Was waren die technischen Fehler des Space Shuttles?

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Nun da sich SpaceX anschickt das vierte wiederverwendbare Gefährt zu bauen und das erste bei dem auch die Trägerrakete vollständig wiederverwendet wird möchte ich noch mal einen Blick zurück werfen auf das Space Shuttle. Als ich darüber nachdachte konnte ich es kaum glauben – es ist tatsächlich schon wieder 12 Jahre her, das es ausgemustert wurde. Die Falcon 9 hatte damals in ihrer 1.0 Version gerade mal zwei Startversuche absolviert. Noch viel länger her, nämlich über 42 Jahre ist der Jungfernflug. Zeit sich auch mal das zu vergegenwärtigen, denn wir reden natürlich über eine Zeit mit einer anderen Technik. Als das Space Shuttle am 12.4.1981 ihren Jungfernflug hatte war die aktuelle Trägerrakete Europas gerade mal die Ariane 1.

Ich habe oben in dem Titel bewusst das Wort „technisch“ genommen, denn der grundlegende Fehler des Space Shuttles ist relativ schnell zu benennen: es war bemannt. Ursprünglich war dies auch sinnvoll. Als nächster Schritt nach Apollo plante die NASA eine Raumstation in Orbit, die wie heute die ISS aus Modulen aufgebaut ist. Das Space Shuttle sollte diese Station versorgen und die Astronauten hinbringen. Dieses Shuttle in den ersten Plänen war viel kleiner. Die Nutzlast lag nur 11,34 t, beim späteren Space Shuttle war sie 2,6-mal größer. Erste, interne NASA Entwürfe hatten viel Ähnlichkeit mit dem heutigen X-37B es waren Gleiter mit kurzen Flügeln. Dieses Vehikel war nicht für kommerzielle Transporte gedacht, sondern es war Bestandteil eines bemannten Programms, so wie es die Space Shuttle auch waren, als sie dann wirklich die ISS aufbauten.

So muss man das Shuttle auch mit einem bemannten Programm vergleichen, also den Startkosten für eine Apollo- und Geminimission. Da offerierte dann das Space Shuttle Vorteile und dafür musste es auch nicht 50-mal pro Jahr starten. Doch es kam anders, aber um diesen Punkt geht es hier nicht, weniger auch wenn man ihn nicht ausblenden kann. Die NASA belehrte SpaceX das ein bemanntes Gefährt zehnmal aufwendiger und teurer als ein unbemanntes ist, was man leicht an den Kosten und der Entwicklungszeit der Crew-Dragon im Unterschied zur Cargo-Dragon sieht. Ähnliches gilt auch für ein unbemanntes Space Shuttle. Das grundlegende Problem bei bemannten Systemen ist, das man bei ihnen vor Veränderungen zurückschreckt. Veränderungen bergen ja immer neue Risiken auch für die Besatzung, so gab es genügend Vorschläge die Leistung des Shuttles zu steigern aber nur die wenigsten wurden umgesetzt. In dieser Form schlägt der Punkt „bemanntes Gefährt“ dann auch voll auf die Technik durch.

Das grundlegende Problem, das ich aber sehe, ist ein anderes und es ist der Zeit geschuldet. Die Entwicklung des Space Shuttles begann 1969. Die ersten drei Jahre wurde am Design gearbeitet. Die ersten Entwürfen mit Raketenstufen mit flüssigem Triebstoff die teilweise auch in der Unterstufe bemannt waren, erwiesen sich alle als nicht finanzierbar in der Nach-Apollo Ära als das NASA Budget rapide sank und sogar drei Apollo Missionen gestrichen wurden. Das heutige Konzept wurde 1972 genehmigt. John Young, der den Jungfernflug kommandierte, erfuhr von der Entscheidung als er gerade bei der Apollo 16 Mission auf dem Mond war.

