which is 7000 lb lighter than the older one". Nur wie viel wiegt er denn? Die meisten Daten vom Space Shuttle stammen noch dem Erststart als das technische System noch im Rampenlicht war. Das letzte offizielle NASA Referenzwerk stammt aus dem Jahre 1988. Ich habe mich bemüht die Daten aus verschiedenen Quellen zusammenzutragen und zu prüfen. Sollte es Fehler geben, so melden Sie diese bitte. Die folgenden Daten stammen von der ursprünglichen Projektvorgaben.

Gesamtsystem:

Startmasse 1992500 kg

Orbiter:

Maximale Startmasse: 110900 kg
maximale Nutzlast: 29500 kg
maximale zurückgeführte Nutzlast: 14500 kg
Landemasse leer: 70800 kg
Trockengewicht 68060 kg
Höhe: 16.4 m
Länge: 37.2 m
Spannweite: 23.8 m
Flügelfläche: 250 m²

Subsysteme:

Struktur: 22450 kg
Haupttriebwerke und Schubgerüst: 12000 kg
Wärmeschutz: 11400 kg
OMS und RCS Treibstoffe: 9370 kg
Lande- und Dockeinrichtungen: 4300 kg
Elektrische Stromversorgung: 3670 kg
Hilfstriebwerke: 2370 kg
Hydraulik: 2370 kg
Elektronikausrüstung: 2050 kg
Klimaausrüstung / Lebenserhaltung: 1940 kg
Verlustmassen (Gase, Abwasser, Sprengvorrichtungen): 1800 kg
Flüssigkeiten + Resttreibstoffe: 1620 kg
Steuerruder: 835 kg
Ausrüstung für Besatzung: 630 kg
Besatzung: 550 kg
Reserve: 5700 kg

Besatzung 3-7 (Notfälle 10)
Missionsdauer nominal: 7 Tage
Mit zusätzlicher Ausrüstung maximal: 30 Tage

Triebwerke

3 x SSME:

Triebstoffe: LOX / LH2
Schub Boden 1668 kN
Schub Vakuum: 2090 kN Nominell, 2270 kN (109 %)
Regelbereich: 50-109 %
Länge: 4.3 m
Gewicht: 2880 kg
Spezifischer Impuls Vakuum: 4462 m/s
Spezifischer Impuls Boden: 3560 m/s
Brennzeit: 480 Sekunden
Lebensdauer: maximal 55 Flüge
Brennkammerdruck: 200 Bar

2 x OMS

Treibstoffe: NTO / MMH
Schub: 26.7 kN
max. Geschwindigkeitsänderung: 305 m/s
je weiterer Zusatztank: 152 m/s
spezifischer Impuls: 3020 m/s.

38 x RCS

Treibstoffe: NTO / MMH
Schub: 3.87 kN

Energieversorgung

3 Brennstoffzellen mit je 7 kW Nennleistung (maximal 10 kW)
3 Hilfsgeneratoren mit katalytischer Hydrazinzersetzung / Turbine je 5 kW Leistung
3 Nickelcadmiumbatterien von je 10 Ah
Hydrauliksystem: 4 Hydrazin Turbinen mit je 150 PS Leistung

Externer Tank

Höhe: 46,85 m
Durchmesser: 8,38 m
Startmasse: 734200 kg
Leermasse: 31300 kg
Tankvolumen LOX: 552 m³
Tankvolumen LH2: 1535 m³

Feststoffbooster

Länge: 45,4 m
Durchmesser: 3,71 m
Startmasse: 573700 kg
Leermasse: 82500 kg
Schub am Boden: 11830 kN
spezifischer Impuls (Durchschnitt): 2538 m/s
Brennzeit: 120 sec

Der Space Shuttle : Daten beim Erststart

Erstflug 12.4.1981

Stufe 1: Shuttle SRB
Vollmasse: 2 × 589.675 kg,
Leermasse 2 × 87.550 kg.
Schub 2 × 11790 kN (Vakuum),
Brennzeit 124 Sec
Spez. Impuls 2638 (Vakuum), 2325 (Meereshöhe)
Durchmesser 3.7 m, Länge 38.5 m

Externer Tank:
Vollmasse 738,500 kg, Leermasse 35500 kg
Durchmesser 8.7 m, Länge 46.9 m
enthält 101 t Wasserstoff und 603 t Sauerstoff.

Orbiter
Trockenmasse 69,818 kg, Nutzlast max. 28.7 t.
3 Triebwerke SSME mit je 2275 kN Vakuumschub,
1667 kN am Boden
Spezifischer Impuls 4463 (Vakuum), 3561 (Meereshöhe)
Brennzeit 510 sec.
Länge 37.2 m, Durchmesser 4.9 m, Spannweite 23.8 m
Nutzlastraum: 4.6 m Durchmesser × 18.4 m Länge

Oberstufe: PAM-D
1100 kg in eine GTO Bahn
1 Triebwerk Star 48
mit 67.1 kN Schub über 88 sec.
Vollmasse 2141 kg
Leermasse 232 kg
spez. Impuls 2864 (Vakuum)
Länge 2.0 m, Durchmesser 1.2 m

No Text

Der Space Shuttle

Erstflug 12.4.1981 Daten: Nach Challenger Explosion

Stufe 1: Shuttle SRB
Vollmasse: 2 × 589,670 kg,
Leermasse 2 × 86,183 kg.
Schub 2 × 11900 kN (Vakuum),
Brennzeit 124 Sec
Spez. Impuls 2638 (Vakuum), 2325 (Meereshöhe)
Durchmesser 3.7 m, Länge 38.5 m

Externer Tank:
Vollmasse 750,975 kg, Leermasse 29.595 kg
Durchmesser 8.7 m, Länge 46.9 m
enthält 101 t Wasserstoff und 604 t Sauerstoff.

