Automated Transfer Vehicle

ATV an Bord der Ariane 5 ES ATV

Eine europäische Trägerrakete Ariane 5 ES ATV startete mit dem ATV als Nutzlast vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou.

Kopplungsmechanismus des ATV „Jules Verne“

Das ATV war mit einem hochentwickelten Navigationssystem ausgerüstet, mit dem es seine Flugbahn ermitteln und den Kurs für das Rendezvous-Manöver mit der Raumstation automatisch berechnen und die notwendigen Steuermanöver selbst durchführen konnte. Weil das ATV an das russische Swesda-Modul andocken sollte, wurde beim Kopplungsmechanismus auf eine russische Entwicklung zurückgegriffen. Ein „Einfangen“ des ATV durch den Roboterarm Canadarm2, wie beim japanischen HTV erfolgt, war nicht möglich. Der russische Teil der Station verfügt nicht über passende Konnektoren, den sogenannten Power and Data Grapple Fixtures (PDGF). Diese sind nur im US-amerikanischen Teil der ISS installiert. Das ATV konnte daher Canadarm2 nicht verwenden, was auch einer der wichtigsten Gründe für das automatische Ankopplungsmanöver war.

Überwacht wurden die ATV-Manöver vom ATV Control Centre (ATV-CC), das 2002 im französischen Centre national d’études spatiales in Toulouse eingerichtet wurde. Hier wurde auch die Zusammenarbeit mit den beiden für die ISS zuständigen Kontrollzentren in Moskau und Houston koordiniert.

Angedockt an die ISS, bildete das ATV eine Erweiterung der Station. Der 45 m³ große Innenraum konnte durch die Raumfahrer betreten werden. Das ATV konnte 7,5 Tonnen Nutzlast zur ISS transportieren. Die Versorgungsgüter wurden entnommen und das Vehikel mit bis zu 6,3 Tonnen Abfall beladen, der in der Raumstation angefallen war. Auch wurde das ATV während der Ankopplung durch die ISS-Besatzung gerne zum Schlafen zweckentfremdet, denn es besaß keine ständig eingeschaltete Innenbeleuchtung und war auch nicht an die Klimaanlage angeschlossen, wodurch der Geräuschpegel sehr viel niedriger war.[1]

Während der Kopplungsdauer wurden die Triebwerke des ATV genutzt um die Station in eine höhere Umlaufbahn (maximal 500 km) zu heben. Solche Korrekturen sind in regelmäßigen Abständen nötig, da die ISS aufgrund der Reibung mit der Restatmosphäre in der Erdumlaufbahn von rund 410 Kilometern täglich zwischen 50 und 150 Metern an Höhe verliert. Kontrollierte Schübe aus den Antrieben des ATV glichen diesen Verlust aus. Jedes ATV führte genügend Treibstoff mit, um die Station bis zu 30 Kilometer anzuheben.

Das ATV konnte bis zu sechs Monate mit der ISS verbunden bleiben. Danach wurde es gezielt zum Absturz gebracht. Hierzu wurde nach dem Abkoppelmanöver durch Abbremsen mit den Triebwerken das Perigäum der Umlaufbahn so weit abgesenkt, dass das ATV beim nächsten Perigäumsdurchgang tief in die Erdatmosphäre eintauchte und weitgehend in den oberen Schichten der Atmosphäre verglühte.

Das ATV sollte das russische, ebenfalls unbemannte, Versorgungsraumschiff Progress nach der Stilllegung der amerikanischen Space-Shuttle-Flotte deutlich entlasten. Es besaß etwa die dreifache Transportkapazität des russischen Raumschiffs.