Verglichen mit den ersten Plänen war schon das umgesetzte Konzept eine Schmalspurlösung, aber gemessen an der Technik der Sechziger war es ein riesiger Sprung für die Zeit. Die USA hatten in den Sechzigern in einem Jahrzehnt die Mondlandung hingekriegt. Eine Rakete gebaut, zwanzigmal größer als alles was sie bis 1961 hatten und den Sprung von einer 1-Mann Kapsel die für 6 Orbits ausgelegt war zu einem Gefährt das autonom auf dem Mond landen kann. Damals glaubte man bei der NASA und der Industrie, das die technische Entwicklung in dem Maße einfach weitergehen würde. Für die Achtziger Jahren plante die NASA eine Marslandung. Man arbeitete an nuklear angetriebenen Oberstufen, Reisebüros verkauften Tickets für Mondlüge die es ab dem Jahr 2000 für jedermann geben sollte. Das zeigt in etwa den Zeitgeist damals. So erschien ein geflügelter Gleiter in weiteren zehn Jahren möglich. Anders aber beim Sprung Mercury-Kapsel zu Apollo Raumschiff oder Atlas zur Saturn V war es nicht eine Fortentwicklung einer Technologie die man schon einsetzte, sondern etwas komplett neues und das führte zu Problemen.

Die Haupttriebwerke

Die frühen Pläne sahen den Einsatz der Triebwerke F-1 und J-2 aus dem Saturnprogramm vor. Diese Triebwerke waren nicht wiederverwendbar ausgelegt, aber sie waren sehr gut getestet und sehr zuverlässig. Jedes Raketentriebwerk hat eine Design-Lebensdauer die höher als die typische Betriebsdauer ist, normal ist etwa die zehnfache Betriebsdauer. Ein F-1 lief z.B. bei Tests viel länger als beim Start auf einer Saturn V selbst. Man kam wegen der Forderungen nach vielen Einsätzen davon ab, eine Entscheidung die ich bis heute nicht verstehe. Natürlich ist es besser wenn ein Triebwerk 100-mal anstatt 10-mal einsetzbar ist, aber von den Kosten spart man bei 10 Einsätzen schon 90 Prozent ein, und 100-mal bringt nur weitere 9 Prozent. Konstant bleiben aber die Kosten für Wartung und Inspektion die bei sehr vielen Einsätzen dann höher sind als die anteiligen Produktionskosten.

Die SSME sollten aber nicht nur 100-mal wiederverwendbar sein, sie setzten auch eine neue Technologie ein, sie waren das erste Staged-combustion Triebwerke der USA und dann gleich mit der Kombination Wasserstoff/Sauerstoff. Heraus kam ein Triebwerk das technisch erheblich komplexer war als alles was man vorher hatte und technische komplex bedeutet auch das die Wartungskosten hoch sind, genau das was man bei einem wiederverwendbaren Triebwerk nicht will. Aus dem SSME wurde später das RS-68 entwickelt das die Delta 4 antriebt. Das RS-68 ist nicht wiederverwendbar und setzt kein Staged Combustion Verfahren ein. Aber es kostete 2005 etwa 20 Millionen Dollar pro Stück anstatt 50 bis 60 eines SSME und das bei 50 Prozent mehr Schub.

Die Entwicklung des SSME hielt denn auch die Space Shuttle Entwicklung auf. Der folgenschwerste Unfall ereignete sich am 27.12.1978, als bei einem Test ein Triebwerk explodierte. Dies war schon der Test der Flugexemplare, nun musste teuer nachgebessert werden und der Jungfernflug um neun Monate verschoben werden. Die SSME blieben über die ganze Shuttle Ara wartungsintensiv. Man entwickelte es behutsam weiter, zuerst galt der Fokus der Leistungssteigerung, nach dem Verlust der Challenger der Sicherheit. Insgesamt sieben Versionen wurden es bis zum Programmende.

