ATV - Europas Raumtransporter für die Versorgung
der Internationalen Raumstation
Berlin, ILA 2006, 17 Mai 2006
EADS SPACE Transportation entwickelt und baut im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA den unbemannten Raumtransporter ATV (Automated Transfer Vehicle) zur Versorgung der Internationalen Raumstation. Nach abgeschlossener Integration des ersten Flugmodells mit dem Namen „Jules Verne“ steht der Erstflug im Jahre 2007 an. ATV gehört zu den größten und technologisch anspruchsvollsten Raumfahrzeugen, die je in europäischer Kooperation entwickelt und gebaut wurden.
Die Mission des ATV
Im Rahmen einer typischen Mission transportiert ATV Versorgungsgüter wie Trinkwasser, Treibstoff, Nahrungsmittel und Experimentiergeräte zur Raumstation. Nach der Entladung wird der Raumtransporter mit Abfall aus dem Stationsbetrieb bestückt und verglüht während des Rückfluges zur Erdoberfläche kontrolliert in der Atmosphäre. Eventuelle Überreste landen im Südpazifik, wo auch Teile der russischen Raumstation MIR niedergegangen sind. Zudem übernimmt ATV eine wichtige Aufgabe im Rahmen der Stationssicherheit: Wegen der in 400 Kilometer Höhe herrschenden Restatmosphäre und der großen Fläche der Raumstation verliert diese ständig an Höhe und muss in regelmäßigen Abständen angehoben werden. ATV hat zu diesem Zweck vier Tonnen Treibstoff an Bord, um die Internationale Raumstation um bis zu 30 Kilometer anzuheben. Dieselbe Aufgabe können auch das amerikanische Space Shuttle und die russische Progress-Kapsel übernehmen. Mit Hilfe von ATV wird daher künftig ein wesentlicher Teil der Stationssicherheit in europäischer Hand liegen.
Aufbau des ATV und seine flexible Transportkapazität
ATV hat eine maximale Nutzlast von rund 9,5 Tonnen. Diese Nutzlast teilt sich je nach Mission wie folgt auf: Zwischen 1,5 und 5,5 Tonnen Versorgungsgüter (Lebensmittel, wissenschaftliche Experimente, Werkzeuge etc.), bis zu 840 Kilogramm Frischwasser, bis zu 100 Kilogramm Gas (Pressluft, Sauerstoff, Stickstoff, sowohl einzeln als auch in Zweier- oder Dreierkombination), bis zu vier Tonnen Treibstoff für das Anheben der Station und bis zu 860 Kilogramm Treibstoff zur Eigenstabilisierung der Station. Das ATV-System ist rund zehn Meter lang und hat einen Durchmesser von 4,5 Metern. ATV besteht aus dem eigentlichen, Zylinder förmigen Spacecraft (Avionik- und Antriebsmodul) und dem Integrated Cargo Carrier ICC (Nutzlastteil).
Das ATV-Spacecraft besteht aus dem Antriebsmodul, dem Avionik-Modul mit Bordcomputern und Elektronik sowie dem Adapter zur Ariane 5. Vier Solarzellen-Ausleger mit einer Spannweite von rund 22 Metern sorgen primär für die Stromversorgung während der Andockphase. Im Verlauf einer sechsmonatigen Mission von ATV können die Sonnensegel knapp 4.000 Watt elektrische Leistung produzieren, was dem Drei-Jahres-Verbrauch eines Vier-Personen-Haushalt auf der Erde entspricht.
Das Spacecraft mit seinem Antriebssystem hat vier Haupttriebwerke mit einer Leistung von jeweils 490 Newton und weiteren 28 Steuertriebwerke mit je 220 Newton Schubkraft. Die Flugsteuerung wird von der Navigations-Software des ATV übernommen, die auf einem in Bremen entwickelten, Fehler toleranten Computer abgelegt ist. Dieses Rechnersystem besteht aus drei voneinander unabhängigen Einheiten, die sich selbstständig korrigieren. Neben Triebwerken und Steuerungssystem sind im Avionik- und Antriebsmodul acht Treibstofftanks aus Titan untergebracht, die bis zu sieben Tonnen der Treibstoffe MMH und Stickstoffperoxid aufnehmen können.
