Die Space Shuttle Testflüge (1)

Ich will in einer lockeren Artikelserie mal wieder ein historisches Thema aufgreifen. In diesem ersten Teil geht es um die Vorgeschichte des ersten Space Shuttle Flugs. Es folgen noch die Missionen STS 1+2 und die beiden letzten Flüge STS-3 und 4.

Eine Besonderheit des Space Shuttle Programms war es, dass schon der erste Flug bemannt war. Die Vorgeschichte dafür ist ein eigenes Kapitel in der bemannten Raumfahrt. Alle bisherigen bemannten Raumfahrzeuge wurden zuerst unbemannt getestet, so war es bei den vorhergehenden Projekten Mercury, Gemini, Apollo. Und nach dem Space Shuttle Programm erfolgten auch bei der Orion, dem der Crew Dragon und beim Starliner die ersten Flüge zuerst unbemannt. Warum nun erfolgten ausgerechnet die Testflüge des Space Shuttles, dem komplexesten Raumfahrzeug, das die NASA jemals baute, nun schon bemannt?

Der Grund dafür lag im Ego der Astronauten. Das Space Shuttle Programm wurde 1969 begonnen und der heutige Entwurf wurde im Jahre 1972 während John Young mit der Apollo 16 Mission auf dem Mond spazierte, genehmigt. Zu dieser Zeit hatte die NASA relativ wenige Astronauten, die allesamt erfahrene Testpiloten waren, handausgelesen, aus mehreren Tausend Kandidaten. Schon bei den Mercury Astronauten zeigt es sich, dass ein Astronaut nach seinem Flug ein nationaler Held war. Entsprechend war das Ego der Astronauten, die sich als Supermänner sahen. Sie wollten, wie sie es von Flugzeugen gewohnt waren, ein Raumfahrzeug steuern, selbst fliegen. Das ging vollständig bei Mercury, die Kapsel verfügte nur über einfache elektrische Systeme und wurde vor allem von dem Astronauten gesteuert, was denn auch bei Scott Carpenters MA-7 Mission fast zum Scheitern führte , da dieser zu viel Treibstoff verbrauchte. Bei Gemini war dem schon nicht so. Es wurde von Anfang an ein Kopplungscomputer als wichtiges Missionsziel festgelegt, das die Astronauten üben sollten, denn es war notwendig um die Mondfähre im Mondorbit wieder an die Apollo-Kapsel anzukoppeln. Bei den ersten beiden Missionen gab es einen Test der Piloten. Sie sollten die Ankoppelung manuell durchzuführen. Als Ziel sollten sie sich der ebenfalls in den Orbit gelangten Titan Zweitstufe bis auf wenige Meter nähern. Doch diese Tests verliefen schlecht. Das Grundproblem war, dass die Astronauten ihre Erfahrung aus einem Flugzeug nicht 1:1 auf ein Raumfahrzeug übertragen konnten. Will man ein Flugzeug einholen, so beschleunigt man. Macht man dasselbe, um eine Titan Stufe einzuholen, so erreicht man einen höheren Orbit mit einer höheren Umlaufsperiode. In der Folge benötigt man länger, um den Orbit zu durchlaufen und man entfernt sich von der Stufe. Nur mit dem Kopplungscomputer, der die genauen Vorgaben errechnete, wann eine Zündung der angekoppelten Agena erfolgen sollte, oder den eigenen Haupttriebwerken war eine Ankopplung möglich.

Auch beim Apollo-Programm zeigte sich schon sehr früh, dass die Astronauten zu viel Treibstoff verbrauchten, wenn sie versuchten, den Mondlander manuell zu landen. Auch hier steuerte ein Computer die gesamte Landung, bis die Geschwindigkeit um 90 Prozent reduziert war und sich die Piloten nur wenig über den Boden befanden, dann konnten sie die manuelle Steuerung übernehmen. Das war auch nötig, bei Apollo 11 als man die Einflüsse der Mascons (Veränderungen des Schwerefelds durch dichtere Gesteinsformationen unter den Mondmaaren) noch nicht kannte und die Fähre durch den Computer an eine falsche Position gelenkt wurde. Bei den folgenden Flügen konnte man das Computerprogramm allerdings einfach patchen und diese Abweichung kam nicht mehr vor. Bei Apollo 13 wollte Lowell die komplett autonome Landung durch den Computer testen und nur im Notfall eingreifen. Doch diese Landung kam nicht zustande. Es gab bei Apollo auch schon das Bestreben, den Astronauten Arbeit abzunehmen, zum Beispiel, indem man ein Fax an Bord installierte und die Astronauten nicht alle Anweisungen mündlich durchgesagt bekamen, aufschreiben mussten und gegenlesen mussten. Doch schon dagegen wehrten sie sich, sie wollten nicht Angestellte der Missionsleitung sein, obwohl es unnötige Mehrarbeit bedeutete. Nicht einmal Daten für den Bordcomputer konnte die Missionsleitung per Telemetrie übertragen. Die Astronauten konnten die Annahme durch den Computer mit einem Schalter unterbinden.