Orbiter
Vollmasse 78,687-82,288 kg, Nutzlast max. 24.9 t.
3 Triebwerke SSME mit je 2275 kN Vakuumschub,
1667 kN am Boden
Spezifischer Impuls 4463 (Vakuum), 3561 (Meereshöhe)
Brennzeit 480 sec.
Länge 37.2 m, Durchmesser 4.9 m, Spannweite 23.8 m
Nutzlastraum: 4.6 m Durchmesser × 18.4 m Länge

Oberstufe IUS
Gesamtmasse: 14.8 t
Länge 5.18 m
Nutzlast 2270 kg in eine GEO Bahn
1.te Stufe
Vollmasse 10841 kg
Leermasse 1134 kg
Schub 196 kN
Brenndauer 152 sec
Spez. Impuls 2894 (Vakuum)
Länge 2.92 m, Breite 2.34 m
2.te Stufe
Vollmasse 3919 kg
Leermasse 1170 kg
Schub 80 kN
Brenndauer 103 sec.
Spez. Impuls 2972 (Vakuum)
Länge 1.90 m, Breite 1.61 m
No Text

Der Space Shuttle

Daten: Nach Columbia Verglühen

Stufe 1: Shuttle SRB
Vollmasse: 2 × 589,680 kg,
Leermasse 2 × 87,091 kg.
Schub 2 × 14685 kN (Start),
Brennzeit 124 Sec
Spez. Impuls 2638 (Vakuum), 2325 (Meereshöhe)
Durchmesser 3.7 m, Länge 38.5 m

Externer Tank:
Vollmasse 753980 kg, Leermasse 26,640 kg
Durchmesser 8.41 m, Länge 46.93 m
enthält 103,95 t Wasserstoff (nutzbar 102.62 t)
und 623.5 t (nutzbar 616,51 t) Sauerstoff.

Orbiter
Vollmasse > 79,135 kg, Nutzlast max. 24900 kg
3 Triebwerke SSME mit je 2139 kN Vakuumschub,
1701 kN am Boden
Spezifischer Impuls 4463 (Vakuum), 3561 (Meereshöhe)
Brennzeit 510 sec.
Länge 37.18 m, Höhe 17.37 m,
Durchmesser 4.9 m, Spannweite 23.8 m
Nutzlastraum: 4.6 m Durchmesser × 18.4 m Länge
Nutzlast: max. 24980 kg
zur ISS: 16290 kg

Shuttle Starts

Das folgende Diagramm enthält alle Starts des Space Shuttle. Sehr deutlich ist zu sehen, dass der Verlust der Challenger (1986) und Columbia (2003) das ganze Programm auf Jahre hinaus an den Boden fesselt. Die geringe Anzahl an Starts 1999 beruht auf Verzögerungen seitens Russlands beim Start des ISS Moduls Swesda. Ohne dieses konnten die folgenden Elemente der Station nicht gestartet werden.

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Buran - der russische Shuttle

BuranIm Jahre 1988, kurz nach der Wiederaufnahme der Shuttle Flüge, startete der russische Shuttle Buran zu seinem Jungfernflug, der unbemannt und nur über eine Erdumkreisung ging. Obgleich in dem Äußeren dem Space Shuttle ähnlich (im wesentlichen diktiert durch die Aerodynamik und den Anforderungen durch die Nutzlast), gab es einige Unterschiede zum Space Shuttle.

Nach nur einem Flug wurde das Projekt beendet. Während der Shuttle als Prestigeobjekt weiter fliegt, konnten sich die Russen dies bei der knappen Haushaltslage nicht leisten. Ihre unbemannten Raketen waren preiswerter als Buran und es gab keine Nutzlasten für Energija. Angeblich soll Buran bei seinem ersten Flug auch größere Schäden erlitten haben, so das vor weiteren Flügen weitere Änderungen nötig gewesen wären, die nicht finanziert wurden. Die restlichen Exemplare von Buran stehen heute in Ausstellungen und Vergnügungsparks.

Buran wurde erst entwickelt, als der Space Shuttle schon im Bau weit fortgeschritten war. Ein Beschluss für die Entwicklung von Energija/Buran wurde am 12.2.1976 beschlossen. Buran war nicht wie bei den USA primär gedacht als Ersatz für den Start von Personen mit Sojuskapseln sondern um einer vermeintlichen Bedrohung durch die USA im Weltraum zu begegnen. Damals gab es Abbildungen die einen Space Shuttle zeigten, wie einer Saljut Station am Kran in den Laderaum hob. Der Space Shuttle wäre in der Lage gewesen jeden erdnahen Satelliten der UdSSR zu bergen oder zu beschädigen. Als man erkannte, dass es nach Einstellung der militärischen Raumflüge diese Bedrohung nicht mehr gab, war auch Energija mit dem Raumgleiter Buran überflüssig geworden.

Mehr über den Space Shuttle in meiner Seite über die Geschichte des Einsatzes. Eine komplette Liste aller Starts findet sich auf dieser Seite.

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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