Im "Laderaum" ICC – mit atmosphärischen Bedingungen wie auf der Erde – werden beispielsweise Lebensmittel und Experimentiergeräte untergebracht. Es besteht die Möglichkeit, bis zu sechs so genannte "Racks" aufzunehmen. Das sind komplett ausgestattete Experimentierschränke, die in den einzelnen Modulen der Station integriert und betrieben werden können. Am ICC-Modul befinden sich Wassertanks, Tanks zur Aufnahme von Luft, Sauerstoff oder Stickstoff und das Betankungssystem zum Transfer von Treibstoff zur Raumstation.
Umfangreiche Systemtests erforderlich
Im November 2002 begann die Integration des ersten Flugmodells von ATV unter Federführung von EADS SPACE Transportation in Bremen. Am Bremer EADS-Standort laufen die Fäden für Integration, Tests und Logistik zusammen. Die einzelnen ATV-Elemente absolvierten zahlreiche Systemtests. Mit der endgültigen Integration des Spacecrafts - die Verbindung von elektronischer Steuereinheit und dem Antriebssystem - sowie den sich anschließenden elektrischen Tests des Gesamtsystems zum Nachweis der Flugtauglichkeit konnte die Testphase in Bremen erfolgreich abgeschlossen werden. Dabei werden unter anderem wurden das Spacecraft und ICC miteinander verbunden, um über die Bordrechner die Andockvorrichtung oder die Triebwerke direkt anzusteuern.
Im Juli 2004 wird das ATV mit dem Airbus Transportflugzeug „Beluga“ und anschließend per Schiff und Tieflader in das niederländische ESA/ESTEC-Testzentrum Noordwijk verfrachtet. Dort wird ATV auf seine Widerstandsfähigkeit gegenüber start- und weltraumspezifischen Umwelteinflüssen hin untersucht (elektromagnetische Verträglichkeit, aller Systeme, Hardware/Software-Verträglichkeit). Es folgen akustische und thermale Belastungstests im Vakuum, um die Bedingungen in der Schwerelosigkeit möglichst exakt zu simulieren. Anschließend wird das Frachtmodul ICC unter extremen Bedingungen einem Beladungstest unterzogen.
Als ingenieurtechnisches Highlight gilt der mechanische Test der Solar-Ausleger. Dabei werden die knapp neun Meter langen Sonnensegel erstmals in ihrer vollständigen Länge entfaltet und auf ihre Funktionalität geprüft.
Der Transport über den Atlantik
Die gesamte Testphase am niederländischen ESA-Standort soll Ende 2006 beendet sein, um dann ATV von Rotterdam aus mit einem speziellen Schiff von Arianespace zum Startplatz nach Kourou (Französisch-Guayana) auszuliefern. Dieses so genannte "Roll-off"-Schiff, einer Fähre vergleichbar, hat trotz seiner enormen Ladefläche von 1.700 m² einen sehr geringen Tiefgang. Das ist nötig, da das Transportschiff in Kourou einen Flusslauf hinauf fahren muss, um die Fracht nahe dem Weltraumbahnhof zu löschen. Der Transport der ATV-Container bis nach Rotterdam hingegen erfolgt über mehrere Binnenwasserstraßen, da es in den Niederlanden rechtlich nicht möglich ist, große Massen auf der Straße zu transportieren.
Erste Mission 2007: Der Flug zur Internationalen Raumstation
Für die erste Mission des ATV wird eine Version der Ariane 5 zum Einsatz kommen, die mit einer bis zu fünf Mal wieder zündbaren EPS-Oberstufe (Ariane 5 G+) mit lagerfähigen Treibstoffen ausgerüstet ist.
