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Space Transportation System
STS

Space-Shuttle-Wappen der NASA

OV-101
"Enterprise"

OV-102
"Columbia"

OV- 099
"Challenger"

OV-103
"Discovery"

OV-104
"Atlantis"

OV-105
"Endeavour"

Die Idee, ein Raumfahrzeug zu bauen, das wieder und wieder in den Weltraum gestartet werden konnte, war nicht neu. Bereits in den 50er Jahren entwarf Wernher von Braun ein bemanntes Raumfahrzeug mit Delta-Flügeln, das auf eine herkömmliche Rakete als dessen Unterstufe montiert war. Ende der 60er Jahre wurden die Anforderungen und Pläne konkreter, die Anfang der 70er Jahre in ein neuartiges Konzept eines zumindest teilweise wiederverwendbaren Raumtransport-Systems mündeten: Das Space Transportation System, bestehend aus zwei Feststoff-Starthilfsraketen, einem Flüssigtreibstoff-Außentank und dem Orbiter (Space Shuttle) war geboren und startete am 12. April 1981 erstmals ins All.

 

Die Columbia auf der Startrampe vor dem Erstflug
Der Orbiter OV-102 "Columbia" während der Startvorbereitungen
für ihren Erstflug am 12. April 1981 auf der Startrampe 39A

 

Was kommt nach "Apollo"? — Wegwerfraketen oder Wiederverwendung?
Der Space Shuttle Orbiter realisiert den Traum eines wiederverwendbaren Raumfahrzeuges, dessen Ursprünge auf die Raketen-Flugzeuge zurückgehen, die in den späten 40er bis Ende der 60er Jahre getestet wurden. Die Reihe dieser Flugzeuge begann mit der Bell X-1, die am 14. Oktober 1947 die Schallmauer durchbrach. Mit der Bell X-2 wurde am 27. September 1956 die Geschwindigkeit von Mach 3 überschritten. Der Höhepunkt mit raketengetriebenen Flugzeugen wurde mit der North American X-15 erreicht, das mit max. 107960m die Schwelle zum Weltraum überschritt und mit 7274km/h (Mach 6,7) einen bis heute gültigen inoffiziellen Geschwindigkeitsrekord aufstellte.
Trotz des großen Erfolges des X-15-Programmes blieben die USA dabei, Wegwerfraketen mit kaum aerodynamisch konstruierten Raumfahrzeugen für den Wettlauf zum Mond einzusetzen.
Das Projekt der Boeing X-20 "Dyna Soar", ein Raumgleiter mit Deltaflügeln, montiert auf eine Titan IIIC-Rakete, wurde 1963 nach vier Jahren Entwicklungszeit kurz vor dem Baubeginn eines Prototypen aufgrund technischer und finanzieller Probleme eingestellt.

Die Lifting-Bodies — Erste Vorläufer einer revolutionären Idee
Genau zu dieser Zeit wurden im Langley Research Center der NASA ausführliche Windtunnel-Tests mit ersten Lifting-Body-Modellen durchgeführt. Das Design dieser flügellosen Rumpfauftriebs-Flugkörper hat den großen Vorteil, daß sie sich bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nicht so stark aufheizen wie ein Tragflächenflugzeug (X-15). Im Gegensatz zu den konisch geformten Wiedereintrittskapseln sind sie aber soweit aerodynamisch steuerbar, daß sie einen kontrollierten Flug mit kontrollierter Landung durchführen können. Von 1963 bis 1975 wurden mit unterschiedlichen Mustern dieser "Lifting Bodies" (M2-F1, M2-F2/3, HL-10, X-24A und X-24B) Flugversuche durchgeführt.

