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Cygnus und Dragon

Neue US-Systeme - COTS und CRS

Das Constellation-Programm, die Rückkehr zum Mond, sollte vor allem durch Einsparungen finanziert werden. So war einer der Beschlüsse auch das Space Shuttle auszumustern, nachdem die ISS fertiggestellt ist. Nun sollte das Space Shuttle aber den Großteil der Versorgung der ISS übernehmen. Dadurch gibt es eine Lücke, die bei Raumfahrtberichterstattern auch schon als „The Gap“ tituliert wird, bis ein Nachfolgesystem zur Verfügung steht. Erst spät kümmerte sich die NASA um die Schließung dieser Versorgungslücke. Im Jahre 2006 schuf die NASA das COTS-Programm (Commercial Orbital Transportation Services – kommerzielle Transportdienste in die Erdumlaufbahn). Es rief die Industrie auf, Vorschläge für den Frachttransport zur ISS zu machen. In einer ersten Runde am 18.8.2006 bekamen zwei Unternehmen einen Entwicklungsauftrag: Kistler Rocketplane erhielt 207 Millionen Dollar und SpaceX 278 Millionen Dollar. Beide Firmen wurden dafür bezahlt, dass sie ein System entwickeln, dass später für den Transport eingesetzt werden könnte. Gipfeln sollte die Entwicklung mit Demonstrationsflügen. Eine Versorgung der ISS war mit dieser ersten Runde noch nicht vorgesehen.

Kistler Rocketplane wurde der Kontrakt schon im Oktober 2007 wieder entzogen, da die Firma keine ausreichende Finanzierung nachweisen konnte. Bis dahin hatte die NASA 32,1 Millionen Dollar an Kistler gezahlt.

Das verbliebende Geld wurde dann in einer zweiten Runde erneut ausgeschüttet. Sieben Firmen reichten Vorschläge ein. Am 22.1.2008 bekam Orbital Sciences Corporation (OSC) den Zuschlag über 170 Millionen Dollar für die Entwicklung ihrer Taurus II Trägerrakete und des Cygnus Raumschiffes.

Ein viel umfangreicherer Vertrag wurde am 22.12.2008 abgeschlossen. Diesmal ging es um die Versorgung der ISS. CRS: (Commercial Resuppy System). Es ist nicht verwunderlich, dass die beiden Gewinner aus den ersten beiden Runden den Zuschlag bekamen: SpaceX wird zwölf Flüge mit der Dragon Kapsel und der Trägerrakete Falcon 9 durchführen und erhält dafür 1,6 Milliarden Dollar. OSC führt acht Flüge mit der Cygnus Kapsel auf der Taurus II Trägerrakete durch. Diese sind der NASA 1,9 Milliarden Dollar wert. Beide Anbieter sollen innerhalb von drei Jahren für diese Summe mindestens 20 Tonnen Fracht zur ISS bringen. Die Erweiterung eines Vertrags auf das Gesamtvolumen von 3,5 Milliarden Dollar ist möglich, wenn der Konkurrent seinen Verpflichtungen nicht nachkommt.

Das Vergabeverfahren wurde kritisiert. Die Firma PlanetSpace legte eine förmliche Beschwerde ein. Bei PlanetSpace sind mit ATK (Hersteller der Space Shuttle Booster) und Lockheed Martin zwei große US-Raumfahrtkonzerne beteiligt. Auffällig war schon in den ersten Runden, dass die Firmen den Zuschlag erhielten, die im Raumfahrtgeschäft Neulinge waren oder zumindest nicht zu den großen Konzernen gehören. Es gab auch Vorschläge der etablierten Firmen, die nach Ansicht von Experten durchaus eine sinnvolle Alternative gewesen wären. So war Boeings Vorschlag der Start eines ATV mit einer Delta IV und die Idee von Lockheed Martin der Start von ATV und/oder HTV mit der Atlas V. RKK Energija bot sein Progressraumschiff an. Alle drei Systeme haben einen Vorteil: Träger und Raumfahrzeuge existieren bereits und könnten daher die Versorgungslücke zeitnah schließen.

Daher wird am COTS-Programm und den Transportverträgen kritisiert, dass es nicht primär um die Versorgung der ISS geht, als vielmehr die NASA ein Interesse hat, dass es wieder mehr Konkurrenz im Aerospacebereich gibt, nachdem in den letzten Jahrzehnten die meisten Konzerne fusionierten oder aufgekauft wurden. Gegenüber der NASA treten zum Beispiel Lockheed Martin und Boeing – die letzten verbliebenen Hersteller größerer Trägerraketen – inzwischen nur noch gemeinsam im Joint Venture „United Launch Alliance“ auf, bilden also ein Monopol.

