Space-Shuttle


Space-Shuttle
Space Shuttle
Die Atlantis startet zur Mission STS-115
Die Atlantis startet zur Mission STS-115
Orbiter
Länge 37,24 m
Spannweite 23,79 m
Startgewicht (maximal) 109.000 kg
Nutzlast in einen niedrigen Orbit 24.500 kg
Nutzlast zur ISS 16.400 kg
Einsatzhöhe 185–1000 km
Besatzung Maximal 8 Personen
Außentank
Länge 48,9 m
Durchmesser 10,4 m
Volumen 2.030 m³
Leergewicht 26.556 kg
Startgewicht 757.000 kg
Booster (2 Stück)
Länge 45,6 m
Durchmesser 3,71 m
Startgewicht 590.000 kg
Startschub je 12,46 MN
Gesamtsystem
Startgewicht 2.046.000 kg
Startschub 30,16 MN

Der oder das Space Shuttle ist ein von der US-Raumfahrtbehörde NASA entwickelter Raumfährentyp. Dieser ist nur ein Bestandteil der offiziell als Space Transportation System (STS) bezeichneten Kombination aus Raumfähre (Space Shuttle), externem Tank und den beiden Boosterraketen.

Die nächste Space-Shuttle-Mission ist STS-125. Die Raumfähre Atlantis fliegt voraussichtlich am 11. Mai 2009 um 18:01 UTC zur letzten Wartungsmission des Hubble-Weltraumteleskops.

Inhaltsverzeichnis

Der Shuttle ging aus dem Versuch hervor, ein wiederverwendbares Raumfahrzeug zu entwickeln. Dies sollte zu einer Kostenersparnis gegenüber den bis dahin üblichen Raketen führen, bei denen alle Raketenstufen nur einmal verwendet werden konnten. Die erwartete Ersparnis konnte allerdings nicht erreicht werden; ein Shuttlestart kostet heute knapp eine halbe Milliarde Dollar, etwa fünfmal so viel wie ein Start mit einer unbemannten Einwegrakete gleicher Nutzlastkapazität.

Als Space Shuttle wird oft auch das Gesamtsystem aus Raumfähre (Orbiter), Außentank (External Tank) und Feststoffraketen (Solid Rocket Booster) bezeichnet.

Der letzte Flug eines Space Shuttles wird voraussichtlich im Mai 2010, nachdem die Internationale Raumstation fertig aufgebaut ist, stattfinden. Als Nachfolger ist derzeit das Orion-Raumschiff in Entwicklung, welches jedoch frühestens 2014 einsatzbereit sein wird. Allerdings wurde am 30. August 2008 bekannt, dass die NASA eine Studie begonnen hat, die eine Verlängerung der Space-Shuttle-Einsätze bis 2015 untersuchen soll.[1] Am 18. Dezember 2008 gab die NASA bekannt, dass die Raumfähren nach der Außerdienststellung 2010 verkauft werden sollen.[2]

Geschichte

Erste Konzepte

Einige Konzeptstudien für den Raumgleiter

Nachdem Amerika den Wettlauf zum Mond gewonnen hatte und das Feld der Raumstationen der Sowjetunion hatte überlassen müssen, wandte man sich bei der NASA ab Mitte der 1960er Jahre vermehrt der Idee zu, eine wiederverwendbare Raumfähre zu entwickeln. Dahinter steckte vor allem der Gedanke, die Kosten für den Raumtransport drastisch zu senken und so eine Kommerzialisierung der Raumfahrt einzuläuten.

So wurde 1969, also im Jahr der ersten Mondlandung, von der NASA eine Studie in Auftrag gegeben, worauf die vier großen Raumfahrtunternehmen der USA (Lockheed, Grumman, McDonnell Douglas und North American Rockwell) je ein Konzept einreichten.

Einige Jahre lang wurden viel Papier und Studien produziert. Das Fortschreiten des Programms wurde jedoch durch eine ungünstige politische Stimmung im Weißen Haus und das enge Budget der NASA gegen Ende des Apollo-Programms behindert. Frischen Wind bekam das Projekt, als im Jahr 1971 die US-Luftwaffe ebenfalls Interesse an einem wiederverwendbaren Raumfahrzeug bekundete. In der Folge versuchte man bei der NASA, die zusätzlichen Anforderungen der Luftwaffe in den Entwurf zu integrieren. Dabei ging es vor allem um eine vergrößerte Nutzlastbucht, um große Spionagesatelliten transportieren zu können, und um die Fähigkeit des Shuttles, aus dem Orbit innerhalb kürzester Zeit an jedem Punkt der Erde landen zu können.

Auch die Entwürfe der Industrie änderten sich. Einige sahen bemannte Unterstufen vor oder Außentanks mit Flügeln. Die meisten Konzepte scheiterten aber an Gewichtsproblemen. Schließlich schien sich das Problem zu lösen, indem man einen im Vergleich mit anderen Studien, die von einem riesigen Raumfahrzeug mit Platz für bis zu 20 Personen ausgingen, kleinen Orbiter auf einen großen Tank setzte und diesen zusätzlich mit Feststoffraketen ausstattete. Damit wurde zwar keine hundertprozentige Wiederverwendbarkeit erreicht, dafür konnten andere wichtige Vorgaben erfüllt werden.

Entwicklung

Das dreiteilige Konzept des Shuttles mit der Aufteilung in Orbiter, Außentank und Booster wurde von der NASA offiziell am 15. März 1972 festgelegt. Am 9. August desselben Jahres erhielt North American Rockwell (heute Boeing) den Auftrag, den Orbiter zu bauen. Der Vertrag hatte einen Umfang von 2,6 Milliarden US-Dollar. Der Vertrag über den Bau der Feststoffbooster ging an Morton Thiokol (heute Alliant Techsystems), und der Außentank sollte von Martin Marietta (heute Lockheed) hergestellt werden.

Ein Jahr später waren erste detailliertere Planungen verfügbar. Diese enthielten aus heutiger Sicht völlig utopische Zahlen. Man ging von einem Erstflug im Jahr 1978 aus, und zwischen 1980 und 1990 sollten insgesamt etwa 600 Shuttle-Flüge stattfinden. Dabei sollten so viele kommerzielle Nutzlasten in eine Umlaufbahn gebracht werden, dass sich das Shuttle-Programm selbstfinanzieren sollte.

Damals ging man von 10,5 Millionen US-Dollar pro Start aus. Im Laufe der Entwicklung stiegen diese Kosten jedoch beträchtlich – 1977 ging man schon von etwa 24 Millionen Dollar aus. Auch der Flugplan musste revidiert werden. Die Entwicklungskosten stiegen laufend an und erreichten bald über 12 Milliarden Dollar.

1978, in dem Jahr, in dem eigentlich der Erstflug des Shuttles hätte stattfinden sollen, stand das Programm kurz vor dem Aus. Wieder war es die US-Luftwaffe, die Druck auf den Kongress ausübte, um mehr Gelder für das Shuttle-Programm zu bewilligen. Man hatte mit dem Shuttle gerechnet und mehrere schwere Spionagesatelliten entwickelt, die nur mit der Raumfähre in den Orbit gebracht werden konnten. Diese Intervention verhinderte ein vorzeitiges Ende des Space-Shuttle-Programms.

Erprobung

Die Enterprise während eines Freiflug-Tests

Die erste flugfähige Raumfähre, die Enterprise, wurde im September 1975 fertiggestellt. Dieser Orbiter war aber nicht raumflugfähig und wurde nur für atmosphärische Flugtests verwendet.

Der erste Freiflug fand am 12. August 1977 statt. Dabei wurde die Enterprise mit einer modifizierten Boeing 747 – dem Shuttle Carrier Aircraft – in die Luft gebracht und dort ausgeklinkt. Anschließend glitt die Raumfähre, genau wie nach einem Raumflug, antriebslos zur Landebahn. Insgesamt wurden fünf solcher Freiflugtests durchgeführt.

