Space Shuttle

Space Shuttle
Die Atlantis startet zur Mission STS-115
Orbiter
Länge	37,24 m
Spannweite	23,79 m
Flügelfläche	249,9 m²[1]
Startmasse (maximal)	109.000 kg
Nutzlast in einen niedrigen Orbit	24.500 kg
Nutzlast zur ISS	16.400 kg
maximaler Schub auf Meereshöhe	3 * 1,76 = 5,27 MN[2]
maximaler Schub im Vakuum	3 * 2,09 = 6,27 MN
Regelbereich der Haupttriebwerke	65 % bis 109 %
Einsatzhöhe	185–643 km[3]
Besatzung	Maximal 8 Personen
Außentank
Länge	48,9 m
Durchmesser	10,4 m
Volumen	2.030 m³
Leergewicht	26.556 kg
Startgewicht	757.000 kg
Booster (2 Stück)
Länge	45,6 m
Durchmesser	3,71 m
Startgewicht	590.000 kg
Startschub	2*12,46=24,92 MN
Gesamtsystem
Startmasse	2.046.000 kg
Startschub	30,16 MN
Startschub/Startmasse	14,74 m/s² = 1,5 g
maximale Beschleunigung im Betrieb	3 g

Das Emblem der NASA zur Erinnerung an das Space-Shuttle-Programm

Das Space Shuttle (auch der, englisch für „Raumfähre“), kurz Shuttle, war ein von der US-Raumfahrtbehörde NASA entwickelter Raumfährentyp.^[4] Die Komponenten waren neben der Raumfähre (Orbiter) ein externer Treibstofftank und zwei Feststoffraketen, dieses ganze System bezeichnete man als Space Transportation System, kurz STS. Es wurde fachlich ausschließlich der Orbiter als Space Shuttle bezeichnet.

Das Shuttle ging aus dem Versuch hervor, ein wiederverwendbares Raumfahrzeug zu entwickeln. Dies sollte zu einer Kostenersparnis gegenüber den bis dahin üblichen Raketen führen, bei denen alle Raketenstufen nur einmal verwendet werden konnten. Die erwartete Ersparnis konnte allerdings nicht erreicht werden; ein Shuttlestart kostete zwischenzeitlich knapp eine halbe Milliarde Dollar, etwa fünfmal so viel wie ein Start mit einer unbemannten Einwegrakete gleicher Nutzlastkapazität und stieg auf zuletzt gut eine Milliarde Dollar.^[5]

Die Raumfähre konnte gleichzeitig 24,5 Tonnen Nutzlast sowie 7 Astronauten in eine niedrige Erdumlaufbahn (zwischen ca. 200 und 650 Kilometern Bahnhöhe) bringen. Zudem war das Shuttle mithilfe von Andockadaptern fähig, an eine Raumstation (früher Mir, später ISS) anzudocken. Durch seine Fähigkeit zum gleichzeitigen Transport von Mannschaft und Fracht war das Shuttle sehr vielseitig verwendbar, beispielsweise konnten Satelliten repariert oder zur Erde zurückgebracht oder der Aufbau und die Versorgung einer Raumstation unterstützt werden.

Seit dem letzten Apollo-Flug im Jahr 1975 stellte das Shuttle die einzige Möglichkeit der Vereinigten Staaten dar, mit eigenen Mitteln Menschen ins All zu bringen. Der erste Flug des Systems fand im Jahr 1981 statt, seither wurden insgesamt 135 Flüge durchgeführt, wobei es zu zwei fatalen Unfällen kam, bei denen jeweils eine Raumfähre mitsamt sieben Besatzungsmitgliedern verloren ging. Zu den wichtigsten Erfolgen gehörten die Aussetzung diverser Raumsonden sowie des Hubble-Weltraumteleskops, diverse Flüge mit eingebauten Laboratorien, Flüge zur russischen Mir-Station sowie zur Internationalen Raumstation (ISS). Insgesamt wurden fünf raumflugfähige Orbiter gebaut. Der letzte Shuttle-Flug fand Mitte 2011 statt. Mit der Landung des Shuttles Atlantis ging die Ära der US-Raumfähren am 21. Juli 2011 zu Ende.

Als Nachfolger ist das MPCV-Raumschiff in Entwicklung, das jedoch frühestens 2016 einsatzbereit ist. Außerdem haben private Firmen eigene Raumschiffe angekündigt: Dragon (SpaceX) und Dream Chaser (SpaceDev).

Geschichte

Erste Konzepte

Einige Konzeptstudien für den Raumgleiter

Nachdem die USA den Wettlauf zum Mond gewonnen hatten und das Feld der Raumstationen der Sowjetunion überlassen mussten, wandte man sich bei der NASA ab Mitte der 1960er Jahre vermehrt der Idee zu, eine wiederverwendbare Raumfähre zu entwickeln. Dahinter steckte vor allem der Gedanke, die Kosten für den Raumtransport drastisch zu senken und so eine Kommerzialisierung der Raumfahrt einzuläuten.

So wurde 1969, also im Jahr der ersten Mondlandung, von der NASA eine Studie in Auftrag gegeben, worauf die vier großen Raumfahrtunternehmen der USA (Lockheed, Grumman, McDonnell Douglas und North American Rockwell) je ein Konzept einreichten.

Das Programm befand sich einige Jahre in der Konzeptphase. Das Fortschreiten wurde jedoch durch eine ungünstige politische Stimmung im Weißen Haus und das enge Budget der NASA gegen Ende des Apollo-Programms behindert. Präsident Richard Nixon, „kein großer Freund der Raumfahrt […], dachte an seine Wiederwahl, für die er Arbeitsplätze in den bevölkerungsreichen Staaten Texas und Kalifornien schaffen musste – traditionell wichtige Zentren der Raumfahrt. Nixon entschied sich daher für das Naheliegende: Der Spaceshuttle sollte gebaut werden. Und nur der Spaceshuttle.“^[6]

Frischen Wind bekam das Projekt, als im Jahr 1971 die US-Luftwaffe ebenfalls Interesse an einem wiederverwendbaren Raumfahrzeug bekundete. In der Folge versuchte man bei der NASA, die zusätzlichen Anforderungen der Luftwaffe in den Entwurf zu integrieren. Dabei ging es vor allem um eine vergrößerte Nutzlastbucht, um große Spionagesatelliten transportieren zu können, und um die Fähigkeit des Shuttles, nach einem einzigen Orbit auf einer polaren Umlaufbahn wieder den Startplatz erreichen zu können. Das erforderte eine sogenannte Cross-Range (Abweichung von der Umlaufbahn zum Landeplatz) von fast 1800 Kilometern, was nur mit größeren Deltaflügeln und einem verbesserten Hitzeschild zu erreichen war.^[7]

Auch die Entwürfe der Industrie änderten sich. Einige sahen bemannte Unterstufen vor oder Außentanks mit Flügeln. Die meisten Konzepte scheiterten aber an Gewichtsproblemen. Schließlich schien sich das Problem zu lösen, indem man einen im Vergleich mit anderen Studien, die von einem riesigen Raumfahrzeug mit Platz für bis zu 20 Personen ausgingen, kleinen Orbiter auf einen großen Tank setzte und diesen zusätzlich mit Feststoffraketen ausstattete. Damit wurde zwar keine hundertprozentige Wiederverwendbarkeit erreicht, dafür konnten andere wichtige Vorgaben erfüllt werden.

Entwicklung

Das dreiteilige Konzept des Shuttles mit der Aufteilung in Orbiter, Außentank und Booster wurde von der NASA offiziell am 15. März 1972 festgelegt. Am 9. August des selben Jahres erhielt North American Rockwell (heute Boeing) den Auftrag, den Orbiter zu bauen. Der Vertrag hatte einen Umfang von 2,6 Milliarden US-Dollar. Der Vertrag über den Bau der Feststoffbooster ging an Morton Thiokol (heute Alliant Techsystems), und der Außentank sollte von Martin Marietta (heute Lockheed) hergestellt werden.

Ein Jahr später waren erste detailliertere Planungen verfügbar. Diese enthielten aus heutiger Sicht völlig utopische Zahlen. Man ging von einem Erstflug im Jahr 1978 aus, der Markt für wissenschaftliche, kommerzielle und militärische Missionen wurde auf 50 Flüge pro Jahr geschätzt.^[7] Dabei sollten so viele kommerzielle Nutzlasten in eine Umlaufbahn gebracht werden, dass sich das Shuttle-Programm selbstfinanzieren sollte.

Damals ging man von 10,5 Millionen US-Dollar pro Start aus. Im Laufe der Entwicklung stiegen diese Kosten jedoch beträchtlich – 1977 ging man schon von etwa 24 Millionen Dollar aus. In der Folge musste auch die Anzahl geplanter Flüge drastisch reduziert werden. Die Entwicklungskosten stiegen laufend an und erreichten bald über 12 Milliarden Dollar.

1978, in dem Jahr, in dem eigentlich der Erstflug des Shuttles hätte stattfinden sollen, stand das Programm kurz vor dem Aus. Wieder war es die US-Luftwaffe, die Druck auf den Kongress ausübte, um mehr Gelder für das Shuttle-Programm zu bewilligen. Man hatte mit dem Shuttle gerechnet und mehrere schwere Spionagesatelliten entwickelt, die nur mit der Raumfähre in den Orbit gebracht werden konnten. Diese Intervention verhinderte ein vorzeitiges Ende des Space-Shuttle-Programms.

Erprobung

Die Enterprise während eines Freiflugtests mit aerodynamischer Triebwerksverkleidung

Absetzen der Enterprise vom SCA zu Freiflugtest

Die erste flugfähige Raumfähre, die Enterprise, wurde im September 1975 fertiggestellt. Dieser Orbiter war aber nicht raumflugfähig und wurde nur für atmosphärische Flugtests verwendet.

Der erste Freiflug fand am 12. August 1977 statt. Dabei wurde die Enterprise mit einer modifizierten Boeing 747 – dem Shuttle Carrier Aircraft – in die Luft gebracht und dort ausgeklinkt. Anschließend glitt die Raumfähre, genau wie nach einem Raumflug, antriebslos zur Landebahn. Insgesamt wurden fünf solcher Freiflugtests durchgeführt.

Wie sich herausstellte, waren die Haupttriebwerke die schwierigsten Komponenten des Shuttles. Der erste Testlauf fand am 17. Oktober 1975 statt. Während der Tests kam es immer wieder zu Rückschlägen. Eine besonders heftige Explosion zerstörte sogar einen ganzen Teststand. Die Probleme konnten erst im Jahre 1979 nach über 700 Testläufen vollständig gelöst werden. Ihren abschließenden Test vor dem Erstflug absolvierten die Haupttriebwerke wenige Wochen vor dem Start, als mit der bereits auf der Startrampe stehenden Columbia der FRF-Test (Flight Readiness Firing) durchgeführt wurde, bei dem alle drei Triebwerke für 20 Sekunden auf volle Leistung hochgefahren wurden, ohne dass die Raumfähre abhob.

