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Artikel über bemannte Raumfahrt

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Hermes

Ariane 5 und Hermes

Mit Hermes sollte Europa einen eigenständigen bemannten Zugang zum Weltraum erhalten. Er war die wichtigste Nutzlast für Ariane 5. Gleichzeitig sollte Ariane 5 auch ein preiswerter Träger für geostationäre Transporte werden. Diese beiden Forderungen unter einen Hut zu bringen, war nicht einfach. Mitte der achtziger Jahre war die Zeit vorbei, bei der eine schon verfügbare Trägerrakete eine Kapsel in den Orbit transportierte. Sowohl die Saturn wie auch das Space Shuttle waren speziell als bemannte Systeme entwickelt worden und besonders zuverlässige, aber auch teure Träger. Ein nur auf die Bedürfnisse von Hermes zugeschnittener Träger wäre teuer geworden. Die ESA löste dieses Dilemma, indem sie zwei Konfigurationen der Ariane 5 entwickelte:

Die Ariane 5, mit der EPS Oberstufe, wie sie hier beschrieben wird. Sie sollte schon eine sehr hohe Sicherheit aufweisen. Diese resultiert aus den wenigen Triebwerken und dem Startkonzept: Das Vulcain wird vor den Boostern gezündet und geprüft, analog den Space Shuttle Haupttriebwerken. Feststoffbooster gelten als sehr zuverlässig. Dadurch sollte die Zuverlässigkeit der Ariane 5 Basiskonfiguration sehr hoch sein.

Hermes ersetzt dann bei bemannten Flügen die Oberstufe und die VEB. Er steuert direkt die Rakete und kann sich daher bei einer Fehlfunktion rechtzeitig abtrennen. Dafür verfügt Hermes über eine eigene Antriebsstufe. Sie wird aktiv auch, wenn Hermes in 110 km Höhe von der Ariane 5 abgetrennt wird und befördert ihn in seinen Orbit.

Geplant war der erste Flug von Hermes für den fünften Ariane 5 Flug geplant im Jahr 1998. Eine Flugrate von zwei Starts pro Jahr war geplant. Jeder Gleiter sollte dreißigmal eingesetzt werden können über einen Zeitraum von 15 Jahren. Die Ariane 5 für Hermes wäre in den ersten beiden Stufen identisch zur Version für Satellitentransporte gewesen. Es darf aber davon ausgegangen werden, dass bei dieser Version wesentlich strengere und ausführliche Überprüfungen während der Produktion erfolgten. Auch dauerte eine Startkampagne doppelt so lange wie bei einem Satellitentransport. Die ESA verschob die Entscheidung für eine zweite Startrampe für ELA 3, bis der Jungfernflug von Hermes anstand.

Vorstudien für Hermes gab es seit 1985. Frankreich wollte die Raumfähre und musste vor allem bei Deutschland Überzeugungsarbeit leisten, das mit zwei Großprojekten – Ariane und Columbus – genügend teure Vorhaben bei der ESA sah. 1985 sollte Hermes noch 2.000 Millionen Euro kosten und beim dritten Flug der Ariane 5, 1995 gestartet werden.

Die ursprüngliche Konfiguration

Hermes übernahm in der Konzeption Lehren vom Space Shuttle, so war der Hitzeschutzschild befestigt anstatt geklebt. Sie sollten aus einem Kohlenstoff-Keramikmaterialmix in Honigwabenbauweise bestehen. Besonders beanspruchte Stellen aus Kohlenstoff oder Selenverbundwerkstoffen. Die Oberseite sollte mit Glasfasermatten geschützt werden. Die besonders exponierten Triebwerksdüsen sollten aus einer hochtemperaturfesten Legierung bestehen. Die Raumfähre unterschied sich in der Form vom Space Shuttle und war gedrungener mit einer kleineren Flügelspannweite (im Verhältnis zum Rumpf). Sie verarbeitete die Erfahrungen, welche die NASA mit dem experimentellen X-20 Versuchsflugzeug gewonnen hatte. Der Gleiter sollte durch die Flügel auch eine hohe Querreichweite von 2.000 – 2.500 km aufweisen.

Die Besatzung gelangte in die Nutzlastbucht, die nicht unter Druck stand durch eine Luftschleuse. Hermes sollte eine Besatzung von bis zu sechs Personen aufnehmen. Davon waren zwei der Pilot und Copilot. Bei eigenständigen Forschungsmissionen kamen noch 1-2 Missionsspezialisten hinzu. Bei Versorgungsmissionen zur Raumstation Freedom konnte die Besatzung bis auf sechs ansteigen. Sein Einsatzspektrum war größer als beim Space Shuttle: Er sollte bis zu 30 Tage autonom im All verbleiben können oder 90 Tage angedockt an eine Raumstation. Polare Bahnen bis zu 800 km Höhe zur Versorgung der polaren Plattform waren möglich.

