Raumfahrttechnik: Aufgaben der bemannten Raumfahrt

Raumfahrttechnik: Aufgaben der bemannten Raumfahrt

 

Die Erde zu verlassen und zu den Sternen zu fliegen, ist eine Vision, die schon die antiken Griechen in der Ikarus-Sage formulierten und die bis Jules Verne immer wieder literarisch gestaltet wurde. Aber der Raumflug wurde erst möglich, nachdem durch Kopernikus der Aufbau unseres Planetensystems deutlich geworden war, Newton die grundlegenden physikalischen Gesetze formuliert hatte und das technische Problem des Antriebs und der Stabilisierung von Raketen gelöst werden konnte.

 

An der Wende zum 20. Jahrhundert wird der Traum einer technisch begründeten Weltraumfahrt greifbar. Er beginnt mit den grundlegenden Schriften von Konstantin Ziolkowskij in Russland und Hermann Oberth in Deutschland und den Raketenversuchen, die von Pionieren wie Robert Goddard in den USA und Wernher von Braun in Deutschland durchgeführt wurden. Diese Männer definierten Ziele der Raumfahrt, die erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erreicht wurden (Raumstationen, Teleskope im erdnahen Weltraum, Flüge zu Mond und Mars).

 

»Raumfahrt« bedeutet also den Vorstoß des Menschen in den Kosmos in zweifacher Hinsicht: Zum Ersten erkunden vom Menschen konstruierte Sonden die Planeten unseres Sonnensystems, zum Zweiten strebt der Mensch danach, diese Welten selbst kennen zu lernen. Dementsprechend unterscheidet man die unbemannte und die bemannte Raumfahrt.

 

 Aufgaben und Voraussetzungen der bemannten Raumfahrt

 

Für die bemannte Raumfahrt gibt es im Wesentlichen drei Arten von Rechtfertigungsgründen: Der Mensch als Mechaniker und Laborant (Wartung), der Mensch als Wissenschaftler und Entdecker (Expedition) und der Mensch als Gegenstand der Forschung (Weltraummedizin). Nun könnte man die Frage stellen, ob sich Astronauten bei Erdumkreisungen oder bei Aufenthalten in einer Raumstation überhaupt im Weltraum befinden — schließlich liegen die Flughöhen astronomisch gesehen sehr nahe der Erdoberfläche. Dennoch können diese Unternehmungen insofern als echte Raumflüge gelten, als in der Höhe der Umlaufbahn die gleichen Zustände wie im Weltraum herrschen (Atmosphärelosigkeit, Strahleneinwirkung, Schwerelosigkeit, Temperatureinstrahlung) und die Astronauten mit allen Bedingungen und Zuständen einer Weltraumfahrt zu anderen Himmelskörpern Bekanntschaft machen.

 

Als wichtigstes Merkmal braucht ein bemannter Raumflug eine Raumkapsel. Sie hat die Aufgabe, die für die Piloten lebensnotwendigen Umweltbedingungen zu erhalten. Insbesondere muss sie den für die Atmung notwendigen Sauerstoff stellen, das ausgeatmete Kohlendioxid ausfiltern, die Temperatur innerhalb bestimmter, für den Menschen erträglicher Grenzen halten und ausreichend Nahrungsmittel an Bord haben.

 

Diese Funktionen werden durch technische Vorrichtungen innerhalb der Raumkapsel erfüllt. Nur außerhalb der Kapsel und als Sicherheitsmaßnahme während der Start- und Wiedereintrittsphasen bemannter Raumfahrzeuge müssen die Piloten einen Raumanzug tragen. Er enthält Vorrichtungen zur (Sauerstoff-)Versorgung und Temperaturregelung, die den Piloten beim Ausfall der Versorgungsanlage der Kapsel am Leben erhalten sollen. Verlässt der Pilot die Raumkapsel in der Umlaufbahn, so dient der Raumanzug (über Leitungen oder mitgeführte Behälter) unmittelbar der Atem- und Druckgasversorgung des Piloten.