Wie sich herausstellte, waren die Haupttriebwerke die schwierigsten Komponenten des Shuttles. Der erste Testlauf fand am 17. Oktober 1975 statt. Während der Tests kam es immer wieder zu Rückschlägen. Eine besonders heftige Explosion zerstörte sogar einen ganzen Teststand. Die Probleme konnten erst im Jahre 1979 nach über 700 Testläufen vollständig gelöst werden. Ihren abschließenden Test vor dem Erstflug absolvierten die Haupttriebwerke wenige Wochen vor dem Start, als die bereits auf der Startrampe stehende Columbia den FRF-Test (Flight Readiness Firing) absolvierte, bei dem alle drei Triebwerke für 20 Sekunden auf volle Leistung hochgefahren wurden, ohne dass die Raumfähre abhob.

Erstflug

Hauptartikel: STS-1

Die Columbia startet zum Jungfernflug

Die Columbia, der erste raumflugfähige Orbiter, wurde im März 1979 an die NASA ausgeliefert. Anschließend wurde die Raumfähre ins Kennedy Space Center (KSC) überführt, um dort auf ihre erste Mission vorbereitet zu werden. Im November 1980 wurde die Columbia mit dem Außentank verbunden und einen Monat später zur Startrampe gefahren. Nach mehreren Startverschiebungen fand am 12. April 1981 der Start des ersten wiederverwendbaren Raumfahrzeuges der Welt statt.

Ziel des ersten Fluges war es lediglich, die Columbia sicher in die Umlaufbahn und wieder zurück zu bringen. Der Flug dauerte insgesamt etwas über zwei Tage und endete mit einer Landung auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien. Der Erstflug gilt bis heute als eine technische Meisterleistung, denn es war das erste Mal in der Geschichte der Raumfahrt, dass ein Trägersystem bei seinem Jungfernflug bemannt war.

Die folgenden drei Flüge (STS-2 bis STS-4), die alle mit der Raumfähre Columbia durchgeführt wurden, dienten der Erprobung aller Systeme des Shuttles. Danach wurde das System als einsatzfähig erklärt.


Missionsprofil

Vorbereitung und Countdown

Hauptartikel: Space-Shuttle-Countdown

Die Challenger auf dem Weg zum Startplatz (1983)

Die Vorbereitung für eine Shuttle-Mission im engeren Sinn beginnt mit dem Zusammenbau der einzelnen Elemente des Shuttle-Systems. Zunächst werden die Segmente der beiden Feststoffbooster zusammengesetzt. Dies geschieht im Vehicle Assembly Building (VAB) auf der mobilen Startplattform, mit der der Shuttle später zur Startrampe gefahren wird. Danach wird der Außentank, der mit einer Spezialfähre auf dem Wasserweg zum Kennedy Space Center gebracht wurde, mit den beiden Boostern verbunden. Zuletzt wird der Orbiter ins VAB gebracht und an den Außentank montiert. Kurz darauf wird das ganze System zu einer der beiden Startrampen, LC-39A oder LC-39B, gefahren.

Auf der Startrampe werden die letzten Vorbereitungen durchgeführt. Meist wird die Hauptnutzlast erst hier in den Frachtraum des Orbiters eingebaut.

Etwa 70 Stunden vor dem geplanten Startzeitpunkt beginnt der Countdown bei der T-43-Stunden-Marke. Planmäßig wird der Countdown mehrere Male unterbrochen – dies erklärt die Differenz von rund 27 Stunden. Damit wird eine gewisse Standardisierung der Countdown-Prozedur erreicht: die gleichen Arbeiten werden immer zur gleichen Countdown-Zeit ausgeführt.

Der Shuttle hinter der geschlossenen Arbeitsbühne

Während der gesamten Zeit auf der Rampe, die meist mehrere Wochen beträgt, ist der Shuttle von der schwenkbaren RSS-Arbeitsbühne (Rotating Service Structure) gegen Witterungseinflüsse geschützt. In der RSS befindet sich zudem der Payload Changeout Room, ein Reinraum, in dem die Nutzlast zwischengelagert wird, bevor sie in die Ladebucht der Raumfähre eingebaut wird. Diese Struktur wird erst am Vortag des Starts weggeschwenkt.

Rund zehn Stunden vor dem Start wird mit dem Befüllen des Außentanks mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff begonnen. Diese Prozedur dauert drei Stunden. Danach, etwa vier Stunden vor dem Start, begibt sich die Mannschaft in den Orbiter.

Ab neun Minuten vor dem Start werden alle Vorgänge von den Computern des Startkontrollzentrums, dem Ground Launch Sequencer, überwacht. Ein manuelles Eingreifen in den Countdown ist jedoch noch bis 31 Sekunden vor dem Abheben möglich. Danach kann der Start nur noch per Computer abgebrochen werden.

Start und Aufstieg

Die Startsequenz wird mit der Zündung der drei Haupttriebwerke 6,6 Sekunden vor dem Abheben eingeleitet. Die Triebwerke werden während des Betriebs mit flüssigem Wasserstoff gekühlt. Damit sich das entstehende Wasserstoffgas auf der Rampe nicht explosionsartig entzündet, wird es durch ein elektrisches Funkensprühsystem entzündet. Zudem wird ein Wassersprinklersystem aktiviert, das die gewaltige Druckwelle etwas mindert und so die Startrampe vor Schäden bewahrt.

STS-114-launch-Jul26-2005.ogg
Start der Discovery zur Mission STS-114 vom KSC

Nachdem die Haupttriebwerke gezündet wurden, schwingt der gesamte Shuttle (mit Tank und Boostern) an der Spitze ca. drei Meter nach vorn, weil die Triebwerke des Orbiters sich leicht hinter dem Schwerpunkt des gesamten Shuttles befinden. Danach schwingt er wieder zurück. Während dieser Zeit wird das korrekte Hochfahren der Haupttriebwerke überprüft, denn noch können sie abgeschaltet werden. Wenn er wieder genau senkrecht steht, zünden die zwei Feststoffraketen (SRBs). Bis zu diesem Zeitpunkt werden die Booster (an denen der Außentank hängt) durch Bolzen an der Startrampe festgehalten. Diese werden wenige Sekundenbruchteile nach Zündung der SRBs ausgelöst. Anschließend hebt der Space Shuttle ab.

Start der Mission STS-117. Die Rauchspur stammt von den Feststoffboostern.

Die beiden SRBs haben eine Brennzeit von etwa zwei Minuten und produzieren rund 80 Prozent des Gesamtschubs. Nachdem sie ausgebrannt sind, werden sie in einer Höhe von rund 50 km abgetrennt, steigen jedoch durch ihre hohe Geschwindigkeit noch auf 70  km Höhe. Dann erst fallen sie zurück und erreichen eine Sinkgeschwindigkeit von 370 km/h. Bevor die SRBs auf die Meeresoberfläche auftreffen, werden in knapp zwei Kilometern Höhe jeweils drei Fallschirme in den Nasen aktiviert. Mit etwa 80 km/h fallen die Booster schließlich in den Atlantischen Ozean. Zwei Bergungsschiffe der NASA nehmen die leeren Hüllen auf und schleppen sie zum Kennedy Space Center zurück. Dort werden sie überprüft, mit Treibstoff befüllt und wiederverwendet.

Nach der Abtrennung der Booster fliegt der Space Shuttle nur mit Hilfe seiner Haupttriebwerke weiter. Nach ungefähr achteinhalb Minuten Brenndauer wird kurz vor Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit (mit ca. 7.700 m/s) der Außentank in rund 110 km Höhe abgeworfen. Er verglüht größtenteils in der Atmosphäre, nachdem er eine halbe Erdumrundung absolviert hat. Die übrigen Teile des Tanks fallen in den Pazifik.