Geplant waren zwei Missionen pro Jahr, wobei die Startrate bei einer Beteiligung an der Raumstation Freedom auf vier bis sechs ansteigen könnte. Jeder Orbiter sollte drei Monate nach der Landung erneut starten. So war zuerst die Produktion von zwei Gleitern geplant.

Bei einem Flugabbruch bis 84 s nach dem Start (eine Abtrennung während des Betriebs der Feststoffbooster war vorgesehen!) wäre Hermes auf einer Landebahn in Kourou notgelandet. Bis 360 s nach dem Start wäre er im Atlantik notgewassert und von einem Bergungsschiff geborgen worden. Danach hätte er eine suborbitale Bahn durchflogen und wäre in Frankreich gelandet. Dort war auch der reguläre Landeplatz bei einer Mission vorgesehen. Nach einer Überholung in Europa hätte ein Airbus 300 den Raumgleiter nach Französisch Guyana gebracht. Die Startkampagne sollte mit 40 Tagen fast doppelt so lange, wie bei der Ariane 5 mit 22 Tagen dauern.

Die jährlichen Kosten für zwei Flüge wurden damals mit nur 220 Millionen Euro angesetzt, eine dritte sollte sogar nur 80 Millionen Euro kosten – als die Ariane 5 operationell wurde, kostete schon die Trägerrakete mehr. Die Zuverlässigkeit (Rettung der Besatzung) wurde mit 0,9999 angegeben – verglichen mit 0,99 für eine Ariane 5.

Die Evolution des Konzepts von 1985 bis 1987

Die Konfiguration von Hermes veränderte sich gravierend während der Entwicklung. Gravierende Änderungen nach der Explosion der Challenger machten den Gleiter deutlich schwerer. Schon 1986 war Hermes 3 t schwerer geworden und die ESA fing an, als Folge die Ariane 5 zu verstärken. So nahm die EPC nun 140 anstatt 120 t Treibstoff auf und das Vulcain Triebwerk sollte 600 s anstatt 500 s lang brennen. Der Schub des Vulcain wurde um 10% erhöht. Auch die Booster erhielt jeweils 20 t mehr Treibstoff und (190 anstatt 170 t). Beides zusammen erhöhte die Nutzlast von 15 auf 16,7 t. Hermes war immer schwerer als die nominelle Nutzlast, da die VEB entfiel und er nur auf einer suborbitalen Bahn ausgesetzt wurde und diese mit eigenen Triebwerken anheben musste. Dafür war nun auch ein zweites Triebwerk notwendig.

Der Hauptteil des Zusatzgewichtes machten vier Feststofftriebwerke mit je 160 kN Schub aus, welche den Raumgleiter im Falle einer Fehlfunktion der Ariane 5 abtrennen sollten. Sie mussten so schubstark sein, damit dies auch während der ersten 2 Minuten möglich ist, während die Feststoffbooster arbeiten. Da diese an der Basis des Gleiters am Adapter zur Ariane befestigt sind, sind sie totes Gewicht das mit in den Orbit transportiert werden musste. Bei einer Kapsel hätte ein Fluchtturm nach der Abtrennung der Feststoffbooster abgetrennt werden können, da das Vulcain Triebwerk abgeschaltet werden könnte und die beiden eigenen Triebwerke (auch diese Zahl wurde verdoppelt) ausgereicht hätten, um den Gleiter abzutrennen. Neben dem Zusatzgewicht für die Triebwerke zur Abtrennung des Gleiters machte es diesen selbst auch schwerer, da nun die Struktur für eine Spitzenbelastung von 10 g in Längsrichtung ausgelegt werden musste.

Erst im Mai 1987 wurde Hermes endgültig von der ESA beschlossen. Deutschland hatte lange gezögert, bis der Entschluss fiel, sich an dem Projekt zu beteiligen. Die Entwicklungsphase B wurde damals zwar offiziell abgeschlossen, trotzdem wurde das Konzept substanziell weiter verändert. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Entwicklungskosten schon auf 4.250 Millionen Dollar geschätzt und der Erstflug war von 1995 auf 1998 gerutscht. Er wäre unbemannt erfolgt: Wie die Raumfähre Buran sollte Hermes auch unbemannt eingesetzt werden können.

Hauptkontraktor für die Entwicklung war Aerospatiale. Dassault fertigte den Thermalschutz und das Flugkontrollsystem, Matra die Elektronik, ANT die Antennen, MBB das Antriebssystem, Dornier die Brennstoffzellen und das Umweltkontrollsystem, ETCA die Stromversorgung und Aeritalia den Niedrigtemperaturhitzeschutzschild.