 

Der Raumanzug ist ein absolut dichter Schutzanzug, der Astronauten vor Vakuum, Auskühlung und Strahlung im Weltraum bewahrt. Er ist aus bis zu 14 Schichten aus Nylon und aluminisierter Polyesterfolie (Mylar) aufgebaut. Zum Raumanzug gehört ein Versorgungstornister mit Sauerstoffvorrat und Geräten zur Temperaturregelung und Feuchtigkeitskontrolle. Mehrere vakuumdichte Reißverschlüsse erlauben das An- und Ausziehen des Raumanzugs.

 

 Das Apollo-Programm

 

Das zivile Raumfahrtprogramm »Apollo« soll hier beispielhaft skizziert werden, um die Herausforderung und die Komplexität eines bemannten Raumfahrtunternehmens zu illustrieren.

 

Das Programm wurde am 29. Juli 1960 von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA formuliert und von Präsident John F. Kennedy publikumswirksam bekannt gegeben. Das Programm hatte drei Hauptziele: Mondflüge mit drei Astronauten, den Bau von erdnahen Raumstationen und den Start unbemannter Sonden zu Mars und Venus.

 

Die Raumschiffe Apollo 1 bis Apollo 7 führten in den Jahren 1964 bis 1968 unbemannte Flüge zur Erprobung der Trägerrakete durch. Bei den mit jeweils drei Astronauten bemannten Flügen Apollo 8 bis 10 in den Jahren 1968 bis 1969 wurde die Erd- und die Mondumkreisung geprobt.

 

Mit Apollo 11 begannen die Mondflüge des Programms. Sie wurden mithilfe der 110 Meter hohen dreistufigen Trägerrakete Saturn 5 durchgeführt. Sie diente als Trägerrakete für das Apollo-Raumfahrzeug, das aus drei Teilen bestand, der Kommandokapsel, dem Versorgungs- und Geräteteil sowie der Mondlandefähre; die Gesamtmasse betrug 43 Tonnen.

 

Apollo 11 startete am 16. Juli 1969 mit den Astronauten Neil A. Armstrong, Edwin E. Aldrin und Michael Collins an Bord. Das Apollo-Fahrzeug flog nach dem Start mit einer Geschwindigkeit von 28 200 Kilometern pro Stunde zuerst in eine Wartebahn um die Erde ein, um dann, nach erneuter Zündung, auf die Flugbahn zum Mond einzuschwenken. Dann löste sich das Apollo-Fahrzeug von der dritten Stufe und legte innerhalb von rund drei Tagen die 380 000 Kilometer bis zum Mond unter Ausnutzung seiner kinetischen Energie antriebslos zurück. In der Nähe des Mondes ging das Raumfahrzeug in eine Umlaufbahn über. Hier begaben sich die beiden Astronauten Armstrong und Aldrin in das Mondlandegerät (Collins blieb im Mutterschiff auf der Mondumlaufbahn). Nach Zündung des Triebwerks dieses Landegeräts verließen sie die Umlaufbahn und landeten am 20. Juli 21.18 Uhr (MEZ) auf der Mondoberfläche im Mare Tranquillitatis. Am 21. Juli 3.56 Uhr (MEZ) betraten Armstrong und 13 Minuten später auch Aldrin als erste Menschen den Mond. Innerhalb von zwei Stunden führten sie einige Experimente durch und sammelten Mondmaterial ein, dann kehrten sie in die Mondumlaufbahn zum Apollo-Mutterschiff zurück. Nachdem die beiden Geräte sich angenähert und gekoppelt hatten (Rendezvous und Docking), wechselten die beiden Piloten in die Apollo-Kommandokapsel über und flogen darin im Verlauf von wiederum drei Tagen zur Erde zurück. Die Kapsel wasserte am 24. Juli 1969 im Pazifischen Ozean, 400 Kilometer südöstlich der Johnston-Insel.