Erstflug und die ersten fünf Jahre

→ Hauptartikel: STS-1 (Erstflug) und Liste der Space-Shuttle-Missionen

Die Columbia startet zum Jungfernflug

Die Columbia, der erste raumflugfähige Orbiter, wurde im März 1979 an die NASA ausgeliefert. Anschließend wurde die Raumfähre ins Kennedy Space Center (KSC) überführt, um dort auf ihre erste Mission vorbereitet zu werden. Im November 1980 wurde die Columbia mit dem Außentank verbunden und einen Monat später zur Startrampe gefahren. Nach mehreren Startverschiebungen fand am 12. April 1981 der Start des ersten wiederverwendbaren Raumfahrzeuges der Welt statt.

Ziel des ersten Fluges war es lediglich, die Columbia sicher in die Umlaufbahn und wieder zurück zu bringen. Der Flug dauerte insgesamt etwas über zwei Tage und endete mit einer Landung auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien. Der Erstflug gilt bis heute als eine technische Meisterleistung, denn es war das erste Mal in der Geschichte der Raumfahrt, dass ein Trägersystem bei seinem Jungfernflug bemannt war.

Die folgenden drei Flüge (STS-2 bis STS-4), die alle mit der Raumfähre Columbia durchgeführt wurden, dienten der Erprobung aller Systeme des Shuttles. Danach wurde das System als einsatzfähig erklärt.

In den darauffolgenden 21 Missionen, die bis Januar 1986 durchgeführt wurden, stand der Satellitentransport im Vordergrund. Außerdem fanden einige rein wissenschaftliche Flüge statt, bevor es zum Challenger-Unglück kam.

Challenger-Unglück (1986) und Folgejahre

→ Hauptartikel: STS-51-L

Der Außentank der Challenger explodiert und der Orbiter bricht auseinander.

Am 28. Januar 1986 hob die Raumfähre Challenger bei einer ungewöhnlich niedrigen Außentemperatur von 2 °C zur Mission STS-51-L ab.^[8] Die NASA hatte sich für den Start entschieden, obwohl Ingenieure des Booster-Herstellers Morton Thiokol, vor allem Roger Boisjoly, vor einem Start bei Temperaturen unter 12 °C eindringlich gewarnt hatten. Das Management von Thiokol überstimmte jedoch schließlich seine Ingenieure und gab seinem wichtigsten Kunden NASA offiziell die Startfreigabe.^[9]

Wenige Sekunden nach dem Start versagte – wie von den Thiokol-Ingenieuren befürchtet^[9][10] – ein Dichtungs-O-Ring der rechten Feststoffrakete, und heißes Verbrennungsgas trat durch das entstandene Leck an einer Seite des Boosters aus. Die Flamme traf auf den Außentank und die Befestigung der Feststoffrakete, wodurch die Tankhülle zerstört wurde. Der Tank zerbrach 73 Sekunden nach dem Start in 15 Kilometern Höhe, worauf das Shuttle durch die enormen aerodynamischen Kräfte zerstört wurde.^[11] Die sieben Astronauten überlebten dies wahrscheinlich, starben aber spätestens beim Aufschlagen der Cockpit-Sektion auf die Wasseroberfläche des Atlantiks.

Nach dem Challenger-Unglück wurden einerseits die Feststoffbooster sowie die Flugabbruchmöglichkeiten überarbeitet, andererseits auch das Management neu strukturiert. Viele Entscheidungswege wurden geändert, die Ingenieure bekamen, um der Sicherheit willen, mehr Entscheidungskompetenzen.

Zwei Jahre nach dem Challenger-Unglück nahm die Shuttleflotte wieder ihren Dienst auf, womit die zweite Phase ihrer Nutzung begann. Das Shuttle wurde aus dem kommerziellen Satellitengeschäft zurückgezogen, und man konzentrierte sich nun auf wissenschaftliche Aufgaben, staatliche Satellitenstarts sowie die Wartung von Satelliten. Dies blieb auch das Aufgabengebiet des Shuttles, bis es 1995 erstmals an der Raumstation Mir andockte, was einer dritten Nutzungsphase gleichkam. Das Aufgabenfeld der Satellitenstarts und Wartungsmissionen wurde zugunsten der Versorgung von Raumstationen nach und nach eingeschränkt. Mit Baubeginn der Internationalen Raumstation wurden dann auch die rein wissenschaftlichen Missionen weniger zahlreich. Stattdessen nutzte man das Shuttle für den Transport der Module zur Station und für deren Montage.

Columbia-Unglück (2003)

→ Hauptartikel: STS-107

Beim Start von STS-107 im Januar 2003 brachen einige Schaumstoffteile vom Außentank ab, möglicherweise auch Eisstücke. Diese trafen die linke Flügelvorderkante und schlugen ein großes Loch in die Hitzeschutzverkleidung. Zwar bemerkten die Techniker im Kontrollzentrum dieses Ereignis, waren sich aber des Schadens, der entstanden war, nicht bewusst. Bei der Rückkehr des sehr erfolgreichen Fluges (1. Februar 2003) trat dann jedoch heißes Plasma, das beim Wiedereintritt entsteht, durch das Loch in die Flügelstruktur ein und führte dort zum Versagen der Struktur. In der Folge brach die Raumfähre auseinander. Die Astronauten starben; sie waren zum Zeitpunkt des Unglücks in einer Höhe von 70 km und hatten eine Geschwindigkeit von 23-facher Schallgeschwindigkeit (Mach 23).

Als Reaktion auf das Unglück wurden die Vorsichtsmaßnahmen für den Hitzeschild enorm verstärkt. Der Außentank wurde überarbeitet, um das Abplatzen vom Schaumstoff zu minimieren, und der Hitzeschild wurde seit dem Unglück auf jedem Flug mit einer speziellen Erweiterung des Roboterarms (OBSS) auf Schäden überprüft. Zudem wurde ein Konzept zur Rettung eines Shuttles mit beschädigtem Hitzeschild ausgearbeitet. Schließlich kündigte die US-Regierung an, die Shuttle-Flotte zum September 2010 ausmustern zu wollen.

Mit der Wiederaufnahme des regulären Flugbetriebs 2006 verblieb – von STS-125 abgesehen – nur der Aufbau der Internationalen Raumstation als Aufgabengebiet übrig. Es wurden weiterhin kleinere Satelliten in der Nutzlastbucht mitgeführt und nebenbei ausgesetzt. Den rein wissenschaftlichen Aspekt hat mittlerweile die ISS übernommen.

Weitere Nutzung

Nach Ende des Space-Shuttle-Programms und Außerdienststellung im Juli 2011 sollen die Orbiter und andere Teile des Programms im Herbst 2011 in US-amerikanischen Einrichtungen ausgestellt werden. Die Raumfähre Discovery wurde dem Smithsonian Institution in Washington, DC. zugesprochen, das die bisher dort präsentierte Enterprise an das „Intrepid Sea, Air & Space Museum“ in der Stadt New York abgeben soll. Die Atlantis soll im Besucherzentrum des Kennedy Space Centers der NASA im US-Bundesstaat Florida verbleiben. Die Endeavour geht an das „California Science Center“ in Los Angeles. Auch Trainings- und Ausrüstungsobjekte wurden der Öffentlichkeit präsentiert, z. B. ein Simulator im Adler Planetarium in Chicago, Astronautensitze im Johnson Space Center der NASA in Houston im US-Bundesstaat Texas und Steuertriebwerke der Raumfähre in Museen in Huntsville im US-Bundesstaat Alabama und in Washington, DC.^[12]

Missionsprofil

Vorbereitung und Countdown

→ Hauptartikel: Space-Shuttle-Countdown

Die Challenger auf dem Weg zum Startplatz (1982)

Die Vorbereitung für eine Shuttle-Mission im engeren Sinn begann mit dem Zusammenbau der einzelnen Elemente des Shuttle-Systems. Zunächst wurden die Segmente der beiden Feststoffbooster zusammengesetzt. Dies geschah im Vehicle Assembly Building (VAB) auf der mobilen Startplattform, mit der das Shuttle später zur Startrampe gefahren wurde. Danach wurde der Außentank, der mit einer Spezialfähre auf dem Wasserweg zum Kennedy Space Center gebracht wurde, mit den beiden Boostern verbunden. Zuletzt wurde der Orbiter ins VAB gebracht und an den Außentank montiert. Kurz darauf wurde das ganze System zu einer der beiden Startrampen, LC-39A oder LC-39B, gefahren.

Auf der Startrampe wurden die letzten Vorbereitungen durchgeführt. Meist wurde die Hauptnutzlast erst hier in den Frachtraum des Orbiters eingebaut.

Etwa 70 Stunden vor dem geplanten Startzeitpunkt begann der Countdown bei der T-43-Stunden-Marke. Planmäßig wurde der Countdown mehrere Male unterbrochen – dies erklärte die Differenz von rund 27 Stunden. Damit wurde eine gewisse Standardisierung der Countdown-Prozedur erreicht: die gleichen Arbeiten wurden immer zur gleichen Countdown-Zeit ausgeführt.

Das Shuttle hinter der geschlossenen Arbeitsbühne

Während der gesamten Zeit auf der Rampe, die meist mehrere Wochen betrugt, war das Shuttle von der schwenkbaren RSS-Arbeitsbühne (Rotating Service Structure) gegen Witterungseinflüsse geschützt. In der RSS befindet sich zudem der Payload Changeout Room, ein Reinraum, in dem die Nutzlast zwischengelagert wurde, bevor sie in die Ladebucht der Raumfähre eingebaut wurde. Diese Struktur wurde erst am Vortag des Starts weggeschwenkt.

Rund zehn Stunden vor dem Start wurde mit dem Befüllen des Außentanks mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff begonnen, der auf −180 °C gekühlt wurde. Diese Prozedur dauerte drei Stunden. Danach, etwa vier Stunden vor dem Start, begab sich die Mannschaft in den Orbiter.

Ab neun Minuten vor dem Start wurden alle Vorgänge von den Computern des Startkontrollzentrums, dem Ground Launch Sequencer, überwacht. Ein manuelles Eingreifen in den Countdown war jedoch noch bis 31 Sekunden vor dem Abheben möglich. Danach konnte der Start nur noch vom Bordcomputer des Space Shuttle abgebrochen werden.

