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Space Shuttle

Space Shuttle

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. Der offizielle Name lautet Space Transportation System (STS).

Die nächste Space-Shuttle-Mission ist STS-125. Der Start der Raumfähre Atlantis ist für den 8. Oktober 2008 geplant. Dieser Flug ist die letzte Service-Mission für das Hubble-Weltraumteleskop. Da es von der geplanten Umlaufbahn nicht möglich ist, in Notfällen die ISS zu erreichen, wird gleichzeitig die Raumfähre Endeavour für einen Start als Rettungsmission STS-400 vorbereitet.

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 fünf mal so viel wie ein Start mit einem unbemannten Fahrzeug gleicher Nutzlastkapazität.

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

Der Space Shuttle als Trägerrakete wird in den nächsten Jahren ausgedient haben. Aktuelle Planungen gehen von einer Außerdienststellung im Herbst 2010 aus, nachdem die Internationale Raumstation fertig aufgebaut ist. Als Nachfolger ist derzeit die Ares-Rakete in Entwicklung.

Geschichte

Erste Konzepte

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 wurde 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, kleine 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 des selben 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 selbst finanzieren 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, welche nur mit der Raumfähre in den Orbit gebracht werden konnten. Diese Intervention verhinderte ein vorzeitiges Ende des Space-Shuttle-Programms.

Erprobung

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 1976 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 zerlegte 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 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 zur Startrampe 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 verbrannt. Zudem wird ein Wassersprinklersystem aktiviert, das die gewaltige Druckwelle etwas mindert und so die Startrampe vor Schäden bewahrt.

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.

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 weitere 20 km hoch. Dann erst fallen sie zurück und erreichen eine Sinkgeschwindigkeit von 370 km/h. Bevor die SRBs auf die Meeresoberfläche treffen, 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. 7700 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 ihren kleinen Manövriertriebwerken 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 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, welche 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

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 Gleitwinkel beim Aufsetzen ca. 17 bis 18°, während er bei Verkehrsflugzeugen um die 2 bis 3° liegt.

Seit 1992 wird bei der Landung ein Bremsfallschirm 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).

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.[1] 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

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

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 vier mal von einem Space Shuttle zwecks Reparatur besucht wurde. Einen letzten Besuch wird das Teleskop gegen Ende 2008 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, welche 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, welche dann beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verglühte, wobei die sieben Astronauten an Bord ums Leben kamen. Der letzte Flug eines Spacehab-Logistikmoduls war die Mission STS-118.

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

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 Elemente 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 neun mal 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 2008 (nach STS-123)

Shuttle Flugzeit Orbits Zurückgel.
Strecke
Einsätze Längster Einsatz Crews 1 EVAs 2 MIR / ISS
Kopplungen
Satelliten
und Sonden
ausgesetzt 3
Columbia 300d 16h 47min 1s 4.801 ca. 200 Mio. km 28 17d 15h 53min 19s 160 7 0 / 0 84
Challenger 62d 7h 56min 15s 1.093 ca. 41,3 Mio. km 10 8d 05h 23min 33s 60 6 0 / 0 9 (1)
Discovery 296d 13h 58min 27s 4.819 ca. 190,7 Mio. km 34 15d 02h 22min 59s 207 39 1 / 8 23 (8)
Atlantis 258d 09h 0min 34s 4.074 ca. 171,0 Mio. km 29 13d 20h 11min 34s 147 31 7 / 9 14 (1)
Endeavour 235d 2h 18min 48s 3.708 ca. 159,1 Mio. km 21 16d 15h 8min 46s 134 38 1 / 8 5 (3)
Gesamt 1153d 2h 1min 5s 18.495 ca. 762,1 Mio. km 122 17d 15h 53min 19s 5 708 121 9 / 25 59 (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.
5: STS-80

Technik

Feststoffbooster

Hauptartikel: Space Shuttle Solid Rocket Booster

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

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

Die Hauptkomponente des Shuttle-Systems stellt der Orbiter dar. In ihm befinden sich die Mannschaftsräume und das Cockpit (Flightdeck) sowie die 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

Der Orbiter verfügt über drei große Haupttriebwerke, die Space Shuttle Main Enignes, 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.[2]

Hilfsantriebe

Neben den Haupttriebwerken verfügt der Orbiter über 46 mittlere und kleinere Triebwerke, welche 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.

