Pannen in der Raumfahrt – Skylab Teil 1

Skylab war das einzige Projekt des Apollo Application Programs (AAP). Als Apollo Fortschritte machte, dachte man bei der NASA weiter: Wie konnte man die Apollo-Hardware noch einsetzen? Es gab die verschiedensten Vorschläge, zum Beispiel den Mondlander zu einem Teleskop umzubauen. Am ehesten umsetzbar und schließlich auch verwirklicht war der Umbau der Saturn-V-Drittstufe zu einem Raumlabor.

Eine der Umbaumaßnahmen war dann auch die, die fast die Mission zum Scheitern gebracht hätte. Die Station hatte zwei Flügel mit Solarzellen. Da das eigentliche Labor aus einer Saturn-V-Drittstufe hervorging, saß es wie diese auf der zweiten Stufe der Saturn. Nur die Koppeladapter und der ausfahrbare Teleskopmast mit weiteren Solarzellen waren von einer Nutzlastverkleidung umgeben. Die Solarpaneele und ein Schutzschild gegen Mikrometeoriten, die die Hülle punktieren können, der aber auch verhinderte, dass die Station zu viel Wärme aufnahm, weil er einen Großteil absorbierte, aber durch ein Vakuum von der Oberfläche getrennt war, befanden sich zusammengerollt unter Verkleidungen an der Seite der ehemaligen Drittstufe.

Den folgenden Text habe ich weitestgehend unverändert aus meinem Buch „Skylab“ entnommen, das umfassend über die Raumstation und ihre Missionen informiert. Man findet es überall im gut sortierten Buchhandel, wenngleich meistens nur auf Bestellung, aber auch bei allen Onlinediensten wie Libri, Amazon oder kann es direkt beim Verlag bestellen, wodurch der Autor eine höhere Marge bekommt. Der Preis von 24,99 Euro für 332 Seiten ist aber überall der gleiche. Da dieses Ereignis aber so bedeutend ist, nimmt es in meinem Buch zwei Kapitel ein und daher findet ihr es hier in der Website in drei Teile aufgeteilt. Morgen kommt noch der Teil 2 über Skylab 2, die rettungsmission und übermorgen der über Skylab 3 die die endgültigen Schutzschild montierte.

Am 14.5.1973 startete Skylab-1 mit der drittletzten Saturn V Trägerrakete. Der Start wurde zuletzt nochmals um 14 Tage verschoben, weil das Labor noch nicht startbereit war. Beim Start gab es nach 60 s eine Meldung, die das Ausfahren des Mikrometeoritenschilds signalisierte. Das wurde zuerst als ein fehlerhaftes Signal angesehen. Beobachtet konnte das Ereignis nicht werden, da drei Wolkenschichten in 800, 2.200 und 4.000 m Höhe einen visuellen Kontakt verhinderten. Bedeutsamer war zunächst, dass der Stufenadapter nach Trennung von der ersten und zweiten Stufe nicht abgetrennt wurde. Die Triebwerke der S-II brannten 9 s länger und verbrauchten einen Teil der Treibstoffreserven, da nun eine 5 t schwerere Nutzlast in die Umlaufbahn transportiert werden musste.

Nach dem Start fehlte im Orbit die Rückmeldung über das Ausfahren der Solarzellen des Orbitalworkshops (OWS), dafür gab es eine über das Ausfahren des Mikrometeoritenschilds. Das war beunruhigend, da der Schild unter den Solarzellen lag, weshalb die Solarzellen zuerst entfaltet werden mussten. Anstatt 12.400 W lieferten sie nur 25 W Strom. Vor allem stiegen die Temperaturen an Bord rapide an – innerhalb von eineinhalb Tagen auf 148°C an der Außenwand sowie 93°C an der Innenwand. Die Lufttemperatur im Inneren lag zwischen 48 und 54°C.