Hitzeschutzschild

Das zweit war der Hitzeschutzschild. Es gab bis dahin schon mehrere Konzepte für den Hitzeschutzschild. Für kleine Sprengköpfe von militärischen Raketen setzte man auf die Wärmesenke, ein Metall mit hoher Wärmekapazität umgibt den Sprengkopf und nimmt einen Teil der Energie auf und erhitzt sich. Für Körper mit niedriger Dichte, wie eine bemannte Kapsel oder gar ein Gleiter war diese Technologie nicht geeignet. Die bemannten Raumschiffe in Ost und West setzten auf ablative Schilde. Dazu wurde ein Phenolharz, eventuell angereichert mit Zusätzen, in einen Träger gegossen und auf eine parabolische Form geschliffen. Die Form erzeugte Auftrieb, erlaubte es vor allem aber dem Plasma abzuströmen und so weniger Energie zu übertragen. Das Harz verkohlte an der Oberfläche und der entstehende Graphit leitet zum einen Wärme schlecht, zum anderen verdampft Graphit erst bei hohen Temperaturen. Ein solcher Schild wäre praktikabel gewesen, er müsste eben bei jedem Einsatz ausgetauscht werden, so wie dies schon damals bei der Gemini B Mission geschieht und heute routinemäßig bei den Dragons.

Vielleicht wäre dieser Schild auch zum Einsatz gekommen, hätte nicht die NASA befürchtet, das ihr Einfluss zu klein bei der Nixon-Regierung gewesen wäre, um die Mittel für das Programm genehmigt zu bekommen. So kontaktierte man das Verteidigungsministerium das politische Schützenhilfe leisten sollte. In den USA hat meiner Ansicht nach das DoD einen Freifahrtschein, es bekommt Milliarden für vage Projekte genehmigt die mal funktionieren (Stealth-Technologie) und mal nicht (SDI), ohne das viel nachgefragt wird.

Das DoD sah die Chance das man auch militärisch im Weltraum durchstarten könnte, das wollten sie ja schon damals. Das Space Shuttle könnte Satelliten einfangen, das waren vor allem eigene Aufklärungssatelliten die mit Film arbeiteten und derzeit nach dem Verbrauch des Vorrats nutzlos waren, aber auch gegnerische um sie zu untersuchen). Es gab sogar Grafiken in denen ein Space Shuttle eine Saljut in den Nutzlastraum hob … Allerdings müsste das Space Shuttle dann die Titan IIID ersetzen und die transportierte 13 t in einen Orbit. Zusammen mit etwas Puffer wollte die USAF nun 14,4 t in einen sonnensynchronen Orbit. Also wesentlich mehr als die NASA plante. Mehr noch. Das DoD träumte von Aktionen die keiner bemerken könnte. So in der Art: ein Space Shuttle startet fängt im Orbit einen Satelliten ein und landet gleich wieder ohne einen vollständigen Orbit zu durchlaufen. Da sich die Erde aber in den rund 90 Minuten weiter dreht, musste der Shuttle für die Landung um etwa 1.800 km zur Seite fliegen. Dieser Forderung nach einer großen Querreichweite verdanken wir die großen Flügel und sie erwiesen sich als die zweite Achillesferse des Konzepts.

Ablative Schilde waren auf so großen Flügeln nicht möglich. Aber es gab in Experimenten eine neu Technologie. Das waren Kacheln aus Silikatfasern. Das besondere war die niedrige Dichte des Materials, unter dem Mikroskop sieht man ein dreidimensionales Durcheinander aus Fasern in viel leerem Raum und dadurch geben die Fasern zum einen durch die große Oberfläche schnell Wärme ab, zum anderen ist das Vakuum ein schlechter Leiter. Videos aus den Siebzigern sind eindrucksvoll. Da wird ein Baustein aus dem Brennofen genommen, wenige Sekunden später ist er an den Kanten schon anfassbar, während er im Innern noch rot glüht. Anders als ein ablativer Schild nutzt sich die Kachel kaum ab. Doch wie immer bei einer neuen Technologie gab es Probleme. Es dauerte viel länger die Kacheln zu montieren als geplant, zudem waren durch die große Oberfläche und komplexe Form sehr viele Kacheln, bei der Ersten Generation über 30.000 nötig. Dann musste eerst ein Kleber gefunden werden, da beim ersten zu viele Kacheln abfielen.