Eine entsprechende Auseinandersetzung gab es auch beim Space Shuttle. Das Shuttle startet wie eine normale Rakete. In dieser Phase können die Astronauten sowieso nicht eingreifen. Das war aber bisher auch schon so. Denn durch die Vibrationen sind Instrumente praktisch nicht ablesbar. Dazu kommt die hohe Beschleunigung, welche jede Tätigkeit, wie zum Beispiel das Umlegen von Schaltern oder das Betätigen des Steuerknüppels sehr erschwert. Auch beim Wiedereintritt wurde das nicht durch seine Form stabilisierte Raumfahrzeug vom Computer mithilfe der Triebwerke stabilisiert. Erst, wenn das Raumfahrzeug in der Troposphäre angekommen war und eine Geschwindigkeit von unter Mach 1 hatte, konnten die Astronauten eingreifen. Sie landet denn dann das Space Shuttle wie ein Gleitflugzeug. Dies wurde auch auf mehreren Flügen, in denen das Space Shuttle von einem Jumbo Jet auf Höhe gebracht und ausgeklinkt wurde, getestet. Aufnahmen dieses Gefährts wurden denn auch im James Bond Spielfilm „Moonraker“ von 1979 verwendet. Aber auch die Landung wäre vollständig computergesteuert möglich gewesen und die Sowjets bewiesen mit der Raumfähre Buran, dass dies auch geht. Sie startete und landete 1988 völlig autonom ohne Besatzung. So setzen die Astronauten durch, dass ein kritisches Bauteil nur manuell ausgelöst werden konnte und das war das Hauptfahrwerk, das wenige Sekunden vor der Landung ausgefahren werden musste. Dafür gab es einen Hebel, der manuell betätigt werden musste. Durch dieses Detail war es nötig, dass die Testflüge bemannt durchgeführt wurden.

Im April 1981 stand das erste Space Shuttle, die Columbia, vor ihrem Jungfernflug. Das Programm hatte sich zu diesem Zeitpunkt schon stark verzögert. Nach den ursprünglichen Plänen sollten schon im Herbst 1977 erste Testflüge stattfinden. Es gab für den Rückstand mehrere Gründe. Zuerst hielten die Haupttriebwerke die Entwicklung auf, es kam zu mehrfachen Explosionen, die schließlich sogar ein Nachtragshaushalt für die NASA nötig machten (der einzige in ihrer Geschichte). Die Haupttriebwerke sind die leistungsfähigsten ihrer Art gleichzeitig müssen sie eine enorm hohe Zuverlässigkeit erreichen. Bis heute sind sie in ihren Leistungsdaten unübertroffen und es gab über das ganze Programm keinen Triebwerksausfall. Später machte der Hitzeschutzschild Probleme. Vorherige Missionen hatten ein ablativen Schild, das bedeutet, dass in einer Kunstharzmasse sich Substanzen befinden, die durch Hitze durch verkohlen und verdampfen schützen und dabei verloren gehen. Der Hitze Schutzschild wird so abgetragen, muss bei jedem Einsatz erneuert werden. Ein solcher ablativer Schild, der bis heute bei Raumsonden, aber auch bemannten Raumfahrzeugen eingesetzt wird, war zu schwer und durch die fehlende Wiederverwendbarkeit auch zu teuer. Die Lösung, die die NASA erarbeitete, waren Kacheln aus lose dreidimensional verknüpften Quarzfasern. Zwischen den Fasern gab es ein Vakuum und die dünnen Fasern strahlen zur sehr viel Hitze in das Vakuum ab und übertrugen relativ wenig Hitze auf den Rumpf des Space Shuttles. Doch die Entwicklung der Befestigung dieser Kacheln war eine Herausforderung. Sie würden durch die Erhitzung auf über 1000 Grad Celsius sich thermisch ausdehnen, so mussten es kleine Zwischenräume zwischen diesen geben damit sie diese bei der Ausdehnung füllen konnten. Diese durften aber nicht zu groß sein, damit kein Plasma eindringen konnte. Gleichzeitig mussten sie auch bei hohen Temperaturen an der Rumpfoberfläche haften. Es dauerte mehrere Jahre, bis man einen geeigneten Kleber gefunden hatte, damit diese Kacheln hafteten. Danach war das Anbringen relativ zeitaufwendig. Jede Kachel war ein Unikatr und musste einzlen befestigt werden. Der Hitzeschutzschild bestand anfangs aus über 30.000 Kacheln. Es dauerte Monate den gesamten Hitzeschutzschild eines Space Shuttles zu montieren.