Eine spätere Analyse zeigte, dass in der 60. Sekunde nach dem Start, als die Rakete die Schallgrenze durchbrach, das Problem begann. Innerhalb von drei Sekunden entrollte sich vorzeitig der Mikrometeoritenschutzschild. Dabei nahm er einige Halterungen des Sonnenflügels mit. Dadurch konnte auch dieser sich entfalten – zumindest Flügel 2, der nun locker war. Die Solarpaneele und der Mikrometeoritenschutzschild waren nicht durch die Nutzlastverkleidung geschützt, sondern beim Start dicht an der Wand anliegend bzw. zusammengefaltet und von einer Verkleidung bedeckt. Wie sich später zeigte, konnte Luft mit hohem Druck vom unteren Ende her eindringen und darin expandieren. Sie hatte so die Verkleidung beschädigt. Aerodynamische Kräfte taten dann das Übrige. Ein Untersuchungsbericht zeigte, dass niemand direkt verantwortlich für das Problem war – es war schlicht und einfach übersehen worden, weil der Hersteller McDonnell Douglas die Befestigung nicht mehr zum von ihr gefertigten OWS zählte. Die NASA hingegen betrachtete die Befestigung als Teil des OWS, sodass eine ausführliche Untersuchung unterblieb. Man war bei dem Design davon ausgegangen, dass beide Enden der Verkleidung luftdicht verschlossen waren, das war für das untere Ende aber nicht kommuniziert worden, weshalb dort Öffnungen blieben.

Nach dem Ausbrennen der zweiten Stufe durchtrennten dann die Abtrennungsraketen der S-II die Befestigung eines der Solarpaneele, während das andere durch ein verbogenes Aluminiumblech geschützt wurde. Diese Lasche verhinderte aber auch das Entfalten des zweiten Flügels. Das zweite Solarzellenpaneel wurde dagegen abgetrennt und nahm dann den Mikrometeoritenschutzschild mit. Die folgenden Manöver, wie das Drehen der Station mit den TACS-Triebwerken, die Abtrennung der Nutzlasthülle und das Entfalten des ATM und seiner Solarzellen (Letzteres galt vor dem Start als der riskanteste Teil) klappten wie vorgesehen. Diese Manöver wurden automatisch von der IU durchgeführt.

Die Folgen waren gravierend: Zum einen fehlte nun die Stromversorgung aus den beiden Solarpaneelen, die am OWS angebracht waren. Skylab hatte jetzt nur noch 35 bis 40 Prozent der nominellen Stromversorgung, und es war nicht sicher, ob sie vollständig wiederhergestellt werden könnte. Vor allem aber war es zu heiß in der Station. Der Mikrometeoritenschutzschild befand sich im ausgefahrenen Zustand nicht direkt auf der Hülle, sondern 12 cm entfernt. Er absorbierte also Sonneneinstrahlung, ohne sie an die Außenhülle weiterzugeben. Die Hitze erzeugte eine Folge von weiteren Problemen. Es wurde vermutet, dass nun die Kunststoffe, vor allem die Polyurethanisolierung des Tanks, ausgasen würden. Fünfmal wurde die Atmosphäre in den nächsten zehn Tagen ausgetauscht.

Nach dem Positionieren in eine Lage, die möglichst wenig der Stationsoberfläche der Sonne aussetzte, lagen die Innentemperaturen immer noch bei 43°C. Allerdings konnte Skylab nicht allzu lange in dieser Position bleiben. In der normalen Ausrichtung lag die Längsachse von Skylab parallel zur Erdoberfläche. Nun wurde zur Minimierung der Oberfläche, die der Sonne ausgesetzt war, die Station um 90 Grad gedreht. In dieser Lage drehten jedoch differentielle Gravitationskräfte (ein Teil der Station befand sich 20 m weiter vom Erdmittelpunkt entfernt als der Rest) die Station von alleine in die normale Position. Als Folge benötigte die Bodenkontrolle viel TACS-Treibstoff, um die veränderte Lage aufrechtzuerhalten.

Bei Skylab war vorgesehen, dass die Station kurz nacheinander von Besatzungen besucht werden würde. Sie hatte Vorräte an Lebensmitteln, Gasen und Wasser an Bord, die für die geplanten Missionen reichten. Danach, so der Plan, würde man sie aufgeben. Deshalb wurde auf ein komplexes System für die Aufrechterhaltung der Lage verzichtet. Während die Besatzungen angekoppelt waren, konnte dies das angekoppelte CSM (Command and Service Module) erledigen. Es wurde nur Stickstoff in Druckgasflaschen zum Speisen der Düsen mitgeführt, und dieses System TACS (Thruster Attitude Control System) hatte nur einen geringen Gesamtimpuls.

