Im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA konzipierte die EADS SPACE Transportation den unbemannten Raumtransporter ATV (Automated Transfer Vehicle) zur Versorgung der Internationalen Raumstation. ATV gehört zu den größten und technologisch anspruchsvollsten Raumfahrzeugen, die je in einer europäischen Kooperation entwickelt und gebaut wurden.

Das Jahr 2008 begann für die ESA mit drei Weltpremieren innerhalb von nur zwei Monaten: Nach dem erfolgreichen Andocken des Weltraumlabors Columbus am 11. Februar und dem Start des ATV mit der neuen Ariane 5-Version am 9. März erfolgte am 3. April dessen Ankopplung an die ISS. „Zum ersten Mal hat ein Raumfahrzeug ein vollautomatisches Rendezvous-Manöver im Weltall vollzogen“, freut sich Astrium-CEO François Auque im Kontrollzentrum Toulouse. Vier weitere ATV-Flüge sind für 2010, 2011, 2012 und 2013 geplant.

Benannt nach dem französischen Visionär und Science-Fiction-Autor Jules Verne, ist ATV ein europäisches Gemeinschaftsprojekt unter Führung der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Vom Kontrollzentrum in Toulouse aus wird der Missionsbetrieb überwacht. Für die programmatische Steuerung und die Vertretung der deutschen Interessen im ISS-Programm der ESA ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) zuständig. Das DLR in Oberpfaffenhofen koordiniert dabei die Kommunikation zwischen den weltweit verteilten Kontrollzentren von ATV.

Als das komplexeste jemals in Westeuropa gebaute Raumfahrzeug gilt ATV als bedeutender Meilenstein in der europäischen Raumfahrtgeschichte. Mit einem Startgewicht von knapp 21 Tonnen ist das unbemannte Raumfahrzeug die größte Nutzlast, die eine Ariane 5 je in den erdnahen Transferorbit befördert hat.

Das Andocken erfolgte am russischen Stationsmodul Swesda, wo AVT sechs Monate lang bleiben kann. Damit erhält Europa einen eigenen Zugang zur Internationalen Raumstation ISS. Ähnlich wie der russische Transporter Progress wird ATV mit seinen Haupttriebwerken von hier aus die Station in eine höhere Umlaufbahn heben. Dies ist von Zeit zu Zeit nötig, da die Raumstation durch den Widerstand der Restatmosphäre kontinuierlich abgebremst wird und zurzeit etwa 200 Meter Bahnhöhe pro Tag verliert. Zum Missionsende wird das mit ISS-Abfällen beladene ATV von der Raumstation abgekoppelt, aus seiner Umlaufbahn herauskatapultiert und beim Eintritt in die oberen Schichten der Erdatmosphäre zum Verglühen gebracht.

Starke deutsche Beteiligung

Im Rahmen der europäischen Beteiligung an der Internationalen Raumstation hatte die Europäische Weltraumorganisation ESA den Auftrag über Entwicklung und Produktion des ATV-Raumtransporters an die EADS SPACE Transportation vergeben. EADS SPACE Transportation mit seinen Kompetenzzentren in Bremen, Lampoldshausen und Les Mureaux bei Paris besitzt das Know-how, ein so großes System zu entwickeln, zu bauen und zu testen.

Das spezifische Know-how von EADS SPACE Transportation erstreckt sich auf mehrere Bereiche: Erstens ist EADS in der Lage, die Entwicklung und Produktion eines technisch derart komplexen und anspruchsvollen Raumfahrzeugs 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 sämtliche Bauteile, Komponenten und Subsysteme für das ATV zuliefern. Dabei ist sicherzustellen werden, dass alle Teile in der richtigen Qualität, zum richtigen Zeitpunkt und zum vereinbarten Preis am richtigen Ort ankommen. Das versetzte EADS in die Lage, in Bremen den Antriebsteil und die Steuerungseinheit zu bauen und in Les Mureaux bei Paris die Flugsoftware sowie die nötige Software zum vollautomatischen Docking des Fahrzeugs an die Station zu entwickeln und zu programmieren. 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 waren 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. Darüber hinaus beteiligten sich mehrere deutsche Firmen an der Herstellung: Azur Space Solar Power GmbH (Solarzellen), SAFT Batterien GmbH/FRIWO GmbH (nicht-aufladbare Batterien), Jena Optronik (Teile der optischen Sensoren), OHB/MT-Aerospace (Verkabelung, Tanks, Entwicklung des Meteoritenschutzschildes) und TESAT Spacecom GmbH & Co KG (Einkaufsmanagement für alle elektronischen Bauteile).

Die Architektur des ATV-Raumtransporters ist besonders komplex, da er extrem hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen muss. Deshalb wurde mit „Jules Verne“ erstmals ein Navigationssystem mit RGPS (relatives GPS) und optischen Sensoren für einen Rendezvous-Vorgang im Orbit eingesetzt. Auch die von Astrium entwickelte Flugsteuerungssoftware hatte wesentlichen Anteil am Erfolg des ATV. Die für die Steuerung des Transporters verantwortliche Systembetriebssoftware (FAS, Flight Application Software) umfasst über eine Million Zeilen Code. Die Software des Backup-Computersystems (MSU, Monitoring and Safing Unit), das im Notfall die Flugsteuerung übernimmt, ist die erste je für ein europäisches Raumfahrtprojekt entwickelte Kategorie-A-Software; das heißt, alle möglichen Software-Zustände wurden unter strengsten Verifizierungskriterien lückenlos getestet. Seit ihrer Validierung vor fast zwei Jahren waren keine Änderungen mehr nötig – ein überzeugender Beweis ihrer herausragenden Qualität!

