Shuttle-Mission

 

 

 

Vorbereitung & Countdown

 

 

Shuttle-Mission – Vorbereitung & Countdown

 

Die Vorbereitung für eine Shuttle-Mission im engeren Sinn begann mit dem Zusammenbau der einzelnen Elemente des Shuttle-Systems. Zunächst wurden die Segmente der beiden Feststoffbooster zusammengesetzt. Das geschah im Vehicle Assembly Building (VAB) auf der mobilen Startplattform, mit der das Shuttle später zur Startrampe gefahren wurde.

Danach wurde der Außentank, der mit einer Spezialfähre auf dem Wasserweg zum Kennedy Space Center gebracht wurde, mit den beiden Boostern verbunden. Zuletzt wurde der Orbiter ins VAB gebracht und an den Außentank montiert. Kurz darauf wurde das ganze System zu einer der beiden Startrampen, LC-39A oder LC-39B, gefahren.

Auf der Startrampe wurden die letzten Vorbereitungen für die Shuttle-Mission durchgeführt. Meist wurde die Hauptnutzlast erst hier in den Frachtraum des Orbiters eingebaut.

Etwa 70 Stunden vor dem geplanten Startzeitpunkt der Shuttle-Mission begann der Countdown bei der T-43-Stunden-Marke. Planmäßig wurde der Countdown mehrere Male unterbrochen – das erklärte die Differenz von rund 27 Stunden. Damit wurde eine gewisse Standardisierung der Countdown-Prozedur erreicht: die gleichen Arbeiten wurden immer zur gleichen Countdown-Zeit ausgeführt.

Während der gesamten Zeit auf der Rampe, die meist mehrere Wochen betrug, war das Shuttle durch die 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 wurde, bevor sie in die Ladebucht der Raumfähre eingebaut wurde. Diese Struktur wurde erst am Vortag des Starts der Shuttle-Mission weggeschwenkt.

Rund zehn Stunden vor dem Start der Shuttle-Mission wurde mit dem Befüllen des Außentanks mit flüssigem Wasserstoff (-252 °C) und flüssigem Sauerstoff (−180 °C) begonnen. Diese Prozedur dauerte drei Stunden. Danach, etwa vier Stunden vor dem Start, begab sich die Mannschaft in den Orbiter.

Ab neun Minuten vor dem Start der Shuttle-Mission wurden alle Vorgänge von den Computern des Startkontrollzentrums, dem Ground Launch Sequencer, überwacht. Ein manuelles Eingreifen in den Countdown war noch bis 31 Sekunden vor dem Abheben möglich. Danach konnte der Start nur noch vom Bordcomputer des Space Shuttle abgebrochen werden.

 

Start & Aufstieg der Shuttle-Mission

 

Das Sound Suppression Water System wurde 16 Sekunden vor dem Abheben aktiviert. Diese Vorrichtung goss innerhalb von 20 Sekunden 1135 Kubikmeter Wasser auf den Bereich unter den Haupttriebwerken und Boostern, um Shuttle und Nutzlast vor Schäden durch die auftretenden enormen Schallwellen zu bewahren.

Um zu verhindern, dass austretender Wasserstoff Knallgasexplosionen erzeugt und die empfindliche Computersteuerung der Triebwerke beeinträchtigt, wurde 10 Sekunden vor dem Abheben das elektrische Funkensprühsystem (main engine hydrogen burnoff system) aktiviert. Außerdem wurden die Brennkammern der Triebwerke durch die Turbopumpen gefüllt und unter Druck gesetzt.

Die eigentliche Startsequenz wurde dann, mit den jeweils um 140 Millsekunden versetzten, Zündungen der drei Haupttriebwerke 6,6 Sekunden vor dem Abheben eingeleitet. Die Triebwerke wurden während des Betriebs mit flüssigem Wasserstoff gekühlt.

Nachdem die Haupttriebwerke gezündet waren, schwankte das gesamte Shuttle (mit Tank und Boostern) an der Spitze rund drei Meter nach vorn, weil die Triebwerke des Orbiters sich leicht hinter dem Schwerpunkt des gesamten Shuttle befanden. Danach schwang es wieder zurück.

Während dieser Zeit wurde das korrekte Hochfahren der Haupttriebwerke überprüft, denn noch konnten sie wieder abgeschaltet werden. Wenn das Shuttle wieder genau senkrecht stand, zündeten die zwei Feststoff-Zusatzraketen (SRB, Solid Rocket Booster).