Die Missionskontrolle rechnete aus, dass nach 20-30 Tagen die Vorräte erschöpft sein würden. Eine Rettungsmission musste daher schnell erfolgen, sonst wäre Skylab endgültig verloren. Weiterhin zeigte sich, dass einer der Kreisel von zwei Sets mit jeweils drei Gyroskopen nicht mehr funktionierte. Wegen Gewichtsbeschränkungen konnte aber erst die Skylab 3 Besatzung Ersatzkreisel zur Station bringen.

Untersucht wurde auch, ob die Besatzung frische Nahrungsmittel zur Station bringen sollte. Da die Möglichkeiten eines CM, Fracht zu transportieren sehr beschränkt waren, hätte dies die Nutzung der Station stark beeinträchtigt. Doch es zeigte sich bei Versuchen, dass die Nahrung nicht durch die Hitze verderben würde. So erhielt die Crew nur Anweisung, das Essen zu inspizieren. Dagegen wurden die Medikamente ausgetauscht, Skylab 2 brachte Neue zur Station. Das galt auch für den Film für die Erdaufnahmen. Eastman Kodak sagte, es wäre möglich mittels Salzpaketen, die Luftfeuchtigkeit aufnehmen, den Film wieder in seinen Ursprungszustand zu versetzen, doch das würde 20 Tage dauern. Daher entschloss sich die NASA, ihn komplett zu ersetzen.

Nun erarbeiteten MSC und MSFC Konzepte für eine Lösung. Diese wurden gemeinsam mit der Skylab 2 Mission gestartet. Die erste Mannschaft sollte die Situation vor Ort klären und die Stromversorgung wiederherstellen. Danach sollte sie den am besten passenden Sonnenschutz entfalten, um die Station bewohnbar zu machen. Dafür musste andere Ausrüstung entfallen.

Das Notprogramm, wenn auch dies scheitern sollte, wäre eine 17 Tage Mission, bei der nur Strom vom ATM geliefert wird, die Station sich aber in einer räumlichen Lage befindet, in der auch die Solarzellen des ATM nur teilweise beschienen sind, um die Temperaturen an Bord zu reduzieren. Die Dauer von 17 Tagen war vorgegeben durch die Leistung der Batterien an Bord der Apollo-Raumschiffe, die zusätzlichen Strom liefern sollten, vor allem für das Lebenserhaltungssystem. Das Forschungsprogramm wäre dann nur auf die medizinischen Experimente beschränkt gewesen, da die Station weder die Energie, noch die korrekte Ausrichtung für die Erdbeobachtungsexperimente und Sonnenforschung gehabt hätte.

Die erarbeiteten Ersatzschirme hatten unterschiedliche Konzepte und spezifische Vor- und Nachteile.

Das erste Konzept sah vor, dass ein Segel von der Apollo-Raumkapsel aus bei einer „Stand-up EVA“ entfaltet und an der Station befestigt werden würde. Bei einer Stand-up EVA verbleibt der Astronaut in der Apollo-Kapsel, er fixiert sich in dieser und kann je nach Befestigungspunkt so Punkte erreichen, die maximal 1,5 m von dem Raumschiff entfernt sind. Dabei würde die Kapsel das Labor umrunden, damit das Segel auch an genügend Punkten fixiert werden konnte. Der Vorteil war, dass kein Ausstieg nötig war, was als riskant galt. Auf der anderen Seite müsste sich die Kapsel sehr stark dem Workshop nähern, damit der Astronaut dies durchführen konnte, und diesen geringen Abstand auch über längere Zeit halten. Das war eine große Herausforderung an die Steuerung des Raumschiffs.