Die NASA zeigt Mut — Das "Space Shuttle"-Konzept entsteht
Ende 1968 dachte man bei der NASA bereits daran, in absehbarer Zeit den verschwenderischen Gebrauch von Wegwerfraketen einzustellen. 1969 schrieb die NASA eine Design-Studie aus, in der der Entwurf eines zweistufigen, vollständig wiederverwendbaren Systems gefordert wurde, das aus einer bemannten Booster-Stufe und einer kleineren bemannten Orbiter-Stufe bestehen sollte. Mehrere etablierte US-Raumfahrtkonzerne beteiligten sich an der Ausschreibung des Space Transportation Systems, das bald als Space Shuttle bekannt werden sollte. Mit fortschreitender Entwicklung des Projektes stellte man 1971 fest, daß aufgrund technischer und finanzieller Probleme die Hoffnung auf eine vollständig wiederverwendbare, bemannte Unterstufe schweren Herzens aufgegeben werden mußte. Man entschied man sich bei der NASA für das STS-Konzept der Firma Rockwell International, das am 6. Januar 1972 vom Präsidenten Nixon bewilligt wurde. Dieses Konzept bestand aus drei Hauptelementen.

Miniaturansicht der Broschüre
16-seitige Broschüre des Marshall Space Flight Centers, Alabama zur Erläuterung
des Space Shuttles und Amerikas Space Transportation System, ca. 1978*

 

 

Die Hauptkomponenten des Space Transportation System:

MSFC-Faltblatt zum STS
STS-Faltblatt des MSFC:
Main Engines*
1. Der Orbiter:
Eine flugzeugähnliche Konstruktion mit Doppeldelta-Tragflächen, Seitenleitwerk, zweigeschossiger Crewkabine für maximal 7 Astronauten, großer Nutzlastbucht, diverser Steuertriebwerke für den Aufenthalt im Orbit und drei leistungsstarker, drosselbarer Flüssigkeitsraketentriebwerke für den Aufstieg sowie zwei kleinerer Triebwerke für den Einschuß in den Orbit sowie für das Deorbit-Abbremsmanöver. Die Konstruktion des Orbiters ist für maximal 100 Flüge ausgelegt und ist voll wiederverwendbar.

 

 



MSFC-Faltblatt zum STS
STS-Faltblatt des MSFC:
External Tank*
2. Der externe Tank:
Er bildet das "Rückgrat" des Systems, da an ihm der Orbiter und die beiden Starthilfsraketen befestigt werden. Er beinhaltet den Treibstoffvorrat an flüssigem Wasser- und Sauerstoff, den die drei Haupttriebwerke des Orbiters verbrauchen. Als einziges Element des Systems ist der Außentank nicht wiederverwendbar, da er nach Brennschluß der drei Haupttriebwerke des Orbiters abgetrennt wird und beim Rücksturz über dem Indischen Ozean verloren geht.

 

 



MSFC-Faltblatt zum STS
STS-Faltblatt des MSFC:
Solid Rocket Booster*
3. Die Starthilfsraketen:
Im Gegensatz zu den drei Haupttriebwerken des Orbiters handelt es sich hierbei um Feststoffraketen, die, einmal gezündet, von außen weder gedrosselt noch abgestellt werden können. Beide Starthilfsraketen werden nach dem Start aus dem Atlantik geborgen, überholt, neu befüllt und wiederverwendet.

 


Technische Daten des Space Transportation System

Technische Mehrfachansichten des STS
(Zeichnung aus: DRENDEL, L., 1999)

Orbiter (für OV-105 "Endeavour")
Rumpflänge: 37,24m
Spannweite: 23,79m
Höhe: 17,25m
Leergewicht: 68,587t
Haupttriebwerke: Rocketdyne SSME
Schubkraft: 3x170t
Max. Frachtkapazität: 25,061t
Frachtraum-Größe: 18,3x4,6m
Max. Besatzung 7 (2xP, 2xMS, 3xPS)*
* P=Commander u. Co-Pilot, MS=Mission Specialist, PS=Payload Specialist
   
Außentank  
Länge: 46,9m
Durchmesser: 8,40m
Leergewicht: 29,938t
Gewicht gefüllt: 750,016t
Treibstoff (flüssig): 103,121t (LH2)
Oxydator (flüssig): 616,957t (LO2)
   
Feststoffraketen  
Länge: 45,6m
Durchmesser: 3,71m
Leergewicht: 63,273t
Gewicht gefüllt: 532,287t
Schubkraft: 1300t (jeweils)
Treibstoff: Polybutadien-Acrylonitril-Terpolymer
   

 