Bis zu diesem Zeitpunkt wurden die Booster durch Bolzen an der Startrampe festgehalten. Diese wurden wenige Sekundenbruchteile nach Zündung der SRBs teilweise gesprengt, wodurch sie aus der Halterung rutschten und das ganze Shuttle zum Start freigaben.  Anschließend hob das Space Shuttle ab.

Shuttle-Mission - STS-117 Startvorgang

Die beiden SRBs hatten eine Brennzeit von etwa zwei Minuten und produzieren rund 80 Prozent des Gesamtschubs.

Sie verbrannten rund 4 Tonnen festen Brennstoff pro Sekunde. Insgesamt trieben 10–12 Tonnen Treibstoff und Sauerstoff pro Sekunde das Shuttle nach oben.

Der Tankinhalt einer Boeing 737 wäre dabei in 2 Sekunden aufgebraucht. Nachdem sie ausgebrannt waren, wurden sie in einer Höhe von rund 50 km abgetrennt, stiegen jedoch durch ihre hohe Geschwindigkeit noch auf 70 km Höhe.

Dann erst fielen sie zurück und erreichen eine Sinkgeschwindigkeit von 370 km/h.

Bevor die SRBs auf die Meeresoberfläche auftrafen, wurden in knapp zwei Kilometern Höhe jeweils drei Fallschirme in den Nasen aktiviert.

Mit etwa 80 km/h fielen die Booster schließlich in den Atlantischen Ozean.

Zwei Bergungsschiffe der NASA (die Liberty Star und die Freedom Star) nahmen die leeren Hüllen auf und schleppten sie zum Kennedy Space Center zurück, wo sie für die Wiederverwendung vorbereitet wurden.

Nach der Abtrennung der Booster flog das Space Shuttle nur mit Hilfe seiner Haupttriebwerke weiter. Nach ungefähr achteinhalb Minuten Brenndauer wurde kurz vor Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit (mit circa 7700 m/s) der Außentank in rund 110 km Höhe abgeworfen. Er verglühte größtenteils in der Atmosphäre, nachdem er eine halbe Erdumrundung absolviert hatte. Die übrigen Teile des Tanks fielen in den Pazifik.

 

Arbeit im Orbit

 

Die Arbeiten im Orbit, die sogenannten On-Orbit-Operations begannen mit dem Öffnen der Ladebuchttore. Das war zwingend nötig, da auf den Innenseiten dieser Tore Radiatoren angebracht waren, die für die Kühlung des Orbiters sorgten. Konnten die Tore nicht geöffnet werden, musste die Mission sofort abgebrochen werden.

Das Space Shuttle konnte sehr vielfältig eingesetzt werden.

Typische Aufgaben für eine Mission bestanden im Aussetzen bzw. Einfangen von Satelliten, dem Durchführen von wissenschaftlichen Experimenten oder dem Ausführen von Aufbauarbeiten an einer Raumstation, wie der ISS oder früher der Mir.

Für wissenschaftliche Arbeiten konnte ein Labor wie Spacelab oder Spacehab mitgeführt werden. Diese Labors boten je nach Konfiguration Möglichkeiten für Experimente im freien Weltall oder in einem bemannbaren Modul.

Shuttle-Mission - Shuttle-Schnittdarstellung

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

 

Landung der Shuttle-Mission

 

Zum Verlassen der Umlaufbahn wurde die Raumfähre entgegen der Umlaufrichtung gedreht. Die OMS-Triebwerke wurden für ungefähr drei Minuten gezündet (sog. deorbit-burn), wodurch das Space Shuttle um etwa 300 km/h verlangsamt wurde.

Danach wurde die Raumfähre mit ihrer Nase wieder in Flugrichtung gedreht. Durch das Bremsmanöver verließ der Orbiter die bisherige Umlaufbahn und wechselte aus seiner Kreisbahn in eine ellipsenförmige Bahn mit einem Perigäum von 80 km.

Nach knapp einem weiteren halben Erdumlauf trat es in die äußeren Schichten der Atmosphäre ein und wurde dort aerodynamisch weiter abgebremst. Die Lageregelungstriebwerke (RCS) wurden auf einer Flughöhe von etwa 15.000 Metern deaktiviert; Anflug und Landung erfolgen antriebslos, es gab also nur einen einzigen Versuch.