Auf der Strecke bleibt die Sicherung der Versorgung. OSC und SpaceX müssen die Raumschiffe erst entwickeln und erproben. SpaceX liegt 2010 um mehr als ein Jahr hinter dem Zeitplan zurück. Bei OSC sind es sechs Monate. Ein Jahr später, 2011 sind beide Firmen noch weiter zurückgefallen. Der erste Dragon Start fand 27 Monate nach den Vereinbarungen statt, der zweite wird sogar 33 Monate Verspätung aufweisen. Bei OSC sind es beim ersten Start nun auch schon 15 Monate. Vor 2012 werden beide Firmen keine Versorgungsflüge durchführen können. So wird 2011 ein kritisches Jahr in der ISS-Versorgung.

So wundert es nicht, dass Arianespace der NASA im August 2009 weitere Flüge des ATV vorschlug, um diese Lücke zu schließen. Arianespace verwies auf den Start zukünftiger NASA-Nutzlasten mit der Ariane 5 (James Webb Space Telescope) und dass Ariane sicherheitskritische Satelliten für europäische Staaten gestartet hat. Es ist jedoch nicht anzunehmen, dass die NASA ihre Politik ändert und ausländische Anbieter wählt, um Fracht zu transportieren.

Das gilt auch für den kommerziellen Crewtransport, den die NASA von 2011-2015 mit 6,1 Milliarden Dollar fördert. Er soll die Nachfolge des am 1.2.2010 eingestellten Ares I/Orion Systems antreten. Ob sich dieses System bewähren wird, muss sich noch zeigen: Freie Ausschreibungen gibt es bei den Trägerraketen schon seit 1998, doch die Startkosten haben sich für die NASA seitdem drastisch erhöht. SpaceX bekam in den beiden CCDev Runden 2 und

Beide Firmen haben seitdem zusätzlich zu den schon vertraglich garantierten Summen weitere Summen erhalten. OSC und SpaceX jeweils 40 Millionen Dollar im Oktober 2010 und März 2011. OSC 100 Millionen Dollar für einen Teststart der Taurus vor dem ersten COTS Einsatz um diese zu qualifizieren. SpaceX 75 Millionen Dollar für die Studie eines Rettungsturms für die Dragon.

Insgesamt erhielt das COTS Programm 300 weitere Millionen Dollar, davon erhalten OSC jeweils 118 Millionen Dollar, der Rest entfällt auf die NASA und ihre internen Kosten. Iim März 2012, also noch vor dem ersten Versorgungsflug wurde bei einer Senatsanhörung bekannt, dass die Gesamtaufwendungen für beide Programme nun schon bei 1,6 Milliarden Dollar liegen. Dabei haben beide Partner noch keine Kopplung mit der ISS durchgeführt.

SpaceX konnte im Mai 2012 mit fast 3 Jahren Verspätung das Entwicklungsprogramm COTS abschließen. Dazu wurden die beiden letzten COTS Flüge 2+3 zusammengelegt.

 
  SpaceX OSC
Auftragsvergabe COTS 18.8.2006 22.1.2008
Gelder erste Runde 278 Millionen Dollar 170 Millionen Dollar
Gelder zweite Runde 118 Millionen Dollar 118 Millionen Dollar
Weitere Fördermittel 75 Millionen für SuperDraco Triebwerke (CCDev) 100 Millionen Dollar für einen Testflug der Taurus II
Gesamt COTS Mittel 471 Millionen Dollar 388 Millionen Dollar
COTS-1 Demo Planung: September 2008 Dezember 2010
COTS-1 Demo durchgeführt 8.12.2010 (+27 Monate) 18.9.2013 (+33 Monate)
COTS-2 Demo Planung Juni 2009 -
COTS-2 Demo durchgeführt 22.5.2012 (+35 Monate) -
COTS-3 Demo Planung September 2009 -
COTS-3 Demo durchgeführt 22.5.2012 (+32 Monate) -
Auftragsvergabe CRS 22.12.2008 22.12.2008
Erster CRS Flug: 8.10.2012 (22 Monate nach COTS 1) 9,1.2013 (4 Monate nach COTS 1)
Gelder CRS 1,6 Milliarden Dollar 1,9 Milliarden Dollar
Mögliche Aufstockung: 1,1 Milliarden Dollar 1,6 Milliarden Dollar
Flüge 12 8
Fracht 20 t 20 t
Bisher CRS + COTS Gelder erhalten (Mai 2011) 298 Millionen Dollar, 25 von 40 Milestones 221,5 Millionen Dollar 21 von 31 Milestones
Bisher CRS Gelder erhalten (Mai 2011) 181 Millionen Dollar für 14 Milestones
4,8 Millionen Dollar für Cargo Demonstration Milestones
273 Millionen Dollar für 11 Milestones
7,5 Millionen Dollar für Cargo Demonstration Milestones
Bisherige Gesamtaufwendungen der NASA (Mai 2012) 396 Millionen COTS
336 Millionen CRS
100 Millionen CCDev
 

Bisher erfolgte und geplante Transporte: (Hinweis: Zumindest bei SpaceX wird die Verpackung mitgezählt, beim ATV wird dagegen nur die Nettomasse angegeben. Die Verpackung macht so viel aus, weil sie auch die Racks beinhaltet die in der Dragon nicht eingebaut sind. Ein Rack wiegt beim ATV z.B. alleine 92 kg). Nur SpaceX weist die Fracht mit Verpackung aus, Orbital wie die anderen ISS Versorger nicht. Da sich der Zeitplan verzögert hat werden die Flüge auch 2016, eventuell 2017 noch weitergehen. Eine zweite Runde an Transportverträgen mit einem Umfang von 1 bis 1,4 Milliarden Dollar wurde im März 2014 augeschrieben.

