Space Shuttle

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Andocken des NASA-Space Shuttles Atlantis an der russischen Raumstation Mir im Rahmen des Shuttle-Mir-Programms

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Space Shuttle Discovery wird huckepack auf einer Boeing 747 SCA nach Cape Canaveral gebracht

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Shuttle im Schnitt

Der Space Shuttle ist ein von der NASA in den USA entwickelter Raumfährentyp. Er ging aus dem Versuch hervor, ein wiederverwendbares Raumfahrzeug zu entwickeln. Damit sollten vor allem Kosten gegenüber den bis dahin üblichen Raketen eingespart werden, bei denen alle Raketenstufen nur einmal verwendet werden konnten. Weil ein einstufiger Raumgleiter in den 1960er Jahren außerhalb der technischen Möglichkeiten lag, kam nur ein mehrstufiges System in Frage. Aus dieser Zeit stammt auch die Abkürzung STS für Space Transportation System, mit denen bis heute die NASA-Missionsnummern beginnen. Die STS-Nummern ergeben aber keine chronologische Reihenfolge, wie untenstehende Tabelle zeigt, sondern werden oft Jahre vor dem Start vergeben.

Als Space Shuttle wird das gesamte System aus Raumfähre (engl.: Orbiter Vehicle, OV), externem Tank (External Tank, ET) und Feststoffraketen (Solid Rocket Booster, SRB) bezeichnet. Die einzelnen Raumfähren sind nach historischen Forschungsschiffen benannt.

Prinzip

Der Space Shuttle wird vom Kennedy Space Center (KSC) bei Cape Canaveral, Florida, senkrecht gestartet. Den notwendigen Schub produzieren die drei am Heck des Orbiters montierten Haupttriebwerke (engl. Space Shuttle Main Engines, SSMEs) die aus einem großen, abwerfbaren Außentank (engl. External Tank, ET) mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff gespeist werden, und zweier großer Feststoffraketen (engl. Solid Rocket Boosters, SRBs), die seitlich am ET angebracht sind.

Das Space Shuttle wird bei Start und Landung vollumfänglich durch Computer gesteuert - denn besonders heikel ist die Landung. Da das Space Shuttle die Erde in ca. 90 Minuten einmal umrundet, sind die Folgen eines schon um wenige Sekunden zu langen oder zu kurzen Abbremsens vor dem Wiedereintritt fatal. Beim Start muss die Triebwerksleistung dem Luftwiderstand angepasst werden, da dieser in der so genannten Max Q-Phase die Raumfähre zermalmen würde. Im Landeanflug besteht die einzige Handlung des Piloten darin, per Knopfdruck das Fahrwerk auszufahren. Frühere Modelle hatten auch manuelle Bremsen - doch die führten bei zu starker Betätigung zum rapiden Abnützen; die Raumfähre drohte somit über die Piste hinauszurollen.

Start

Diese Booster haben eine Brennzeit von ca. 2 Minuten. Anschließend werden sie in einer Höhe von rund 50 km abgeworfen und steigen noch durch ihre hohe Geschwindigkeit auf ca. 66 km Höhe, bevor sie zurückfallen.Sie gehen an Fallschirmen im Atlantischen Ozean nieder und können nach einer Bergung wiederverwendet werden. Da die Bergung und anschließende Überholung der Booster jedoch teurer als eine Neuherstellung ist, wird das nicht mehr praktiziert. Die Booster werden trotzdem in regelmäßigen Abständen geborgen und auf eventuelle Schäden und Fehlerquellen untersucht. Nach der Abtrennung der Booster fliegt der Space Shuttle mit Hilfe seiner SSME-Triebwerke weiter. Nach ungefähr achteinhalb Minuten Brenndauer wird kurz vor Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit der Außentank in ca. 109 km Höhe abgeworfen. Er verglüht, nachdem er die Erde fast vollständig umrundet hat, größtenteils in der Atmosphäre, die Reste fallen in den Pazifischen Ozean.

