50 Jahre alt und unverzichtbar: Warum Artemis auf Spaceshuttle-Technik setzt
Die Kapsel, mit der die Artemis-Crew zum Mond fliegt, nutzt einen Motor aus der Spaceshuttle-Ära. Drum herum hat Airbus ein modernes Antriebsmodul gezimmert.
Alter Motor, neue Kapsel: Bei den ersten sechs Artemis-Missionen kommen Antriebe zum Einsatz, mit denen die Spaceshuttles im Erdorbit Bahnkorrekturen durchgeführt haben.
Foto: Airbus SAS
Mit dem Artemis-Programm kehrt die Nasa nicht nur zum Mond zurück, sondern auch zu ihrer fünf Jahrzehnte alten Antriebstechnik aus der Spaceshuttle-Ära.
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Das Haupttriebwerk des Spaceshuttles war das RS-25, ein hocheffizienter Wasserstoffantrieb mit Staged-Combustion-Zyklus. Je vier dieser Motoren versorgen die Hauptstufe der neuen Mondrakete SLS (Space Launch System) mit Schub.
Auch bei der Orion-Kapsel, von der aus die Crews zur Mondlandung ansetzen, vertraut die Nasa ihrer bewährten Technik. Orion bekommt den Schub vom AJ10-190-Triebwerk, auch bekannt als Orbital Maneuvering Engine, mit dem das Spaceshuttle im Erdorbit Bahnkorrekturen durchgeführt hat.
AJ10-190 – Nasa nutzt Spaceshuttle-Antrieb für Artemis
Dieser Antrieb ist das Herzstück des European Service Module (ESM), das ist das Servicemodul der Orion-Kapsel, das neben dem Schub auch Sauerstoff und Stickstoff für die Kabinenatmosphäre und Wasser für die Crew liefert. Das ESM ist – ungewöhnlicherweise – kein Nasa-Fabrikat, sondern eine Entwicklung der Airbus-Raumfahrtsparte. Bei deren Bremer Teams ist die Puzzleaufgabe gelandet, ein modernes Servicemodul um ein fünf Jahrzehnte altes Triebwerk herum zu entwickeln. „Die Nasa hat uns in diese Richtung mitgenommen“, so formuliert es Matthias Gronowski, der Orion/ESM-Chefingenieur bei Airbus Defence & Space.
Die alten Triebwerke sind die Safety-Variante für Missionen, die nicht scheitern dürfen, weil Menschenleben auf dem Spiel stehen – und der Vorsprung der USA gegenüber China im modernen „Space Race“ um die Rückkehr zum Mond. Nutzbare Antriebe, die bereits für die astronautische Raumfahrt zugelassen sind, gibt es kaum. Diese benötigen bei kritischen Komponenten Redundanzen, zum Beispiel bei Druck- und Temperatursensoren und bei den wichtigsten Ventilen. Beim AJ10-190 ist all das gegeben. „Das Triebwerk ist qualifiziert und es ist verfügbar. Es gibt keine langen Entwicklungszeiten und keine großen Risiken. Das Triebwerk ist für Hunderte Missionen ausgelegt und extrem zuverlässig. So ein Antrieb passt zu einem bemannten System, das zum Mond fliegt“, sagt Gronowski.
Erstflug mit dem Columbia-Spaceshuttle im Jahr 1981
Das AJ10-190 stammt aus einer Baureihe für Missionen im Vakuum. Zum ersten Mal ist es am 12. April 1981 mit dem Columbia-Spaceshuttle geflogen. Jedes Shuttle war mit zweien dieser Antriebe ausgestattet. Im Vakuum erzeugt das AJ10-190 zwischen 26 kN und 27 kN Schub und passt damit glatt in das Schubprofil einer Mondkapsel.
Der Motor verbrennt den Brennstoff MMH (Monomethylhydrazin) und den Oxidator MON3 (gemischte Stickoxide mit 3 % Stickstoffmonoxid-Beimischung). Beide Treibstoffkomponenten sind ohne Kühlung lagerfähig. Die Kombination aus MMH und MON3 ist hypergol, das bedeutet: Die Verbrennung startet bei Kontakt spontan; eine äußere Zündquelle ist nicht nötig. Diese Treibstoffkombination ist besonders zuverlässig, bis heute bei Weltraumanwendungen Standard und kam auch in Oberstufen der europäischen Ariane 5 zum Einsatz. Vermehrt versuchen Raketenentwickler heute, das giftige Hydrazin zu vermeiden. Beim Artemis-Programm liegt der Fokus aber auf Verlässlichkeit.
Zuverlässig ist auch die Technik beim Wiederzünden des Triebwerks. Während des Flugs gibt es lange Phasen, während derer der Antrieb ausgeschaltet ist, vor den Manövern muss er jeweils wieder gezündet werden. Das Problem: Ist der Antrieb ausgeschaltet, befinden sich Antriebsmodul, Crew und Kapsel in Schwerelosigkeit. Das gilt auch für den Treibstoff in den Tanks. Die Flüssigkeit muss für eine erneute Zündung an den Leitungen anliegen. Zu diesem Zweck strömt Heliumgas in die Tanks und drückt mit 15 bar bis 18 bar den Treibstoff in Richtung Düse.