Der Außentank fällt zurück in die Erdatmosphäre

Anschließend wird die Raumfähre von den beiden Triebwerken des OMS in eine elliptische Umlaufbahn mit einem tiefsten Punkt (Perigäum) von etwa 110 km und einem höchsten Punkt (Apogäum) von 185 km über der Erdoberfläche beschleunigt. Wenn der Orbiter nach einem halben Erdumlauf den bahnhöchsten Punkt erreicht, zünden die Manövriertriebwerke erneut, um die Umlaufbahn in eine Ellipse mit einem Perigäum von 185 km und einem Apogäum auf Höhe des Zielorbits zu verwandeln (zum Beispiel etwa 380 km für einen Flug zur ISS). Wenn der Orbiter wieder den bahnhöchsten Punkt erreicht, zündet er die Manövriertriebwerke ein weiteres Mal, um in dieser Höhe in eine Kreisbahn einzutreten. Danach hat der Orbiter seinen Zielorbit erreicht, und die Arbeiten können beginnen. Bei komplexen Missionen, die einen speziellen Orbit erfordern oder ein bestimmtes Ziel anfliegen müssen, wird die Umlaufbahn im Verlauf der ersten Flugtage noch mehrfach angepasst. Dies ist zum Beispiel zum Erreichen der ISS oder des Hubble-Weltraumteleskops notwendig.

Arbeit im Orbit

Siehe auch Abschnitt Nutzung

Die Raumfähre Challenger während der STS-7-Mission, Juni 1983

Die Arbeit im Orbit, die sogenannten On-Orbit-Operations beginnen mit dem Öffnen der Ladebuchttore. Dies ist zwingend nötig, da auf den Innenseiten dieser Tore Radiatoren angebracht sind, die für die Kühlung des Orbiters sorgen. Können die Tore nicht geöffnet werden, muss die Mission sofort abgebrochen werden.

Schnittbild des Shuttles mit dem Spacelab

Der Space Shuttle kann sehr vielfältig eingesetzt werden. Typische Aufgaben für eine Mission bestehen im Aussetzen bzw. Einfangen von Satelliten, dem Durchführen von wissenschaftlichen Experimenten oder dem Ausführen von Aufbauarbeiten an einer Raumstation, der Mir oder der ISS. Für wissenschaftliche Arbeiten wurde auf über zwanzig Missionen das Spacelab mitgeführt – ein unter Druck stehendes Labor, das in der Nutzlastbucht mitgeführt wird.

Zudem ist die Crew oft mit körperlichem Training beschäftigt, um der Muskelrückbildung in der Schwerelosigkeit Rechnung zu tragen. Ein beachtlicher Teil der Arbeitszeit der Astronauten wird auch für die Betreuung und Bedienung der vielen Systeme des Space Shuttles eingesetzt.

Landung

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Landung der Columbia bei der Mission STS-1 auf der EAFB

Zum Verlassen der Umlaufbahn wird die Raumfähre entgegen der Umlaufrichtung gedreht. Die OMS-Triebwerke werden für ungefähr drei Minuten gezündet (sog. deorbit-burn), wodurch das Space Shuttle um etwa 300 km/h verlangsamt wird. Es verlässt die bisherige Umlaufbahn und bewegt sich aus seiner Kreisbahn in eine ellipsenförmige Bahn mit einem Perigäum von 80 km ein. Damit tritt es in die äußeren Schichten der Atmosphäre ein und wird dort weiter abgebremst. Nach dem Abschalten der Triebwerke wird die Raumfähre mit ihrer Nase wieder in Flugrichtung gedreht, damit sie in die Atmosphäre eintreten kann. Von nun an kommen die Triebwerke nicht mehr zum Einsatz, auch Anflug und Landung erfolgen antriebslos.

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wird die Raumfähre durch spezielle Hitzeschutzkacheln an der Front- und Unterseite vor den extremen Wärmeeinwirkungen von bis zu 1.650 °C geschützt. Bereits kurz nach dem Wiedereintritt, noch mehrere hundert Kilometer entfernt, erhält sie von der vorgesehenen Landebahn Leitsignale. Die Besonderheit bei der Rückkehr ist, dass der Space Shuttle im Gleitflug antriebslos zur Erde fliegt und somit nur einen einzigen Landeversuch hat. Dabei beträgt der Anstellwinkel beim Aufsetzen ca. 17 bis 18°, während er bei Verkehrsflugzeugen um die 2 bis 3° liegt.

Seit 1992 wird bei der Landung ein Bremsschirm verwendet.

Schlechte Wetterbedingungen am Hauptlandeplatz machen es mitunter erforderlich, auf günstigere Orte auszuweichen. Grundsätzlich ist das Kennedy Space Center in Florida das primäre Landeziel. Dort befindet sich die sogenannte Shuttle Landing Facility, eine 4,5 km lange und 90 m breite Landebahn, die eigens für die Rückkehr der Orbiter aus dem Weltraum gebaut wurde.

Wenn das Wetter eine Landung in Florida unmöglich macht, stehen der NASA zwei Alternativen zur Verfügung (in dieser Reihenfolge): die Luftwaffenbasen Edwards (Kalifornien), wo auch die Erprobung der damals neuentwickelten Raumfähre durchgeführt wurde, sowie White Sands (New Mexico) (bisher nur eine Landung, 1982).

Rücktransport mit dem Shuttle Carrier Aircraft

Daneben gibt es rund um die Welt weitere Notlandeplätze für die Startphase und den weiteren Missionsverlauf. Es wird unter anderem unterschieden in East Coast Abort Landing Sites (ECAL, USA und Kanada) und Transoceanic Abort Landing Sites (TAL). Letztere sind die Istres Air Base in Frankreich sowie Zaragoza Air Base und Moron Air Base in Spanien.[3] Weitere Flughäfen, die für eine Landung mit dem Space Shuttle zertifiziert sind, sind u.a. die deutschen Flughäfen Köln/Bonn, München und der Luftwaffenstützpunkt Ingolstadt-Manching.

Sollte es erforderlich sein, dass der Shuttle an einem anderen Ort landet, als in Florida, wird er huckepack auf einer modifizierten Boeing 747 (dem sogenannten Shuttle Carrier Aircraft, SCA) dorthin zurücktransportiert. Um die Aerodynamik bei diesem Überflug zu verbessern, wird am Heck des zu transportierenden Shuttles eine nach hinten spitz zulaufende Abdeckung angebracht, die die Triebwerke des Shuttles verdeckt.

Nutzung

Eine chronologische Liste aller geflogenen Missionen ist unter Liste der Space-Shuttle-Missionen zu finden.

Durch seine Bauart als Raumfähre bedingt ist der Space Shuttle extrem flexibel einsetzbar. Er ist derzeit das einzige Trägersystem, das in der Lage ist, eine nennenswerte Nutzlast vom Weltraum zur Erde zu bringen. Darin liegt auch der Grund, warum das Space-Shuttle-Programm trotz massiven Kostenüberschreitungen immer noch unterhalten wird. Im Verlauf des Shuttleprogramms haben sich die Aufgaben des Systems recht stark gewandelt. Im Folgenden wird eine Übersicht über die wichtigsten Aufgaben des Shuttles gegeben.

Satellitentransport

Während STS-5 wird der Satellit SBS-C ausgesetzt

Zu Beginn des Shuttle-Programms lag die Hauptaufgabe des Shuttles darin, Satelliten ins All zu bringen. Durch die Wiederverwendbarkeit des Orbiters hatte man sich enorme Einsparungen erhofft. So waren auch die ersten operationellen Flüge des Space Shuttles dieser Aufgabe gewidmet. Während der Mission STS-5 wurden etwa die beiden Nachrichtensatelliten Anik C-3 und SBS-C ins All gebracht. Auch die drei nachfolgenden Missionen wurden für den Satelliten-Transport eingesetzt.

Arbeiten am Hubbleteleskop während STS-103

Daneben hatte der Shuttle die einzigartige Fähigkeit, auch Satelliten vom All zur Erde bringen zu können. Dies geschah erstmalig auf der Mission STS-51-A, als zwei Satelliten, die zuvor auf zu niedriger Umlaufbahn ausgesetzt wurden, wieder eingefangen wurden. Zudem konnte man mit dem Shuttle auch Satelliten reparieren, dies wurde zum Beispiel während der Mission STS-49 durchgeführt, als die Oberstufe des Intelsat-IV-Satelliten ausgetauscht wurde. Ein anderes Beispiel ist das Hubble-Weltraumteleskop, das bisher viermal von einem Space Shuttle zwecks Reparatur besucht wurde. Einen letzten Besuch wird das Teleskop im Jahr 2009 von der Mission STS-125 erhalten.