Anschließend wird die Raumfähre von ihren kleinen Manövriertriebwerken in eine elliptische Umlaufbahn mit einem tiefsten Punkt von etwa 109 Kilometer und einem höchsten Punkt von 185 km über Normalnull beschleunigt. Wenn der Orbiter nach einem halben Erdumlauf den bahnhöchsten Punkt erreicht, zünden die Manöviertriebwerke erneut, um die Umlaufbahn in eine Ellipse mit einem bahntiefsten Punkt in 185 km und einem bahnhöchsten Punkt auf der Zielhöhe (zum Erreichen der ISS etwa 400 km über NN) zu verwandeln. Wenn der Orbiter wieder den bahnhöchsten Punkt erreicht, zündet er die Manövriertriebwerke erneut und zirkularisiert die Bahn in dieser Höhe. Dabei wird eine Orbitalgeschwindigkeit von bis zu 28.067 km/h erreicht. Nach erfolgtem Raumflug von bis zu 17 Tagen Dauer kehrt die Raumfähre auf die Erde zurück.

Landung

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wird sie durch spezielle Hitzeschutzkacheln an der Front- und Unterseite vor den extremen Wärmeeinwirkungen der Reibungshitze 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 Landung fliegt und somit nur einen einzigen Landeversuch hat.

Schlechte Wetterbedingungen an den Hauptlandeplätzen machen mitunter die Auswahl eines anderen Zielgebietes notwendig. Space Shuttles landen hauptsächlich im Kennedy Space Center (Florida). Die Alternativen erster Wahl sind die Luftwaffenbasen Edwards (Kalifornien) sowie White Sands (New Mexico), wo übrigens auch die Erprobung der damals neuentwickelten Raumfähre stattgefunden hat. Es gibt aber auch rund um die Welt Notlandeplätze für die Startphase (Ascent Abort Mode (en)) 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, hauptsächlich Europa und Westafrika). Beispiele sind der Flughafen in Manching bei Ingolstadt, der eine der längsten Landebahnen in Europa hat, der Köln/Bonner Flughafen und jener von Riad (Saudi-Arabien). 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 Manöver zu verbessern, wird am Heck des zu transportierenden Shuttles eine nach hinten spitz zulaufende Abdeckung angebracht, die die Triebwerke des Shuttles verdeckt.

Im Gegensatz zu früheren Raumschiffkonzepten (Apollo-Projekt, Sojus) sind sowohl die Fähre selber als auch Teile der Raketen für etwa 100 weitere Starts wiederverwendbar.

Entwicklung

Die ersten Schritte zur Entwicklung des Space Shuttle begannen Ende der 1960er Jahre. Die NASA war zu der Zeit voll mit den Vorbereitungen des Apollo-Projekts beschäftigt. Die Firmen North American Rockwell und McDonell Douglas wurden beauftragt, Definitionsstudien für ein zweistufiges, in beiden Stufen bemanntes und wiederverwertbares System auszuarbeiten. Beide Stufen sollten gemeinsam von der Startrampe starten und sich in ca. 40 km Höhe trennen. Die erste Stufe sollte wie ein Flugzeug wieder auf der Landebahn landen und die zweite Stufe in den Orbit gelangen. Nach Abschluss der Mission würde auch der Orbiter wieder im Gleitflug zur Erde schweben. Nach eingehenden Studien hätten die Entwicklungskosten für ein komplett wiederverwertbares System ca. 10-12 Milliarden Dollar betragen. Deswegen entschied sich die NASA für ein nur teilweise wiederverwertbares System, das mit Entwicklungskosten von ca. 6 Milliarden Dollar zu dem heutigen Space Shuttle führte. Da die Kosten auch von der Air Force und dem CIA mitgetragen wurden, musste auch deren Forderungen Rechnung getragen werden. Das war hauptsächlich eine möglichst hohe Nutzlast, um auch große Spionagesatelliten in den Orbit transportieren zu können. So entwickelte sich aus dem vorher geplanten relativ kleinen Shuttle mit kleinen Tragflächen die heutige Version mit großer Ladebucht und den charakteristischen dreieckigen Deltaflügeln am Heck.

Das erste Space Shuttle mit dem Namen „Enterprise“, Kennzeichnung „OV-101“, kam zum ersten Mal am 17. September 1976 für Testzwecke zum Einsatz. Es war nur für System- und Landetests und nicht für Flüge in den Orbit ausgestattet. Zuerst sollte das Space Shuttle „Constitution“ heißen; nach einer Briefkampagne von Fans der Serie „Star Trek“ (dt. Raumschiff Enterprise) wurde die Raumfähre jedoch umbenannt. Die „Enterprise“ steht heute im „National Air and Space Museum“.