OV-101 "Enterprise" — Der Prototyp macht den Anfang
OV-101 "Enterprise" auf Startrampe 39A, 1979
Zwei Jahre vor "Columbia":
"Enterprise" auf LC39A
Im Herbst 1975 stand der erste vollmaßstäbliche Orbiter, das OV-101 (Orbiter Vehicle 101) kurz vor der Vollendung, der Roll-Out des auf den Namen "Enterprise" getauften Orbiters erfolgte am 17. September 1976. Dieser Orbiter-Prototyp war nicht weltraumtauglich sondern nur für Flugversuche innerhalb der Atmosphäre ausgelegt. 1977 wurden mehrere Flugtests durchgeführt, wobei der Orbiter auf der Rumpfoberseite des Boeing 747-Trägerflugzeuges (SCA - Shuttle Carrier Aircraft) aufgesetzt wurde. Das ALT (Approach and Landing Test)-Programm wurde erfolgreich mit fünf Freiflügen beendet. Das Konzept des Orbiters hatte bewiesen, das es funktioniert. Nach Abschluß dieses Testprogramms wurde die "Enterprise" für Bodentests eingesetzt (s. Bild rechts).
Nachdem sie jahrelang in der Paul E. Garber Facility, der Außenstelle des National Air & Space Museums, nahe Washington/DC der Öffentlichkeit kaum zugänglich eingelagert war, ist sie dort seit 2003 im neu errichteten Steven F. Udvar-Hazy Center neben vielen anderen Exponaten der Luftfahrtgeschichte zu bestaunen.

Nachfolgend baute Rockwell Intl. fünf weitere Shuttle für den Orbital-Einsatz:

OV-102 "Columbia": Benannt nach dem Schiff, mit dem die erste amerikanische Weltumsegelung durchgeführt wurde. Der Roll-Out fand am 8. März 1979 statt. Der Erstflug (STS-1) erfolgte vom 12. bis 14. April 1981. Nach 27 erfolgreich durchgeführten Missionen zerbrach der Orbiter am 1. Februar 2003 wegen eines Defektes am Hitzeschutzschild beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre ca. 20min vor der Landung. Dabei kamen alle sieben Astronauten der Mission "STS-107" (113. Space Shuttle-Mission insgesamt) ums Leben.
Die "Columbia" absolvierte 28 Flüge und trug 160 Astronauten/Kosmonauten ins All.

OV-099 "Challenger": Benannt nach einem amerikanischen Forschungsschiff am Ende des 19. Jahrhunderts. Der Roll-Out erfolgte als Struktur-Testgerät am 14. Februar 1978. Nach elfmonatigem Vibrationstest wurde es zum vollwertigen Orbiter umgebaut, dessen Roll-Out am 30. Juni 1982 erfolgte. Der Erstflug (STS-6) fand am 4. April 1983 statt. Der Orbiter ging beim Start am 28. Januar 1986 (STS-51L, 25. Space Shuttle-Mission insgesamt) verloren, als in Folge eines Schadens am rechten Feststoffbooster der Flüssigtreibstoff-Außentank 73sec nach dem Start explodierte. Auch hierbei kamen alle sieben Astronauten ums Leben.
Die "Challenger" absolvierte 10 Flüge und trug 60 Astronauten ins All.

OV-103 "Discovery": Benannt nach dem zweiten Schiff des englischen Entdeckers James Cook in den 70er Jahren des 18. Jahrhunderts. Der Roll-Out war am 16. Oktober 1983, der Erstflug (STS-41-D) erfolgte am 30. August 1984. Mit der "Discovery" wurden nach 32 Monaten Unterbrechung durch die "Callenger"-Katastrophe am 29. September 1988 STS-26) die Shuttle-Missionen wieder aufgenommen. Die "Discovery" wurde ebenfalls als erstes Space Shuttle nach dem Verlust der "Columbia" eingesetzt (Mission STS-113 LF-1/Return to Flight-1, 26. Juli bis 9. August 2005). Ihren letzten Einsatz hatte sie mit Mission STS-133 vom 24. Februar bis 9. März 2011.
Die "Discovery" absolvierte 39 Flüge und brachte 252 Astronauten/Kosmonauten ins All.

