Das ATV als Deobritgefährt für die ISS

Irgendwann einmal wird man auch die ISS deorbitieren müssen. Aufgrund ihrer Masse wird das nicht einfach werden. Wenn bemannte Missionen wiedereintreten müssen, dann bremsen sie meist um etwa 100 m/s gegen die Umlaufrichtung ab. Das erniedrigt den erdnächsten Punkt und liegt dieser dann so niedrig, dass er schon in Luftschichten kommt, die das Gefährt stark abbremsen weil ihre dichte hoch genug ist, dann reicht das das Gefährt zum Wiedereintritt zu bringen. Viele frühere Missionen senkten ihn sogar unter die Meeresoberfläche ab. Eine nicht durch einen Hitzeschutzschild geschützte Station bricht dann auseinander und verglüht. Bei Skylab begann das schon in 120 km Höhe. Allerdings sank diese Station sehr langsam ab, sodass sie sie in flachem Winkel in die Atmosphäre eintrat und die Trümmer erstreckten sich über einen Streifen von 6400 km Länge un 160 km Breite.

Skylab hatte keine Möglichkeit sich gezielt zu deorbitieren, die NASA konnte nur wenig tun und diese Misere ging durch die Presse. Das will man sicher bei der ISS vermeiden. Seitdem wurden alle Raumstationen aktiv deorbitert. Dazu braucht man Treibstoff. Nun wiegt die Station 420 t. Multipliziert man das mit 100 m/s so kommt man auf einen Gesamtimpuls von 42.000.000 Ns. Bei lagerfähigen Treibstoffen mit einem spezifischen Impuls von 3000 m/s braucht man 14.000 kg um die Station abzubremsen. Das erste was man also tun wird ist den Treibstoffverbrauch reduzieren.

iss-deorbit

Das naheliegende ist es die Station zuerst absinken zu lassen in eine Umlaufbahn die noch stabil ist, aber niedriger liegt als die heutige Höhe (rund 420 km). Denn der Impuls hängt ab von der Differenz der alten und neuen Perigäumshöhe. Als Basis mag ein Aufbaukriterium dienen: Die ISS dürfte beim Aufbau eine Höhe von 330 km nicht unterschreiten, weil sie sonst in 3 Monaten so stark absinken würde, dass sie kein Transporter mehr anheben kann. Da es für ein Deorbitgefährt auch Verzögerungen gibt würde ich 340 km als Ausgangsbahnhöhe ansetzen. Diese Abbildung einer Simulation zeigt, dass die Station aus einer 330 km hohen Umlaufbahn alleine durch die Abbremsung innerhalb von 304 Tagen verglühen würde. Diese Simulation stammt aus der Zeit des Aufbaus, als die ISS noch 244 t wog. Mit den größeren heutigen Solararrays dürft es eher noch schneller gehen.

Wie tief muss man die Bahn absenken? Nun man muss sie nicht zu stark absenken, aber auch nicht gerade bis an die Grenze wo die Reibung die Station dann endgültig abbremst, denn dann erhält man wie bei Skylab einen langen Streifen weil sich das auseinanderbrechen über eine größere Strecke erstreckt. Die ATV brechen in 60 bis 80 km Höhe auseinander. So würde ich als niedrigsten Bahnpunkt eine Höhe von 80 km definieren.

Nach den Gleichungen für Bahnen muss man dann nicht mehr um 100 m/s abbremsen, sondern „nur“ noch um 76,4 m/s. Machen mithin aber immer noch über 10 t Treibstoff die man braucht. Das ist mehr als jeder Transporter heute zur Station bringen kann. Noch problematischer: Um das langsame Absinken wie bei Skylab zu vermeiden müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

  • Beim Abbremsen darf man nur während des Apogäums den Antrieb einsetzen, sonst senkt man die ganze Bahn ab und nicht nur einen Punkt
  • Ein Absinken des Perigäums unter 180 km sollte bei mehreren Zündungen bis zur letzten vermeiden werden, weil sonst die Station unkontrolliert eintritt.