Der zweite Orbiter „Columbia“, Kennzeichnung „OV-102“, hatte sein Roll-Out am 8. März 1979. Am 12. April 1981 startete Columbia zum ersten Flug (STS-01) eines Space Shuttles in den Orbit und landete zwei Tage später erfolgreich auf der Edwards Airforce Base. Am 1. Februar 2003 brach der Orbiter beim Wiedereintritt auseinander und verglühte teilweise. Alle 7 Astronauten fanden dabei den Tod.

Bei einem Treffen der gesamten Belegschaft des Kennedy Space Center teilte Wayne Hale, der Manager des Space Shuttle-Programms mit, dass das Space Shuttle Atlantis (Raumfähre) 2008 nach den bisher geplanten 5 Flügen außer Dienst gestellt werden soll.

Liste der Space Shuttles

Siehe Liste der Space-Shuttle-Missionen für eine chronologische Auflistung aller Space Shuttle-Missionen.

Nr.	Name	OV-Nr.	Erstflug	erste Mission	letzte Mission	aktuelle/nächste Mission	Bemerkung
1	Enterprise	OV-101	-	-	-	-	nur Erprobungsflüge, nicht raumflugfähig
2	Columbia	OV-102	12. April 1981	STS-1	STS-107	-	1. Februar 2003 verglüht bei Wiedereintritt; erstes Space-Shuttle
3	Challenger	OV-99	4. April 1983	STS-6	STS-51-L	-	28. Januar 1986 kurz nach dem Start explodiert
4	Discovery	OV-103	30. August 1984	STS-41-D	STS-114	STS-121	Nächster Einsatztermin: voraussichtlich am 3. Mai 2006
5	Atlantis	OV-104	3. Oktober 1985	STS-51-J	STS-112	STS-115	Nächster Einsatztermin: voraussichtlich Juli 2006
6	Endeavour	OV-105	7. Mai 1992	STS-49	STS-113	STS-116	Nächster Einsatztermin: voraussichtlich Oktober 2006, Ersatz für Challenger

Statistiken

Stand 25. August 2005

Shuttle	Flugtage	Orbits	zurückgel. Strecke (km)	Einsätze	Längster Einsatz (Tage)	Crews*	EVAs	Mir/ISS Koppl.	Satelliten ausgesetzt
Columbia	300,74	4.808	201.497.772	28	17,66	160	7	0 / 0	8
Challenger	62,41	995	41.527.416	10	8,23	60	6	0 / 0	10
Discovery	255,84	4.027	168.157.672	31	13,89	192	28	1 / 5	26
Atlantis	220,40	3.468	144.694.078	26	12,89	161	21	7 / 6	14
Endeavour	206,60	3.259	136.910.237	19	13,86	130	29	1 / 6	3
Gesamt	1.045,99	16.557	692.787.174	114	17,66**	703	91	9 / 17	61

* Summe der Besatzungsmitglieder über alle Missionen des jeweiligen Shuttles
** STS-80

Aufnahmen von Shuttlestarts

Weitere Entwicklung

Nach dem Verlust der Columbia wurde den verbleibenden Shuttles ein 2,5-jähriges Startverbot erteilt. Die Raumfähren haben mit dem Start der Discovery am 26. Juli 2005 ihren Dienst in verbesserter Version wieder aufgenommen. 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-Start bis zur Behebung der Problematik aus. Wie der NASA-Administrator Michael Griffin am 29. Juli erklärte, sollte das Startverbot nicht lange dauern, so dass ab dem Frühjahr 2006 mit dem Start des nächsten Shuttles zu rechnen ist. 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 Jahre 2001 gestoppt.

Im oben erwähnten Weltraumprogramm Vision for Space Exploration wird ein Crew Exploration Vehicle (CEV) angekündigt, dessen Entwicklung derzeit angegangen wird. Bis zum 2. Mai 2005 lief die Bewerbungsphase, seitdem liegen vermutlich zwei Konzepte vor: Ein kapselbasiertes von Northrop Grumman/Boeing und ein Lifting Body-basiertes von Lockheed Martin, wobei NASA ein kapselbasiertes Design bevorzugt.

Zudem gibt es Pläne für das Shuttle Derived Launch Vehicle (SDLV) - eine Trägerfamilie, 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. Allgemein ist das gesamte Space-Shuttle-Programm durch den niederschmetternden Untersuchungsbericht bei der Öffentlichkeit als veraltet und anfällig in Misskredit geraten.