Seit dem Challenger-Unglück im Jahre 1986 wurde der Shuttle aus dem kommerziellen Satellitengeschäft zurückgezogen. Seither wurden mit dem Shuttle nur noch militärische oder staatliche Kommunikationssatelliten in den Orbit gebracht. Die bisher letzte Shuttle-Mission, die in erster Linie dem Transport eines Satelliten gewidmet war, war STS-93 in Sommer 1999. Während dieser Mission wurde das Röntgen-Teleskop Chandra ins All gebracht.

Wissenschaft

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet des Shuttles ist die Wissenschaft in der Schwerelosigkeit. Die Raumfähre bietet eine sehr flexible Plattform für Experimente aller Art. Zunächst ist das Spacelab zu nennen, ein Labor, das in der Nutzlastbucht mitgeführt werden kann. Der erste Spacelab-Flug war STS-9 im November 1983, danach flog das Labor auf über 20 Flügen ins All. Zum letzten Mal startete Spacelab im Jahr 1998 an Bord des Fluges STS-90 ins All.

In der Nutzlastbucht einer Raumfähre ist das Spacelab zu sehen

Nachfolger des Spacelab war das Spacehab. Dieses kann aber vielseitiger eingesetzt werden als das Spacelab – so kann man damit beispielsweise auch Fracht zur ISS bringen, wie dies etwa auf dem Flug STS-105 der Fall war. Die letzte reine Forschungsmission des Shuttleprogramms war STS-107 der Columbia, die dann beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auseinanderbrach und teilweise verglühte, wobei die sieben Astronauten an Bord ums Leben kamen. Der letzte Flug eines Spacehab-Logistikmoduls war die Mission STS-118.

Der LDEF-Satellit enthielt über 50 Experimente

Auf anderen Missionen, zum Beispiel während STS-7 wurden Forschungsplattformen in der Nutzlastbucht mitgetragen, die dann während der Mission für mehrere Stunden in den Weltraum entlassen wurden, um danach mit dem Roboterarm wieder eingefangen zu werden. Wieder andere solcher Plattformen blieben gleich für mehrere Monate oder Jahre im All und wurden von einer späteren Shuttle-Mission wieder eingeholt.

Grundsätzlich haben die meisten Shuttle-Missionen zu einem Teil wissenschaftliche Missionsziele. Oft wurden in der Nutzlastbucht sogenannte Get-Away-Behälter mit automatisch ablaufenden Experimenten mitgeführt, oder man hatte sogenannte Middeck Payloads, also Mitteldeck-Nutzlast dabei, welche von der Shuttle-Crew nebenbei betreut wurde. Dies ist auch bei aktuellen ISS-Flügen teilweise noch der Fall.

Betrieb von Raumstationen

Die Atlantis ist an der Mir angedockt

Aufgrund seiner unvergleichlichen Flexibilität ist der Shuttle ein ideales Arbeitspferd für den Aufbau und die Wartung einer großen Raumstation. So ist etwa die Internationale Raumstation ISS im Moment noch dringend auf die Raumfähre angewiesen. Viele Module der Station sind so groß, dass sie nicht mit anderen Trägern ins All gebracht werden könnten. Zudem bietet der Shuttle mit seinem Roboterarm die Möglichkeit, die Module direkt an die Station zu montieren. Auch der Crew-Transport wird mit dem Shuttle vereinfacht; es könnten theoretisch bis zu 5 Besatzungsmitglieder pro Flug ausgetauscht werden.

Wegen dieser kritischen Rolle des Shuttles wurde das ISS-Programm dann auch um mehrere Jahre zurückgeworfen, als die Shuttle-Flotte nach der Columbiakatastrophe im Februar 2003 mit einem Flugverbot belegt wurde. Einige Experimente mussten deshalb sogar gestrichen werden.

Vor der Zeit der ISS wurde der Shuttle auch auf mehreren Flügen zur russischen Raumstation Mir eingesetzt. Zwischen 1995 und 1998 dockte insgesamt neunmal eine Raumfähre an der Station an. Dabei ging es auch um ein politisches Zeichen – es war die erste nennenswerte gemeinsame Operation der beiden Supermächte im Weltraum seit dem Apollo-Sojus-Testprojekt im Jahre 1975. Der erste derartige Flug war STS-71 im Sommer 1995.

Übersicht

Stand: April 2009 (nach STS-126)
Shuttle Flugzeit Orbits Zurückgel.
Strecke
Einsätze Längster Einsatz Crews 1 EVAs 2 MIR / ISS
Kopplungen
Satelliten
und Sonden
ausgesetzt 3
Columbia 300:16:47:01300 d 16 h 47 min 1 s 4801 200,0ca. 200 Mio. km 28 17:15:53:1917 d 15 h 53 min 19 s 160 7 000 / 0 0884
Challenger 062:07:56:1562 d 7 h 56 min 15 s 1093 041,3ca. 41,3 Mio. km 10 08:05:23:338 d 05 h 23 min 33 s 60 6 000 / 0 109 (1)
Discovery 310:08:10:27310 d 8 h 10 min 27 s 5036 199,9ca. 199,9 Mio. km 35 15.02.22.5915 d 02 h 22 min 59 s 214 42 101 / 9 3123 (8)
Atlantis 258 d 09 h 0 min 34 s 4074 171,0ca. 171,0 Mio. km 29 13:20:11:3413 d 20 h 11 min 34 s 147 31 167 / 9 1514 (1)
Endeavour 246:19:04:48246 d 19 h 04 min 48 s 3959 169,7ca. 169,7 Mio. km 22 16:15:08:4616 d 15 h 8 min 46 s 141 42 101 / 9 096 (3)
Gesamt 1178 d 12 h 59 min 5 s 18.963 ca. 781,9 Mio. km 124 17 d 15 h 53 min 19 s 5 722 128 9 / 27 60 (13)
Anmerkungen:
1: Die hier angegebene Zahl bezieht sich auf die Summe der Besatzungsmitglieder aller Missionen des jeweiligen Orbiters beim Start.
2: Weil einige Shuttle-Missionen für das US-Verteidigungsministerium geflogen wurden, lässt sich die Anzahl der EVAs nicht mit letzter Sicherheit angeben. Es wurde jeweils der am wahrscheinlichsten erscheinende Wert eingerechnet.
3: Satelliten und Sonden werden als eine Zahl angegeben. Die eingeklammerte Zahl gibt die Anzahl der ausgesetzten Plattformen mit Versuchen an, die sich mehrere Stunden unverbunden neben dem Shuttle befanden und danach wieder eingefangen wurden. Diese werden aber nicht als ausgesetzte Satelliten gewertet.
4: Während der Mission STS-75 ging ein Fesselsatellit verloren. Dieses Aussetzen war nicht geplant. In der Statistik wurde der Satellit nicht berücksichtigt.

Technik

Feststoffbooster

Hauptartikel: Space Shuttle Solid Rocket Booster

Diagramm eines Boosters
Ein Booster wird zurück zum KSC gebracht

Über drei Viertel des zum Start eines Shuttles benötigten Schubes werden von den beiden Feststoffboostern zur Verfügung gestellt. Die zwei weißen, 45 Meter langen Raketen sind die stärksten Antriebe ihrer Art, die je gebaut wurden. Jeder dieser Booster enthält über 500 Tonnen APCP, einem Feststoff-Treibstoff auf Basis von Ammoniumperchlorat und Aluminium. Dieses Gemisch verleiht den Boostern eine Brenndauer von gut zwei Minuten und einen spezifischen Impuls (ISP) auf Meereshöhe von 242 s. Die Booster sind mit schwenkbaren Düsen zur Lageregelung ausgestattet. Zudem sind im oberen Teil mehrere Kameras untergebracht, die während des Aufstieges eine Vielzahl von Bilder liefern.