Start und Aufstieg

Die Startsequenz wurde mit der Zündung der drei Haupttriebwerke 6,6 Sekunden vor dem Abheben eingeleitet. Die Triebwerke wurden während des Betriebs mit flüssigem Wasserstoff gekühlt. Damit sich das entstehende Wasserstoffgas auf der Rampe nicht explosionsartig entzündete, wurde es durch ein elektrisches Funkensprühsystem entzündet. Zudem wurde das Sound Suppression Water System aktiviert. Diese Vorrichtung goss innerhalb von 20 Sekunden 1135 Kubikmeter Wasser auf den Bereich unter den Haupttriebwerken, um Shuttle und Nutzlast vor Schäden durch die auftretenden enormen Schallwellen zu bewahren.^[13]

Start der Discovery zur Mission STS-114 vom KSC

Nachdem die Haupttriebwerke gezündet wurden, schwankt das gesamte Shuttle (mit Tank und Boostern) an der Spitze ca. drei Meter nach vorn, weil die Triebwerke des Orbiters sich leicht hinter dem Schwerpunkt des gesamten Shuttles befanden. Danach schwang es wieder zurück. Während dieser Zeit wurde das korrekte Hochfahren der Haupttriebwerke überprüft, denn noch konnten sie abgeschaltet werden. Wenn es wieder genau senkrecht stand, zündeten die zwei Solid Rocket Booster Feststoffraketen (SRBs). Bis zu diesem Zeitpunkt wurden die Booster durch Bolzen an der Startrampe festgehalten. Diese wurden wenige Sekundenbruchteile nach Zündung der SRBs teilweise gesprengt, wodurch sie aus der Halterung rutschen und das ganze Shuttle zum Start freigaben.^[14] Anschließend hob das Space Shuttle ab.

Start der Mission STS-117. Die Rauchspur stammt von den Feststoffboostern.

Die beiden SRBs hatten eine Brennzeit von etwa zwei Minuten und produzieren rund 80 Prozent des Gesamtschubs. Sie verbrannten rund 4 Tonnen festen Brennstoff pro Sekunde. Insgesamt trieben 10–12 Tonnen Treibstoff und Sauerstoff pro Sekunde das Shuttle nach oben. Der Tankinhalt einer Boeing 737 wäre dabei in 2 Sekunden aufgebraucht. Nachdem sie ausgebrannt waren, wurden sie in einer Höhe von rund 50 km abgetrennt, stiegen jedoch durch ihre hohe Geschwindigkeit noch auf 70 km Höhe. Dann erst fielen sie zurück und erreichen eine Sinkgeschwindigkeit von 370 km/h. Bevor die SRBs auf die Meeresoberfläche auftrafen, wurden in knapp zwei Kilometern Höhe jeweils drei Fallschirme in den Nasen aktiviert. Mit etwa 80 km/h fielen die Booster schließlich in den Atlantischen Ozean. Zwei Bergungsschiffe der NASA nehmen die leeren Hüllen auf und schleppen sie zum Kennedy Space Center zurück, wo sie auf die Wiederverwendung vorbereitet wurden.

Nach der Abtrennung der Booster flog das Space Shuttle nur mit Hilfe seiner Haupttriebwerke weiter. Nach ungefähr achteinhalb Minuten Brenndauer wurde kurz vor Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit (mit ca. 7700 m/s) der Außentank in rund 110 km Höhe abgeworfen. Er verglühte größtenteils in der Atmosphäre, nachdem er eine halbe Erdumrundung absolviert hatte. Die übrigen Teile des Tanks fielen in den Pazifik.

Der Außentank fällt zurück in die Erdatmosphäre

Anschließend wurde die Raumfähre von den beiden Triebwerken des OMS in eine elliptische Umlaufbahn mit einem tiefsten Punkt (Perigäum) von etwa 110 km und einem höchsten Punkt (Apogäum) von 185 km über der Erdoberfläche beschleunigt. Nach einem halben Erdumlauf zündeten die Manövriertriebwerke des Orbiters am bahnhöchsten Punkt, um die Umlaufbahn in eine Ellipse mit einem Perigäum von 185 km und einem Apogäum auf Höhe des Zielorbits zu verwandeln (zum Beispiel etwa 380 km für einen Flug zur ISS). Wenn der Orbiter wieder den bahnhöchsten Punkt erreichte, zündet er die Manövriertriebwerke ein weiteres Mal, um in dieser Höhe in eine Kreisbahn einzutreten. Danach hat der Orbiter seinen Zielorbit erreichte. Bei komplexen Missionen, die einen speziellen Orbit erfordern oder ein bestimmtes Ziel anfliegen müssen, wurde die Umlaufbahn im Verlauf der ersten Flugtage noch mehrfach angepasst. Dies war zum Beispiel zum Erreichen der ISS oder des Hubble-Weltraumteleskops notwendig.

Arbeit im Orbit

Siehe auch: Artikelabschnitt Nutzung

Die Raumfähre Challenger während der STS-7-Mission, Juni 1983

Die Arbeiten im Orbit, die sogenannten On-Orbit-Operations beginnen mit dem Öffnen der Ladebuchttore. Dies war zwingend nötig, da auf den Innenseiten dieser Tore Radiatoren angebracht waren, die für die Kühlung des Orbiters sorgen. Konnten die Tore nicht geöffnet werden, musste die Mission sofort abgebrochen werden.

Schnittbild des Shuttles mit dem Spacelab

Das Space Shuttle konnte sehr vielfältig eingesetzt werden. Typische Aufgaben für eine Mission bestehen im Aussetzen bzw. Einfangen von Satelliten, dem Durchführen von wissenschaftlichen Experimenten oder dem Ausführen von Aufbauarbeiten an einer Raumstation, wie der ISS oder früher der Mir. Für wissenschaftliche Arbeiten konnte ein Labor wie Spacelab oder Spacehab mitgeführt werden. Diese Labors bieten je nach Konfiguration Möglichkeiten für Experimente im freien Weltall oder in einem bemannbaren Modul.

Zudem war die Crew oft mit körperlichem Training beschäftigt, um der Muskelrückbildung in der Schwerelosigkeit Rechnung zu tragen. Ein beachtlicher Teil der Arbeitszeit der Astronauten wurde auch für die Betreuung und Bedienung der vielen Systeme des Space Shuttles eingesetzt.

Landung

Landung der Columbia bei der Mission STS-1 auf der EAFB

Zum Verlassen der Umlaufbahn wurde die Raumfähre entgegen der Umlaufrichtung gedreht. Die OMS-Triebwerke wurden für ungefähr drei Minuten gezündet (sog. deorbit-burn), wodurch das Space Shuttle um etwa 300 km/h verlangsamt wurde. Danach wurde die Raumfähre mit ihrer Nase wieder in Flugrichtung gedreht. Durch das Bremsmanöver verlässt der Orbiter die bisherige Umlaufbahn und wechselt aus seiner Kreisbahn in eine ellipsenförmige Bahn mit einem Perigäum von 80 km. Nach knapp einem weiteren halben Erdumlauf tritt es in die äußeren Schichten der Atmosphäre ein und wurde dort aerodynamisch weiter abgebremst. Die Lageregelungstriebwerke (RCS) wurden auf einer Flughöhe von etwa 15.000 Metern deaktiviert; Anflug und Landung erfolgen antriebslos, es gab also nur einen einzigen Versuch.

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wurde die Raumfähre durch spezielle Hitzeschutzkacheln an der Front- und Unterseite vor der extremen Hitze der Druckfront von bis zu 1650 °C geschützt. Bereits kurz nach dem Wiedereintritt, noch mehrere hundert Kilometer entfernt, erhält sie von der vorgesehenen Landebahn Leitsignale. In einer Höhe von rund 13 km beginnt die aerodynamische Phase der Landung, in der der Orbiter in antriebslosem Flug (Gleitflug mit einer Gleitzahl von 4,5) die verbliebene Restenergie sukzessiv abbaut. Der Gleitweg wurde nötigenfalls korrigiert, indem Schlangenlinien geflogen wurden.

Der letzte Teil des Anflugs besteht aus drei Phasen:

1. Ausrichtung auf die Landebahn im Heading Alignment Circle (12,8 km vor Landebahn, Endhöhe 3660 m)
2. steiler Endanflug (bis 610 m Höhe)
3. Abflachung der Anflugkurve mit Landung.

Am Ende der ersten Phase waren Fluglage, Richtung, Höhe und Geschwindigkeit für die Landung optimiert. Bis zur Phase drei beträgt der Gleitwinkel ca. 17 bis 18° (gegenüber 2 bis 3° bei Verkehrsflugzeugen) bei einer Geschwindigkeit von etwa 500 km/h. In der dritten Phase wurde der Gleitwinkel durch Änderung des Anstellwinkels auf 1,5° verringert, so dass das Shuttle mit einer Geschwindigkeit von rund 340 km/h, etwa dem Anderthalbfachen eines Verkehrsflugzeug („preflare“ Phase), mit seinem 30 Sekunden vorher ausgefahrenen Fahrwerk auf der Landebahn aufsetzt. Zur Verkürzung des Bremswegs wurde ein Bremsschirm verwendet.^[15][16] Erst bei Erreichen einer niedrigeren Geschwindigkeit wurden dann die Bremsen verwendet. Der Pilot durfte kurzzeitig das Shuttle selbst fliegen, musste dann jedoch an den Kommandanten übergeben, der die Landung durchführte. Der Pilot war jedoch für das Ausfahren des Fahrwerks und Auslösen des Bremsfallschirms verantwortlich.

Seit 1992 wurde bei der Landung ein Bremsschirm verwendet.

Schlechte Wetterbedingungen am Hauptlandeplatz machten es mitunter erforderlich, auf günstigere Orte auszuweichen. Seit 1991 war grundsätzlich das Kennedy Space Center in Florida das primäre Landeziel. Dort befindet sich die sogenannte Shuttle Landing Facility, eine 4,5 km lange und 90 m breite Landebahn, die eigens für die Rückkehr der Orbiter aus dem Weltraum gebaut wurde. Wenn das Wetter eine Landung in Florida unmöglich machte, standen der NASA zwei Alternativen zur Verfügung. Erster Ausweichflughafen war die Luftwaffenbasis Edwards (Kalifornien), wo auch die Erprobung der damals neuentwickelten Raumfähre durchgeführt wurde, zweiter Ausweichstandpunkt war White Sands (New Mexico) (nur eine Landung, STS-3 1982).