OV-104 "Atlantis": Bennant nach dem Haupt-Forschungsschiff (1930-1966) des Woods Hole Oceanographic Institute, Massachusetts. Das Roll-Out fand am 6. März 1985 statt, der Erstflug (STS-51-J) erfogte am 3. Oktober 1985. Dieser Orbiter wurde hauptsächlich für Rendezvous-Flüge (1995-1998) zur russischen Raumstation "MIR" eingesetzt. Mit der Mission STS-135 vom 8. bis 21. Juli 2011 führte sie den letzten Space Shuttle-Flug und beendete nach mehr als 35 Jahren das Programm.
Die "Atlantis" absolvierte 33 Flüge und trug 211 Astronauten/Kosmonauten ins All.

OV-105 "Endeavour": Benannt nach dem ersten Schiff, mit dem James Cook in den 70er Jahren des 18. Jahrhunderts den Südpazifik befuhr. Dieser Orbiter wurde als Ersatz für die "Challenger" aus vielen Ersatzteilen der ursprünglichen Orbiter-Flotte gebaut. Der Roll-Out fand am 21. April 1991 satt, der Erstflug (STS-49) erfolgte am 7. Mai 1992. Ihr letzter Start (STS-134) fand am 16. Mai 2011 statt und die letzte Landung erfolgte am 1. Juni.
Die "Endeavour" absolvierte 25 Flüge und trug 173 Astronauten/Kosmonauten ins All.


Zur STS-Bildergalerie
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Eine neue Infrastruktur entsteht — Bewährtes wird modernisiert
Die Einführung eines damals revolutionär neuen Raumtransport-Systems machte natürlich ebenfalls - und auch gleichzeitig - erhebliche Investitionen in eine neue Infrastruktur zum Betrieb des STS notwendig. Dabei griff die NASA überwiegend auf Einrichtungen zurück, die der Durchführung des 1975 eingestellten Apollo-Programms dienten.

Kennedy Space Center — Der "Spaceport USA" wird umgebaut
Der Umbau des Starkomplexes (LC) 39-A war bereits Ende 1978 abgeschlossen. Der Umbau des Startkomplexes 39-B wurde später begonnen und erst Ende 1985 abgeschlossen. Das Vehicle Assembly Building (VAB), in dem die mächtige Saturn-5-Rakete vertikal zusammengebaut wurde, wurde ebenfalls den neuen Erfordernissen des STS angepaßt. Die umfangreichen Umbaumaßnahmen waren bereits im Sommer 1978 beendet. Das Start-Kontrollzentrum neben dem VAB wurde ebenfalls modernisiert und mit Kontollkonsolen und Computern neuster Art ausgestattet. Komplett neu zu errichten war die Orbiter Processing Facility (OPF), in der die Orbiter gewartet, gecheckt und mit den Nutzlasten und anderen Einbauten für anstehende Missionen ausgerüstet werden.
Ebenso mußten die großen Wassertanktürme an den Startkomplexen neu errichtet werden, wie auch die Lagertanks für flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff. Die Start- und Landebahn 33 des KSC wurde vergrößert und mit einem Mikrowellen-Landessystem ausgerüstet. Vom Kennedy Space Center aus betreibt die NASA zwei Spezialschiffe, "Liberty" und "Freedom", zur Bergung der ausgebrannten Starthilfsraketen.

Investitionen in der ganzen USA
Auch im Johnson Space Center in Houston wurde die Mission Control modernisiert, da von hier aus - wie bei den vorangegangenen Gemini- und Apollo-Programmen - die Einsatzkontrolle der einzelnen Shuttle-Flüge durchgeführt werden sollte.

Abgesehen von der Infrastruktur zum Betrieb des STS mußten auch zusätzliche Forschungs- und Versuchseinrichtungen zur Entwicklung des Systems errichtet und betrieben werden. Hinzu kamen natürlich noch der Bau von einem Prototypen und insgesamt fünf vollständig einsatzfähigen Orbitern sowie deren Nutzlasten. Für den Bau des Außentanks und der Feststoffbooster mußten ebenfalls neue Fertigungszentren errichtet werden. Modernisiert wurden auch die Testanlagen der Shuttle-Haupttriebwerke. Hinzu kamen drei stationäre und ein luftverladefähiges Hebegerüst zur Montage/Demontage eines Orbiters auf den/von dem Shuttle Carrier Aircraft (SCA).
Zusätzlich mußte ein weltumspannendes, erdgebundenes und später auch satellitengestütztes Datenübertragungs- und Verarbeitungssystem aufgebaut werden.