Flug

Fracht netto ohne Verpackung

Fracht brutto mit Verpackung

COTS 2/3 (SpaceX)

460 kg hoch, 620 kg runter

520 kg / 660 kg

CRS 1 (SpaceX)

400 kg hoch, 759 kg runter

454 kg / 905 kg

CRS 2 (SpaceX)

868 kg hoch, 1.210 kg runter

1.049 kg / 1.370 kg

COTS 1 (OSC)

700 kg hoch

 

CRS 3 (SpaceX)

2.088 kg hoch, 1.518 kg runter

2.400 kg / 1.800 kg

CRS 1 (OSC) 1.256 kg 1,460 kg

Das Cygnus-Raumschiff

Das Transportraumschiff von Orbital Sciences Corporation (OSC) hat den Namen „Cygnus“ (lateinisch für „Schwan“) erhalten. OSC wird zusätzlich zu den 170 Millionen Dollar der NASA weitere 150 Millionen eigenen Kapitals in das Raumschiff und die Trägerrakete Antares investieren. Geplant ist der Erstflug der Trägerrakete für den März 2011. Nach weiteren Demonstrationsflügen sind die ersten Versorgungsflüge für 2012 geplant. Bis 2014 sind acht Versorgungsflüge im Gesamtvolumen von 1,9 Milliarden Dollar geplant.

Das Cygnus Raumschiff nutzt, um das Entwicklungsrisiko zu minimieren, schon bewährte Systeme, so z.B. die Sende- und Empfangsanlagen des HTV. Der Kontrakt mit Mitsubishi Electric Corporation hat einen Umfang von 66 Millionen Dollar. Das Cygnus-Raumschiff wird durch die vom HTV übernommene relative GPS Navigation und das Lidarsystem bis in den Nahbereich der ISS gesteuert, vom Canadarm2 eingefangen und dann am Harmony-Knoten angekoppelt. Der Kopplungsmechanismus ist ein Standard CBM.

Das Cargomodul wird von Thales Alenia gebaut. Es basiert auf der Struktur des MPLM, hat aber einen kleineren Durchmesser. Die Solarzellen stammen von Dutch Aerospace. Die Triebwerke des Cygnus, die MMH und NTO verbrennen, stammen von OSC und Aerojet. Das Servicemodul basiert auf dem STAR-Bus von OSC. Neben dem Frachtmodul (PCM: Payload Carrier Module) von Alenia, das unter Druck steht, soll bei einer weiterentwickelten Version alternativ eines auf Basis des ExPRESS Palettensystems von Boeing/EADS einsetzbar sein. Dieses wird dann nur Fracht ohne Druckausgleich befördern. Anders als bei der Dragon ist der Transport beider Frachtmengen also getrennt. Die Nutzlast wird anfangs auf maximal 2.000 kg begrenzt sein. Leistungssteigerungen der Antares die schon in der Planung sind, sollen sie dann auf 2.300 bis 2.700 kg anheben. Von der zweiten Version sind derzeit sechs Stück bestellt. Die Müllentsorgungskapazität beträgt nur 1.200 kg, doch das ist kein Problem, denn die anderen Transporter haben in deiser Hinsicht mehr Kapazität als benötigt wird.

Gestartet wird das Cygnus Raumschiff mit der Taurus II-Trägerrakete. (später umbenannt in Antares). Sie setzt in der ersten Stufe die NK-33 Triebwerke der russischen Mondrakete N-1 ein. Die Tanks und Strukturen wurden von der ersten Stufe der Zenit übernommen. Die zweite Stufe ist ein Castor 30-Feststoffbooster. Dies ist eine verkürzte Version des Castor 120 Triebwerks der Taurus-Trägerrakete. Eine optionale dritte Stufe wird bei den Versorgungsflügen nicht benötigt. Die Cygnus wird zuerst nur 2 t Nutzlast zur ISS bringen. Sukzessive soll dies dann auf 2,3 t, mit Verbesserungen der Trägerrakete sogar auf 2,7 t gesteigert werden. Diese größere Nutzlast macht auch eine Anpassung der Cygnus notwendig, die ab dem vierten Modul einen verlängerten Druckbehälter aufweist, der das Innenvolumen um 50% erhöht. Die Nutzlaststeigerung soll der Castor 30XL Antrieb ermöglichen, der rund 800 kg mehr Nutzlast ermöglicht.