Wenn man dies mit den Progress oder ATV durchführt, reicht zum einen deren Treibstoff nicht aus, zum anderen müssen ihre leistungsschwachen Triebwerke sehr lange arbeiten – über viele Stunden. Sie würden die Bahn daher stufenweise absenken. Beim Einsatz der derzeitigen Transporter würden diese nur kurz während des Apogäums arbeiten und so die 340 × 340 km Bahn über viele Umläufe zuerst in eine 340 × 330 Bahn dann irgendwann in eine 340 × 180 km Bahn bringen. Doch dann stehen wir vor einem Problem, denn nun müsste man in einem Umlauf den Rest schaffen, dazu braucht man schubstarke Triebwerke. Die gibt es auf der ISS nur in der Swesda. Leider sind deren Tanks zu klein: sie fassen nur 860 Treibstoff.

Kurzum: Mit den heutigen Möglichkeiten kann man die ISS nicht sicher deorbitieren. Dazu braucht man ein Gefährt das:

  • über mindestens 11,2 t Treibstoff verfügt
  • diesen Treibstoff relativ schnell verbrennt (Brennzeit < 3000 s)
  • Damit braucht es ein Triebwerk mit einem Schub von 12 kN oder mehr.

Das könnte die Orion sein: ihr Servicemodul wird viel Treibstoff aufnehmen, für die Mond Missionen braucht man diesen um in eine Umlaufbahn einzuschwenken oder sie zu verlassen. Zudem wird es das AJ10-26 einsetzen, das 26,7 kN Schub aufweist. Ich will aber hier mal eine andere Lösung auf Basis des ATV nennen.

Das ATV setzt sich aus zwei Elementen zusammen – einem vorderen Druckmodul für die Fracht und im hinteren Teil auch Gase, Wasser und Treibstoff mit dem Kopplungsadapter und dem Bus der auch den Reboosttreibstoff enthält. Vom Druckbehälter brauchen wir nur den Kopplungsadapter und die Annäherungssensoren. Ersterer wiegt 254 kg, zusammen mit einigen vorne noch befindlichen Triebwerken soll das 500 kg wiegen. Im hinteren Servicemodul befinden sich dagegen nicht nur die Steuerung und Energieversorgung sondern auch die Treibstoffe für den Antrieb und das Anheben der ISS. Das sind derzeit 6,8 t, von denen ein ATV rund 1 t verbraucht bis er angekoppelt hat.

Lösung Nummer 1 wäre es diesen Teil so umzubauen, dass er mehr Treibstoff aufnimmt und ein leistungsfähiges Triebwerk einzubauen. Der Platz steht zur Verfügung denn im Servicemodul liegt alles auf einem Kreisring, der in der Mitte leer ist. Dort könnte man dann ein Aestus Triebwerk einbauen und man benötigt weitere Tanks. Nimmt man ein Voll/Leermasseverhältnis von 5 zu 1 an (es kommt ja noch Druckgas hinzu und die Hülle und Befestigung wird auch verlängert, dann kommt man zu folgender Rechnung:

  • Heutiges ATV Servicemodul: 5,5 t Trockenmasse
  • zusätzlich: Kopplungsadapter und Annäherungssensoren: 0,5 t
  • zusätzlich Aestus Triebwerk und Schubgerüst, Schwenkmechanismus: 0,3 t
  • zusätzlich: bisheriger Treibstoff: 6,8 t
  • zusätzlich 6,16 t neuer Treibstoff
  • zusätzlich 1,23 t für Tanks / Druckgas etc.

Gesamtgewicht: 20,5 t davon 12,96 t Treibstoff

Wenn man 1 t abzieht für Annäherungsmanöver, so bleiben 11,9 t für das Deorbitieren nutzbarer Treibstoff. Diese reichen aus um 440 t (ISS + angekoppelter ATV) um 87,3 s abzubremsen. Das Aestus Triebwerk muss dafür 1321 s lang arbeiten. Damit erfüllt es beide Kriterien. Damit ist der Job zu machen.