Rücktransport mit dem Shuttle Carrier Aircraft

Daneben gab es rund um die Welt weitere Notlandeplätze für die Startphase und den weiteren Missionsverlauf.^[17] Es wurde unter anderem unterschieden in East Coast Abort Landing Sites (ECAL) in den USA und Kanada und Transoceanic Abort Landing Sites (TAL). Letztere waren unter anderem die Istres Air Base in Frankreich sowie Zaragoza Air Base und Moron Air Base in Spanien.^[18] Weitere Flughäfen, die für eine Landung des Space Shuttles zertifiziert waren, waren u. a. die deutschen Flughäfen Köln/Bonn, München und der Luftwaffenstützpunkt Ingolstadt-Manching.

Sollte es erforderlich sein, dass das Shuttle an einem anderen Ort landet als in Florida, wurde es huckepack auf einer modifizierten Boeing 747 (dem sogenannten Shuttle Carrier Aircraft, SCA) dorthin zurücktransportiert. Um die Aerodynamik bei diesem Überflug zu verbessern, wurde am Heck des zu transportierenden Shuttles eine nach hinten spitz zulaufende Abdeckung angebracht, die die Triebwerke des Shuttles verdeckt.

Nutzung

Eine chronologische Liste sowie eine tabellarische Übersicht aller geflogenen Missionen ist unter Liste der Space-Shuttle-Missionen zu finden.

Durch seine Bauart als Raumfähre bedingt war das Space Shuttle extrem flexibel einsetzbar. Es war das einzige Trägersystem, das in der Lage war, mehrere Tonnen Nutzlast vom Weltraum zur Erde zu bringen. Zudem konnten einige Komponenten der Raumstation ISS aufgrund ihrer Abmessungen nur mit dem Shuttle ins All gebracht werden. Dieser Umstand sowie die sich daraus ergebenden Verträge mit den Partnerländern waren auch einer der Hauptgründe, warum das Space-Shuttle-Programm trotz massiven Kostenüberschreitungen unterhalten wurde. Im Verlauf des Shuttleprogramms haben sich die Aufgaben des Systems recht stark gewandelt. Im Folgenden wird eine Übersicht über die wichtigsten Aufgaben des Shuttles gegeben.

Satellitentransport

Während STS-5 wurde der Satellit SBS-C ausgesetzt

Zu Beginn des Shuttle-Programms lag die Hauptaufgabe des Shuttles darin, Satelliten ins All zu bringen. Durch die Wiederverwendbarkeit des Orbiters hatte man sich enorme Einsparungen erhofft. So waren auch die ersten operationellen Flüge des Space Shuttles dieser Aufgabe gewidmet. Während der Mission STS-5 wurden etwa die beiden Nachrichtensatelliten Anik C-3 und SBS-C ins All gebracht. Auch die drei nachfolgenden Missionen wurden für den Satellitentransport eingesetzt.

Arbeiten am Hubble-Teleskop während STS-103

Daneben hatte das Shuttle die einzigartige Fähigkeit, auch Satelliten vom All zur Erde bringen zu können. Dies geschah erstmalig auf der Mission STS-51-A, als zwei Satelliten, die zuvor auf zu niedriger Umlaufbahn ausgesetzt wurden, wieder eingefangen wurden. Zudem konnte man mit dem Shuttle auch Satelliten einfangen, um sie durch Astronauten reparieren zu lassen. Dies wurde zum Beispiel während der Mission STS-49 durchgeführt, als die Oberstufe des Intelsat-IV-Satelliten ausgetauscht wurde.

Ein anderes Beispiel war das Hubble-Weltraumteleskop, das fünfmal von einem Space Shuttle zwecks Reparatur angeflogen wurde. Den letzten Besuch hat das Teleskop im Jahr 2009 von der Mission STS-125 erhalten.

Seit dem Challenger-Unglück im Jahre 1986 wurde das Shuttle aus dem kommerziellen Satellitengeschäft zurückgezogen. Seither wurden mit dem Shuttle nur noch militärische, wissenschaftliche oder staatliche Nutzlasten in den Orbit gebracht. Die letzte Shuttle-Mission, die in erster Linie dem Transport eines Satelliten gewidmet war, war STS-93 im Sommer 1999. Während dieser Mission wurde das Röntgen-Teleskop Chandra ins All gebracht.

Wissenschaft

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet des Shuttles war die Wissenschaft in der Schwerelosigkeit. Die Raumfähre bietet eine sehr flexible Plattform für Experimente aller Art. Zunächst war das Spacelab zu nennen, ein Labor, das in der Nutzlastbucht mitgeführt werden konnte. Der erste Spacelab-Flug war STS-9 im November 1983. Bis zum letzten Flug im Jahr 1998 an Bord des Fluges STS-90, wurden 22 Spacelabflüge durchgeführt.

In der Nutzlastbucht einer Raumfähre war das Spacelab zu sehen

Nachfolger des Spacelab war das Spacehab. Dieses konnte vielseitiger eingesetzt wurden als das Spacelab – so konnte man damit beispielsweise auch Fracht zur ISS bringen, wie dies etwa auf dem Flug STS-105 der Fall war. Die letzte reine Forschungsmission des Shuttleprogramms war STS-107 der Columbia, die dann beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auseinanderbrach und teilweise verglühte, wobei die sieben Astronauten an Bord ums Leben kamen. Der letzte Flug eines Spacehab-Logistikmoduls war die Mission STS-118.

Der LDEF-Satellit enthielt über 50 Experimente

Auf anderen Missionen, zum Beispiel während STS-7 wurden Forschungsplattformen in der Nutzlastbucht mitgetragen, die dann während der Mission für mehrere Stunden in den Weltraum entlassen wurden, um danach mit dem Roboterarm wieder eingefangen zu werden. Wieder andere solcher Plattformen blieben gleich für mehrere Monate oder Jahre im All und wurden von einer späteren Shuttle-Mission wieder eingeholt.

Grundsätzlich hatten die meisten Shuttle-Missionen zu einem Teil wissenschaftliche Missionsziele. Oft wurden in der Nutzlastbucht sogenannte Get-Away-Behälter mit automatisch ablaufenden Experimenten mitgeführt, oder man hatte sogenannte Middeck Payloads, also Mitteldeck-Nutzlast dabei, die von der Shuttle-Crew nebenbei betreut wurde. Dies war auch bei ISS-Flügen teilweise noch der Fall.

Betrieb von Raumstationen

Aufgrund seiner unvergleichlichen Flexibilität war das Shuttle ein ideales Arbeitspferd für den Aufbau und die Wartung einer großen Raumstation. Viele Module der ISS waren so groß, dass sie nicht mit anderen Trägern ins All gebracht werden konnten. Zudem bot das Shuttle mit seinem Roboterarm die Möglichkeit, die Module direkt an die Station zu montieren. Dies war unumgänglich, da die meisten ISS-Module keine eigenen Antriebs- und Lageregelungssysteme haben, und so ein autonomes Andocken nicht möglich war. Auch der Crew-Transport wurde mit dem Shuttle vereinfacht; es konnten theoretisch bis zu 5 Besatzungsmitglieder pro Flug ausgetauscht werden.

Wegen dieser kritischen Rolle des Shuttles wurde das ISS-Programm dann auch um mehrere Jahre zurückgeworfen, als die Shuttle-Flotte nach der Columbiakatastrophe im Februar 2003 mit einem Flugverbot belegt wurde. Einige Experimente mussten deshalb sogar gestrichen werden.

Vor der Zeit der ISS wurde das Shuttle auch auf mehreren Flügen zur russischen Raumstation Mir eingesetzt. Zwischen 1995 und 1998 dockte insgesamt neunmal eine Raumfähre an der Station an. Dabei ging es auch um ein politisches Zeichen – es war die erste nennenswerte gemeinsame Operation der beiden Supermächte im Weltraum seit dem Apollo-Sojus-Testprojekt im Jahre 1975. Der erste derartige Flug war STS-71 im Sommer 1995.

Technik

Feststoffbooster

→ Hauptartikel: Space Shuttle Solid Rocket Booster

Diagramm eines Boosters

Ein Booster wurde zurück zum KSC gebracht

Über drei Viertel des zum Start eines Shuttles benötigten Schubes wurden von den beiden Feststoffboostern zur Verfügung gestellt. Die zwei weißen, 45 Meter langen Raketen waren die stärksten Antriebe ihrer Art, die je gebaut wurden. Jeder dieser Booster enthielt über 500 Tonnen APCP, einen Feststoff-Treibstoff auf Basis von Ammoniumperchlorat und Aluminium. Dieses Gemisch verlieh den Boostern eine Brenndauer von gut zwei Minuten und einen spezifischen Impuls (ISP) auf Meereshöhe von 242 s (auf die Masse des Treibstoffs bezogen). Die Booster waren mit schwenkbaren Düsen zur Lageregelung ausgestattet. Zudem waren im oberen Teil mehrere Kameras untergebracht, die während des Aufstieges eine Vielzahl von Bildern lieferten.

Auf einer Höhe von etwa 45 km über Grund wurden die nahezu ausgebrannten Booster abgetrennt und durch kleine Raketentriebwerke vom Außentank weggedrückt. So wurde eine Kollision zwischen den abfallenden Boostern und dem Tank verhindert. Die Booster stiegen dann, entlang einer ballistischen Bahn, weiter bis auf etwa 65 km, um dann den Abstieg einzuleiten. Zuerst wurden kleinere Stabilisierungsschirme ausgestoßen, die die Booster bereits etwas abbremsten. Schließlich wurden die Hauptfallschirme entfaltet und die Booster glitten zur Erde zurück und fielen etwa 230 km vom KSC entfernt mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h ins Meer. Bereits wenige Stunden nach dem Start wurden sie von zwei Schiffen geborgen und nach Florida zurückgeschleppt. Dort wurden sie gereinigt, geprüft und für einen weiteren Flug aufbereitet und wiederbefüllt.

Außentank

→ Hauptartikel: Space Shuttle External Tank

Diagramm des Außentanks

Die größte Komponente des Shuttle-Systems war der Außentank (englisch External Tank – ET). Genau genommen beinhaltete der orangefarbene Zylinder zwei Tanks, einen größeren Wasserstofftank im unteren Teil sowie einen kleineren Sauerstofftank im oberen Teil des Tanks. Dazwischen liegt die sogenannte Intertank-Section; diese steht nicht unter Druck und enthält einen großen Teil der Elektronik des Außentanks. Da die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff in flüssigem Zustand vorlagen und deshalb sehr kalt waren (unter -200 °C), war der Tank mit einem speziellen Schaumstoff isoliert. Dieser verleiht ihm seine charakteristische orange Farbe. Lediglich bei den ersten zwei Flügen war der Tank mit einer weißen Farbschicht überzogen, diese wurde aber aus Gewichtsgründen ab der darauffolgenden Mission nicht mehr verwendet.