Treibstofftank des ATV

Zur Navigation besaß das ATV verschiedene Systeme. Über Star Tracker konnte beispielsweise die eigene Lage im Raum bestimmt werden. In größerer Entfernung zur ISS konnte das ATV mithilfe von GPS navigieren. Im Anflug wurden GPS im relativen Modus zur ISS, optische Systeme und Laserinterferometer verwendet. Daneben standen Beschleunigungssensoren und Gyroskope zur Verfügung.[2]

Das Lagekontrollsystem steuerte 28 Triebwerksdüsen, die jeweils 220 Newton Schub lieferten. Als Treibstoff kam Monomethylhydrazin, als Oxidator MON3 zum Einsatz.

Obwohl das ATV ein „Wegwerfprodukt“ war, war seine Verwendung nicht unbedingt teurer als die Versorgung mit dem (wiederverwendbaren) Space-Shuttle-Orbiter, da dort Sicherheitsaspekte gegenüber der Besatzung beträchtliche Kostensteigerungen mit sich brachten.

kursiv = geplant

Juli 2008: die ISS mit dem angedockten „Jules Verne“ (unten)

Der Start des ersten ATVs erfolgte am 9. März 2008. Es trug den Namen Jules Verne zur Erinnerung an den französischen Science-Fiction-Schriftsteller.[23] Nach einer eingehenden Überprüfung aller Systeme sowie mehrerer Rendezvous-Manöver dockte der unbemannte Weltraumfrachter am 3. April erfolgreich an der Internationalen Raumstation an. Die Kopplung war das erste vollautomatische Dockingmanöver im All, das nicht von einem russischen Raumfahrzeug durchgeführt wurde.

Ende April 2008 wurde „Jules Verne“ erstmals genutzt, um die Umlaufbahn der ISS anzuheben. Mit einem fünfminütigen Testlauf der ATV-Triebwerke am 21. April wurde die mittlere Bahnhöhe um 1,7 km erhöht. Vier Tage später hob der Frachter die Station durch eine Zündung von zwei Triebwerken mit einer Brenndauer von 740 Sekunden um weitere 4,7 km an. Der Gesamtschub von 1000 Newton beschleunigte die Station mit ihrer Masse von 280 Tonnen um 2,65 m/s.[24][25]

Am 18. Juni fand der erste automatische Treibstofftransfer von rund 280 kg UDMH und 530 kg Stickstofftetroxid vom ATV in die Treibstofftanks der ISS statt.[26]

Bei dem dritten Reboost-Manöver des ATV wurde am 20. Juni die Bahn der ISS um 7 km angehoben. Mit dem 20 Minuten dauernden Schub von zwei Triebwerken wurden die 300 Tonnen Masse der ISS unter Aufwendung von 400 Kilogramm Treibstoff um 4,05 m/s beschleunigt. Nach dem Reboost am 23. Juli wurde die Station beim letzten Reboost durch Jules Verne am 13. August 2008 um 3,3 m/s beschleunigt und damit innerhalb von 16 min 35 s um 5,8 km auf eine mittlere Bahnhöhe von 356 km angehoben. Am 27. August 2008 fand seit 2003 erstmals wieder ein Ausweichmanöver der ISS statt, bei dem das ATV zum Abbremsen der Station eingesetzt wurde,[27] bevor es am 5. September abdockte.

Der Wiedereintritt von „Jules Verne“ fand am 29. September 2008 in 120 Kilometer Höhe statt und wurde in der „ATV Re-entry observation campaign“ von zwei Beobachterflugzeugen und von Bord der ISS beobachtet und dokumentiert (s. a.[28]). In einer Höhe von 75 km zerbrach das Gefährt; etwa 12 Minuten später fielen Überreste in den Pazifik.[29]

Februar 2011: die ISS mit dem angedockten ATV-2 „Johannes Kepler“ (rechts)