Spaceshuttle-Antriebe: Moderner Bordcomputer und 50 Jahre alte Elektronik
Aus der Shuttle-Ära sind noch sechs AJ10-190-Antriebe übrig geblieben. Einer davon ist mit der ersten (unbemannten) Artemis-Mission bereits geflogen und auf dem Rückweg in der Erdatmosphäre verglüht. Die Exemplare zwei bis sechs werden nun auf die nächsten fünf Artemis-Missionen verteilt. Die ersten beiden Antriebe – darunter jener, der im April starten soll – hatten noch die Originalaktuatorik der Shuttle-Ära. Erst für ESM-3 hat die Nasa eine neue Aktuatorik entwickeln lassen, die dann mit einer sogenannten Delta-Zertifizierung zugelassen wurde.
Originalaktuatorik, das bedeutet: Die gesamte Ansteuerung der Triebwerksaufhängung, mit der der Antrieb um bis zu 7° in jede Richtung geschwenkt werden kann, ist 50 Jahre alt. „Die Kunst bestand darin, die Befehle eines modernen Bordcomputers durch eine fünf Jahrzehnte alte Elektronikkette durchzuleiten“, sagt Gronowski.
Der Chefingenieur vergleicht das mit Steckverbindungen am PC. Der Unterschied zwischen der seriellen Schnittstelle rs232 (COM-Anschluss) und dem modernen USB sei ähnlich groß. Um die veralteten Schnittstellen zu durchdringen, haben die Bremer Teams sich immer wieder mit den Nasa-Experten getroffen. Und dabei die Triebwerksdüse einen Hula-Hoop vollführen lassen – einen 360°-Schwenk.
Puzzlearbeit an Treibstoffleitungen und Thermalzelt
Puzzlearbeit war auch das Design der Fluidik. Neben dem AJ10-190 verfügt das ESM noch über acht kleinere „Auxiliary Thruster“ (Hilfsantriebe), die eine Redundanz zum Hauptantrieb herstellen, sowie 24 kleine Thruster für Bahnkorrekturen. „Wir haben darauf geachtet, nicht drei verschiedene Treibstoffbereitstellungssysteme zu verbauen, sondern nur eins. Wir wollten einen Treibstoffstrang, der alle Triebwerke ansteuert“, sagt Gronowski. Airbus musste die Leitungen und Ventile so auslegen, dass kommunizierende Röhren den Fluss nicht stören.
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Ein anderes großes Engineering-Thema war die thermische Integration des Antriebs. Solange der Antrieb feuert, wird er durch den Treibstoff in den Wänden gekühlt. Kritisch im thermischen Sinne ist die Phase nach dem Ausschalten, wenn die Wärme irgendwohin muss, ohne dass Komponenten zu Schaden kommen. Nach dem Abschalten zieht sich die Wärme zurück in den metallischen Block oben im Triebwerk, wo die übrigen Komponenten des ESM geschützt werden müssen. Allerdings lässt sich das Triebwerk nicht hermetisch abriegeln, weil sonst die Wärme von der Isolationsschicht auf das Triebwerk zurückstrahlen und es so gefährden würde. Doch auch dieses benötigt Schutz. „Das Triebwerk muss eine Möglichkeit haben, seine Wärme loszuwerden“, sagt Gronowski. Inspiriert vom Spaceshuttle hat Airbus letztendlich in Gronowskis Worten „eine Art Thermalzelt“ aus Folie entwickelt. Details nennt Airbus nicht, weil das ESM der Exportkontrolle unterliegt.
Airbus wartet noch auf Folgeauftrag der Nasa
Aktuell verbaut die Nasa am Kennedy Space Center das ESM-4, sie verbindet das Servicemodul und das Crewmodul. Airbus integriert das ESM-5 und das ESM-6 in Bremen. Die Nasa hat den US-Hersteller Aerojet Rocketdyne mit dem Nachbau des AJ10-190 beauftragt. „Für uns wäre das ein 1:1-Substitut“, sagt Gronowski. Über das sechste Antriebsmodul hinaus hat die Nasa aber die Europäer bislang nicht beauftragt – und auch niemanden sonst. „Wir würden gerne weitere ESMs bauen, aus politischen Gründen ist das Thema allerdings aktuell pausiert“, erklärt Gronowski.
Weitere Angaben möchte Airbus nicht machen. Aus Industriekreisen ist aber zu hören, dass die europäische Seite den Nachbau des Antriebs begleitet hat. Demnach könnte der Bau dreier weiterer Servicemodule kurzfristig beginnen, sollte die Nasa einen Auftrag aussprechen. Offenbar hat es für die Beschaffung von Zukaufteilen mit langen Lieferzeiten auch schon eine Vorbeauftragung gegeben, zum Beispiel für Tanks aus hochreinem Titan.
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