Der Tank auf einem Spezialtransporter

Das Shuttle war vorn an einem und hinten an zwei Punkten am externen Tank befestigt. Zudem verlaufen auf der Außenseite des Tanks mehrere Leitungen, die u. a. den Wasserstoff und den Sauerstoff in den Orbiter leiten, wo die Flüssigkeiten dann in den Haupttriebwerken des Shuttles verbrannt wurden. Der Tank war die einzige Komponente des Shuttles, die nicht wiederverwendbar war. Nach dem Brennschluss der Haupttriebwerke (engl. Main Engine Cutoff – MECO) wurde der Tank abgeworfen und trat in die Atmosphäre ein, wo er verglühte.

Seit dem Columbia-Unglück im Jahr 2003 war die Isolierung des Tanks vermehrt ins Gespräch gekommen. Ein Stück abgeplatzten Schaumstoffs hatte damals zu einer Beschädigung des Shuttles geführt, durch die während der Wiedereintrittsphase extrem heiße Gase in den Orbiter gelangten und diesen zerstörten. Seither war der Tank stellenweise stark überarbeitet worden. Auch im Verlauf des Shuttle-Programms wurde der Tank mehrfach überarbeitet. So hatten die ersten Tanks, welche einen weißen Anstrich besaßen, der das typische Orange des Isolationsschaums verdeckt, ein Leergewicht von etwa 35 Tonnen. In der letzten Version waren es weniger als 30 Tonnen.

Orbiter

Atlantis im antriebslosen Flug am Ende von STS-30

Die Hauptkomponente des Shuttle-Systems stellte der Orbiter dar. In ihm befanden sich die Mannschaftsräume und das Cockpit (Flightdeck) sowie die Nutzlast der jeweiligen Mission. Seine äußere Formgebung war durch seine aerodynamischen Bauteile Deltaflügel und Seitenleitwerk geprägt, die ihm zum Abschluss einer Mission eine klassische Landung im Gleitflug ermöglichten. Es wurden insgesamt fünf raumflugfähige Orbiter gebaut, davon wurden durch Unfälle zwei Exemplare (Challenger und Columbia) zerstört. Der Orbiter war eines der komplexesten technischen Geräte, die je von Menschen gebaut wurden. In der Startphase befand er sich in senkrechter Position auf dem Außentank montiert, um in die Umlaufbahn transportiert zu werden. Nachdem er zum Abschluss einer Mission den Orbit verlassen hat, verläuft der Beginn der Landung zuerst rein ballistisch, bevor sie mit einer aerodynamischen Phase abgeschlossen wurde.

Haupttriebwerk

→ Hauptartikel: Space Shuttle Main Engine

Die Haupttriebwerke des Space Shuttles

Der Orbiter verfügte über drei große Haupttriebwerke, die Space Shuttle Main Engines, abgekürzt SSMEs. Die Haupttriebwerke wurden während des achtminütigen Aufstiegs ins All eingesetzt und dabei mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Außentank versorgt. Nach dem Abschalten und Abtrennen des Tanks können die Triebwerke daher während der Mission nicht erneut gezündet werden.

Nach der Landung auf der Erde wurden die Triebwerke ausgebaut, geprüft und für ihren nächsten Einsatz vorbereitet. Sie können für bis zu zehn Flüge verwendet werden. Die Wiederverwendbarkeit machte sie zu technisch hochkomplexen Systemen, ein einziges Triebwerk kostet mit 51 Millionen US-Dollar ungefähr so viel wie eine komplette Delta-II-Rakete.^[19]

Hilfstriebwerke

Neben den Haupttriebwerken verfügte der Orbiter über 46 mittlere und kleinere Triebwerke, die während des Aufenthalts im Orbit und während der ersten Phase des Wiedereintritts eingesetzt wurden. Die zwei größten davon gehören zum Orbital Maneuvering System (OMS). Sie liefern einen Schub von je 27 kN und waren wie die SSMEs im Heck des Shuttles untergebracht. Mit ihnen wurden Bahnänderungen wie etwa das Einschießen in den definitiven Orbit oder die Bremszündung für den Wiedereintritt durchgeführt. Zudem wurden sie während der Brenndauer der Haupttriebwerke zur Leistungsunterstützung gezündet. Betrieben wurden sie mit hypergolen Treibstoffen, also mit zwei Komponenten, die bei Berührung zünden.

Die 44 kleineren Triebwerke gehörten zum sogenannten Reaction Control System (RCS). Mit Hilfe dieser Triebwerke wurde die Lage des Shuttles im Raum gesteuert. Dies war vor allem beim Andocken an eine Raumstation oder zum Einfangen eines Satelliten wichtig. Die RCS-Triebwerke wurden auch benötigt, um das Shuttle vor der Bremszündung mit dem Heck in Flugrichtung zu drehen. Die Düsen waren dabei an der Nase sowie am Heck angebracht und jeweils redundant ausgelegt. So konnte die Manöverierfähigkeit des Shuttles weitgehend sichergestellt werden. Wie die OMS-Triebwerke wurden die RCS-Düsen mit hypergolem Treibstoff betrieben.

Mannschaftsräume

Die Mannschaftsräume des Space Shuttles bestanden aus dem Flugdeck (engl. flight deck), dem Mitteldeck (engl. middeck) und der Luftschleuse (engl. airlock), die jedoch manchmal zum Mitteldeck gezählt wurde. Die gesamten Mannschaftsräume bot einen Rauminhalt von 65,8 m³.^[20] Das Flugdeck stellte das eigentliche Cockpit dar, während des Starts befanden sich dort die Sitze von Pilot und Kommandant. Wenn das Shuttle einen Orbit erreichte hatte, wurden sämtliche Sitze verstaut, um so Platz zu sparen. Das Mitteldeck war der Wohn- und Arbeitsbereich der Raumfähre. Hier befand sich eine Toilette, Schlafabteile und die nötigen Gerätschaften für die Zubereitung der Mahlzeiten. Zudem bot das Mitteldeck Platz für Experimente sowie etwa 140 Liter Stauraum für Nutzlast. Ebenfalls im Mitteldeck befand sich ein Ergometer, ein Trainingsgerät, mit dem die Astronauten der Verringerung der Muskelmasse durch die Schwerelosigkeit entgegenwirkten.

Auf den Innenseiten der Ladebuchttore waren die Radiatoren zu erkennen

Um das Leben der Astronauten an Bord zu ermöglichen, musste in der Kabine ständig ein lebensfreundliches Klima erhalten werden. Dies wurde durch verschiedene Lebenserhaltungssysteme (engl. Environmental Control and Life Support System (ECLSS)) erreichte. So müssen etwa die Temperatur und der Druck in einem bestimmten Bereich bleiben. Die größte Herausforderung war dabei, eine Überhitzung des Orbiters zu verhindern. Dazu dienen die zwei großen Radiatoren im Innern der Ladebuchttüren. Diese strahlen während des ganzen Fluges Wärme in den Weltraum ab. Der Druck im Innern der Kabine wurde von mehreren Tanks mit Stickstoff und Sauerstoff erhalten. So konnte im Shuttle eine Atmosphäre erhalten werden, die der irdischen sehr ähnlich war.

Ebenfalls zu dem Lebenserhaltungssystemen gehört das Wasser-System. Im Shuttle waren 4 Wassertanks installiert, die je etwa 75 Liter Wasser fassen. Weiteres Wasser wurde von den Brennstoffzellen hergestellt. Dieses entsteht als Abfallprodukt bei der Stromherstellung. So konnten bis zu 10 Liter Wasser pro Stunde zusätzlich gewonnen werden. Abfallwasser wurde in einem entsprechenden Tank gesammelt und in regelmäßigen Abständen in den Weltraum abgegeben.

Nutzlastbucht

Die Nutzlastbucht und der Roboterarm

Die Nutzlastbucht (engl. payload bay) befand sich im mittleren Teil des Shuttles. Gegen oben konnten zwei große Tore aufgeschwenkt werden, um die Nutzlastbucht dem freien Weltall auszusetzen. Dieser Vorgang wurde auf jeder Mission durchgeführt, da sich die Radiatoren, welche die Kühlung des Orbiters sicherstellten, auf der Innenseite der Nutzlastbuchttore befanden. Die Nutzlastbucht war 18,38 Meter lang und hat einen Durchmesser von 4,57 Meter. Dieser zylindrische Bereich konnte voll von der Nutzlast ausgenutzt werden.

Zudem konnte in der Nutzlastbucht ein Roboterarm, das Remote Manipulator System (RMS) installiert werden. Da das System in Kanada hergestellt wurde, wurde es manchmal auch Canadarm genannt. Der Arm verfügt über sechs Freiheitsgrade und hatte einen Greifmechanismus an seinem Ende, mit dem er Nutzlasten oder Astronauten bewegen, sowie Satelliten einfangen konnte. Der Arm war 15 Meter lang und wiegt 410 kg, konnte jedoch Massen bis zu 29 Tonnen verschieben. Die Steuerung des Arms geschah durch einen Astronauten, der sich auf dem Flugdeck des Shuttles befand. Neben den beiden rückwärtigen Fenstern des Flugdecks wurden mehrere Kameras auf dem Arm und in der Nutzlastbucht für die präzise Steuerung des Arms eingesetzt.

Energieversorgung

Der Strom für den Betrieb der elektrischen Systeme wurde von Brennstoffzellen erzeugt. Diese wurden mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben. Im Orbiter waren drei Brennstoffzellen installiert, die je 7 kW leisten konnten, kurzzeitig waren sogar bis zu 12 kW möglich. Zudem waren die Orbiter Discovery und Endeavour mit dem Station-to-Shuttle Power Transfer System ausgerüstet. Dieses ermöglichte ihnen, Strom von der ISS zu beziehen, um eine längere Aufenthaltsdauer zu ermöglichen.