Im Februar 2009 beschloss die europäische Raumfahrtbehörde, den zweiten Transporter nach dem deutschen Astronomen und Mathematiker Johannes Kepler zu benennen. Kepler hat auf Basis der Planetenbeobachtungen von Tycho Brahe die nach ihm benannten Keplerschen Gesetze abgeleitet.[30] Der Start war zunächst für den 15. Februar geplant.[31][32] Aufgrund eines Problems mit der Sensorik in einem der Sauerstofftanks des Haupttriebwerkes wurde der automatische Startablauf vier Minuten vor dem Start abgebrochen und um 24 Stunden verschoben. Der Start der bis dahin mit über 20 Tonnen schwersten Nutzlast der Ariane 5 erfolgte planmäßig.[33] Das Ankoppeln an der ISS fand am 24. Februar statt. Die Fracht mit einer Masse von insgesamt 7060 kg beinhaltete u. a. 4535 kg Treibstoff, um die ISS anzuheben und 860 kg zum Betanken des Sarja-Moduls. Mit an Bord war das Experiment GeoFlow II – ein Modell zur Simulierung der Konvektionsvorgänge im Erdmantel, welches unter Schwerelosigkeit arbeiten musste, damit das zentrale elektrische Kraftfeld des Experiments nicht überlagert wurde.[34] Genauere Erkenntnisse über die Vorgänge beim Wiedereintritt des Raumtransporters sollten mit dem Reentry Breakup Recorder (REBR) gewonnen werden, einem Datenlogger, der während der letzten Flugphase Daten über die Desintegration des Transporters aufzeichnen und diese dann über das Iridium-Satellitennetz zur Erde senden sollte.[35] Die Daten sollten helfen, die Vorgänge beim Auseinanderbrechen genauer zu verstehen und so die Sicherheit beim Wiedereintritt von Raumfahrzeugen zu verbessern.

Am 12. Juni 2011 wurde die Bahn der ISS vom ATV-2 um 19 km auf eine mittlere Bahnhöhe von 365 km angehoben. Dazu arbeiteten je zwei der vier Triebwerke des Raumfrachters in zwei Abschnitten 36 bzw. 40 Minuten.[36] Die weitere Anhebung der Flugbahn der ISS auf rund 380 km erfolgte am 15. und am 17. Juni.[37]

Nachdem der Frachter mit 1,3 Tonnen Abfall beladen worden war, trennte er sich am 20. Juni von der Station zum Wiedereintritt.[38] Am 21. Juni verglühte das ATV schließlich über dem Südpazifik. Der mit einem eigenen Hitzeschutzschild ausgestattete Reentry Breakup Recorder sollte seine Daten ab Erreichen einer Höhe von 18 km übertragen,[39][40] was aber fehlschlug.[41]

ATV-3 beim Verlassen der ISS im September 2012

ATV-3 nähert sich der Station.

Am 16. März 2010 gab die ESA bekannt, dass das dritte ATV nach dem italienischen Physiker Edoardo Amaldi benannt wird.[42] Der Start war für den 9. März 2012 vorgesehen, wurde aber auf den 23. März verschoben.[20] ATV-3 startete am 23. März um 04:34 UTC (1:34 Ortszeit) vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana an Bord einer Ariane 5 ES zur ISS[43] und koppelte am 28. März dort automatisch am hinteren (axialen) Andockport des russischen Wohn- und Servicemoduls „Swesda“ an.[44]

Zwischenzeitlich schien die Notwendigkeit eines vorzeitigen Abdockens des ATVs von der Station zu bestehen, weil die Energieversorgung des Frachters durch die Station nicht hergestellt werden konnte. Für die Daten- und Energieversorgung von angekoppelten Raumschiffen im russischen Teil der Raumstation ist das „Russian Equipment Control System“ (RECS) zuständig, dabei versagte der Primärkanal des Systems. Die Stationsbesatzung wurde daraufhin angewiesen, sofort die wichtigsten Güter vom Raumfrachter zur ISS zu transferieren. Den Flugleitern in den Missionszentralen in Houston, Koroljow und Toulouse gelang es jedoch am 31. März, den Sekundärkanal von „RECS“ zu aktivieren, so dass die weitere Mission von ATV-3, inklusive der „Reboosts“ der Station, gewährleistet war.