Ursprünglich war für die Cygnus eine Rückkehrkapsel geplant. Doch dieses Konzept wurde verworfen. Zuerst war der erste Flug zur ISS für den Dezember 2011 vorgesehen, 15 Monate nach dem ursprünglichen Zeitplan. Er rutsche durch einen zusätzlichen Qualfikationsflug der Antares auf dem die NASDA bestand und Problemen bei Verbindungen der Treibstoffleitungen der AJ-26 Triebwerke die bei einem Test zu einem Feuer führten sukzessive nach hinten. Wie bei SpaceX attestierte eine unabhängige Studie OSC einen "aggressiven Zeitplan", bei dem weitere Verzögerungen wahrscheinlich sind. Zum Schluss hielt aber aber nicht die Entwicklung sondern die Startplattform das Projekt auf. Im September 2012 war die Startanlage noch nicht abgenommen, obwohl NASA Dokumente von einem ersten Start im Dezember 2012 sprechen.

Für einen zusätzlichen Testflug der Taurus II (ohne die Cygnus) bezahlte die NASA weitere 100 Millionen Dollar.

Nach dem erfolgreichen Jungfernflug der Antares am 21.4.2013 wurde bekannt, dass die gesamte Antares / Cygnus Entwicklung mit dem Jungfernflug fast 1 Milliarde Dollar kostete. Davon 300 Millionen für die Cygnus, "etwas mehr" für die Antares. 140 Millionen kostete das Launchpad und die Infrastruktur auf Wallops Island die sehr zu den Verzögerungen beitrug. Die NASA, so wurde schon früher verlautbart zahlte 100 Millionen für den Jungfernflug, ähnlich wie sie auch SpaceX noch subventionierte. Daraus kann man die Entwicklungskosten der Antares auf unter 460 Millionen Dollar schätzen. Ein Start soll mit einem minimalen Abstand von einem Monat möglich sein. Die NASA will nun das Cygnus Programm beschleunigen, da SpaceX mit der Einführung der Falcon 1.1 zuerst drei kommerzielle Starts abwickeln will, deren Start schon vor mehr als einem halben Jahr erfolgen sollte. So soll nach dem COTS Demoflug im September 2013 der erste CRS Versorgungsflug schon im Dezember 2013 stattfinden. OSC kann seinen Angaben nach einen minimalen Abstand zwischen zwei Starts von 1 Monat realisieren und hat acht Module fertig oder in der Endfertigung (September 2013).

Beim COTS 1 Flug (anders als SpaceX muss OSC nur einen Flug durchführen, schließlich ist die Firma lange im Geschäft und man weiß, dass sie Raketen und Satelliten bauen kann) wurde mehr Nutzlast transportiert als bei den ersten beiden SpaceX Flügen, obwohl die Nutzlast der Trägerrakete kleiner ist. Die Nutzlast soll bei zukünftigen Versionen nicht nur durch eine leistungsfähigere Version der Antares gesteigert werden, sondern auch durch Optimierungen der Cygnus. So hat ATK einen Auftrag für die Solararrays bekommen. Ihre leichten Ultraflex Arrays werden die schwereren Solararrays ablösen.

Der CRS-1 Flug brachte dann schon 1460 kg Nutzlast zur ISS, mehr als SpaceX in jeder ihrer Missionen schaffte. Sie wird weiter steigen, da Orbital die zweite Stufe schnell aufrüstet. Der Jungfernflug und die erste Mission erfolgten mit dem Castor 30A, mit einer Nutzlast von 4.600 kg. Die erste CRS Mission und die folgende mit dem Castor 30B und die dritte Versorgungsmission (der fünfte Flug) wird den Castor 30 XL einsetzen, der dann die Nutzlast auf 6,1 t steigert. Parallel steigt die Nutzlast der Cygnus von 2 auf 2,6 bis 2,7 t.

Cygnus Raumschiff

Startgewicht:

5.300 kg (mit 2.000 kg Fracht)

Fracht zur ISS:

2.000 kg – 2.700 kg

Abfallentsorgung von der ISS:

1.200 kg

Durchmesser:

3,00 m

Gesamtlänge:

5,10 m / 6,36 m

Innenvolumen:

18,7 m³ / 27 m³

Davon Frachtmodul:

3,66 m / 4,86 m 1.500 kg / 1.800 kg

Davon Servicemodul:

1,30 m / 1.800 kg

Stromversorgung:

2 Solarpaneele mit 3,5 kW Leistung, Stromverbrauch Frachtmodul: 850 Watt

Das Dragon-Raumschiff

Eine im Raumfahrtgeschäft neue Firma ist SpaceX. Sie entwickelt den zweiten amerikanischen Zubringer, die Dragon-Kapsel. Ein wesentlicher Unterschied zu allen anderen Transportern ist, dass die Dragon eine Rückkehrkapsel beinhaltet. Sie soll Fracht von der ISS zur Erde zurückbringen. Pläne von SpaceX sehen sogar den Transport von Menschen vor. SpaceX bot die Dragon zuerst als Rettungsschiff der NASA an, später sogar als Ersatz für die Orion. Geschäftsführer Elon Musk rief die große Fangemeinde der Firma dazu auf, Kongressabgeordneten mit Mails und Briefen einzudecken, damit diese für den Einsatz des Raumschiffs für den bemannten Transport stimmen. Das unabhängige, nach dem Brand von Apollo 1 einberufene, Aerospace Safety Advisory Panel vertritt in seinem letzten jährlichen Bericht dagegen die Ansicht, das weder Trägerrakete noch Raumschiff den Sicherheitsanforderungen der NASA für bemannte Missionen genügen. Seine Empfehlungen haben Gewicht, beurteilt es doch seit 30 Jahren die Sicherheit der bemannten Systeme der NASA.

SpaceX möchte die Dragon auch zum Touristentransport zur geplanten privaten Raumstation BA-330 von Bigelow Aerospace einsetzen. In der kleinen Kapsel (das Volumen entspricht der Kommandokapsel von Apollo) sollen bis zu sieben Astronauten Platz finden. Bei einer Besatzung von drei Astronauten kann noch bis zu 500 kg Fracht transportiert werden.

Technische Details gibt es nur wenige von dem Raumschiff, obwohl an ihm länger entwickelt wird als an der Cygnus. Sie sind zudem selbst auf den SpaceX Webseiten widersprüchlich. Die Kapsel wird von einem Konus umhüllt, der sie beim Aufstieg schützt. Er wird im Orbit abgetrennt. Die Kabine hat die Form eines Kegelstumpfs für Fracht unter Druck oder für bis zu sieben Personen. In ihr finden bis zu sechs Standard Racks oder 1.400 kg Fracht Platz. An ihrer Spitze ist ein quadratischer CBM-Zugangstunnel für den Transfer von sperriger Fracht zur ISS. Das strukturelle Limit für die Zuladung beträgt 3.310 kg im Druckbehälter. Doch bei einem Volumen von 10 m³, davon etwa 7 m³ für Fracht nutzbar, kann dies mit den Gütern die derzeit zur ISS befördert werden kaum ausgenutzt werden. Deren Dichte lag in den letzten Jahren bei 200 - 250 kg pro m³, sodass in 7 m³ nur 1.400 bis 1.750 kg transportiert werden.

Optional kann diese Kapsel um einen Hohlzylinder ergänzt werden, für Fracht, die nicht unter Druck steht. Dieser Zylinder wird vor dem Wiedereintritt abgestoßen. Es stehen zwei Längen von 2,30 und 4,30 m zur Verfügung. Beim kleineren steht ein Volumen von 14 m³ zur Verfügung. Die Fracht muss hier vom Arm der Station entnommen werden. Da der Frachtzylinder von der Station weg zeigt, dürfte dieses Manöver deutlich aufwändiger als der Transport der Paletten mit dem HTV sein. In diesem Zylinder sind bis zu 1.700 kg Fracht mitführbar. Das strukturelle Limit, das wie bei der Fracht in der Kapsel aus Volumenbegrenzungen nicht ausgenutzt werden kann liegt bei 3.310 kg. Ein NASA Dokument weist allerdings daraufhin, dass entweder Fracht im Druckmodul hochbefördert werden kann oder Fracht im Zylinder hoch und Müll/Fracht im Druckmodul nach unten. Nicht jedoch beides gleichzeitig.

In der Kabine gibt es drei bis vier Fenster. Der Druck beträgt in der Kapsel 1 bar. Die Luftfeuchtigkeit beträgt zwischen 25-75% und die Temperatur zwischen 10 und 46 Grad. Diese hohen Schwankungen lassen auf eine nicht regulierte Atmosphäre schließen. Daten werden mit bis zu 300 Mbit/s zum Boden übertragen und Kommandos mit 300 kbit/s empfangen.

Es schließt sich ein Antriebsmodul mit 1.290 kg Treibstoff an. 12-18 „Draco“ Triebwerke von jeweils 400 N Schub, die mit MMH und NTO als Treibstoffen arbeiten, treiben das Raumschiff an. Zwei Solarpanel liefern eine Spitzenleistung von 4 kW und eine Dauerleistung von 1,5-2 kW. Der Bus hat eine unregulierte Spannung von 28 V. Zwei Lithiumionenbatterien nehmen die Leistung für den Betrieb auf der Nachtseite auf. Die Landung soll im Wasser erfolgen. Drei Fallschirme werden dazu entfaltet. Zukünftige bemannte Versionen sollen auch präzise Punktlandungen auf dem Land durchführen können.

Aufgrund der Kapselform ist die Dragon für den Frachttransport nicht optimal. Die Firma bewirbt sich auch bei dem Programm für den Mannschaftstransport mit der Dragon und hat schon zwei Aufträge in zwei Runden erhalten. Die Beträge sind hier deutlich höher. In Runde 2 erhielt die Firma 75 Millionen für die Entwicklung von Triebwerken für einen Startabbruch (analog einem Fluchtturm, nur an der Basis angebracht) und in Runde 3 440 Millionen für Weiterentwicklungen der Dragon/Falcon 9.