Die eigentliche Aufgabe der Ariane 5 besteht darin, ATV in eine Erdumlaufbahn zu befördern, die sich gegenüber dem Äquator um 51,6° neigt. Diese Umlaufbahn entspricht exakt der ISS-Bahn. Als Nebeneffekt ermöglicht dieser Neigungswinkel, dass sowohl ATV auf seiner Mission, als auch die ISS in regelmäßigen Abständen von Bremen aus beobachtet werden können, da die Hansestadt auf einem vergleichbaren Breitengrad liegt.
Ariane 5 ist ein zweistufiges Trägersystem. Es besteht aus einer Zentralstufe mit zwei Zusatzraketen (Booster) sowie einer Oberstufe mit integrierter Nutzlast. Etwa sieben Minuten nach dem Start trennt sich die Hauptstufe von der Oberstufe, auf der sich das ATV befindet. Die Oberstufe fliegt nun gut 60 Minuten und setzt ATV in einer Höhe von rund 300 Kilometern ab.
Unmittelbar nach dem Absetzen von der Ariane-Oberstufe werden die Triebwerke und sämtliche Bordsysteme, wie beispielsweise das Navigations- und das Steuerungssystem, in Betrieb genommen. Die Sonnensegel werden ausgeklappt, ATV richtet sich zur Sonne aus und aktiviert die Kommunikationsantennen. ATV führt dann einen "Gesundheitstest" (Health-Test) durch. Wenn alles einwandfrei funktioniert, kann sich das Raumfahrzeug auf den Weg zur ISS machen.
Das Andocken an die ISS
Bei der automatischen Andockphase an die ISS stehen die Sicherheit von Besatzung und Raumstation an erster Stelle. Während des Fluges werden die Bordsysteme des ATV kontinuierlich vom ISS-Bodenkontrollzentrum in Houston (Texas/USA) und vom ATV-Kontrollzentrum in Toulouse (Frankreich) überwacht. Die letzte Anflugphase wird vom russischen Kontrollzentrum in Moskau überwacht, denn ATV dockt am russischen Stationsmodul "Svesda" an. Das autonome intelligente Sicherheitssystem des ATV sorgt dafür, dass bei der kleinsten Unregelmäßigkeit im System der Raumtransporter automatisch in seine vorherige Position zurück fährt und in einem Abstand zur ISS "parkt". Ist das System fehlerfrei überprüft, wird eine erneute Annäherung in die Wege geleitet.
In einer Entfernung von knapp 30 Kilometern zur ISS wird die vollautomatische Andockphase eingeleitet: ATV tritt in eine direkte Funkverbindung mit der Raumstation. Die genaue Position des Transportfahrzeuges wird via GPS bestimmt, um den Transporter präzise auf die Umlaufbahn der ISS zu befördern. In 3.500 Metern Entfernung müssen die Kontrollstationen die Fortsetzung der Mission bestätigen. Erst dann setzt ATV den Andockvorgang fort.
Das Andocksystem mit seinen Sensoren nimmt erst ab einer Entfernung von 250 Metern direkt mit der ISS Kontakt auf. Neben der bereits bestehenden Funkverbindung können die Astronauten der ISS nun den Dockingvorgang direkt via Videoübertragung beobachten. Laser-Entfernungsmesser am ATV überprüfen die über GPS gesendeten Daten. Nach Freigabe durch die ISS und die Bodenkontrollstationen setzt ATV die Annäherung bis auf zwölf Meter fort und bewegt sich von da aus mit einer relativen Geschwindigkeit von wenigen Zentimetern pro Sekunde auf den Docking-Adapter der ISS zu. Die herausgefahrene Spitze des ATV mit einem Durchmesser von etwa 15 Zentimetern muss dabei in einen Trichter am russischen "Svesda"-Modul (Durchmesser von knapp 90 Zentimeter) bugsiert werden.