Das zweite Konzept, ebenfalls vom JSC erdacht, sah vor, durch die sonnenzugewandte Luftschleuse eine Art „Regenschirm“ zu entfalten. Er würde dann ein Segel von 6 × 6 m ergeben. Die Streben würden aus Teleskopstangen ähnlich einer Angelrute bestehen. Dieses Konzept erforderte überhaupt keine EVA und galt als am wenigsten riskant. Dieser „Parasol“ getaufte Schirm könnte aber nur den unteren Teil des Workshops abdecken, und die Folie wäre wegen des kleinen Durchmessers der Luftschleuse sehr dünn und würde bald im Weltraum an Reflexionsfähigkeit verlieren. Das Hauptproblem war es, das Paket so zu falten, dass es in die 22 × 22 cm große Luftschleuse an der Seite des OWS passte.

Die dritte mögliche Lösung kam vom Marshall Flugzentrum. Es sollte ein größeres Segel im All montiert werden, bestehend aus 1,50 m langen Stangen, die mit Karabinerverschlüssen verbunden waren. Die Stangen bildeten ein „V“ von 11 m Länge. Dieses „V“ sollte am Fußpunkt des ATM fixiert werden. Danach sollte ein rechteckiges Segel über die Stangen hochgezogen werden, das den ganzen OWS abdeckt. Das Segel bestand aus Mylarfolie, aufgenäht auf ein Gewebe und bestrichen in einer UV-beständigen Farbe. Es wog 20 kg, das gesamte Paket 50 kg. Diese Lösung erforderte eine EVA-Operation, aber da das Segel am Fußpunkt des ATM befestigt wurde, musste nicht am OWS entlang gegangen werden, der keine Haltemöglichkeiten bot. Das Segel bedeckte den ganzen nicht isolierten Teil des Workshops und war langzeitstabil. Diese Lösung erhielt die Bezeichnung „Twin Pole“ wegen der beiden Stangen oder auch „Marshall-Spinnaker“ wegen der Ähnlichkeit zu dieser Segelkonstruktion.

Der erste Ansatz war es, die beiden ersten Konzepte zu versuchen und die Durchführung des Dritten auf die zweite Besatzung zu verschieben, die damit noch etwas mehr von der Oberfläche abdecken könnte. Zuerst einmal sollten aber alle Konzepte ausgearbeitet und vor dem Start dann nochmals beraten werden. Der Start von Skylab 2 wurde zuerst um fünf Tage, dann um zehn Tage verschoben. Mehr war wegen der schnell abnehmenden Treibstoffvorräte nicht möglich, sonst würde die Besatzung auf eine Station treffen, die ohne Treibstoff manövrierunfähig war.

In Houston wurde das Konzept des Parasols entwickelt. Dies war das provisorische Sonnensegel, bestehend aus dünnen, biegsamen Fiberglasstreben, verbunden mit Klappfedern und überzogen mit einer vergoldeten Mylarfolie. Vier Streben bildeten ein 6,40 × 6,40 m großes Segel. Es entfaltete sich durch die Federn nach Verlassen der Luftschleuse. Bedingt durch deren freie Öffnung war aber nur eine dünne Folie möglich, die zudem nicht die ganze Oberfläche bedecken würde. Das MSC entschied sich für das Material der Weltraumanzüge. Dessen Nylonbasis würde aber durch UV-Strahlung zerstört. Da das Material schon an der Grenze der maximalen Dicke war, schied eine weitere UV-beständige Schutzschicht wie beim Marshall-Entwurf aus.

Bill Lenoir erprobte in einer Halle in Houston die Entfaltung des Parasols, der in dem Kanister des T027 Experiments verstaut wurde. Die Astronauten der Backup-Crew von Skylab 2 trainierten zeitgleich im MSFC in Huntsville an einem Skylabmodell im Neutralauftriebsimulator. Vor allem die Befreiung des Solarzellenflügels stand im Vordergrund. Verschiedene Schneidwerkzeuge, Verlängerungen und Techniken wurden probiert. Parallel wurde das „Marshall Spinnaker“ Segel von rund 80 Ingenieuren in 6.300 Arbeitsstunden in zwei Arbeitsschichten innerhalb von sechs Tagen entwickelt. Es fanden Tests der Stangen statt, und bei ILC Industries wurde die Mylarfolie hergestellt, mit der Spezialfarbe S-136 bestrichen und auf eine Nylonbasis genäht.