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wurde die Raumfähre durch spezielle Hitzeschutzkacheln an der Front- und Unterseite vor der extremen Hitze der Druckfront von bis zu 1650 °C geschützt. Bereits kurz nach dem Wiedereintritt, noch mehrere hundert Kilometer entfernt, erhielt sie von der vorgesehenen Landebahn Leitsignale.

In einer Höhe von rund 13 km begann die aerodynamische Phase der Landung, in der der Orbiter in antriebslosem Flug (Gleitflug mit einem Gleitverhältnis von 4,5) die verbliebene Restenergie sukzessiv abbaute. Der Gleitweg wurde nötigenfalls korrigiert, indem Schlangenlinien geflogen wurden.

Der letzte Teil des Anflugs bestand aus drei Phasen:

  1. Ausrichtung auf die Landebahn im Heading Alignment Circle (12,8 km vor Landebahn, Endhöhe 3660 m)
  2. Steiler Endanflug (bis 610 m Höhe)
  3. Abflachung des Gleitwinkels mit Landung
Shuttle-Mission - Shuttle ist nach der Landung offen

Am Ende der ersten Phase waren Fluglage, Richtung, Höhe und Geschwindigkeit für die Landung optimiert. Bis zur Phase drei betrug der Gleitwinkel etwa 17 bis 18° (gegenüber 2 bis 3° bei Verkehrsflugzeugen) bei einer Geschwindigkeit von etwa 500 km/h. In der dritten Phase wurde der Gleitwinkel durch Änderung des Anstellwinkels auf 1,5° verringert.

Das Shuttle setzte mit einer Geschwindigkeit von rund 340 km/h, etwa dem Anderthalbfachen eines Verkehrsflugzeug („preflare“ Phase), mit seinem 30 Sekunden vorher ausgefahrenen Fahrwerk auf der Landebahn auf.

Zur Verkürzung des Bremswegs wurde ein Bremsschirm verwendet.

Erst bei Erreichen einer niedrigeren Geschwindigkeit kamen dann die Bremsen des Fahrwerks zum Einsatz.

Der Pilot durfte das Shuttle kurzzeitig selbst fliegen, musste dann jedoch an den Kommandanten übergeben, der die Landung durchführte. Jedoch war der Pilot für das Ausfahren des Fahrwerks und das Auslösen des Bremsschirms verantwortlich.

Schlechte Wetterbedingungen am Hauptlandeplatz machten es mitunter erforderlich, auf günstigere Orte auszuweichen. Seit 1991 war grundsätzlich 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 worden war.

Wenn das Wetter eine Landung in Florida unmöglich machte, standen der NASA zwei Alternativen zur Verfügung. Erster Ausweichflughafen war die Luftwaffenbasis Edwards (Kalifornien), wo auch die Erprobung der damals neuentwickelten Raumfähre durchgeführt wurde, zweiter Ausweichstandpunkt war White Sands (New Mexico) (nur eine Landung, STS-3 1982).

Daneben gab es rund um die Welt weitere Notlandeplätze für die Startphase und den weiteren Missionsverlauf. Es wurde unter anderem unterschieden in East Coast Abort Landing Sites (ECAL) in den USA und Kanada und Transoceanic Abort Landing Sites (TAL).

Letztere waren unter anderem die Istres Air Base in Frankreich sowie Zaragoza Air Base und Moron Air Base in Spanien. Weitere Flughäfen, die für eine Landung des Space Shuttle zertifiziert waren, waren u. a. die deutschen Flughäfen Köln/Bonn, München und der Luftwaffenstützpunkt Ingolstadt-Manching.

War es erforderlich, dass das Shuttle an einem anderen Ort landete als in Florida, wurde es huckepack auf einer modifizierten Boeing 747 (dem sogenannten Shuttle Carrier Aircraft, SCA) dorthin zurücktransportiert.

Shuttle-Mission - Start zum Transport von Ewards SCA

Um die Aerodynamik bei diesem Überflug zu verbessern, wurde am Heck des zu transportierenden Shuttle eine nach hinten spitz zulaufende Abdeckung angebracht, die die Triebwerke des Shuttle verdeckt.

Anmerkungen

Autorenliste Wikipedia

Copyright Fotos / Grafiken v.o.n.u.v.l.n.r.: Matrek ,  NASA/Jim GrossmannNASANASA/Tom TschidaNASA/Carla Thomas 

Lizenzbestimmungen Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported (abgekürzt)