Weitere Systeme zur Energieerzeugung waren die Hilfskraftanlagen (engl. Auxiliary Power Units (APUs)). Diese drei, mit Hydrazin betriebenen Turbinen, erzeugten mechanische Leistung zum Betrieb von Hydraulikpumpen. Das Hydrauliksystem wurde benötig für die Ventil- und Schubvektorsteuerung der drei Haupttriebwerke, die Bewegungen der aerodynamischen Steuerflächen, das Schließen der Treibstofftüren an der Unterseite des Orbiters und an verschiedenen Stellen innerhalb des Fahrwerks.^[21]

Hitzeschutzschild

Hitzeschutzkacheln und Nase aus RCC auf der Unterseite der Discovery

Verschiedene Bereiche der Außenhaut des Shuttles waren mit speziellen Hitzeschutz-Verkleidungen ausgestattet. Dies war für den Wiedereintritt in die Atmosphäre unerlässlich, da wegen der sich vor dem Flugkörper aufbauenden Schockfront enorme Temperaturen auftraten. Ohne den Hitzeschutzschild wäre das Shuttle verglüht. Auch die früheren Raumschiffe der Apollo-, Gemini- und Mercury-Programme waren mit einem Hitzeschild ausgerüstet, genauso wie auch die russischen Sojus-Kapseln. Einzigartig am Hitzeschutzschild des Shuttles war jedoch seine Wiederverwendbarkeit.

Beschädigte Kacheln nach dem Flug STS-118

Den größten Teil des Hitzeschutzschildes stellten die über 20.000 Kacheln auf der Unterseite des Rumpfes des Orbiters dar. Die sogenannte High-temperature reusable surface insulation (HRSI) konnten bis zu 1260 °C aushalten. Die Kacheln waren maximal 12 cm dick und bestanden zum größten Teil aus Hohlraum (90 %) und Siliziumdioxid (10 %). Die Dichte der verwendeten Kacheln betrug 0,14 bzw. 0,35 g/cm³ (Siliciumdioxid um 2,2 g/cm³).

Die hocherhitzten Bereiche am Shuttle wie die Nase und die Flügelvorderkanten waren mit einem speziellen Werkstoff, so genanntem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (CFC), im Englischen war der Begriff Carbon Fiber Reinforced Carbon (CFRC) oder Carbon-Carbon (C/C) gebräuchlich, verkleidet, der gegen Temperaturen über 1300 °C und mechanische Beeinträchtigungen wie Risse weitgehend resistent war. Hierzu war anzumerken, dass kein vollständiger Schutz vor Beschädigung möglich war. Die Columbia-Katastrophe im Jahr 2003 war auf ein großes Loch in einem CFC-Panel an der Flügelvorderkante zurückzuführen.

Weitere Bereiche des Shuttles waren mit der sogenannten Advanced flexible reusable surface insulation (AFRSI) ausgerüstet; dies waren Kacheln, die etwa 650 °C aushalten können. Dazu gehörten das Cockpit, der vordere Rumpfteil sowie das Seitenleitwerk bzw. Ruder. Der Rest des Shuttles (hinterer Rumpfteil und Oberseite) hatte keinen speziellen Hitzeschutz. Die normale Außenhaut der Raumfähre konnte jedoch bis zu 370 °C aushalten.

Datenübertragung

Das Shuttle verfügte für die Datenübertragung (Kommunikation, Video, Telemetrie, Experimentdaten) u. a. über Mikrowellensysteme im S-Band^[22] und Ku-Band.^[23] Über die Tracking and Data Relay Satelliten (TDRS) steht während des gesamten Umlaufs eine (fast) ununterbrochene Datenstrecke zum Boden zur Verfügung. Die Ku-Band Antenne befand sich in der Ladebucht, so dass dieses leistungsfähigste System nur in Flugphasen mit geöffneter Ladebucht genutzt werden konnte.

Sicherheitssysteme

Wie bei jedem bemannten Raketensystem stand beim Space Shuttle die Sicherheit der Crew an erster Stelle. Durch das völlig neuartige Konzept des Raumgleiters mussten auch völlig neue Sicherheitskonzepte entwickelt werden. Ein Rettungsturm wie zu Apollo-Zeiten kam für den Orbiter nicht in Frage. Vor dem Columbia-Unglück wurden Wiedereintritt und Landung als die weniger kritische Phase des Fluges angesehen, später hat sich dieses Denken etwas gewandelt.

Abbruch vor dem Start

Durch die Challenger-Tragödie wurde die Sicherheitsdiskussion neu entfacht.

Im Falle eines Startabbruchs vor Abheben des Shuttles konnte auf ein Seilbahnsystem zurückgriffen werden, das schon im Apollo-Programm bestand. Dieses konnte die Astronauten im Gefahrenfall sicher von der Startanlage wegtransportieren. Es wurde leicht modifiziert, sodass nun sieben Seilbahnkörbe bis zu 21 Personen von der Startanlage befördern können; dies für den Fall, dass sich neben den Astronauten auch noch Techniker in der Nähe des vollgetankten Space Shuttle aufhielten. Es wurde bei regelmäßigen Übungen sowie den Terminal Countdown Demonstration Tests aktiviert, musste jedoch noch nie im Ernstfall verwendet werden.

Ein Abbruch ganz kurz vor dem Start konnte nur durch den Redundant Set Launch Sequencer (RSLS) durchgeführt werden. Dieses System prüft nach dem Starten der Haupttriebwerke (6,6 Sekunden vor dem Abheben) deren Funktion und konnte den bevorstehenden Start noch abbrechen. Diese Art RSLS-Abort wurde insgesamt fünfmal durchgeführt, zuletzt während des Countdowns zum Start von STS-68 im August 1994. Dabei wurden die Triebwerke 1,9 Sekunden vor dem Start wieder abgeschaltet und die Zündung der Feststoffbooster verhindert.

Startabbruch im Flug

→ Hauptartikel: Space Shuttle abort modes

Nach dem Abheben des Shuttles gab es abhängig vom Zeitpunkt und der Schwere eines auftretenden Fehlers zwischen dem Abtrennen der Booster und dem Abschalten der Haupttriebwerke mehrere Möglichkeiten, den Flug zu einem sicheren Ende zu führen. Von diesen vier „Intakten Abbrucharten“ wurde lediglich der Abort to Orbit (ATO) tatsächlich durchgeführt. Während STS-51-F fiel nach etwa sechs Minuten ein Triebwerk aus. Der Abwurf von nichtbenötigtem Treibstoff erlaubte es der Challenger, einen zwar niedrigeren als geplant, aber stabilen Orbit zu erreichen. Da dies nur ein kleines Problem darstellte, konnte die Mission wie geplant durchgeführt werden.

Der Schalter zum Vorwählen des Abbruchmodus im Shuttle-Cockpit

Bei schwerwiegenderen Problemen wie beispielsweise einem Leck in der Crewkabine war es jedoch nötig, die Mission zu einem raschen Ende zu bringen. Dafür standen während der Startphase drei Optionen offen. Zum einen bestand die Möglichkeit, das Shuttle in einen instabilen Orbit zu bringen und es nach weniger als einer Erdumrundung wieder landen zu lassen. Dieser Abort once Around (AOA) konnte nur während eines sehr kleinen Zeitfensters eingeleitet werden und wurde nie durchgeführt. Eine weitere Option, die Transatlantic Abort Landing (TAL), wäre eine Landung auf einem europäischen oder afrikanischen Flughafen gewesen. Für dieses Szenario würde das Shuttle genug Geschwindigkeit aufnehmen, um den anvisierten Landeplatz zu erreichen, um dann die Triebwerke auszuschalten und den Tank abzuwerfen. Wenig später würde das Shuttle dann auf der Zielpiste normal landen. Für einen Shuttlestart musste daher mindestens einer der vorbestimmten Landeplätze gutes Wetter vorweisen können. Auch diese Möglichkeit wurde nie angewandt.

Die letzte und gleichzeitig gefährlichste Abbruchart war die Rückkehr zum Startplatz (RTLS). Sie wurde nur dann angewandt, wenn alle anderen Abbruchmodi als Optionen ausgeschlossen werden konnten, da die Raumfähre noch nicht genug Geschwindigkeit und Höhe erreichte hat. Das Szenario sah vor, dass das Shuttle mit seinen Triebwerken in Flugrichtung gedreht wird, und diese solange weiterlaufen, bis sie die aufgebaute Geschwindigkeit abgebaut haben. Anschließend verläuft der Flug wie ein TAL-Abbruch mit dem Ziel, am Startplatz niederzugehen. Sie wurde ebenfalls nie angewandt.

Sollten während der Startphase mehr als ein Triebwerk ausfallen, so bleibt als einzige Option eine Wasserung im Atlantik. Dazu sollte der Orbiter in eine Höhe gebracht werden, aus der die Astronauten abspringen können, da sie eine Wasserung wahrscheinlich nicht überleben würden. Der Orbiter wäre dann ferngesteuert auf der Meeresoberfläche aufgesetzt. Ein solches Szenario war vor dem Challengerunglück für die Besatzung in jedem Fall tödlich, da sie ausgenommen von den ersten Testflügen keine Fallschirme dabeihatten. Eine Wasserung wurde nie durchgeführt.

Abbruch während Flug und Wiedereintritt

Während des Fluges bestand weiterhin die Möglichkeit, das Shuttle kurzfristig auf einem Notlandeplatz niedergehen zu lassen. Dies wäre beispielsweise angewendet worden, hätten sich die Laderaumtüren mit den Kühlungsradiatoren nicht öffnen lassen und so eine Überhitzung des Shuttles gedroht hätte. Für Flüge zu Raumstationen bestand außerdem die Möglichkeit, dass die Besatzung auf der Station verweilt, um sich später von einem anderen Shuttle abholen zu lassen. Diese Möglichkeit entstand als Reaktion auf das Columbia-Unglück im Jahr 2003 unter dem Namen CSCS (Contingency Shuttle Crew Support). Deshalb musste bei jedem Shuttle-Start immer eine sofort einsatzbereite zweite Raumfähre verfügbar sein. Für den letzten Flug einer Raumfähre wurde auf diese Option verzichtet, aber die Besatzung auf nur vier Personen reduziert, damit diese mit dann von Russland zu startenden Sojus-Raumschiffen zur Erde gebracht werden konnte.

Ist der Wiedereintritt einmal eingeleitet, konnte dieser nicht wieder abgebrochen werden. Deshalb wurde seit STS-114 auf jedem Shuttle-Flug der Hitzeschild mittels verschiedener Methoden (siehe Rendezvous Pitch Maneuver, OBSS) überprüft und ggf. per Außeneinsatz repariert, bevor die Bodenkontrolle die Erlaubnis zur Rückkehr gab. So sollten Unfälle wie jener der Columbia (STS-107) in Zukunft verhindert werden.