Die Vereinbarungen nach dem COTS-Vertrag sehen den Transport von 20.000 kg bei 12 Flügen vor, das sind pro Flug nur 1.700 kg, die kleinste Menge aller Transporter. Spätere Versionen der Falcon 9 Trägerrakete sollen sie auf 2.500 kg Nutzlast pro Flug erhöhen. Die Falcon 9 hat nach SpaceX Angaben im "Block II" Design das irgendwann die erste Version ablösen könnte, eine Nutzlast von 9.358 kg zur ISS. So könnte die Nutzlast auf bis zu 3.100 kg ansteigen. Das Block I Design mit dem die ersten Flüge durchgeführt werden, hat eine maximale Nutzlast von 1.700 kg. Da SpaceX den Schub und spezifischen Impuls der zweiten Stufe der Falcon 9 nach dem ersten Testflug reduzieren musste und nach dem zweiten Testflug überlegt wird, die Düsenverlängerung, die vor dem Flug Risse aufwies zu verkürzen, könnte die Performance weiter sinken. Eine neue Version der Falcon 9, die zeitgleich mit der Falcon Heavy angekündigt wurde könnte 2013/4 eine Nutzlast von 13 t aufweisen, damit könnte die ambitionierte Nutzlast auch erreicht werden.

Bisher konnte SpaceX den Zeitplan nicht einhalten. Der Erststart der Falcon 9 verschob sich von August 2007 auf Juni 2010. Der Erstflug eines Dragon-Prototyps im Rahmen des COTS-Programms verschob sich von Juni 2009 auf Dezember 2010. Drei Demonstrationsflüge sind geplant, danach soll die reguläre Versorgung der ISS mit zwölf Flügen beginnen. Derzeit bittet SpaceX die NASA den zweiten und dritten Demonstrationsflug zusammenzulegen. Der zweite soll einige Tage dauern und sich der Raumstation nähern, der dritte soll eine Ankopplung durchführen. Er ist derzeit für Dezember 2011 geplant. Stimmt die NASA zu, so würde die Dragon erst die Ziele des zweiten Fluges umsetzen und dann an die ISS ankoppeln. Die Genehmigung kam, doch der Flug verzögerte sich weiter und fand erst am 22.5.2012 statt. Er transportierte 470 kg netto (522 kg mit Verpackung) zur ISS. Er demonstrierte auch die Fähigkeit Nutzlast zu bergen. Doch dies ist kein Kriterium bei den CRS Flügen, zumindest gibt es darüber keine vertragliche Vereinbarung. 670 kh nicht kritische Güter wurden beim Demoflug zur Erde zurückgerbacht.

Da die Nutzlast durch die Rückkehrkapsel geringer ist als bei der Cygnus, muss SpaceX mehr Flüge durchführen, um seine 20 t Fracht zur Raumstation zu befördern. Die hohe theoretische Nutzlast ist bei der gewünschten Fracht der NASA, die vor allem im Druckmodul befördert wird nicht ausnutzbar: Das gesamte Innenvolumen beträgt nur 10 m³. Wenn die Dragon Fracht wie die anderen Transporter befördert kann die NASA in diesem Volumen nur rund 1,3 t befördern, was auch der Grund für die Mengenbegrenzung pro Flug weit unter den Angaben von SpaceX. Selbst der direkte Konkurrenz Cygnus, der auf 2-2,3 t Fracht beschränkt ist verfügt mit 18,7 m³ über das fast doppelte Innenvolumen. Die Dragon wurde schon vor den COTS Verträgen entworfen und sollte wiederverwendbar sein. Als Kapsel ist sie als Transporter, wegen des im Vergleich zu den bei den anderen Transportern eingesetzten Zylindern , gehandicapt, weil ein Kegel nur ein Drittel des Volumen eines gleich langen Zylinders aufweist.

Die Dragon nähert sich der Station zuerst mit einem Lidar-System. Entsprechende Reflektoren „Dragoneye“ wurden schon an der Station angebracht. Im Nahbereich wird der Canadarm2 die Kapsel dann einfangen und andocken. Wie die Cygnus ist das Raumschiff nicht für den Transport von Treibstoff ausgelegt. Gase und Wasser können in begrenztem Maße mitgeführt werden, indem entsprechende Behälter im Druckteil mitgeführt werden.

Die Firma SpaceX hat weitere Pläne, ist aber zur Zeit praktisch von der NASA Finanzierung abhängig. Von den rund 600 Millionen Dollar an Kapital, welches die Firma bisher für ihre Entwicklung ausgab, stammen fast 500 Millionen Dollar von der NASA und DARPA. Praktisch die gesamte Entwicklung der Falcon 9 und Dragon wurde von der NASA vorfinanziert.