Nicht ganz reicht es für eine zweite Überlegung: Anstatt das ATV umzubauen, könnte man ja auch nur mit einer Ariane 5 ES und einer vollen Oberstufe nur das Servicemodul mit Kopplungsadapter starten. Die EPS würde dann zuerst kurz zünden um die suborbitale Bahn anzuheben. Danach würde das Servicemodul mit relativ kleinen Treibstoffvorräten ankoppeln, ohne das man sich von der Oberstufe getrennt hätte und mit dieser dann die Deorbitierung durchführen. Das Problem ist, dass die Oberstufe derzeit nur 10 t Treibstoff hat, von dem noch etwas abgeht weil die EPC das Gefährt auf einer suborbitalen Bahn entlässt (nicht weil es zu schwer ist, sondern weil die EPC verglühen soll). Das ist zu wenig Treibstoff. Die Lösung wäre es zuerst mit den ATV Triebwerken den Orbit abzusenken, sie haben ja weitere 5 t nutzbaren Treibstoff Damit kann man die Bahn von 340 auf 284 km Höhe absenken. Danach wäre die EPS dran, die nun weitere 60,4 m/s abbauen muss, das entspricht 8,3 t Treibstoff. Leider verbraucht bei normalen ATV Missionen die Oberstufe aber schon 4,6 t um die Umlaufbahn zu erreichen und damit bräuchte sie mindestens 12,9 t Treibstoff, ihre Tanks fassen aber nur 10 t. Man hat mal erwogen sie zu vergrößern (das war eine Ausbauoption für die Ariane 5), doch das ummodeln würde wahrscheinlich genauso aufwendig sein, wie das ATV umzubauen, zudem gibt es noch das Problem der Steuerung, denn die EPOS wird ja sonst von der VEB nicht dem ATV gesteuert.

Warum ich dieses Szenario durchgerechnet habe? Noch ist ja offen ob Europa bei einem Betrieb der ISS von 2020 bis 2024 dabei ist. Derzeit sieht es nicht danach aus. Für den Betrieb von 2006 bis 2017 hat man fünf ATV gestartet. Für 2018 bis 2020 entwickelt man als Kompensation das Orionmodul. Ein solches Deorbitgefährt wäre eine Möglichkeit den Betrieb von 2020 bis 2024 zu kompensieren. Wie schon gesagt, wäre eine Orion besser geeignet für die Aufgabe. Sie müsste sie ohne größere Umbauten erledigen können, man müsste nur am russischen Segment andocken können.

Zuletzt gäbe es noch eine andere Möglichkeit: wenn man die ISS nicht deorbitieren kann, weil man mittelfristig kein Gefährt an den Start kommt gibt es noch eine Alternative: sie nicht zu deorbitieren, sondern ihre Bahn anzuheben. Das verlängert die Lebensdauer und man gewinnt Zeit. Einer der inzwischen nicht mehr Eingesetzten Tankversionen der Progress kann die Station um 20 km anheben. Das bringt mindestens ein Jahr Zeit um eine Lösung zu finden. Verglichen mit dem Deorbitieren würde das regelmäßige Anheben mit den bisherigen Transportern möglich sein und relativ wenige Flüge erfordern.

13 thoughts on “Das ATV als Deobritgefährt für die ISS

  1. verträgt die ISS überhaupt einen so starken Bremsimpuls ohne auseinander zu brechen?
    Diverse Teile, wie z. B. die Solarmodule sind ja ziemlich ausladend angebracht. Ich könnte mir vorstellen, dass die Verbindungen der Module da schon beim zünden der Bremse nachgeben.

    Mir persönlich würde es auch eher gefallen, wenn die Bahn noch ein paar mal angehoben würde. Das Ding hat so unendlich viel Geld gekostet…
    Auch wenn zeitweise keine Besatzung anwesend ist, dann kann man doch vielleicht ferngesteuert einige Experimente laufen lassen.
    Oder man parkt das Ding einfach, bis man es für zukünftige Zwecke wieder aktiviert.