Die ursprünglich für den 25. September 2012 vorgesehene Abkopplung verzögerte sich aufgrund von Kommunikationsproblemen zwischen dem Raumtransporter und dem Swesda-Modul der ISS um mehrere Tage. Das ATV-3 verließ schließlich am 28. September 2012 die Station und bereitete den Wiedereintritt vor. Da der „REBR“ des ATV-2 keine Daten übertragen konnte, wurde er bei der ATV-3-Mission zur Vermeidung möglicher Beschädigungen beim Zerbrechen des Transporters weiter von den Antriebstanks entfernt platziert.[41] Am 3. Oktober fand der Wiedereintritt planmäßig statt und konnte mit dem Reentry Breakup Recorder erfolgreich dokumentiert werden.

Das letzte ATV-5 (rechts im Bild) fünf Minuten vor Andocken an die ISS im August 2014

Das ATV-4 trug den Namen Albert Einsteins.[45] Der Start erfolgte am 5. Juni 2013, am 15. Juni fand das Andockmanöver an die ISS statt, nachdem Progress 51 den Dockingport am Swesda-Modul freigemacht hatte. ATV-4 war mit einer Startmasse von 20.190 kg die schwerste jemals geflogene Nutzlast einer Ariane.

Als eine der ersten Aktivitäten wurde die Wasserpumpe, ein Ersatzteil für das Thermalkontrollsystem des Columbus-Moduls und das schwerste Einzelstück der Fracht, entladen und ins Columbus-Modul gebracht. In der Folge fand das erste Reboost-Manöver statt, um die Geschwindigkeit der ISS um 1 m/s zu erhöhen.[46]

Nach Abkopplung von der ISS am 28. Oktober 2013 verglühte das ATV-4 am 2. November planmäßig über dem Südpazifik.

ATV-5 fünf Minuten vor dem Andocken an die ISS aus Sicht der Docking-Kamera. Zu sehen ist der Kopplungsmechanismus des ATV sowie rechts über der Fadenkreuzlinie die Kennung „atv5“

Das ATV-5 wurde nach dem belgischen Astrophysiker Georges Lemaître, dem Begründer der Urknalltheorie, benannt[47] und wurde am 29. Juli 2014[48] gestartet. Mit einem Gesamtgewicht von mehr als 20,2 Tonnen brachte Ariane 5 so viel Nutzlast in den Orbit wie nie zuvor.[49][22] Das ATV-5 dockte am 12. August erfolgreich an die ISS an. Es war das letzte Versorgungsschiff dieser Reihe. Danach stellte die ESA den Bau dieser Transporter ein. Am 14. Februar 2015 erfolgte das Abdocken von der ISS. Am Folgetag verglühte das letzte ATV in der Erdatmosphäre.

Mit dem ATV-5 wurde auch ein Kunstwerk der Künstlerin Katie Paterson aus einem 4,5 Milliarden Jahre alten Meteoriten, der vor ca. 4000 Jahren auf die Erde fiel, zur ISS gebracht.[50]

Bei den ATV Missionen handelte es sich um sogenannte „Barter-Elemente“ der ESA, mit denen man – statt einfacher Geldtransfers – für die eigene Beteiligung zur ISS aufkam. Der Bedarf an Frachtflügen zur Raumstation fiel allerdings durch die amerikanischen Frachtkapseln Dragon und Cygnus weg, so dass das ATV nicht mehr als Barter-Element dienen konnte.[51] Stattdessen entschieden NASA und ESA, den ersten Flug der Orion-Kapsel mit einem europäischen Servicemodul durchzuführen, das auf der ATV-Technologie basiert, womit die mit ATV gesammelten Erfahrungen in das nächste Kapitel der astronautischen Raumfahrt eingehen.[52]