 

Millionen Menschen verfolgten die Tätigkeit der zwei Astronauten auf dem Mond in einer Fernsehdirektübertragung. Die Astronauten sammelten 21 Kilogramm Gesteinsproben ein, stellten einen Reflektor für Laserstrahlen und ein Seismometer auf und setzten ein Segel zum Einfangen von Sonnenmaterie. Zurück blieben auf dem Mond die aufgestellte amerikanische Flagge neben den wissenschaftlichen Instrumenten und der Landeteil des LM mit einer Plakette, die die Inschrift trägt: »Wir kamen in Frieden, stellvertretend für die ganze Menschheit«.

 

Auch die nächsten Raumschiffe der Apollo-Serie landeten erfolgreich auf dem Mond, mit Ausnahme von Apollo 13, dessen Flug nach der Explosion eines Sauerstofftanks im Versorgungsteil abgebrochen werden musste.

 

 Bemannte Raumfahrt nach der Mondlandung

 

Die Nach-Apollo-Phase brachte von den US-Amerikanern lediglich die experimentelle Raumstation Skylab hervor. Sie wurde 1973 gestartet und war bis 1974 dreimal mit jeweils dreiköpfigen Astronautenteams bemannt, die die Station bis zu 84 Tage lang bewohnten. Danach wurde die Station aufgegeben und bewegte sich auf immer engeren Bahnen um die Erde, bis sie 1979 in die Erdatmosphäre eintrat und dort verglühte.

 

Im Juli 1975 koppelten die Kapsel Apollo 18 und die sowjetische Sojus 19 zum bemannten Apollo-Sojus-Projekt. Mit diesem Projekt wurden die Rendezvous- und Kopplungsvorrichtungen unterschiedlicher Raumfahrzeuge erfolgreich geprobt.

 

Die Sowjetunion setzte ihre bemannten Weltraummissionen mit bewährten Systemen wie Sojus (bemanntes Zubringerfahrzeug), Progress (unbemanntes Versorgungs- und Nachschubfahrzeug) und den bemannten Weltraumstationen Saljut und Mir fort. Saljut 1 war 1971 die erste Raumstation überhaupt. Sie hatte eine Lebensdauer von nur zwei Monaten. Die Stationen der Nachfolgegeneration (Saljut 6 und 7) waren betankbar und konnten sich so länger im Orbit halten. Saljut 6 war 1977—82 im All (davon zwei Jahre bemannt), Saljut 7 von 1982 bis 1988. An Bord der 1986 gestarteten Raumstation Mir steigerte der russische Kosmonaut Walerij Poljakow im März 1995 den Dauerflugrekord auf 439 Tage im All.

 

Mit der Einführung des Raumtransporters (»Spaceshuttle«) durch die NASA hat 1981 eine zweite Phase der Raumfahrt begonnen. Der Raumtransporter bringt für den Menschen wesentlich geringere physische Belastungen mit sich und erlaubt es damit, auch »Passagiere« (Wissenschaftsastronauten) mitzunehmen. Damit und wegen seiner Wiederverwendbarkeit gilt der Shuttle auch als eine Voraussetzung für den Bau bemannter Raumstationen.

 

Das erste Programm wurde im März 1984 in den USA begonnen. Die Euphorie erlitt jedoch einen empfindlichen Rückschlag mit dem Challenger-Unglück am 28. Januar 1986. Durch einen versprödeten Dichtungsring am Treibstofftank explodierte der mit sieben Astronauten besetzte Raumtransporter Challenger wenige Sekunden nach dem Start und verglühte. Alle Insassen kamen dabei ums Leben. Dieser Unglücksfall zwang die Amerikaner zu einer fast dreijährigen Pause im bemannten Weltraumflug. Erst im September 1988 startete wieder eine verbesserte US-amerikanische Raumfähre (Discovery).