Völlig neu waren auch die Bordcomputer, die um ein Vielfaches leistungsfähiger waren als bisherige Computer an Bord von Raumfahrzeugen. Mmeiner Erinnerung waren es die bis heute die einzigen Bordcomputer in der Raumfahrt, die beim Ersteinsatz leistungsfähiger waren als ein gewöhnlicher PC, den man im Laden kaufen konnte. Verwendet wurden 32 Bit Prozessoren von IBM, die auf dem kommerziellen IBM System 360 passierten. Die NASA setzte nicht weniger als fünf parallel arbeitende Rechner ein. Genauer gesagt waren es vier parallel arbeitende Rechner und ein Backup-Rechner. Die vier parallel arbeitenden Rechner arbeiten dasselbe Programm ab. Die vier Rechner synchronisierten sich regelmäßig miteinander. Kam ein Prozessor zu einem falschen Ergebnis, so wurde er von den anderen „überstimmt“ und abgeschaltet. Seltsamerweise hat die NASA das Konzept nie komplett durchdacht, da bei zwei unterschiedlichen Ergebnissen es die Möglichkeit gibt, dass zwei Rechner ein Ergebnis und zwei andere ein zweites Ergebnis berechneten und so nicht entschieden werden kann, welche Gruppe recht hat. Bei einem solchen Redundanzkonzept hätte man eigentlich fünf (nicht vier) Rechner gebraucht oder sich auf drei beschränkt, der vierte bringt hier keinen Sicherheitsgewinn. Auch dieses komplexe Betriebsverhalten, war eine Neuerung. Bisher hatten Raumfahrzeuge nur einen einzigen Rechner

So verwundert es nicht, dass es bis zum April 1981 dauerte, bis das erste Space Shuttle, die Columbua testbereit war. Die Piloten waren John Young – Veteran aus dem Apollo-Programm und Bob Crippen als „Neuling“ aber trotzdem schon seit Jahren bei der NASA. Sie waren der Pilot und Co-Pilot. Später würde eine Space Shuttle Besatzung bis zu 7 Personen bestehen, die sich vor allem um die Nutzlast oder Mission kümmern. Doch bei den ersten Testlügen beschränkt ihr man sich auf die notwendige Besatzung, das heißt den Piloten und den Co-Piloten, sie wurde dann stückweise erweitert.

Auch hier gab es eine Auseinandersetzung. Deke Slayton, Leiter des Astronautenbüros wandte sich vehement gegen die Pläne der NASA viele neue Astronauten zu rekrutieren. Er meinte mit den Astronauten der ersten fünf Gruppen wären ein realistischer Flugplan durchführbar, das sie alle nur ein ausführliches Basistraining benötigten und dann die Anforderungen an eine spezielle Mission sich relativ schnell aneignen konnten. Er sah auch nur die bisherigen Testpiloten als Astronauten, nicht die neuen Rollen der Missions- und Nutzlastspezialisten. Diese Attitüde hielt sich auch bei den Astronauten. So schreibt Ulf Merbold das John Young, Kommandant seiner Mission mit dem Spacelab auf die Missions- und Nutzlastspezialisten herabschaute und er sich seinen Respekt sich verdiente, weil ihm bei einem Flug mit Young auf einem Trainingsjet nicht schlecht wurde.