2012 wurde von der COTS Demo 2/3 Flug bekannt, dass von den 1,2 Milliarden die SpaceX bisher an Geld umsetzte 832 Millionen von der NASA, 220 Millionen von Investoren und Elon Musk und der Rest von anderen Quellen stammt (kommerzielle Aufträge, DoD Förderung, welche die ersten beiden Falcon 1 Starts bezahlte). Bei den ersten zwei CRS Flügen beträgt die Nutzlast 1.268 kg. Sie soll wenn eine neuere schubstärkere Version der Falcon 9 mit 50% mehr Treibstoff zur Verfügung steht ansteigen. Der erste Versorgungsflug mit dieser Version wird aber auch nur 1.580 kg Güter transportieren. Mittlerweile wurde auch bekannt, das SpaceX mehr Geld bekam. Im September 2013 ist schon von 1,8 Milliarden Dollar für die CRS Flüge die Rede. Beim Abschluss waren es noch 1,6 Milliarden. Orbital enthält nicht mehr Geld, hier bleibt es bei den 1,9 Milliarden Dollar für 20 t Fracht.

Dragon Raumschiff

Startgewicht:

8.750 kg (mit 2.550 kg Fracht)
14.900 kg (mit 6.620 kg Fracht)

Trockengewicht (nur Druckmodul): 4.900 kg
Manövriertreibstoff (bei 8 t Startgewicht) 1.290 kg

Fracht zur ISS (Falcon Block II Design)

Fracht maximal (mit der Falcon 9 Block III)

2.500 kg – 2.550 kg (COTS Kontrakt: 1.700 kg)

6.610 kg

Fracht von der ISS:

1.400 - 1.700 kg

Maximaler Durchmesser:

3,60 m

Gesamtlänge:

5,20 – 7,20 m (kurzer / langer Frachtzylinder)
2,90 kg (nur Kapsel)

Davon Druckkapsel:

2,90 m Länge
3,10 m maximaler Durchmesser
2,10 m minimaler Durchmesser
10 m³ Volumen.
maximal 3.000 kg Fracht

Davon Frachtzylinder:

2,30 oder 4,30 m
14 m³ oder 26 m³ Volumen
maximal 3.000 kg Fracht

OrionOrion

Das NASA-Raumschiff Orion sollte vor allem Astronauten zur ISS befördern. Obwohl mittlerweile das Constellation-Programm eingestellt wurde, soll die Orion an dieser Stelle besprochen werden, da die Entwicklung schon begonnen wurde und es wahrscheinlich ist, dass die Entwürfe von Lockheed-Martin für einen kommerziellen Crewtransport wieder aufgegriffen werden. Lockheed-Martin bekam am 31.8.2006 den Entwicklungsauftrag für das Orion Raumschiff. Bis zur Einstellung des Programms gab die NASA 3,7 Milliarden Dollar für die Entwicklung aus.

Die Orion wäre auch groß genug, um die ISS mit Fracht zu versorgen. Die NASA stellte allerdings die Entwicklung einer reinen Frachtversion im Juli 2009 ein. Seit 2005 befindet sich das Orion-Raumschiff in der Entwicklung. Seitdem haben sich wesentliche Daten geändert. So wurde auch die zur ISS transportierte Besatzung schon von sechs auf vier Personen reduziert.

Die Orion ist eine moderne Version des Apollo CSM, also der Kapsel und des Servicemoduls. Ein Fluchtturm schützt sie beim Start. Er wird vor Erreichen des Orbits abgesprengt. Der Fluchtturm und die Wasserung eines Mockups der Kapsel wurden schon getestet.

An die Kapsel angeschlossen ist das Servicemodul mit einem Triebwerk mit 33,3 kN Schub. Dieses ist notwendig für Mondmissionen, die auch mit der Orion durchgeführt werden sollen. Die Stromversorgung erfolgt durch Solarzellen und Batterien, zum ersten Mal bei einem bemannten Raumfahrzeug. Die Kapsel vereinigt die Kombination von Bewährtem mit Neuem. Das Triebwerk stammt z.B. von der Delta Oberstufe, die Struktur setzt dieselben leichtgewichtigen Lithium-Aluminiumlegierungen wie der Space Shuttle Tank ein und die Verkleidung der Hülle ist die gleiche wie bei den Space Shuttle-Radiatoren. Neu ist ein Cockpit mit Computerbildschirmen als Anzeigen, basierend auf dem der Boeing 787. Die Computersteuerung erlaubt erstmals bei einem amerikanischen System ein automatisches Andocken an die ISS. Die Besatzung kann aber jederzeit eingreifen. Das Andocksystem basiert auf dem des Space Shuttles, ist aber deutlich einfacher aufgebaut.