 

 Die Internationale Raumstation ISS

 

Die Internationale Raumstation (ISS) hat eine lange Vorgeschichte, die bis zu den Anfängen der Raumfahrt zurückgeht. Bereits Konstantin Ziolkowskij und Hermann Oberth hatten in ihren Arbeiten Raumstationen als Laboratorien oder Beobachtungsplattformen im erdnahen Weltraum vorgeschlagen. In seinem Buch »Die Rakete zu den Planetenräumen« prägte Oberth als Erster den Begriff »Raumstation«. Im Jahr 1952 veröffentlichte von Braun unter dem Titel »Crossing the Last Frontier« eine Studie über eine große, radförmige Raumstation.

 

Die erste Raumstation — Saljut 1 — wurde 1971 von der damaligen UdSSR gestartet; die USA brachte aus »Restbeständen« des Apollo-Programms (3. Stufe der Saturn-5-Rakete) die Raumstation Skylab zwei Jahre später in die Umlaufbahn. Erfahrungen mit dem mehrjährigen Betrieb von Raumstationen wurden in den Folgejahren mit den Raumstationen Spacelab und Mir gesammelt.

 

Im November 1998 startete das erste Element für die Internationale Raumstation vom russischen Weltraumbahnhof Baikonur. Dieser Start leitete eine neue Phase der internationalen Zusammenarbeit im Weltall ein: Neben den großen Raumfahrtnationen Russland und USA beteiligen sich auch Japan, Kanada, Europa und Brasilien an diesem Projekt, das für die nächsten 15 Jahre Experimente und Forschungen in der Schwerelosigkeit ermöglichen wird. Damit verwirklicht sich die von Ziolkowskij und Oberth gedanklich vorweggenommene Vision.

 

Bis Ende des Jahres 2003 soll die 470 Tonnen schwere Raumstation zusammengebaut sein. Sie wird die Erde in einem Orbit mit einer Bahnhöhe von 350—450 Kilometern und einer Inklination von 51,6 Grad umkreisen; die Zeit für eine Erdumrundung liegt bei etwa 90 Minuten. Die Station soll in der Endausbaustufe (ab Ende 2003) eine Spannweite von 107 Metern und eine Länge von 80 Metern haben, dazu kommen die Solarpaneele mit 2400 Quadratmetern Fläche. Das Gesamtvolumen wird bei 1200 Kubikmetern liegen, das nutzbare Innenvolumen entspricht etwa dem zweier Jumbojets B-747. Der Aufbau wird wahrscheinlich 36 Flüge des Spaceshuttles und neun Flüge russischer Raketen sowie etwa 1500 Montagestunden von Astronauten im Außenraum erfordern.

 

Die Raumstation ISS wird aus mehreren Modulen zusammengebaut. Sie enthält sechs Forschungslabors (zwei amerikanische, zwei russische, je eine europäische und japanische), zwei Wohneinheiten (eine russische und eine amerikanische) und vier Versorgungsmodule (Stromversorgung, Treibstoff). Verbunden werden diese Module durch drei Knotenelemente. Die Station verfügt ferner über drei Roboterarm-Systeme (je eines von Kanada, Europa und Japan gestellt), mit denen die Außenaktivitäten der Astronauten ermöglicht werden. Es soll eine ständige Besatzung von sieben Astronauten geben.

 

Versorgt wird die Raumstation über vier Systeme: den US-amerikanischen Spaceshuttle, die Proton-Trägerrakete (Russland), die europäische Ariane/ATV-Rakete und die H-IIA-Trägerrakete aus Japan. Für die Rückkehr der Astronauten sind drei Systeme vorgesehen, der Spaceshuttle (USA), die russischen Sojus-Kapseln und das von den USA und Europa gemeinsam geplante, noch zu entwickelnde System CRV.

 

Die Kosten der Station werden zurzeit auf 20—50 Milliarden US-Dollar veranschlagt, von denen die europäischen Länder rund acht Prozent tragen sollen. Experten gehen allerdings davon aus, dass diese Beträge noch überschritten werden.