Andere Missionskritische Technologien, wie die alleinige Computersteuerung in kritischen Missionsphasen funktionierte dagelegen einwandfrei, trotz der Langsamkeit der Rechner die bei etwa einem Achtel der eines 80286 oder 68020 lag. Das das Shuttle prinzipiell auch mit der Technologie der Achtziger – GPS gab es noch nicht, präzise landen kann demonstrierten dann die Sowjets mit der Buran. Das Space Shuttle konnte das auch, aber die Astronauten setzten durch das das Landefahrwerk nur manuell ausgefahren werden konnte, damit niemand auf die Idee kam es unbemannt einzusetzen.

Ich weiß nicht ob es bei einem kleinen Shuttle wie ursprünglich geplant, kleiner, mit Triebwerken aus der Apollo-Ära anders gelaufen wäre, aber die Herausforderungen sind kleiner und die Chance größer das die Kosten für die Wartung nicht so aus dem Ruder laufen. Ich skizziere mal wie es hätte laufen können. Dem bemannten Shuttle wäre eine unbemannte Version gefolgt. Ohne Mannschaftskabine wäre es problemlos auf die Nutzlast einer Titan gekommen und hätte damit dann wirklich bei unbemannten Transporten die Trägerraketen ablösen können. Erfahrungen aus dem ersten Shuttle hätte man umsetzen können, so sind heute die Kacheln Standard beim Starship, dem X-37B und dem Dreamchaser. Es wäre wahrscheinlich billiger als die erste Version gewesen. Vielleicht hätte man die Technologie dann auch weiter entwickelt hin zu einer Raketenstufe die landet wie das Starship oder die K-1 weg von einem Gleiter.

Stattdessen lief es völlig anders. Nach der Challenger Katastrophe stieg die NASA ja nicht nur aus dem Satellitentransport mit dem Shuttle aus, sondern komplett aus dem bisherigen System in dem die NASA die Fortentwicklung der Trägerraketen finanziert und sie stattdessen eben nur noch kauft. Mit den bekannten Folgen. Warum sollten die Hersteller von Trägerraketen neue Träger oder gar Wiederverwendbare Raumfahrzeuge entwickeln, wenn die NASA und das Dod noch die alten abnehmen?

Fazit

Ich meine die technischen Fehler des Space Shuttles waren eigentlich nicht das Problem. Sie machten ihn aber teuer und wartungsintensiv. Es war nicht so, das es prinzipiell falsch ausgelegt war. Es war eben nur die erste Generation. Zu wartungsintensiv und eigentlich auch zu groß. Der grundlegende Fehler war nicht die Technik sondern die Verknüpfung mit der bemannten Raumfahrt, das verhinderte praktisch jede Modernisierung. Ein kleinerer Shuttle, wie geplant, wäre auch weniger komplex gewesen, weniger teuer und so die Chance größer, dass es vielleicht eine unbemannte Fortentwicklung von ihm gibt.

8 thoughts on “Was waren die technischen Fehler des Space Shuttles?