Auf einer Höhe von etwa 45 km über Grund werden die nahezu ausgebrannten Booster abgetrennt und durch kleine Raketentriebwerke vom Außentank weggedrückt. So wird eine Kollision zwischen den abfallenden Boostern und dem Tank verhindert. Die Booster steigen dann, entlang einer ballistischen Bahn, weiter bis auf etwa 65 km, um dann den Abstieg zu beginnen. Zuerst werden kleinere Stabilisierungsschirme ausgestoßen, die die Booster bereits etwas abbremsen. Schließlich werden die Hauptfallschirme entfaltet, und die Booster gleiten zur Erde zurück und fallen etwa 230 km vom KSC entfernt mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h ins Meer. Bereits wenige Stunden nach dem Start werden sie von zwei Schiffen geborgen und nach Florida zurückgeschleppt. Dort werden sie gereinigt, geprüft und für einen weiteren Flug aufbereitet und wiederbefüllt.

Außentank

Hauptartikel: Space Shuttle External Tank

Diagramm des Außentanks

Die größte Komponente des Shuttle-Systems ist der Außentank (engl.: External Tank – ET). Genau genommen beinhaltet der orangefarbene Zylinder zwei Tanks, einen größeren Wasserstofftank im unteren Teil sowie einen kleineren Sauerstofftank im oberen Teil des Tanks. Dazwischen liegt die sogenannte Intertank-Section; diese steht nicht unter Druck und enthält einen großen Teil der Elektronik des Außentanks. Da die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff in flüssigem Zustand vorliegen und deshalb sehr kalt sind (unter -200 °C), ist der Tank mit einem speziellen Schaumstoff isoliert. Dieser verleiht ihm seine charakteristische orange Farbe. Lediglich bei den ersten zwei Flügen war der Tank mit einer weißen Farbschicht überzogen, diese wurde aber aus Gewichtsgründen ab der darauffolgenden Mission nicht mehr verwendet.

Der Tank auf einem Spezialtransporter

Der Tank ist vorn an einem und hinten an zwei Punkten am Shuttle befestigt. Zudem verlaufen auf der Außenseite mehrere Leitungen, die den Wasserstoff und den Sauerstoff in den Orbiter leiten, wo die Flüssigkeiten dann in den Haupttriebwerken des Shuttles verbrannt werden. Der Tank ist die einzige Komponente des Shuttles, die nicht wiederverwendbar ist. Nach dem Brennschluss der Haupttriebwerke (engl.: Main Engine Cutoff – MECO) wird der Tank abgeworfen und tritt in die Atmosphäre ein, wo er verglüht.

Seit dem Columbia-Unglück im Jahr 2003 ist die Isolierung des Tanks vermehrt ins Gespräch gekommen. Ein Stück abgeplatzten Schaumstoffs hatte damals zu einer Beschädigung des Shuttles geführt, durch die während der Wiedereintrittsphase extrem heiße Gase in den Orbiter gelangten und diesen zerstörten. Seither ist der Tank stellenweise stark überarbeitet worden. Auch im Verlauf des Shuttle-Programmes wurde der Tank mehrfach überarbeitet. So hatten die ersten Tanks mit einem weißen Anstrich ein Leergewicht von etwa 35 Tonnen, in der heutigen Version sind es weniger als 30 Tonnen.

Orbiter

Atlantis im antriebslosen Flug am Ende von STS-30

Die Hauptkomponente des Shuttle-Systems stellt der Orbiter dar. In ihm befinden sich die Mannschaftsräume und das Cockpit (Flightdeck) sowie die Nutzlast der jeweiligen Mission. Es wurden insgesamt fünf raumflugfähige Orbiter gebaut, davon wurden durch Unfälle zwei Exemplare (Challenger und Columbia) zerstört. Der Orbiter ist eines der komplexesten technischen Geräte, die je von Menschen gebaut wurden. In der Startphase befindet er sich in senkrechter Position auf dem Außentank montiert, um in die Umlaufbahn transportiert zu werden. Nachdem er zum Abschluss einer Mission den Orbit verlassen hat und durch die Erdatmosphäre gedrungen ist, landet er nach einem antriebslosen Flug mit seinem Fahrwerk auf einer Landebahn, ähnlich einem gewöhnlichen Flugzeug. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Landung beim ersten Versuch erfolgreich sein muss, da der Orbiter nach dem Verlassen des Orbits keinen Antrieb mehr besitzt und es somit keine Möglichkeit gibt, wieder Höhe zu gewinnen und erneut die Landebahn anzufliegen.

Hauptantrieb

Hauptartikel: Space Shuttle Main Engine

Die Haupttriebwerke des Space Shuttles

Der Orbiter verfügt über drei große Haupttriebwerke, die Space Shuttle Main Engines, abgekürzt SSMEs. Die Haupttriebwerke werden während des achtminütigen Aufstiegs ins All eingesetzt und dabei mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Außentank versorgt. Nach dem Abschalten und Abtrennen des Tanks können die Triebwerke daher während der Mission nicht erneut gezündet werden.

Nach der Landung auf der Erde werden die Triebwerke ausgebaut, geprüft und für ihren nächsten Einsatz vorbereitet. Sie können für bis zu zehn Flüge verwendet werden. Die Wiederverwendbarkeit macht sie zu technisch hochkomplexen Systemen, ein einziges Triebwerk kostet mit 50 Millionen US-Dollar ungefähr so viel wie eine komplette Delta-II-Rakete.[4]

Hilfsantriebe

Neben den Haupttriebwerken verfügt der Orbiter über 46 mittlere und kleinere Triebwerke, die während der Mission eingesetzt werden. Die zwei größten davon gehören zum Orbital Maneuvering System (OMS). Sie liefern einen Schub von je 27 kN und sind wie die SSMEs im Heck des Shuttles untergebracht. Mit ihnen werden Bahnänderungen wie etwa das Einschießen in den definitiven Orbit oder die Bremszündung für den Wiedereintritt durchgeführt. Betrieben werden sie mit hypergolen Treibstoffen, also mit zwei Komponenten, welche bei Berührung zünden.

Die 44 kleineren Triebwerke gehören zum sogenannten Reaction Control System (RCS). Mit Hilfe dieser Triebwerke wird die Lageregelung des Shuttles vorgenommen. Dies ist vor allem beim Andocken an eine Raumstation oder zum Einfangen eines Satelliten wichtig. Die RMS-Triebwerke werden auch benötigt, um den Shuttle vor der Bremszündung mit dem Heck in Flugrichtung zu drehen. Wie die OMS-Triebwerke werden die RCS-Düsen mit hypergolem Treibstoff betrieben.

Lebenserhaltungssysteme

Unter dem Begriff Lebenserhaltungssysteme (engl. Environmental Control and Life Support System (ECLSS)) werden alle Systeme zusammengefasst, die das Leben der Astronauten an Bord des Shuttles ermöglichen. In der Kabine muss ständig ein lebensfreundliches Klima erhalten werden, so muss etwa die Temperatur und der Druck in einem bestimmten Bereich bleiben. Die größte Herausforderung ist dabei, eine Überhitzung des Orbiters zu verhindern. Dazu dienen die zwei großen Radiatoren im Innern der Ladebuchttüren. Diese strahlen während des ganzen Fluges Wärme in den Weltraum ab. Der Druck im Innern der Kabine wird von mehreren Tanks mit Stickstoff und Sauerstoff erhalten. So kann im Shuttle eine Atmosphäre erhalten werden, welche der irdischen sehr ähnlich ist.

Auf den Innenseiten der Ladebuchttore sind die Radiatoren zu erkennen

Ebenfalls zu dem Lebenserhaltungssystemen gehört das Wasser-System. Im Shuttle sind 4 Wassertanks installiert, welche je etwa 75 Liter Wasser fassen. Weiteres Wasser wird von den Brennstoffzellen hergestellt. Dieses entsteht als Abfallprodukt bei der Stromherstellung. So können bis zu 10 Liter Wasser pro Stunde zusätzlich gewonnen werden. Abfallwasser wird in einem entsprechenden Tank gesammelt und in regelmäßigen Abständen in den freien Weltraum abgegeben.