Zu diesem Zeitpunkt war die Crew auf drei und die Nutzlast auf 3.000 kg reduziert worden. Die Raumfähre wog nun schon 24 t mit und 21 t ohne Nutzlast. Trotz einer weiteren Vergrößerung der Ariane 5 (auf 230 t Treibstoff in den Feststoffbooster und 155 t Treibstoff in der kryogenen Hauptstufe) war dies zu viel für die Ariane 5. Doch deren Design wurde nun eingefroren. 1996 sollten Gleittests von einem Airbus A-320 aus folgen. Ein erster Flug war nun für 1998/99 geplant, gefolgt von einem bemannten Einsatz nach dem Jahr 2000.

Das Hauptproblem war weniger das Gewicht, als die durch das Gewicht resultierende thermische Belastung beim Wiedereintritt. Die Spitzentemperaturen waren von 1.600 auf 1.820 °C geklettert, deutlich höher als die 1.648 °C die beim Space Shuttle erreicht werden. Das führte zu einer Revision des Konzeptes. Der Gleiter wurde kleiner. Die Nutzlastbucht entfiel nun. Die Nutzlast sollte in einem angekoppelten Ressourcenmodul transportiert werden. An ihm sollte ein Roboterarm befestigt werden. Direkt hinter dem Raumgleiter befand sich das Antriebsmodul mit zwei Aestus Triebwerken. Es beförderte den Gleiter in den Orbit und deorbitierte ihn. Geplant war später eine Integration des Antriebsmoduls in die Ariane 5 für höhere Nutzlasten in einen erdnahen Orbit.

Verbunden war das Ressourcenmodul mit dem Raumgleiter über ein Docking Modul. Dies erlaubte es, bei einem Einsatz zur Raumstation Freedom (der späteren ISS) oder dem freilegenden Labor das Ressourcenmodul wegzulassen. Das Antriebsmodul wurde abgetrennt, nachdem der Orbit erreicht war. Die Feinkorrekturen und das Deorbitieren wurden von den Triebwerken im Ressourcenmodul durchgeführt. Die Besatzung gelangte durch eine Luftschleuse und einen 1,28 m weiten Tunnel im Docking Modul in das Ressourcenmodul. Am Ressourcenmodul war ein fernbedienbarer Roboterarm (HERA – Hermes Robotic Arm) angebracht. Eine ausrichtbare Parabolantenne sollte den Funkkontakt mit einem amerikanischen TDRS Satelliten aufnehmen. Ein europäischer Datenrelaysatellit hätte es erlaubt über 70 %, anstatt 30 % der Umlaufszeit mit der Besatzung zu kommunizieren.

Von diesen vier Komponenten überlebte nur der Raumgleiter die Mission. Der Rest wurde nach dem Start oder vor der Rückkehr abgetrennt.

Das Konzept 1989

Die schweren Raketentriebwerke für die Abtrennung des Orbiters von der Ariane waren nun wieder gestrichen und die ESA dachte an Schleudersitze oder einen Fluchtturm auf dem Gleiter, der nur die Crewkabine abgetrennt hätte. Das 400 Millionen Dollar System zur Abtrennung der Crewkabine war das Erste, was gestrichen wurde, so bekam Hermes nur 200 kg schwere Schleudersitze, die bis in eine Höhe von 22-29 km und einer Geschwindigkeit von Mach 3 eingesetzt werden konnten. Sie sollten lediglich 50 Millionen Dollar kosten.

Es erweis sich, als die L5 Stufe der Ariane 5 vergrößert werden musste, um die EPC zu deorbitieren auch nicht mehr nötig ein eigenes Antriebsmodul einzuführen. Stattdessen sollte nun eine Ariane 5 mit VEB und EPS Stufe den Shuttle in den Orbit bringen. Die Tanks wurden nun vom Ressourcenmodul wieder in den Orbiter transferiert und mehr seiner Struktur sollte aus Aluminium bestehen, um den Kostenanstieg zu begrenzen, was aber nicht gelang.

Das letzte Konzept vor dem Ende

Schon 1990 wollte Deutschland aus dem Projekt aussteigen, weil die Kosten weiter anstiegen. Das Problem war, dass die damalige Konzeption der europäischen Beteiligung an der Raumstation Alpha zwei eigenständige Projekte beinhaltete. Neben dem permanenten Labor (Columbus) waren auch ein von Hermes besuchtes frei fliegendes Labor und eine unbemannte polare Plattform vorgesehen, auf welcher Astronauten regelmäßig Experimente austauschen sollten. Im Februar 1991 wurde endlich das Design von Hermes eingefroren. Er war inzwischen so schwer, dass auch das Ressourcenmodul gestrichen wurde. Es verblieb das Kopplungsmodul (das nun auch eine Ankopplung an die Mir erlauben sollte) und der eigentliche Raumgleiter. Ein Ressourcenmodul müsste separat gestartet werden. Das Kopplungsmodul sollte vor dem Wiedereintritt abgetrennt werden und geht verloren.