Sobald der erste Kontakt zwischen ATV-Andocksystem und Raumstation festgestellt wurde, erzeugt ATV einen kurzen, abschließenden Schub, der das europäische Raumfahrzeug in dem Trichter des russischen Andocksystems einrasten lässt. ATV richtet sich zur Längsachse der ISS aus. Sämtliche elektrischen und mechanischen Fixierungen sowie die Verbindungen der Treibstoffleitungen zwischen ISS und Raumtransporter verbinden sich vollautomatisch. Erst wenn ATV alle für den Andockvorgang notwenigen Systeme herunter gefahren hat und im so genannten Schlafmodus ist, nehmen die Astronauten das komplette Dockingsystem heraus. Eine Ladeluke - eine knapp einen Meter große runde Öffnung - verbindet nun das ICC mit dem russischen Service-Modul und macht das europäische Transportfahrzeug zum Bestandteil der ISS.
Kompetenz der europäischen Raumfahrtindustrie
ATV ist eines der größten und technisch anspruchsvollsten Raumfahrzeuge, die je in Europa entwickelt und gebaut wurden. Im Rahmen der europäischen Beteiligung an der Internationalen Raumstation hat die Europäische Weltraumorganisation ESA den Auftrag über Entwicklung und Produktion von ATV an die EADS SPACE Transportation vergeben. EADS SPACE Transportation mit seinen Kompetenzzentren in Bremen, Lampoldshausen und Les Mureaux bei Paris hat das Know-How, ein so großes System entwickeln, bauen und testen zu können.
Das spezifische Know-how von EADS SPACE Transportation besteht in mehrfacher Hinsicht: Erstens ist EADS in der Lage, die Entwicklung und Produktion eines technisch derart komplexen und anspruchsvollen Raumfahrzeug als Generalunternehmer aus einer Hand zu managen. Zweitens koordiniert EADS die Tätigkeit von 30 Partnerfirmen in zehn europäischen Ländern und weiteren Firmen in Russland und den USA, die alle Bauteile, Komponenten und Subsysteme für das ATV zuliefern. Es muss dabei sichergestellt werden, dass alle Teile in der richtigen Qualität, zum richtigen Zeitpunkt und zum vereinbarten Preis am richtigen Ort ankommen. Drittens baut EADS in Bremen den Antriebsteil und die Steuerungseinheit und entwickelt und programmiert in Les Mureaux bei Paris die Flugsoftware und die nötige Software zum vollautomatischen Docking des Fahrzeugs mit der Station. Das Wissen für diese Produkte musste in Europa während der vergangenen Jahre erst erarbeitet werden und war in dieser Form bislang nur im Rahmen russischer und amerikanischer Raumfahrtprojekte verfügbar.
Insgesamt sind innerhalb des Industriekonsortiums - dazu gehören u.a. Alcatel Alenia Space (Italien), Contraves (Schweiz) und Dutch Space (Niederlande) - europaweit rund 1.600 Techniker und Ingenieure mit der Entwicklung des ATV beschäftigt. EADS SPACE Transportation als ATV-Systemführer beteiligt sich mit seinen Standorten in Frankreich und Deutschland an diesem Projekt.
EADS SPACE, eine 100-prozentige Tochter der EADS ist einer der weltweit führenden Spezialisten für zivile und militärische Raumfahrtsysteme. Im Jahr 2005 erzielte EADS SPACE einen Umsatz von 2,7 Milliarden Euro mit 11.000 Mitarbeitern in Frankreich, Deutschland, Großbritannien und Spanien. Das operative Geschäft teilen sich drei Tochtergesellschaften: Die EADS SPACE Transportation für Trägerraketen und bemannte Raumfahrtsysteme, die EADS Astrium für Satelliten und die dazu gehörigen Bodensegmente und die EADS SPACE Services für die Entwicklung und Lieferung satellitenbasierter Dienstleistungen.
Der EADS-Konzern ist ein global führender Anbieter in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsgeschäft und den dazugehörigen Dienstleistungen. Im Jahr 2005 lag der Umsatz bei rund 34,2 Milliarden EURO, die Zahl der Mitarbeiter bei mehr als 113.000.
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