Liste der Space Shuttles

(In der Liste der Space-Shuttle-Missionen findet sich eine chronologische Aufstellung aller Space-Shuttle-Missionen.)

Nr. Name OV-Nr. Erstflug Erste
Mission
Letzte
Mission
Aktuelle/
nächste
Mission
Bemerkung
1 Pathfinder OV-98 Handlingsmodell aus Stahl für die Bodenanlagen, nicht flugfähig (Verbleib: U.S. Space & Rocket Center in Huntsville, Alabama)
2 Enterprise OV-101 Nur atmosphärische Erprobungs-Gleitflüge, nicht raumflugfähig (Verbleib: Smithsonian-Steven F. Udvar-Hazy Center, Washington,DC)
3 Columbia OV-102 12. April 1981 STS-1 STS-107 Am 1. Februar 2003 beim Wiedereintritt zerstört, Mannschaft kam ums Leben; erster raumflugfähiger Orbiter
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. Mannschaft kam ums Leben.
5 Discovery OV-103 30. August 1984 STS-41-D STS-124 STS-119 Gelandet am 14. Juni 2008 um 15:15 UTC, nächster Einsatztermin voraussichtlich am 4. Dezember 2008
6 Atlantis OV-104 3. Oktober 1985 STS-51-J STS-122 STS-125 Gelandet am 20. Februar 2008 um 14:07:10 UTC, nächster Einsatztermin voraussichtlich am 8. Oktober 2008
7 Endeavour OV-105 7. Mai 1992 STS-49 STS-123 STS-126 Gelandet am 27. März 2008 um 00:39:08 UTC,

nächster Einsatztermin voraussichtlich am 10. November 2008, Ersatzorbiter für Challenger

Liste der Space-Shuttle-Modelle

Nr. Name Zu Besichtigen in Bemerkung
1 America Themenpark Six Flags Great America in Gurnee, Illinois Raumflugsimulator
2 Explorer Kennedy Space Center, Florida Innenraum ist begehbar
3 Adventure Johnson Space Center, Houston, Texas Nachbildung des Mittel- und Flugdecks

Aufnahmen von Shuttlestarts

Space Shuttles Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis und Endeavour

Weitere Entwicklung

Nach dem Verlust der Columbia wurde den verbleibenden Shuttles ein zweieinhalbjähriges Startverbot erteilt. Die Raumfähren haben mit dem Start der Discovery zur Mission STS-114 am 26. Juli 2005 ihren Dienst in verbesserter Version wiederaufgenommen. Da sich jedoch beim Start wieder mehrere, darunter auch größere Stücke der Isolierschaumabdeckung des externen Tanks gelöst haben und somit den Hitzeschild der Discovery beschädigen könnten, setzte die NASA alle weiteren Shuttle-Starts bis zur Behebung des Problems aus. Wie der NASA-Administrator Michael Griffin am 29. Juli 2005 erklärte, sollte das Startverbot nicht lange dauern, so dass die Shuttlemissionen mit STS-121 am 4. Juli 2006 wieder aufgenommen wurden. Auch wurden bei den Untersuchungen im Orbit nur geringfügige Beschädigungen am Hitzeschild der Discovery gefunden, die keine Gefahr bei dem Atmosphärenwiedereintritt darstellten.

Nach der Bekanntgabe des neuen Weltraumprogramms von US-Präsident George W. Bush am 14. Januar 2004 wird das Space-Shuttle-Programm jedoch nur noch bis zum Jahr 2010 weiterbetrieben. Ob die USA somit ihre Transportaufgaben zur Fertigstellung der ISS überhaupt noch leisten werden, ist unklar.

Zum Nachfolger der Space Shuttles sollte 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.