    Aber das ist vermutlich schon aus politischen Gründen nicht möglich.
    Und das ist das Totschlagargument, das jegliche Geldverbrennung rechtvertigt…

  2. Muß denn die ISS unbedingt im Stück deorbitiert werden? Es wäre doch möglich, die Module je nach verfügbaren Treibstoff in kleinen Gruppen oder einzeln mitzunehmen. Dafür sollten die verfügbaren Transporter reichen.

  3. Ich hätte noch ’ne 3. Möglichkeit im Angebot, die zwar noch umständlicher ist, aber vielleicht bringt sie ja auch den einen oder anderen Vorteil. Nämlich die Station irgendwo wieder zu teilen, und beide Teile separat zu deorbitieren.
    Oder, wenn man sie aus welchen Gründen auch immer nicht mehr bemannt betreiben kann, die Bahn auf irgendwas über 500 oder 600 km Höhe anheben und sie noch ein paar Jahre als unbemannten Satelliten weiter nutzen. Das wäre auch gleich noch ein Forschungsgebiet, weil man die Lebenserhaltungssysteme dann eine Weile abschalten kann. Interessant wird es dann, wenn man sie wieder hochfahren will, weil sich dann zeigen muss, ob das so funktioniert, wie man sich das gedacht hat, bzw. was dabei nicht klappt.
    Für zwischenzeitlich notwendige Arbeiten, die im Inneren anfallen, lässt man einen Robonauten an Bord, der bei Bedarf von der Erde aus ferngesteuert wird.

  4. Kleinigkeit vergessen: Kann man nicht an der Stelle des unter Druck stehenden Frachtraums weitere Tanks einbauen, wenn man den eh nichts transportiert, was den Druckbehälter braucht?

  5. Was spricht denn gegen eine Sprengung beim wiedereintritt?

    Ich würde so vorgehen alle leichten Teil demontieren, diese Verglühen vollständig.
    Bleiben die Module. Diese würde ich Modul für Modul demontieren und mit Sprengstoffschneidladungen versehen. Diese wiegen lediglich wenige Kilogramm.
    Das lösen der eigenen Module würde ich deshalb machen, damit die Station nicht unkontroliert in Rotation gerät und auseinanderbricht.
    Sobald die Module wiedereintreten, würde ich warten, bis das Modul über dem Pazifik ist und dann die Module mit den Schneidladungen zerlegen. Die Einzelnen Trümmer werden dann einen viel höheren Luftwiederstand haben und über dem Pazifik verglühen.

  6. @Elendsoft:
    Alle Module sind auch verkabelt. Die Verbindungen wurden nach dem Andocken gemacht und müssten gelöst werden.Zudem können die US-Module nicht selbstständig abdecken und an einen Transporter andocken. Das bedeutet dass man eine Mannschaft an Bord braucht und das ganze ziemlich aufwendig und teuer wird. Selbst wenn man Grippen loslöst so bleibt das Problem das keiner der Transpoerter außen den Progress (und die können nur an den beiden russischen Modulen andocken) schubkräftige Triebwerke hat die man auch braucht.

    @Hans: Das läuft auch auf einen Umbau raus, egal wie man es sieht, nur erniedrigt der 55 t schwere Druckbehälter die Treibstoffmenge gewaltig.
    Das in höhere Bahn verschieben habe ich ja schon angedeutet am Schluss und auch mal in einem anderen Beitrag durchgerechnet.

    @Kay auch wenn man sprengt muss man die Bahn beeinflussen können, sonst gehen die Trümmer eben nicht über dem Pazfik nieder sondern über dem Weissen Haus und es gibt Terroristenalaram ….

  7. Anheben ohne weitere Kontrolle ist aber schlecht, weil dann ideales Ziel für Mikrometeoriten und Trümmerteile. Also entweder weiterhin aktiv steuern oder wirklich versenken.

  8. @Daniel
    Daher auch der Vorschlag es mit Progress Frachtern zu tun und nicht groß anzuheben. Einen Teil den Treibstoffs zum Anheben nutzen, den Rest umpumpen und für Kurskorrekturen nutzen. So kann man die Station mit wenig Aufwand über Jahre im Orbit lassen bis man eine Lösung hat.