  1. Tja aber dann wären wir bei einer Raumfahrt der Vernunft gewesen und die spielt der vergangenen aktuellen Raumfahrt ja eher selten eine Rolle schon gar nicht wenn es Bemannt sein soll…
    Abgesehen dass es beim bemannten Gleiter ja immer noch zu viele Fehlerquellen gegeben hätte die einen Verlust der Mannschaft viel wahrscheinlicher machen als bei einer Kapsel wie du ja schon mehrfach in diversen Artikeln ausgeführt hast

  2. „Das Space Shuttle konnte das auch, aber die Astronauten setzten durch das das Landefahrwerk nur manuell ausgefahren werden konnte, damit niemand auf die Idee kam es unbemannt einzusetzen.“
    Das klingt aber sehr kurzsichtig. Nur spräche nichts dagegen, 1 oder 2 der Shuttleflotte unbemannt zu benutzen. Auf diese Weise hätte man Missionen bzw. Shuttleconfigurationen umsetzen können, welche sich mit dem Risikomangment eines bemannten Fluges nicht vertragen.

    Das SSME war auch desshalb so komplex, weil es treibstoffreich betrieben wurde. Wenn ich mir aussuchen kann, wie ich ne Turbine antreiben will, dann nehme ein Medium mit einer möglichst hohen Dichte und nicht das Medium mit der geringstmöglichen Dichte.

    1. Beim RS-25 kommt dann noch hinzu das man zwei Turbopumpen verwendet und man noch nicht mal den kompletten Wasserstoff durch die Preburner schickt. Da hat man meiner Meinung nach nicht weit genug gedacht.

  3. Das interessante bei den größeren Fehler die man beim Space Shuttle gemacht hat ist das man alle sehr gut mit den damaligen wissen erklären kann.

    Man hat sich am Anfang zu viel vorgenommen. Dann kam das Militär dazu und man musste plötzlich noch mehr leisten. Gleichzeitig sank dann auch noch das Geld. Da hat man dann zurückgeschraubt. Und am ende kam etwas dabei heraus was praktisch nix besser konnte als die vorherigen Systeme. Und spätestens mit der Challenger Explosion stoppte dann auch die sinnvolle Weiterentwicklung.

    1. „Zum Thema Bemannt vs Unbemannt mache ich mir gerade Gedanken. Die Entwicklung und vor allem die ersten Starts kosten Bemannt auf jeden fall mehr. Man kann/will ja absolut kein Risiko eingehen. Nach ein paar Starts sollte es aber meine Einschätzung nach keinen großen unterschied mehr geben.“

      Es ist ja nicht nur die Zuverlässigkeit; es sind auch die Designmargins. Ich kenne die Vorschriften der NASA nicht auswendig, aber hier in Europa hast Du deutlich andere Margins bei man-rated oder unbemannt.

  4. Zum Thema Bemannt vs Unbemannt mache ich mir gerade Gedanken. Die Entwicklung und vor allem die ersten Starts kosten Bemannt auf jeden fall mehr. Man kann/will ja absolut kein Risiko eingehen. Nach ein paar Starts sollte es aber meine Einschätzung nach keinen großen unterschied mehr geben. Denn die Grundsätzliche gewünschte Zuverlässigkeit sollte bei Bemannten und Unbemannten Systeme im Endeffekt identisch sein. Oft sind Satelliten ja nicht ersetzbar. Bleibt natürlich das Problem das Astronauten viel Volumen und Gewicht brauchen.

    Die Entscheidung das Space Shuttle so zu bauen das man nur Bemannt fliegen kann war auf jeden Fall doof. Selbst wenn man mit leere Kabine geflogen wäre hätte das wohl deutlich Geld und Zeit gespart.

    1. Bei unbemannten Raketen kann man mit einer Fehlerrate von 1:50 sehr gut leben. Die meißten Ladungen sind Serienprodukte, und bei den meißten Forschungssatelliten kann man für sehr vertretbare Kosten ein Reserveexemplar bauen.

      Für sehr teure Ladungen wie z.B. ein Weltraumteleskop kann man dann ja die man rated Rakete verwenden.

      MfG

      1. 1:50 würde bei den offiziellen Falcon 9 Preis von 67 Millionen pro Start 1,34 Millionen rechnerische Versicherungssummer heißen (Ohne Kosten für zusätzliche Satelliten und ähnlichem). Bei teureren Trägern ist der Betrag natürlich noch höher.

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