Der Strom, welcher von der Crew im Laufe der Mission verbraucht wird, wird wie bereits erwähnt, von Brennstoffzellen erzeugt. Diese werden mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben. Im Orbiter sind drei Brennstoffzellen installiert, welche je 7kW leisten können, kurzzeitig sind sogar bis zu 12kW möglich. Sie können das System für bis zu 30 Tagen mit Energie versorgen. Weitere Systeme zur Energieerzeugung sind die Hilfskraftanlagen (engl. Auxiliary Power Units (APUs)). Diese werden für das Hydrauliksystem während der Landung verwendet und werden erst etwa eine Stunde vor der Landung eingeschaltet. Für den Fall einer Notlandung laufen sie jedoch auch während des Aufstieges ins All.

Hitzeschutzschild

Hitzeschutzkacheln und Nase aus RCC auf der Unterseite der Discovery

Verschiedene Bereiche der Außenhaut des Shuttles sind mit speziellen Hitzeschutz-Verkleidungen ausgestattet. Dies ist vor allem für den Wiedereintritt in die Atmosphäre unerlässlich, da dabei wegen der sich vor dem Flugkörper aufbauenden Schockfront enorme Temperaturen auftreten. Ohne Hitzeschutzschild würde der Shuttle verglühen, und eine kontrollierte Rückkehr zur Erde wäre nicht mehr möglich. Auch die früheren Raumschiffe der Apollo-, Gemini- und Mercury-Programme waren mit einem Hitzeschild ausgerüstet, genauso wie auch die russischen Sojus-Kapseln. Einzigartig am Hitzeschutzschild des Shuttles ist jedoch seine Wiederverwendbarkeit.

Beschädigte Kacheln nach dem Flug STS-118

Den größten Teil des Hitzeschutzschildes stellen die über 20.000 Kacheln auf der Unterseite des Rumpfes des Orbiters dar. Die sogenannte High-temperature reusable surface insulation (HRSI) kann bis zu 1260 °C aushalten. Die Kacheln sind bis zu 12 cm dick und bestehen zum größten Teil aus Hohlraum (90%) und Siliziumdioxid (10%). Die Dichte der verwendeten Kacheln beträgt 0,14 bzw. 0.35 g/cm3 (Siliciumdioxid um 2.2 g/m3).

Die hocherhitzten Bereiche am Shuttle wie die Nase und die Flügelvorderkanten sind mit einem speziellen Werkstoff, sogenanntem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (Reinforced carbon-carbon (RCC)) verkleidet, der gegen Temperaturen über 1300 °C und mechanische Beeinträchtigungen wie Risse weitgehend resistent ist. Hierzu ist anzumerken, dass kein vollständiger Schutz vor Beschädigung möglich ist. Die Columbia-Katastrophe im Jahr 2003 war auf ein großes Loch in einem RCC-Panel an der Flügelvorderkante zurückzuführen.

Weitere Bereiche des Shuttles sind mit der sogenannten Advanced flexible reusable surface insulation (AFRSI) ausgerüstet; dies sind Kacheln, die etwa 650 °C aushalten können. Dazu gehören das Cockpit, der vordere Rumpfteil sowie das Seitenleitwerk bzw. Ruder. Der Rest des Shuttles (hinterer Rumpfteil und Oberseite) hat keinen speziellen Hitzeschutz. Die normale Außenhaut der Raumfähre kann jedoch bis zu 370 °C aushalten.

Die einzelnen Orbiter

Seit Beginn der Shuttle-Flüge im Jahr 1981 sind insgesamt fünf verschiedene Space Shuttle ins All geflogen. Davon sind heute noch drei (Discovery, Atlantis und Endeavour) im Einsatz. Zwei Space Shuttle (Columbia und Challenger) wurden bei Unglücken zerstört. Die drei verbleibenden Raumfähren werden voraussichtlich bis zum Ende des Shuttle-Programms im Jahr 2010 weiterbetrieben und dann endgültig außer Dienst gestellt.

Space Shuttles Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis und Endeavour

Liste der raumflugfähigen Space Shuttles

Nr. Name OV-Nr. Erstflug Erste
Mission
Letzte
Mission
Aktuelle/
nächste
Mission
Bemerkung
3 Columbia OV-102 12. April 1981 STS-1 STS-107 Erster raumflugfähiger Orbiter. Am 1. Februar 2003 beim Wiedereintritt zerstört, die sieben Besatzungsmitglieder kamen dabei ums Leben.
4 Challenger OV-99 4. April 1983 STS-6 STS-51-L Am 28. Januar 1986 kurz nach dem Start durch einen Defekt an einem Feststoffbooster zerstört, die sieben Besatzungsmitglieder kamen dabei ums Leben.
5 Discovery OV-103 30. August 1984 STS-41-D STS-119 STS-128 Gelandet am 28. März 2009, nächster Einsatztermin voraussichtlich am 6. August 2009
6 Atlantis OV-104 3. Oktober 1985 STS-51-J STS-122 STS-125 Gelandet am 20. Februar 2008, nächster Einsatztermin voraussichtlich am 11. Mai 2009
7 Endeavour OV-105 7. Mai 1992 STS-49 STS-126 STS-127 Gelandet am 30. November 2008, nächster Einsatztermin voraussichtlich am 13. Juni 2009, Ersatzorbiter für Challenger

Weitere gebaute Orbiter waren die Pathfinder und die Enterprise. Pathfinder war ein Handling-Modell aus Stahl, das nicht flugfähig war. Es wurde zum Erproben und Einüben der Abläufe am Boden eingesetzt. Die Enterprise war ein flug-, jedoch nicht raumflugtauglicher Prototyp, welcher für Gleitversuche und für Flugversuche auf dem Rücken des Shuttle Carrier Aircrafts eingesetzt wurde. Beide Modelle können heute in Museen besichtigt werden.

Weitere weitgehend originalgetreue Nachbauten von den Raumgleitern stehen beim Kennedy Space Center, beim Johnson Space Center sowie dem Six-Flags-Vergnügungspark.

Unterschiede zwischen den einzelnen Orbitern

Durch die fortschreitende technische Entwicklung im Laufe des Space Shuttle Programms bedingt sind die fünf raumflugfähigen Orbiter nicht exakt baugleich. Einige Merkmale wurden bei den anderen Orbiter nachgerüstet, so zum Beispiel das Glascockpit, welches bei Endeavour schon beim Bau vorhanden war. Heute fliegen alle Orbiter mit LCD-Displays und modernen Computern.

Andere Unterscheidungsmerkmale bleiben aber bis heute bestehen, so war die Columbia über drei Tonnen schwerer als ihre Schwester-Raumfähren, welche später gebaut wurden. Zudem wurden bei Challenger und Discovery eine Modifikation in der Nutzlastbucht eingebaut, welche das Mitführen einer bereits betankten Centaur-Oberstufe erlauben würde. Dies wurde aber nie umgesetzt.

Derzeit sind zudem lediglich die Orbiter Endeavour und Discovery mit dem SSPTS ausgestattet. Dieses System erlaubt längere Aufenthalte auf der Raumstation ISS. Bei Atlantis soll es jedoch noch nachgerüstet werden.

Sicherheit

Wie bei jedem bemannten Raketensystem steht beim Space Shuttle die Sicherheit der Crew an erster Stelle. Durch das völlig neuartige Konzept des Raumgleiters mussten auch völlig neue Sicherheitskonzepte entwickelt werden. Ein Rettungsturm wie zu Apollo-Zeiten kam für den Orbiter nicht in Frage. Daher musste für den Start etwas komplett neues her. Vor dem Columbia-Unglück wurden Wiedereintritt und Landung als die weniger kritische Phase des Fluges angesehen, heute hat sich dieses Denken etwas gewandelt.