Wartung und Aufrüstung

Die Atlantis in der Orbiter Processing Facitlity

Aus sicherheits- und flugtechnischen Gründen wurden alle Orbiter mehrmals für umfangreiche Verbesserungen monatelang außer Dienst gestellt. Während dieser sogenannten Orbiter Maintenance Down Period (OMDP), die nach etwa 13 Flügen anstanden, wurden umfangreiche Tests und Wartungsarbeiten an der Raumfähre durchgeführt. Zusätzlich wurden jeweils größere Verbesserungen vorgenommen. Während der letzten derartigen Revision wurden die Orbiter mit einem sogenannten Glascockpit auf LCD-Basis ausgerüstet, das die alten Röhrenbildschirme und analogen Instrumente ersetzte. Weitere Verbesserungen waren unter anderem ein Bremsschirm, der bei der Landung zum Einsatz kam, und das Station-to-Shuttle-Power-Transfer-System, das es dem Shuttle erlaubte, bei einem Aufenthalt an der ISS Strom von der Station zu beziehen. Solche Modifikationen fanden zunächst im Herstellerwerk im kalifornischen Pasadena statt, wurden aber Ende der 1990er Jahre in die Orbiter Processing Facility (OPF) verlegt, in der auch die Wartung und Vorbereitung der Raumfähren durchgeführt wurde.

Auch nach dem Challenger-Unglück wurden diverse Verbesserungen vorgenommen, bei denen in erster Linie die Boosterverbindungen zum Außentank verstärkt wurden. Die Änderungen nach der Columbia-Katastrophe betrafen hauptsächlich die Schaumstoffisolierung des externen Tanks. Dieser sollte dadurch nicht mehr so leicht abplatzen und den Hitzeschutzschild des Shuttles beschädigen könnten. Darüber hinaus wurden Sicherheitsbedingungen und Startkriterien verschärft.

Die einzelnen Orbiter

Raumflugfähige Orbiter

Bis zum Beginn der Shuttle-Flüge im Jahr 1981 waren insgesamt fünf verschiedene Space Shuttles ins All geflogen. Davon war bis zuletzt noch eins (Atlantis) im Einsatz. Zwei Space Shuttles (Columbia und Challenger) wurden bei Unglücken zerstört. Die missionsreichste Raumfähre, die Discovery, wurde im März 2011 außer Dienst gestellt, die Endeavour im Juni 2011.

Name	OV-Nr.	Erster Start	Erste Mission	Letzter Start	Letzte Mission	Anzahl Missionen	Bemerkung
Columbia	OV-102	12. April 1981	STS-1	16. Januar 2003	STS-107	28	Erster raumflugfähiger Orbiter. Am 1. Februar 2003 beim Wiedereintritt zerstört (defekte Hitzeschutzverkleidung), die sieben Besatzungsmitglieder kamen dabei ums Leben.
Challenger	OV-099	4. April 1983	STS-6	28. Januar 1986	STS-51-L	10	Am 28. Januar 1986 kurz nach dem Start durch einen Defekt an einem Feststoffbooster zerstört, die sieben Besatzungsmitglieder kamen dabei ums Leben.
Discovery	OV-103	30. August 1984	STS-41-D	24. Februar 2011	STS-133	39	Letzte Landung am 9. März 2011.
Atlantis	OV-104	3. Oktober 1985	STS-51-J	8. Juli 2011	STS-135	33	Letzte Landung am 21. Juli 2011.
Endeavour	OV-105	7. Mai 1992	STS-49	16. Mai 2011	STS-134	25	Letzte Landung am 1. Juni 2011, Ersatzorbiter für Challenger.

Nicht raumflugfähige Orbiter

Weitere gebaute Orbiter waren die OV-098 Pathfinder und die OV-101 Enterprise. Pathfinder war ein Handling-Modell aus Stahl, das nicht flugfähig war. Es wurde zum Erproben und Einüben der Abläufe am Boden eingesetzt. Pathfinder trug keine offizielle Nummer, wurde manchmal aber als OV-098 aufgeführt.^[24]

Die Enterprise war ein flug-, jedoch nicht raumflugtauglicher Prototyp, der für Gleitversuche und für Flugversuche auf dem Rücken des Shuttle Carrier Aircrafts eingesetzt wurde. Beide Modelle können heute in Museen besichtigt werden. Es war geplant, die Enterprise später zu einem raumflugtauglichen Orbiter umzubauen, es erwies sich jedoch als kostengünstiger, die statische Versuchszelle STA-099 zur Raumfähre Challenger (OV-099) auszubauen.

Weitere weitgehend originalgetreue Nachbauten der Raumgleiter stehen im Kennedy Space Center (Explorer, diese wurde manchmal als OV-100 bezeichnete), im Johnson Space Center sowie im Six-Flags-Vergnügungspark in Gurnee, Illinois.

Unterschiede zwischen den einzelnen Orbitern

Durch die fortschreitende technische Entwicklung im Laufe des Space-Shuttle-Programms bedingt, waren die fünf raumflugfähigen Orbiter nicht exakt baugleich. Einige Merkmale wurden bei allen Orbitern nachgerüstet, so zum Beispiel das Glascockpit. Zuletzt flogen alle Orbiter mit LC-Displays und modernen Computern.

Andere Unterscheidungsmerkmale blieben aber bis zuletzt bestehen; so war die Columbia über drei Tonnen schwerer als ihre Schwester-Raumfähren, die später gebaut wurden. Zudem wurde bei Challenger und Discovery eine Modifikation in der Nutzlastbucht eingebaut, die das Mitführen einer bereits betankten Centaur-Oberstufe erlauben würde. Dies wurde aber nie umgesetzt.

Space Shuttles Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis und Endeavour

Namensherkunft der Raumfähren

Die NASA benannte die Shuttles, mit Ausnahme der Enterprise, nach berühmten Entdeckerschiffen der vergangenen Jahrhunderte.

Shuttlename	Nutzungsdauer, die auf die Bedeutung zielt	Bedeutung
Atlantis	1930–1960	Benannt nach einem zweimastigen Segelschiff, das von der Woods Hole Oceanographic Institution genutzt wurde.[25]
Challenger	1870er Jahre	Benannt nach dem Forschungsschiff HMS Challenger der Britischen Marine, das den Atlantischen und Pazifischen Ozean bereiste.[26]
Columbia	ca. 1790er Jahre	Benannt nach einem kleinen Forschungsschiff, das außerhalb Bostons eingesetzt wurde und später die Mündung des Columbia Rivers entdeckte.[27]
Discovery	1610–1611 bzw. 1778	Benannt nach zwei berühmten Segelschiffen. Das erste wurde von Henry Hudson geführt, mit dem er nach einer Nordwestpassage zwischen Atlantik und Pazifik suchte. Das andere wurde von James Cook geführt, als dieser Hawaii entdeckte.[28]
Endeavour	1768	Benannt nach dem ersten von James Cook geführten Schiff. Cook segelte in den Südpazifik, um auf Tahiti den Durchgang der Venus vor der Sonnenscheibe (Venustransit vom 3. Juni 1769) zu beobachten. In dieser Mission entdeckte Cook außerdem Neuseeland, erkundete Australien und segelte zum Great Barrier Reef.[29]
Enterprise	fiktives Schiff	Ursprünglich „Constitution“ (engl. Verfassung) benannt, da die 200-Jahr-Feiern in den USA dazu statt fanden. Die Fangemeinde von Star Trek überreichte dem Weißen Haus eine Unterschriftensammlung. Obwohl der damalige US-Präsident Gerald Ford die Aktion nicht wahrnehmen wollte, setzte er letztendlich doch den Namen „Enterprise“ bei der NASA durch, da er im 2. Weltkrieg auf der USS Monterey diente, die mit der USS Enterprise operierte.[30][31]

Probleme und Kritik

Technische Risiken

Das Space Shuttle war aufgrund seines Aufbaus mehr Risiken ausgesetzt als eine Raumkapsel, wie sie beispielsweise im Apollo-Programm verwendet wurde. Bekanntestes Problem dabei war spätestens seit dem Columbia-Unglück der Hitzeschild. Dieser lag entgegen dem Hitzeschild einer Raumkapsel während der ganzen Mission offen und war somit anfällig für Beschädigungen durch Weltraummüll, Mikrometeoriten oder abfallende Eis- und Schaumstoffteile vom externen Tank. Zwar entstanden bei jedem Start kleinere Beschädigungen an den Hitzeschutzkacheln des Shuttles, die keine weiteren Folgen hatten; jedoch konnte ein größeres Loch an den vorderen Flügelkanten oder der Nase des Orbiters eine ernsthafte Gefahr darstellen. Durch ein solches Loch drangen beim Wiedereintritt der Columbia am Ende der Mission STS-107 heiße Gase ein und führten zu strukturellem Versagen am linken Flügel und schlussendlich zur Zerstörung der ganzen Raumfähre.

Abfallendes Schaumstück während STS-114

Auch die Startphase barg mehr Risiken als ein Kapselsystem. Obwohl eine Rettung der Mannschaft durch die oben genannten Methoden möglich war, konnte der Abbruch nur sicher durchgeführt werden, falls kein zeitkritisches Problem vorlag. So ließ sich ein Abbruch mit Rückflug zum Startplatz (RTLS) oder einem transatlantischen Landeplatz erst nach dem Abwurf der Feststoffraketen einleiten. Ein zeitkritisches Problem vor dem Abwerfen der Booster führte mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Verlust von Besatzung und Shuttle (Loss of Crew and Vehicle, LOCV). Auch ein Abspringen der Crew an Fallschirmen kam erst in Frage, wenn ein RTLS-Abbruch erfolgreich durchgeführt wurde, aber kein geeigneter Landeplatz erreicht werden konnte.^[32] Ein pyrotechnisches Rettungssystem, bei dem die Crewkabine vom restlichen Shuttle abgetrennt wurde und dann an Fallschirmen niedergeht, wurde zwar in Betracht gezogen, dann aber ebenso wie die bei den ersten Testflügen verwendeten Schleudersitze aus Gewichts- und Kostengründen verworfen.