Der Übergang auf Aluminium in der Rumpfstruktur anstatt Titan oder Kohlefaserverbundwerkstoffen erhöhte das Gewicht um 250 kg. Der Thermalschutz sollte nun aus Siliziumcarbid, Carbon-Carbon-Siliziumdoxid oder Quarz bestehen. Sie mussten nun bis zu 1.900 °C widerstehen.

1991 stand das ESA Ministerratstreffen in München an. Die Programmkosten von Hermes wurden nun geschätzt auf 7.663 Millionen Dollar. 1.500 Personen arbeiteten an dem Gleiter, eine Zahl, die sich bis auf 5.000 erhöhen sollte. Nun kamen neben 1.330 Millionen Dollar zusätzlichen Kosten für Hermes auch noch 666 Millionen Dollar für ein Upgrade der Ariane 5 dazu, um den Raumgleiter zu transportieren.

Ariane 5 hätte maximal 22,2 t in die Transferbahn transportieren können – das war gerade mal Hermes ohne jede Nutzlast. Dieses Gewicht wäre erst mit einer leistungsfähigeren Version der Ariane 5 möglich gewesen, der später beschlossenen Ariane 5 Evolution. Die Rakete war immer größer geworden, und ihr Design musste nun eingefroren und umgesetzt werden.  Alles zusammen war das Hermes-Projekt inzwischen 40,5 % teuer als geplant, davon 23 % alleine deswegen, weil der Zeitplan immer weiter nach hinten rutschte: Der Erstflug war nun für 2002 vorgesehen, der erste bemannte Einsatz für 2003. Das war zu viel und so wurde Hermes fast vollständig eingestellt.

Die ESA beschloss, in einem „Hermes X-2000“ Programm zusammen mit Russland zu untersuchen, wie die Kosten um mindestens 20 % gesenkt werden können. Dieses Programm sollte bis 1998 nur noch 1,9-2,3 Milliarden Dollar kosten. Schon ein Jahr später wurde auch dieses Programm eingestellt.

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.

Das erste bemannte Raumfahrtprogramm der USA, das Mercuryprogramm begann schon vor Gründung der NASA und jährt sich 2018 zum 60-sten Mal. Das war für mich der Anlass, ein umfangreiches (368 Seiten) langes Buch zu schreiben, das alle Aspekte dieses Programms abdeckt. Der Bogen ist daher breit gestreut. Es beginnt mit der Geschichte der bemannten Raumfahrt in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Es kommt dann eine ausführliche technische Beschreibung des Raumschiffs (vor 1962: Kapsel). Dem schließt sich ein analoges Kapitel über die Technik der eingesetzten Träger Redstone, Little Joe und Atlas an. Ein Blick auf Wostok und ein Vergleich Mercury bildet das dritte Kapitel. Der menschliche Faktor - die Astronautenauswahl, das Training aber auch das Schicksal nach den Mercurymissionen bildet das fünfte Kapitel. Das sechs befasst sich mit der Infrastruktur wie Mercurykontrollzentrum, Tracking-Netzwerk und Trainern. Das umfangreichste Kapitel, das fast ein Drittel des Buchs ausmacht sind natürlich die Missionsbeschreibungen. Abgeschlossen wird das Buch durch eine Nachbetrachtung und einen Vergleich mit dem laufenden CCDev Programm. Dazu kommt wie in jedem meiner Bücher ein Abkürzungsverzeichnis, Literaturverzeichnis und empfehlenswerte Literatur. Mit 368 Seiten, rund 50 Tabellen und 120 Abbildungen ist es das bisher umfangreichste Buch von mir über bemannte Raumfahrt.

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 144 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 Jules Verne 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. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV.

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.

Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.

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. Es ist mein umfangreichstes Buch zum Thema bemannte Raumfahrt. Im Mai 2016 erschien es nach Auslaufen des Erstvertrages neu, der Inhalt ist derselbe (es gab seitdem keine neuen Erkenntnisse über die Station), aber es ist durch gesunkene Druckkosten 5 Euro billiger.

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. Die Bücher kann man auch direkt beim Verlag bestellen. Der Versand ist kostenlos und wenn sie dies tun erhält der Autor auch noch eine etwas höhere Marge. Sie erhalten dort auch die jeweils aktuelle Version, Bei Amazon und Co tummeln sich auch die Vorauflagen.

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