Abbruch vor dem Start

Im Falle eines Startabbruchs vor Abheben des Shuttles kann auf ein Seilbahnsystem zurückgriffen werden, welches schon im Apollo-Programm bestand. Dieses konnte die Astronauten im Gefahrenfall sicher von der Startanlage weg transportieren. Es wurde leicht modifiziert, sodass nun sieben Seilbahnkörbe bis zu 21 Personen von der Startanlage befördern können; dies für den Fall, dass sich neben den Astronauten auch noch Techniker in der Nähe des vollgetankten Space Shuttle aufhalten. Es wird bei regelmäßigen Übungen sowie den Terminal Countdown Demonstration Tests aktiviert, musste jedoch während keinem der bisher fünf sogenannten RSRS-Abbrüchen verwendet werden.

Startabbruch im Flug

Hauptartikel: Space Shuttle abort modes

Nach dem Abheben des Shuttles gibt es abhängig vom Zeitpunkt und der Schwere eines auftretenden Fehlers zwischen dem Abtrennen der Booster und dem Abschalten der Haupttriebwerke mehrere Möglichkeiten, den Flug zu einem sicheren Ende zu führen. Von diesen vier „Intakten Abbrucharten“ würde bisher lediglich der Abort to Orbit (ATO) durchgeführt. Während STS-51-F fiel nach etwa sechs Minuten ein Triebwerk aus. Der Abwurf von nicht benötigtem Treibstoff erlaubte es der Challenger, einen niedrigeren, aber stabilen Orbit als geplant zu erreichen. Da dies nur ein kleines Problem war, konnte die Mission wie geplant durchgeführt werden.

Bei schwierigeren Problemen wie beispielsweise einem Leck in der Crewkabine ist es jedoch nötig, die Mission zu einem raschen Ende zu bringen. Dafür stehen während der Startphase drei Optionen offen. Zum einen besteht die Möglichkeit, das Shuttle in einen instabilen Orbit zu bringen und es nach weniger als einer Umrundung wieder landen zu lassen. Dieser Abort once Around (AOA) kann nur während eines sehr kleinen Zeitfensters durchgeführt werden und wurde bisher nie durchgeführt. Eine weitere Option wäre eine Landung auf einem europäischen oder afrikanischen Flughafen. Für dieses Szenario würde das Shuttle genug Geschwindigkeit aufnehmen, um den anvisierten Landeplatz zu erreichen, um dann die Triebwerke auszuschalten und den Tank abzuwerfen. Wenig später würde das Shuttle dann auf der Zielpiste normal landen. Für einen Shuttlestart muss mindestens eine der vorbestimmten Landeplätze gutes Wetter vorweisen. Auch diese Möglichkeit wurde noch nie verwendet.

Die letzte und gleichzeitig gefährlichste Abbruchart ist die Rückkehr zum Startplatz (RTLS). Sie wird nur dann verwendet, wenn alle anderen Abbruchsarten als Optionen ausgeschlossen werden können. Das Szenario sieht vor, dass das Shuttle mit seinen Triebwerken in Flugrichtung gedreht wird, und diese solange weiterlaufen, bis sie die aufgebaute Geschwindigkeit abgebaut haben. Anschließend verläuft der Flug wie ein TAL-Abbruch mit dem Ziel, am Startplatz niederzugehen. Sie wurde ebenfalls nie verwendet.

Sollten während der Startphase mehr als ein Triebwerk ausfallen, so bleibt als einzige Option eine Wasserung im Atlantik. Dazu wird der Orbiter in eine Höhe gebracht, aus der die Astronauten abspringen können, da sie eine Wasserung wahrscheinlich nicht überleben würden. Der Orbiter wird dann ferngesteuert auf der Meeresoberfläche aufgesetzt. Ein solches Szenario war vor dem Challengerunglück für die Besatzung in jedem Fall tödlich, da sie ausgenommen von den ersten Testflügen keine Fallschirme dabei hatten. Eine Wasserung wurde bisher nie durchgeführt.

Abbruch während Flug und Wiedereintritt

Während des Fluges besteht weiterhin die Möglichkeit, das Shuttle kurzfristig auf einem Notlandeplatz niedergehen zu lassen. Das wird beispielsweise angewendet, falls sich die Laderaumtüren nicht öffnen lassen. Für Flüge zu Raumstationen besteht außerdem die Möglichkeit, dass die Besatzung auf der Station verweilt, um sich später von einem anderen Shuttle abholen zu lassen. Diese Möglichkeit entstand als Reaktion auf das Columbia-Unglück im Jahr 2003 unter dem Namen CSCS (Contingency Shuttle Crew Support).

Ist der Wiedereintritt einmal eingeleitet, kann dieser nicht wieder abgebrochen werden. Deshalb wird seit STS-107 auf jedem Shuttle-Flug das Hitzeschild mithilfe verschiedener Methoden (siehe Rendezvous Pitch Maneuver, OBSS) überprüft und ggf. per Außeneinsatz repariert, bevor die Bodenkontrolle die Erlaubnis zur Rückkehr gibt. So sollen Unfälle wie jener der Columbia in Zukunft verhindert werden.

Risiken

Das Space Shuttle ist aufgrund seines Aufbaus mehr Risiken als einer Raumkapsel, wie sie beispielsweise im Apollo-Programm verwendet wurden, ausgesetzt. Bekanntestes Problem dabei ist spätestens seit dem Columbiaunglück der Hitzeschild. Dieser liegt entgegen dem Hitzeschild einer Raumkapsel offen und ist somit anfällig für Beschädigungen durch Weltraummüll, Mikrometeoriden oder abfallende Schaumstoffteile vom externen Tank. Obgleich eine Beschädigung an der Unterseite des Shuttles nicht zwingend als gefährlich anzusehen ist, kann eine Beschädigung an den vorderen Flügelkanten oder der Nase des Orbiters ernsthafte strukturelle Schäden während des Wiedereintritts hervorrufen, da an diesen Stellen Spitzentemperaturen von 1000 °C gemessen werden.

Auch die Startphase birgt mehr Risiken als ein Kapselsystem. So ist eine Rettung der Mannschaft zwar durch die oben genannten Methoden möglich, jedoch sind nicht alle zu jeder Zeit verfügbar. So lässt sich ein Abbruch mit Rückflug zum Startplatz oder einem TAL-Landeplatz erst nach dem Abwurf der Feststoffraketen einleiten; jedoch ist dies ab einer bestimmten Höhe nicht mehr möglich. Ein ATO- oder AOA-Szenario kommt erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit in Frage. Auch ein Abspringen kommt erst ab einer Mindesthöhe in Frage. Ein pyrotechnisches Rettungssystem, bei dem die Crewkabine vom restlichen Shuttle abgetrennt wird und dann an Fallschirmen niedergeht, wurde zwar geplant, dann aber, wie auch die bei den ersten Testflügen verwendeten Schleudersitze, aus Gewichts- und Effektivitätsgründen verworfen.

Verbesserungen

Aus sicherheits- und flugtechnischen Gründen wurden alle Orbiter mehrmals für umfangreiche Verbesserungen monatelang außer Dienst gestellt. Während dieser Orbiter Major Down Period, welche nach etwa 13 Flügen anstehen, werden umfangreiche Tests und Wartungsarbeiten am Orbiter durchgeführt. Zusätzlich wurden größere Verbesserungen vorgenommen. Während der letzten derartigen Revisionen wurde in die Orbiter ein sogenanntes Glascockpit eingebaut, das die alten Röhrenbildschirme ersetzte. Weitere Verbesserungen waren unter anderem der Bremsschirm, der bei der Landung verwendet wird, und das Station to Shuttle Power Transfer System, das es dem Shuttle erlaubt, Strom von der ISS zu beziehen. Nach dem Challengerunglück wurden diverse Verbesserungen an den Boosterverbindungen zum externen Tank vorgenommen, sodass diese nicht mehr abreißen können. Die Änderungen nach der Columbiakatastrophe betrafen hauptsächlich die Schaumstoffisolierung des Außentanks. Dieser sollte dann nicht mehr so leicht abplatzen und den Hitzeschutzschild des Shuttles beschädigen können. Darüber hinaus wurden Sicherheitsbedingungen und Startkriterien verschärft.