  9. Könnte man nicht z.B. eine Centaur andocken lassen? Man müsste die nur mit einem Service Modul und Adapater ausrüsten. Allerdings hat man glaub nur 5 Stunden Zeit, weil sonst der Treibstoff verdampft.
    Aber es sollte möglich sein, diese rascher andocken zu lassen. Die Soyuz schafft es in 6 h.
    Gemini schaffte ein Rendezvous in einem Umlauf.

  10. Wenn man die ISS mit möglichst geringen Entwicklungskosten deorbitieren möchte, ist es wohl das einfachste, einen (weitgehend) leeren Progress-Transporter auf einer Proton-M zu starten. Die Oberstufe der Proton-M, die Bris-M, und der Progress-Transporter bleiben gekoppelt. Die Proton ist mit dieser Mission natürlich vollkommen unterfordert, und entsprechend kommt die Bris-M-Oberstufe mit (fast) vollen Tanks bei der ISS an. Die Progress koppelt mit der „Oberstufe auf dem Rücken“ an die ISS an. Die Bris-M macht dann das eigentliche Deorbit-Manöver.

    Für diese Mission wird sicher nochmal die Steuersoftware üder Progress überarbeitet werden müssen, und die Bris-M braucht wahrscheinlich eine neue Form der Stromversorgung, damit sie entsprechend lange „Brennpausen“ durchführen kann.

    Um die ISS mit 99% Wahrscheinlichkeit sicher zu deorbitieren, muss man natürlich den Start von zwei Proton-Raketen vorbereiten, denn die Zuverlässigkeit der Proton beträgt bekannterweise nur 90%. Dumm natürlich, wenn der Deorbit-Burn wie der letzte Orbit-Insertion-Burn einer Fregat in die falsche Richtung geht – dann ist die ISS nach dem ersten Burn möglicherweise in einem Orbit, wo sie für die zweite Proton nicht mehr erreichbar ist. Es sollten aber ausreichend Lagekontroll- und Telemetrie-Systeme auf der ISS vorhanden sein, mit denen sich der erste Burn kontrollieren und im Fall von Fehlern sofort beenden lässt.

  11. Ich denke, das Problem ist eher ein anderes.
    Alleine schon aus sentimentalen Gründen und Imageverlust wird, wie die Stillegung des Space-Shuttles, eine Deorbitierung als Abgesang aufs amerikanische HSF Programm gesehen.

    Eine Anhebung der ISS in eine Parkumlaufbahn in 750km Höhe halte ich für wesentlich besser.
    Man gewinnt erstens Zeit sich international neu auszurichten, zweitens bleiben die noch nutzbaren Labormodule der EU und Japans erhalten und letztens, selbst wenn gar nichts wiederverwendbar ist, kann man es als 500t Aluminiumblock bestimmt in zukunft meistbietend als Rohstoff verkaufen.

    Bleibt die ISS oben, haben Firmen zukünftig noch ein „Ziel“ überhaupt Raumfahrt zu betreiben.
    Verschwindet sie im Meer, ist bemannte Raumfahrt am Ende und der „Business case“ für Weltraum würde über einige Zeit auf Kommunikationssatelliten beschränkt bleiben.

    Parkorbit in größerer Höhe finde ich wesentlich besser.

  12. So einen Parkorbit halte ich für eine schlechte Idee. Denn wenn die ISS ausser Betrieb, also ohne Lagekontrolle und Steuerungsmöglichkeiten da oben herumschwirrt wird sie früher oder später mit Weltraumschrott kollidieren. Die ISS ist groß, hat viel Oberfläche, da gibts viel zu treffen. Und so wird die ISS dann schön nach und nach Weltraumschrott verteilen bis diese Orbitregion wegen der vielen Trümmerteile gar nicht mehr genutzt werden.

    Also die ISS da oben „parken“ und mal sehen ob in 10 oder 20 jahren doch noch jemand damit was anfangen kann halte ich für eine verantwortungslose Idee. Sobald die ISS nicht mehr aktiv betrieben wird muss sie entsorgt werden.

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