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 114 Flügen ist der Shuttle im Vergleich zu anderen Trägersystemen dennoch sehr zuverlässig; allerdings verfügt es nicht, wie z.B. die Apollo- oder Sojusmissionen, über ein nennenswertes Rettungssystem für die Mannschaft. Ein weiterer Kritikpunkt ist, dass die erhofften Transportpreise für „Weltraumgüter“ nie die angestrebten 200 US-$ pro Kilogramm erreicht haben - der Preis liegt bei rund 16.000 US-$. Die heutige Raumfähre sei technisch überzüchtet, anstatt sich in erster Linie auf den Materialtransport in den Weltraum zu konzentrieren.

	Space Shuttle	Buran
	Orbiter Vehicle
Länge:	37,25 m	36,37 m
Spannweite:	23,80 m	23,92 m
Höhe:	17,25 m	16,35 m
Trockenmasse:	78 t	61 t
max. Abflugmasse:	110 t	105 t
max. Besatzung:	7	10
Strömungsrichtung/ Hitzeschutzkacheln:
	Nutzlastbucht
Länge:	18,29 m	18,55 m
Breite:	4,57 m	4,65 m
Start-Kapazität:	25 t	30 t
Lande-Kapazität:	15 t	20 t
Anmerkungen: Die Trockenmasse des Space Shuttle variiert geringfügig je Orbiter. Die Start-Nutzlastkapazität beider Systeme ist stark abhängig von der Orbithöhe und dem Bahnneigungswinkel.

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

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

Einige Kritiker bemängeln auch, der Space Shuttle sei im Vergleich zur russischen Buran von minderem Wert. Der auffälligste Unterschied: Die Buran wird von einer separaten Rakete (Energija) hochgetragen, während das Space Shuttle mit seinen SSME-Haupttriebwerken selbst die Rakete darstellt, aber dafür den externen Treibstofftank mitschleppt. Das Space Shuttle besitzt also aufwändige bordinterne Treibstoffpumpen und zusätzliche Technik, auf die die Buran verzichtet. Zudem muss das Space Shuttle das Gewicht der drei Haupttriebwerke, die nur beim Aufstieg verwendet werden, mit in den Orbit und zurück zur Erde tragen. Da die Triebwerke des Shuttles mehrfach einsetzbar sind, sind sie sehr aufwändig und teuer, damit aber auch sehr leistungsfähig und effizient. Auch die „RD-0120“-Haupttriebwerke der Energija-Rakete sollten wiederverwendbar sein (Rückkehr des Triebwerkblocks zur Erde), doch wurde dies niemals umgesetzt. Die Buran hat eine etwa um fünf Tonnen höhere Nutzlastkapazität als der Space Shuttle, und sie besitzt eine optimierte Anordnung der Hitzeschutzkacheln - die Fugen zwischen den Kacheln verlaufen fast immer rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Luft. Insgesamt kann man sagen, dass das Energija-Buran-System flexibler als der Shuttle im Einsatz ist; so kann Buran z. B. auch unbemannt fliegen oder die Energija ohne Buran als ein Schwerlasttransporter verwendet werden.

Ein weiteres kleines Übel ist, dass die Wartungsarbeiten und die Herstellung von Ersatzteilen fast völlig von einer Firma bzw. deren Tochterfirmen übernommen wird - nämlich Boeing. Da deshalb Zehntausende von Menschen vom Space Shuttle-Programm abhängen, so die Kritiker, erscheine es in politischer Hinsicht als nicht opportun, das Programm zugunsten einer besseren Technologie ganz einzustellen. Darüber hinaus kann das Space Shuttle teilweise als Fehlplanung erachtet werden: Der Kongress beschloss, sowohl für die Air Force als auch für die NASA ein gemeinsames Trägersystem zu entwickeln, welches 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.

Siehe auch

Weblinks

Commons: Space Shuttle – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wikinews: Space Shuttle Themenportal – in den Nachrichten

NASA Space Shuttle Homepage (englisch)
NASA-Statistik: Informationen über alle bemannten NASA-Missionen (dt.)
Informationen zum Space Shuttle (extrasolar-planets.com)
Informationen zum Space Shuttle (raumfahrer.net)
Infos zu den Shuttles einschließlich Prototypen (englisch)
Space Shuttle bei Bernd Leitenberger (dt.)
Photos der NASA zum Space Shuttle [1] (bemerkenswert: sehr hohe Auflösung)

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