Vandenberg Air Force Base — Der "vergessene" zweite Shuttle-Startplatz
Weniger bekannt ist, daß auf Betreiben der USAF auf der Vandenberg AFB an der kalifornischen Pazifikküste ebenfalls ein bestehender Startkomplex für Titan-III-Trägerraketen, SLC-6, für den Betrieb und Start eines Space-Shuttle umgebaut wurde. Von diesem Sartkomplex aus sollten Orbiter auf polare Umlaufbahnen eingeschossen werden. Für dieses - militärische - Einsatzprofil sollte ausschließlich OV-103 "Discovery" eingesetzt werden. Die Umbauarbeiten wurden 1979 begonnen und nach dem Auftreten vieler technischer, finanzieller und sicherheitspolitischer Probleme bis 1986 verzögert. Nach der "Challenger"-Katastrophe wurden Starts von Vandenberg aus als viel zu gefährlich eingestuft und das Vorhaben aufgegeben.

 

Statistisches über das Space Transportation System zum Schluss:

Die fünf gebauten Orbiter "Columbia", "Challenger", "Discovery", "Atlantis" und "Endeavour" haben isgesamt 135 Missionen (Starts) durchgeführt. Dabei haben sie zusammen 859.382.426 Kilometer zurückgelegt. Das entspricht ungefähr dem 5,7-fachen mittleren Abstand der Erde von der Sonne oder etwas mehr als 91% der Strecke, die die Erde in einem Jahr auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne zurücklegt. Zusammen haben die Orbiter 20.952 Erdumrundungen absolviert. Die Gesamtdauer aller 135 Missionen beträgt 1.320 Tage, 1 Stunde und 32 Minuten.

355 Astronauten/Kosmonauten flogen mit einem Space Shuttle ins All. Davon waren 306 Männer und 49 Frauen, insgesamt trugen die Orbiter 856 Crewmitglieder aus 16 Nationen ins All.
Der jüngste Astronaut war mit 28 Jahren Sultan Salman Al-Saud, der bei STS-51G 1995 mit der "Discovery" ins All flog. Das älteste Crewmitglied war der ehemalige U.S. Senator und Mercury-Astronaut John Glenn bei STS-95 mit "Discovery" mit 77 Jahren im Jahr 1998.
Story Musgrave ist der einzige Astronaut, der auf allen fünf Orbitern geflogen istJerry Ross unf Franklin Chang-Diaz haben mit je sieben Missionen die meisten Space Shuttle-Einsätze gehabt.
Die kleinsten Crews mit jeweils nur zwei Besatzungsmitgliedern wurden bei den Testflügen STS-1 bis STS-4 eingesetzt, die größten Crews bildeten jeweils acht Astronauten/Kosmonauten bei den Missionen STS-61A und STS-71.

Die kürzeste Space Shuttle-Mission war STS-2 (1981, "Columbia") mit einer Dauer von 2 Tagen, 6 Stunden und 13 Minuten. Mit 17 Tagen, 15 Stunden und 53 Minuten war STS-80 (1996, "Columbia") die längste Mission. Innerhalb von 16 Jahren (1995 bis 2011) wurden 9 Dockings an der Raumstation "MIR" und 36 Dockings an der "ISS" durchgeführt.

82 Starts eines Space Shuttle erfolgten vom Startkomplex 39A, 53 vom Startkomplex 39B. 78 mal landeten die Orbiter im Kennedy Space Center, Florida, auf der Shuttle Landing Facility, 54 mal auf dem Roger Dry Lake der Edwards AFB, Kalifornien, und einmal in White Sands, New Mexico.


*Ich danke Franz Hah für die Überlassung dieser und weiterer Unterlagen zu dem Thema!

Quellen:
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