Alle drei Lösungen wurden zum Cape geflogen und vor dem Start deren Vor- und Nachteile diskutiert. Die ursprünglich favorisierte Lösung, die die Stand-up EVA erforderte, geriet nun deutlich ins Hintertreffen. Die Parasollösung war umsetzbar ohne größeres Training und auch ohne Risiko für die Besatzung. Die Spinnaker Lösung des MSFC galt als das Optimum, sie wäre dauerhaft und würde die gesamte Fläche abdecken, aber sie erforderte Training für die geplante EVA. Es gab nun zwei Lösungen, deren Hardware fertig oder fast fertig war, demgegenüber gab es nun keine Vorteile mehr, das Segel bei einer Stand-up EVA anzubringen. Die Risiken einer Kollision, vor allem wenn der genaue Status des Labors noch nicht bekannt war (es könnte abgerissene, scharfe Reste des Schildes oder Solarpaneels vorhanden sein) erschienen nun deutlich größer als die Vorteile.

Es wurde beschlossen, bei Skylab 2 den Parasol zu entfalten. Die Besatzung für Skylab 3 sollte währenddessen die Montage des endgültigen Segels trainieren und diesen Schirm bei ihrer Mission anbringen.

Eine zweite Aufgabe, die anzugehen war, war die Entfaltung der Sonnenflügel des OWS. Was mit diesen geschehen war, war offen. Waren sie abgerissen oder nur durch den Meteoritenschutzschild am Entfalten gehindert worden? Hektisch suchte das JSC nach Werkzeugen, mit denen es möglich war, aus der Ferne den Mikrometeoritenschutzschild zu durchtrennen. Fündig wurde die NASA bei einem Hersteller, der Schneidwerkzeuge für die Arbeit an Strommasten herstellte. Sie konnten aus einzelnen Stangen zusammengesetzt werden, damit die Arbeiter diese Tätigkeit vom Boden aus erledigen konnten. Es zeigte sich, dass die Schneidwerkzeuge nicht brauchbar waren, wohl aber der Mechanismus, wie aus den Stangen eine Teleskopstange gebildet werden konnte. In Rekordzeit entwickelte das Marshall Flugzentrum aus dem unbrauchbaren Schneidmechanismus eine per Seilzug betätigte Säge und einen Schneider. Am 22-sten Mai erprobte Paul Weitz im NBL diese Gerätschaften und konnte dabei den Mikrometeoritenschutzschild des dortigen Mockups durchtrennen. In dieser Zeit war die NASA sehr agil, heute unvorstellbar. Als der Verantwortliche von McDonnell Douglas nach Houston fliegen sollte, bekam er die Aufforderung auf dem Trip einen Zwischenstopp zu machen um Arbeiter und Werkzeuge des Herstellers für die zusammen-steckbaren Schneidwerkzeuge mitzunehmen.

Am 23.5.1973 flogen Schneidwerkzeuge und beide Sonnensegel zum Kennedy Space Center, wo sie am 25.5.1973 um 3 Uhr nachts im Crew Module verstaut wurden. Fünf Stunden später starteten dann Weitz, Kerwin und Conrad zu Skylab. Eine weitere Verspätung hielt der Flugdirektor angesichts der alarmierenden Daten über den Zustand der Station für nicht vertretbar.

Offen war allerdings noch die Frage der Stromversorgung. Wenn beide OWS-Paneele fehlten, so hatte die Station weniger als die Hälfte des vorgesehenen Stroms. Damit gab es gravierende Einschränkungen im Betrieb. So wurde nach einer Lösung gesucht, wie die volle Stromversorgung hergestellt werden konnte. Rockwell schlug ein „Solar Wing Module“ vor, das elektrisch mit dem ATM verbunden und am MDA neben dem radialen Port fixiert wurde. Es hätte dort immer noch ein Andocken für eine Rettung ermöglicht. Da das zweite Modul aber noch ein wenig Strom lieferte, gab es die Hoffnung, dass nur eines zerstört war und das Zweite noch in Betrieb genommen werden könnte. Für die Mission von Skylab 2 mit vorwiegend medizinischen Fragestellungen und wenigen Experimenten wäre die Stromversorgung nur mit den ATM-Paneelen gerade noch ausreichend. So verschob die NASA eine Entscheidung über das Solar Wing Modul bis klar war, ob es benötigt wurde.