Kritik

Die Untersuchung des Columbia-Unglücks hat innerhalb der NASA schwere technische und organisatorische Mängel aufgezeigt, ähnlich wie früher bei der Challenger-Katastrophe. Um Kosten zu sparen, wurden viele Tätigkeiten, die für die bemannte Raumfahrt bei der NASA Standard waren, eingestellt. So wurden zum Beispiel die Zeichnungen des Shuttles nicht nachgeführt, obwohl bedeutende Änderungen vorgenommen wurden, sodass keine Basis für die notwendigen Verifikations-Modifikationen vorhanden war. Allgemein ist das gesamte Space-Shuttle-Programm durch den niederschmetternden Untersuchungsbericht in der Öffentlichkeit als veraltet und anfällig, weil zu kompliziert, in Misskredit geraten. Darüber hinaus zeigt der Bericht, dass unüberlegte Kostenreduktionen, die vom NASA-Administrator Daniel Goldin („faster, better, cheaper“) gefordert wurden, ernste Folgen haben können.

Ein startender Space Shuttle. Die Sonne steht hinter der Kamera, und der Schatten der Rauchsäule wird in der Erdatmosphäre in Richtung des Mondes geworfen.

Ein weiteres kleines Übel ist, dass die Wartungsarbeiten und die Herstellung von Ersatzteilen fast völlig von der Firma Boeing bzw. deren Tochterfirmen übernommen wird. Da deshalb Zehntausende von Menschen vom Space-Shuttle-Programm abhängen, so die Kritiker, erschien es in politischer Hinsicht lange Zeit als nichtopportun, das Programm zugunsten einer besseren Technologie ganz einzustellen. Allerdings gilt dies auch für Vorläuferprogramme (z. B. Apollo-Programm) oder zukünftige Programme mit dem Ziel eines bemannten Marsfluges. Sie benötigen enorme finanzielle Ressourcen, die zum größten Teil direkt oder indirekt an Luft- und Raumfahrtkonzerne fließen und dort Abhängigkeiten erzeugen.

Darüber hinaus kann das Space Shuttle teilweise als Fehlplanung erachtet werden: Der Kongress beschloss, sowohl für die US Air Force als auch für die NASA ein gemeinsames Trägersystem zu entwickeln, das alle bisherigen Trägerraketen ersetzen sollte. Weil das Space Shuttle jedem Partner genügen sollte, stelle die Raumfähre für den heute einzigen Betreiber, die NASA, ein suboptimales Produkt dar.

Kosten

Ein weiterer Kritikpunkt ist, dass die erhofften Transportpreise für „Weltraumgüter“ nie die angestrebten 200 US-Dollar pro Kilogramm erreicht haben – der Preis liegt nicht nur durch Lohnsteigerungen und Inflation der letzten 30 Jahren bedingt bei rund 16.000 US-Dollar. Folgende Gründe für diese Differenz zwischen Planung und Realität hierzu gibt es:

Durch den Verlust der Challenger musste ein neues Shuttle, die Endeavour, in Auftrag gegeben werden. Dieser ursprünglich nicht geplante Shuttle-Neubau hat das Programm über zwei Milliarden US-Dollar gekostet, obgleich sie teilweise aus Ersatzteilen der anderen Shuttles zusammengebaut wurde. Doch der Verlust der Challenger und später der Columbia kosteten das Programm nicht nur Geld, sondern auch Zeit, da mehrjährige Startverbote für die verbliebenen Shuttles erteilt wurden, in denen sie keine kommerziellen Projekte durchführen konnten und zudem kostenintensiv sonderüberprüft wurden. Gleichzeitig fehlte aber ein Shuttle, das seine Aufgaben erledigen konnte, da man mit einer Flotte von vier Shuttles kalkulierte.

Auch der Konkurrenzkampf im Raumtransportgeschäft nahm stetig zu. Bei der Ursprungsplanung war die einzige Konkurrenz zum Space Shuttle die Ariane-Rakete der ESA, die damals noch in den Kinderschuhen steckte, so dass kommerzielle Satellitenprojekte in der westlichen Welt nur durch die NASA ausgeführt werden konnten. Inzwischen ist die Ariane voll konkurrenzfähig, und auch Japan und Indien haben eigene Trägerraketen entwickelt. Weiterhin ist durch den Zusammenbruch der UdSSR und Russlands kapitalistischer Ausrichtung mit Roskosmos ein neuer weltweiter Konkurrent für kommerzielle Projekte entstanden, wie auch mit China, das ebenso eigene bemannte und unbemannte Raketenprojekte entwickelt hat.

Auch die rasante Hard- und Software-Entwicklung der letzten 30 Jahre ging am Space Shuttle nicht spurlos vorbei, so dass man auch hier dementsprechend die Shuttles andauernd nachrüsten musste. Auch strukturelle Probleme, die in der ursprünglichen Planung nicht vorgesehen waren, mussten kostenintensiv behoben werden. Zudem mussten die Shuttles für das Shuttle-Mir-Programm speziell umgebaut werden und konnten weniger Nutzlast in den Weltraum befördern. Eine NASA-Raumstation war zwar im Planungsstadium, aber weit entfernt von der Realisierung. Die Einsparungen der weiteren Entwicklung einer Raumstation gingen zu Lasten der Transportpreise der Shuttles, die dadurch weniger kommerziell eingesetzt werden konnten.

Beim Bau der ISS war man gezwungen, auf die Shuttleflotte zurückzugreifen, um die größten und schwersten Lasten in den Weltraum zu befördern. Bei diesen Flügen können keine oder nur kleine kommerzielle Nutzlasten transportiert werden, da die Shuttles am Rande ihrer Tragkapazität sind.

Nachfolger

Konzeptvorstellungen des leichten (links) und schweren (rechts) Ares-Trägers

Nach dem Verlust der Columbia legte US-Präsident George W. Bush am 14. Januar 2004 mit der Vision for Space Exploration ein neues, langfristiges Weltraumprogramm aus, welches die Ausmusterung des Space Shuttles zum 30. September 2010 vorsieht. Da es weiterhin ab 2018 bemannten Mondflüge und ab Mitte des Jahrhunderts auch Marsflüge vorsieht, wurde für das Constellation-Programm wieder auf herkömmliche Raketen und Raumkapseln zurückgegriffen, welche jedoch bewährte Technologie des Space Shuttle weiterverwenden sollen. So wurden die Ares-Raketenfamilie entwickelt, welche aus zwei Modellen besteht. Die Ares I soll ab 2014 das Orion-Raumschiff in einen niedrigen Erdorbit befördern. Für Mondmissionen wird die Ares V ab 2018 das Altair-Landemodul und die Earth Departure Stage in einen niedrigen Erdorbit bringen, wo sie die Ankunft der Crewkapsel erwarten.

Zum Nachfolger der Space Shuttles sollte ursprünglich der Venture Star werden. Da die Kosten jedoch bereits beim Bau des Prototypen X-33 weit über dem Plan lagen und heikle technische Probleme u. a. bei den Tankkonstruktionen auftraten, wurde das Projekt im Jahr 2001 gestoppt.

Verwandte Projekte

Von einer Reihe von geplanten Projekten zum Bau von wiederverwendbaren Raumfähren ist einzig die russische Buran-Fähre über die Entwurfsphase hinausgekommen und mit einem unbemannten Testflug erprobt worden. Das Programm wurde nach der Auflösung der Sowjetunion Anfang der 1990er Jahre gestoppt und die verbleibenden Fähren für Ausstellungen genutzt.

Siehe auch: Vergleich von Buran und Space Shuttle

Siehe auch

Literatur

David Baker: Die neuen Space Shuttles – Columbia, Enterprise & Co. Arena, 1979, ISBN 3401038826

Weblinks

Belege

  1. NASA überprüft spätere Außerdienststellung ihrer Space-Shuttles (englisch)
  2. Shuttles werden ausrangiert – NASA verkauft Raumfähren. ntv. Abgerufen am 18. Dezember 2008.
  3. NASA: Space Shuttle Transoceanic Abort Landing (TAL) Sites, Dezember 2006
  4. SPACE NEWS: NASA Eyes Alternative to Shuttle Main Engine for Heavylift, 20. März 2006 (englisch)


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