 

Ein Problem im Zeitplan könnte durch die politisch gewollte Einbindung Russlands entstehen. Die Finanzprobleme Russlands haben zu Verzögerungen bei der Fertigstellung von Modulen geführt, sodass der Beginn des Zusammenbaus bereits von 1997 auf 1998 verschoben werden musste. Auch für die Zukunft zeichnet sich ab, dass einzelne Teile nicht im geplanten Zeitrahmen oder mit den ursprünglich vorgesehenen Spezifikationen geliefert werden können. Möglicherweise wird daher die Station erst 2005 fertig gestellt werden können. Die NASA hat bereits Veränderungen an eigenen Modulen vorgenommen und Vorkehrungen getroffen, um die Zahl der russischen Versorgungsflüge zu reduzieren.

 

Die ISS ist ein multinationales Projekt, bei dem jedes Teilnehmerland einen Teil der Module beziehungsweise Komponenten entwickelt oder beistellt. Im Prinzip ist auch die Nutzung so geregelt, dass jedes der Länder »seine« Module oder Komponenten benutzen kann. Um aber die Einrichtungen optimal zu nutzen und Dopplungen zu vermeiden, soll mithilfe von Verträgen die Nutzung »internationalisiert« werden. Demnach sollen die beteiligten Partner entsprechend der entwickelten und bereitgestellten Elemente und Beiträge proportional Zugang zur Nutzung der Gesamtanlage erhalten. Dadurch hätte zum Beispiel Kanada, dessen Beitrag der große externe Manipulatorarm ist, die Möglichkeit, in gewissem Umfang innerhalb der Module Experimente durchzuführen. Die Bereitstellung von Nutzungsmöglichkeiten kann aber auch gegen andere Aktivitäten getauscht werden, welche andernfalls gegen Bezahlung beansprucht werden müssten. So wird zum Beispiel das europäische Modul COF (Columbus Orbital Facility) von den Amerikanern mit dem Spaceshuttle ins All transportiert; im Austausch dafür erhält die NASA zwei Knotenelemente, Kühlanlagen und Wartungsdienste von der ESA. Weiterhin stellt die ESA bereits vor der Integration des COF an die Raumstation verschiedene Geräte und Komponenten zur Verfügung, sodass in Gegenleistung dafür Nutzungsmöglichkeiten im amerikanischen Forschungsmodul und auf externen Plattformen bereitgestellt werden.

 

Auf dieser Basis von nationalem Eigentum, gemeinschaftlicher Nutzungsvereinbarung und Tauschgeschäften stehen der europäischen Raumfahrtagentur ESA mehrere Nutzungsmöglichkeiten zur Verfügung. In der frühen Nutzungsphase — beginnend 2001 bis zur Integration des COF an die Raumstation im Februar 2003 — können drei Viertel der Kapazität eines Experimentschranks im ISPR (International Standard Payload)-Format des amerikanischen Forschungsmoduls genutzt werden. Zusätzlich besteht Zugang zu drei externen Paletten (etwa vier Quadratmeter). In der Routine-Nutzungsphase — nach der Integration des COF im Februar 2003 — stehen im COF fünf ISPR-Experimentschränke zur Verfügung, welche entsprechend den europäischen Nutzervorstellungen ausgestattet werden können. Zudem können zwei externe Plattformen genutzt werden, die am Endkonus des COF angebracht werden. In dieser Phase sind entsprechend dem ermittelten europäischen Beitrag 8,3 Prozent des Ressourcenvolumens (also Energieversorgung, Datenübertragung, Transportkapazität und so weiter) und der Crewzeit für die ESA reserviert.

 

Zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten außerhalb des europäischen COF — zum Beispiel im russischen Teil der Raumstation — können unabhängig davon auf bilateraler Basis verabredet und vereinbart werden.

 

Prof. Dr. Hans-Joachim Blome und Dr. Jens Fromm

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Raumfahrttechnik: Erdbeobachtung

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Weltraum: Ein einzigartiger Forschungsstandort

 

Literatur:

 

Bizony, Piers: Die internationale Raumstation. Eine Vision wird Wirklichkeit. Aus dem Englischen. München u. a. 1997.