Eine Toilette ist erstmals bei einer amerikanischen Kapsel an Bord. Die Crew soll vier bis sechs Astronauten betragen. Sie haben etwa eineinhalb so viel Volumen zur Verfügung wie in der Apollo Kapsel. Der Innendruck beträgt 1 bar, es gab aber auch Diskussionen, ob er nicht auf 0,55 bis 0,7 bar bei einem höheren Sauerstoffanteil gesenkt werden sollte. Dies reduziert das Strukturgewicht des Raumschiffs. Dann wäre eine Anpassung notwendig, bevor die Astronauten in die Raumstation wechseln können, da diese eine Atmosphäre mit der Zusammensetzung der Erdatmosphäre einsetzt. Die Kapsel landet nach der Mission an drei Fallschirmen mit jeweils 35,4 m Durchmesser im Wasser. Die Kapsel ist ausgelegt für eine mehrfache Verwendung, bis zu zehnmal soll sie in den Orbit gelangen.

Das Servicemodul ist gegenüber den ersten Planungen deutlich leichter und kleiner geworden. Zuerst war noch eine Version wie bei Apollo mit dem gleichen Durchmesser wie die Kapsel vorgesehen. Die letzte Revision von 2008 dagegen zeigt ein um 1.200 kg leichteres Modul, das nur noch an der Basis einen Durchmesser von 5,03 m aufweist. Neben dem Haupttriebwerk und den Treibstoffen beinhaltet es die Steuertriebwerke, die Gase, Wasser und Lithiumhydroxidkanister um das Kohlendioxid zu binden.

Eventuell wird Lockheed die Erkenntnisse der Orion-Entwicklung wiederaufnehmen wenn die Firma ihr Raumschiffdesign für die Commerziellen Crewtransporte der NASA vorschlägt. Die NASA hat inzwischen beschlossen, das Orion Raumschiff unter der Bezeichnung Multi-Purpose Crew Vehicle weiter zu entwickeln. Allerdings gibt es keinen konkreten Verwendungszweck für das MPCV, da die Ausschreibung für den kommerziellen Crewtransport davon unabhängig ist.

Orion Raumschiff

Länge:

8,08 m

Davon Kapsel:

3,30 m

Durchmesser:

5,03 m

Wohnvolumen:

9,5 m³

Gesamtvolumen:

19,5 m³

Startgewicht für ISS Missionen:

19.142 kg

Trockengewicht Kapsel:

8.777 kg

Davon Gase:

35 kg

Davon Treibstoff:

136 kg

Landgewicht Kapsel:

8.591 kg

Startgewicht Kapsel für ISS Missionen:

9.707 kg

Fracht / Astronauten:

760 kg

Servicemodul Startgewicht:

8.808 kg

Servicemodul Trockengewicht:

3.700 kg

Treibstoffe:

3.664 kg

Gase und Wasser:

209 kg

Länge Servicemodul:

4,78 m

Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 144 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation , das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV

Das Buch Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation ist eine kompakte Einführung in die ISS. Es wird sowohl die Geschichte der Raumstation wie auch die einzelnen Module besprochen. Wie der Titel verrät liegt das Hauptaugenmerk auf der Technik. Die Funktion jedes Moduls wird erläutert. Zahlreiche Tabellen nehmen die technischen Daten auf. Besonderes Augenmerk liegt auf den Problemen bei den Aufbau der ISS. Den ausufernden Kosten, den Folgen der Columbia Katastrophe und der Einstellungsbeschluss unter der Präsidentschaft von George W. Bush. Angerissen werden die vorhandenen und geplanten Transportsysteme und die Forschung an Bord der Station.

Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.

Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.

Das bisher letzte Buch Skylab: Amerikas einzige Raumstation ist mein bisher umfangreichstes im Themenbereich bemannte Raumfahrt. Die Raumstation wurde als einziges vieler ambitioniertes Apollonachfolgeprojekte umgesetzt. Beschrieben wird im Detail ihre Projektgeschichte, den Aufbau der Module und die durchgeführten Experimente. Die Missionen und die Dramatik der Rettung werden nochmals lebendig, genauso wie die Bemühungen die Raumstation Ende der siebziger Jahre vor dem Verglühen zu bewahren und die Bestrebungen sie nicht über Land niedergehen zu lasen. Abgerundet wird das Buch mit den Plänen für das zweite Flugexemplar Skylab B und ein Vergleich mit der Architektur der ISS.  Es ist mein umfangreichstes Buch zum Thema bemannte Raumfahrt. Im Mai 2016 erschien es nach Auslaufen des Erstvertrages neu, der Inhalt ist derselbe (es gab seitdem keine neuen Erkenntnisse über die Station), aber es ist durch gesunkene Druckkosten 5 Euro billiger.

Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert

Links:

COTS Cost Overruns

SpaceX’s COTS Milestone Progress, Payments and Delays

Aussage Gerstenmeyers beim Senar über Finanzierung von SpaceX + OSC

ISS Commercial Resupply Services Status Update

Cygnus Fact Sheet

Thales Alena: PCM

Cygnus cargo vehicle gearing up for debut flight

Artikel erstellt: Mai 2011

Artikel zuletzt geändert: 1.9.2013


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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