Triebwerkstest in Lampoldshausen

Um das ATV in den Orbit zu hieven, wurde eine spezielle Ariane-5-Version von Astrium entwickelt und gebaut. Diese Ariane 5 ES bietet eine wiederzündbare EPS-Oberstufe, eine verstärkte Steuerungseinheit (VEB) und ein speziell überarbeitetes Flugprogramm. Diese Fähigkeit zur Wiederzündung, die den Einschuss des ATV in einen Orbit ermöglicht, auf dem es sich der ISS nähern kann, wurde im Oktober 2007 erstmals unter realen Flugbedingungen nachgewiesen. Um genau dieses Missions-Szenario erfolgreich absolvieren zu können, durchlief das Aestus-Triebwerk mehrere Testreihen auf den Prüfständen des DLR in Lampoldshausen, um es auf seine Flugtauglichkeit hin zu überprüfen. Bis zum März 2007 wurden durch verschiedene Testläufe zwei Aestus-Oberstufenflugtriebwerke für die ersten beiden ATV-Missionen erfolgreich für den Flug qualifiziert.

Zuletzt erfolgte die Flugabnahme des Aestus-Triebwerks für den dritten Flug eines ATV mit der Ariane 5, inklusive der Qualifizierung kleinerer technischer Optimierungen am Triebwerk. Die Aestus-Triebwerke mussten dazu auf dem ESA-Prüfstand P4.2 des DLR in Lampoldshausen einige kurze Zündungen absolvieren, bevor die Kampagne mit der Wiederzündung des Triebwerks nach einer längeren Brenndauer endete und das Triebwerk für den Flug auf der Ariane 5 freigegeben wurde.

Der Prüfstand P4 des DLR in Lampoldshausen ist dabei europaweit der einzige, auf dem das Aestus-Triebwerk unter solchen Bedingungen und damit realistisch getestet werden kann. Mit der Kompetenz im Betrieb solcher Höhensimulationsprüfstände ist das Institut für Raumfahrtantriebe auch für zukünftige Herausforderungen bestens gerüstet.

Technische Daten

Das Automated Transfer Vehicle (ATV) ist etwa zehn Meter lang und hat einen Durchmesser von 4,5 Metern. Mit entfalteten Solarpanelen hat es eine Spannweite von 22,3 Metern. Die Gesamtmasse des beladenen Fahrzeuges beträgt knapp 20 Tonnen. Das Fahrzeug besteht aus einer Sektion für den Antrieb und der Avionik – den elektronischen Steuergeräten. Zudem hat es ein ständig unter Druck stehendes Nutzlastsegment, das von den Astronauten beim Be- und Entladen des ATV von der ISS aus betreten wird.

Ein europäischer Traum wird wahr
Interview mit ATV-Projektleiter Volker Schmidt

Volker Schmid, Raumfahrtingenieur und Mitarbeiter der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), ist seit 2001 Projektleiter von ATV. Er betreut die technische Entwicklung des Raumtransporters und koordiniert die nationalen Interessen innerhalb des Projektes.

Frage: Welche Aufgaben übernimmt das deutsche Raumfahrtkontrollzentrum genau?
Volker Schmid: Das Raumfahrt-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen ist praktisch der Vermittlungsknoten für die einzelnen Kommunikationskanäle. Es ist für die gesamte Kommunikation zwischen den unterschiedlichen, weltweit verteilten Kontrollzentren von ATV verantwortlich. Darüber hinaus ist das DLR in Oberpfaffenhofen ja auch für die Steuerung des Columbus Raumlabors tätig und verfügt deshalb über große Erfahrungen auf diesem Gebiet.

Frage: Warum wurde ein nicht wieder verwendbares Raumfahrzeug gebaut?
Volker Schmid: Theoretisch hätte man das ATV wieder verwendbar machen können. Es gibt Studien seitens der ESA, die solche Lösungen bis zu einer gewissen Detailtiefe untersucht haben. ATV war aber von Anfang an als nicht wieder verwendbares Raumfahrzeug ausgelegt. Nach Beendigung der Mission wird es mit Abfall beladen, kontrolliert in die Erdatmosphäre zurückgeführt und über dem Südpazifik verglühen. Ein wieder verwendbarer Raumtransporter müsste über ein Thermalschutzsystem verfügen und von der Form her ähnlich wie eine Apollokapsel angepasst werden. Dadurch verliert die Nutzlast an Volumen. Ein Vorteil wäre es natürlich, Proben oder Experimente zur Erde zurückbringen zu können. Für kleinere Transporte kann das aber auch mit einer Sojus-Kapsel erreicht werden.

Frage: Wie sehen die Pläne für die Weiterentwicklung der nächsten vier ATVs aus?

Volker Schmid: Technisch machbar ist grundsätzlich sehr, sehr viel. Es ist nicht auszuschließen, dass ein wieder verwertbares ATV kommen wird, aber dies ist eine politische Entscheidung.

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 zylinderförmigen 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 weitere 28 Steuertriebwerke mit je 220 Newton Schubkraft. Die Flugsteuerung wird von der Navigations-Software des ATV übernommen, die auf einem in Bremen entwickelten fehlertoleranten 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 sogenannte „Racks” aufzunehmen. Das sind komplett ausgestattete Experimentierschränke, die in die einzelnen Module der Station integriert und dort 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.

Janette Junghanns