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

Im oben erwähnten Weltraumprogramm Vision for Space Exploration wird ein Crew Exploration Vehicle (CEV) angekündigt, dessen Entwicklung derzeit angegangen wird. Das Raumschiff wurde später auf den Namen Orion getauft. Bis zum 2. Mai 2005 lief die Bewerbungsphase, seitdem liegen zwei Konzepte vor: Eines von Northrop Grumman/Boeing und eines von Lockheed Martin. Die Entscheidung ist Ende August 2006 für Lockheed Martin gefallen.

Zudem gibt es Pläne für die früher Shuttle Derived Launch Vehicle (SDLV) genannte Ares-Raketenfamilie, die Elemente des heutigen Shuttles, wie den Außentank, die Feststoffbooster und die Haupttriebwerke SSME verwendet. Ein „leichter“ Träger (etwa in der Größenordnung einer Delta IV Heavy) soll für den Transport des CEV verwendet werden, ein schwerer soll Schwerlasttransporte für das bemannte Mond- und Marsprogramm übernehmen.

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 nachgearbeitet, 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 bei der Öffentlichkeit als veraltet und anfällig, weil zu kompliziert, in Misskredit geraten. Weiterhin zeigt der Bericht, dass unüberlegte Kostenreduktionen, die vom NASA-Administrator Goldin („faster, better, cheaper“) gefordert wurden, ernste Folgen haben können.

In einer BBC-Dokumentation über die Entwicklung des Space Shuttles (dt.: „Der Traum, der vom Himmel fiel“) wurde dieses System mit einem „Ritt auf einer Dynamitstange, begleitet von zwei Feuerwerkskörpern“ verglichen, um Mängel bei der Konzeption darzustellen. Mit zwei Totalverlusten (14 Tote) bei 120 Flügen ist der Shuttle im Vergleich zu anderen Trägersystemen rechnerisch dennoch zuverlässig.

Das Shuttle verfügt allerdings nicht, wie z. B. die Apollo- oder Sojus-Raumschiffe, über ein Rettungssystem für die Mannschaft. Eine Rettungsmöglichkeit ist während des größten Teils der Startphase nicht vorgesehen und eine pyrotechnisch-automatisierte Rettung vom Starttisch nicht vorhanden. Die Schleudersitze für Pilot und Copilot der ersten Testflüge und eine projektierte Rettungskapsel wurden aus Gewichts- und Effektivitätsgründen gestrichen. Die möglicherweise etwas sichereren Flüssigkeitstreibstoffbooster einer frühen Projektphase wurden vor allem aus Kostengründen durch die heutigen Feststoffraketen ersetzt. Es bleibt bei Notfällen die Möglichkeit einer verkürzten Flugbahn bzw. die manuelle Rettung der Astronauten mittels einer Seilbahn vom Startturm oder Fallschirmen über die Ausstiegsluke. Dies ist aber nicht in jeder Flugphase möglich.

Als immer größeres Manko stellte sich der Hitzeschild heraus, welcher aus rund 20.000–30.000 kleinen Keramikkacheln besteht. Immer wieder fanden NASA-Ingenieure nach der Landung beschädigte oder verloren gegangene Kacheln. Die Schäden betrafen bis zum Verlust der Columbia 2003 jedoch nie einen lebenswichtigen Teil des Raumschiffes.

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 nicht opportun, 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 Mars-Fluges. 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 bei rund 16.000 US-Dollar. Folgende Gründe für diese Differenz zwischen Planung und Realität hierzu gibt es:

Verwandte Projekte

Von einer Reihe von geplanten Projekten zum Bau von wiederverwendbaren Raumfähren ist einzig die russische Buran-Fähre über die Entwurfsphase hinaus gekommen 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

 Commons: Space Shuttle – Bilder, Videos und Audiodateien
 Wikinews: Space Shuttle Themenportal – Nachrichten

Belege

  1. NASA: Space Shuttle Transoceanic Abort Landing (TAL) Sites, Dezember 2006
  2. SPACE NEWS: NASA Eyes Alternative to Shuttle Main Engine for Heavylift, 20. März 2006 (englisch)