John Logsdon, einer der profiliertesten Kenner und Kritiker des amerikanischen Raumfahrtprogramms^[33], kritisierte 2011: "der Shuttle erwies sich als zu komplex, zu teuer und vor allem zu riskant: Bereits in den ersten Jahren des Programms erkannten die Verantwortlichen, dass sie sich sicherheitstechnisch auf sehr dünnem Eis bewegen. Sie verschlossen aber die Augen. Und schon 1985 gab es Ideen für eine zweite, zuverlässigere Shuttle-Generation. Doch nichts war passiert." ... "Die USA wollten es sich aber nicht leisten, in Zeiten des Kalten Krieges viele Jahre keinen eigenen Zugang zum All zu haben. Zudem hätte ein sofortiges Ende des Shuttle-Programms auch das Aus für das Weltraumteleskop "Hubble" und die Jupitersonde "Galileo" bedeutet, deren Entwicklung weit fortgeschritten war, die aber nur mit einem Shuttle gestartet werden konnten."^[34]

Organisatorische Probleme

Die Untersuchung des Columbia-Unglücks hat innerhalb der NASA neben den technischen auch organisatorische Mängel aufgezeigt, ähnlich wie früher bei der Challenger-Katastrophe. Um Kosten zu sparen, wurden viele Tätigkeiten, die für die bemannte Raumfahrt bei der NASA Standard waren, eingestellt. So wurden zum Beispiel die Zeichnungen des Shuttles nicht nachgeführt, obwohl bedeutende Änderungen vorgenommen wurden, sodass keine Basis für die notwendigen Verifikations-Modifikationen vorhanden waren. Allgemein war das gesamte Space-Shuttle-Programm durch den niederschmetternden Untersuchungsbericht in der Öffentlichkeit als veraltet und anfällig, weil zu kompliziert, in Misskredit geraten. Darüber hinaus zeigt der Bericht, dass unüberlegte Kostenreduktionen, die vom NASA-Administrator Daniel Goldin („faster, better, cheaper“) gefordert wurden, ernste Folgen haben könnten.

Ein startendes Space Shuttle. Die Sonne steht hinter der Kamera, und der Schatten der Rauchsäule wurde in der Erdatmosphäre in Richtung des Mondes geworfen.

Ein weiteres Problem des Shuttle-Programms war, dass die Wartungsarbeiten und die Herstellung von Ersatzteilen für den Orbiter fast völlig von der Firma Boeing bzw. deren Tochterfirmen übernommen wurden. Dasselbe galt für den Außentank (Lockheed Martin) und die Feststoffbooster (ATKs Launch Systems). Da deshalb Zehntausende von Menschen vom Space-Shuttle-Programm abhängen, so die Kritiker, erschien es in politischer Hinsicht lange Zeit als nicht opportun, das Programm zugunsten einer besseren Technologie ganz einzustellen. Allerdings galt dies auch für Vorläuferprogramme (z. B. Apollo-Programm) oder zukünftige Programme mit dem Ziel eines bemannten Marsfluges. Sie benötigen enorme finanzielle Ressourcen, die zum größten Teil direkt oder indirekt an Luft- und Raumfahrtkonzerne fließen und dort Abhängigkeiten erzeugen.

Darüber hinaus konnte das Space Shuttle teilweise als Fehlplanung erachtet werden: Der Kongress beschloss, sowohl für die US Air Force als auch für die NASA ein gemeinsames Trägersystem zu entwickeln, das alle bisherigen Trägerraketen ersetzen sollte. Weil das Space Shuttle beiden Partnern genügen sollte, stelle die Raumfähre für den heute einzigen Betreiber, die NASA, ein suboptimales Produkt dar, das einige Air-Force-Anforderungen erfüllte, die heute gar nicht mehr nötig waren.

Kosten

Ein weiterer Kritikpunkt war, dass die erhofften Transportpreise für „Weltraumgüter“ nie die angestrebten 200 US-Dollar pro Kilogramm erreicht haben – der Preis liegt bei rund 16.000 US-Dollar, was bei weitem nicht nur an der Inflation der letzten 30 Jahren lag. Folgende Gründe für diese Differenz zwischen Planung und Realität hierzu gab es:

Nach dem Verlust der Challenger musste ein neues Shuttle, die Endeavour, in Auftrag gegeben werden. Dieser ursprünglich nicht geplante Shuttle-Neubau hat das Programm über zwei Milliarden US-Dollar gekostet, obgleich sie teilweise aus Ersatzteilen der anderen Shuttles zusammengebaut wurde. Der Verlust der Challenger und später der Columbia kosteten das Programm nicht nur Geld, sondern auch Zeit, da mehrjährige Startverbote für die verbliebenen Shuttles erteilt wurden, in denen sie keine kommerziellen Projekte durchführen konnten und zudem kostenintensiv sonderüberprüft werden. Gleichzeitig fehlte ein Shuttle, das seine Aufgaben erledigen konnte, da man mit einer Flotte von vier Shuttles kalkulierte.

Auch der Konkurrenzkampf im Raumtransportgeschäft nahm stetig zu. Bei der Ursprungsplanung war die einzige Konkurrenz zum Space Shuttle die Ariane-Rakete der ESA, die damals noch in den Kinderschuhen steckte, so dass kommerzielle Satellitenprojekte in der westlichen Welt nur durch die NASA ausgeführt werden konnten. Es gab zahlreiche Konkurrenten:

• Die Ariane war seit langem voll konkurrenzfähig.
• Japan und Indien hatten eigene Trägerraketen entwickelt.
• Roskosmos, entstanden nach dem Zusammenbruch der UdSSR, war ein Konkurrent für kommerzielle Projekte.
• China hat eigene bemannte und unbemannte Raketenprojekte und treibt die Entwicklung weiter voran (siehe chinesische Raumfahrt, Langer Marsch (Rakete)).

Die rasante Hard- und Software-Entwicklung der letzten 30 Jahre führte dazu, dass die NASA diese Ausrüstung der Space Shuttles häufig nachrüstete. Außerdem mussten strukturelle Probleme, die in der ursprünglichen Planung übersehen oder ignoriert worden waren, kostenintensiv behoben werden. Zudem war es notwendig, für das Shuttle-Mir-Programm spezielle Umbauten an den Raumfähren vorzunehmen, wodurch weniger Nutzlast in den Weltraum befördert werden konnte. Eine NASA-Raumstation war zwar im Planungsstadium, aber weit entfernt von der Realisierung. Die Einsparungen der weiteren Entwicklung einer Raumstation gingen zu Lasten der Transportpreise der Shuttles, die dadurch weniger kommerziell eingesetzt werden konnten.

Beim Bau der ISS war man gezwungen, auf die Shuttleflotte zurückzugreifen, um die größten und schwersten Lasten in den Weltraum zu befördern. Bei diesen Flügen konnten keine oder nur kleine kommerzielle Nutzlasten transportiert werden, da die Shuttles am Rande ihrer Tragkapazität waren.

Weiterentwicklungen und Nachfolgeprogramm

Start des Shuttle-C (grafische Darstellung)

Vor allem aufgrund der immensen Kostenüberschreitungen während der Entwicklung und dem Betrieb des Shuttles wurden bereits einige Male Weiterentwicklungen und Nachfolgeprogramme angekündigt. Einige erreichten lediglich die Konzept-, andere wiederum die Prototypenphase. So basierte das nicht über die Entwicklungsphase hinausgekommene Constellation-Programm mit den Ares-Raketen auf dem Space Shuttle. Der Ares-I-Träger sollte um das Jahr 2015 das Shuttle als bemanntes Raumschiff ersetzen.

Shuttle-C

Zwischen 1984 und 1995 wurde eine Vielzahl von Konzepten für eine unbemannte Lastenversion des Space Shuttle entwickelt. Diese Studien fanden unter dem Namen Shuttle-C (C steht für Cargo) statt. Durch die fortschreitende Automatisierungstechnik sollte es möglich werden, den Shuttle-C auch ohne Mannschaft und die dadurch bedingten Mannschaftsräume und Lebenserhaltungssysteme zu starten. Zudem waren lediglich die Feststoffbooster und nicht wie beim Shuttle die komplette Raumfähre wiederverwendbar ausgelegt. Man erhoffte sich dadurch nennenswerte Einsparungen bei den Flugkosten, vor allem für Satellitenstarts. Auch die Nutzlast sollte durch die Gewichtseinsparungen zunehmen, man ging von 50 bis 75 Tonnen aus. Zudem wollte man durch die bereits bestehende Hardware Entwicklungskosten für einen neuen Schwerlastträger sparen. In den frühen neunziger Jahren wurden auch einige Konzepte für bemannte Marsflüge auf Basis des Shuttle-C entwickelt. Keiner der Shuttle-C Entwürfe kam je über die Konzeptphase hinaus.

X-33 / VentureStar

→ Hauptartikel: X-33

Computerdarstellung der X-33 in der Umlaufbahn

Der VentureStar war ein geplanter Nachfolger für das Space Shuttle. Dieser sollte einige richtungsweisende Neuerungen beinhalten, etwa einen komplett neuen Hitzeschild und einen neuartigen Antrieb. Im Jahr 1996 wurde der Auftrag zum Bau eines Prototypen im Maßstab 1:3 an Lockheed Martin vergeben. Dieser Prototyp, die X-33, wurde jedoch aufgrund von technischen Problemen und Budgetüberschreitungen nie fertiggebaut. Im Frühjahr 2001 wurde das Projekt aufgegeben, obwohl die X-33 bereits zu 85 % fertiggestellt war und über eine Milliarde US-Dollar in das Projekt investiert worden waren.

Constellation

→ Hauptartikel: Constellation (Programm)

Konzeptvorstellungen des leichten (links) und schweren (rechts) Ares-Trägers

Nach dem Verlust der Columbia legte der damalige US-Präsident George W. Bush am 14. Januar 2004 mit der Vision for Space Exploration ein neues, langfristiges Weltraumprogramm auf, das die Ausmusterung des Space Shuttles zum 30. September 2010 vorsah. Zudem beinhaltete das Programm bemannte Mondflüge ab 2018 und ab Mitte des Jahrhunderts sogar bemannte Marsflüge. Daher wurde für das Constellation-Programm wieder auf herkömmliche Raketen und Raumkapseln zurückgegriffen, die jedoch bewährte Technologie des Space Shuttle weiterverwenden sollen. So wurde die Entwicklung der Ares-Raketenfamilie gestartet, die aus zwei Modellen bestand. Die Ares I sollte ab 2014 das Orion-Raumschiff in einen niedrigen Erdorbit befördern. Für Mondmissionen hätte die Ares V ab 2018 das Altair-Landemodul und die Earth Departure Stage in einen niedrigen Erdorbit gebracht, wo sie die Ankunft der Crewkapsel erwartet hätte.

Die Ares I baut auf dem Feststoffbooster des Space Shuttle auf. Eine gestreckte Version des Boosters wurde dabei als erste Stufe verwendet. Beim Schwerlastträger Ares V kam ein vergrößerter Außentank mit zwei gestreckten Boostern zum Einsatz. Durch das Zurückgreifen auf Shuttle-Hardware konnte einerseits Entwicklungsarbeit gespart werden und andererseits der übermäßige Verlust von Arbeitsplätzen durch das Ende des Space-Shuttle-Programms verhindert werden.

Das Constellation-Programm (Ares I, Ares V, Orion) wurde im Februar 2010 eingestellt. Das Programm sei laut US-Präsident Obama weder zeitlich noch finanziell tragbar. Im Mai 2011 wurde jedoch beschlossen, das Programm fortzuführen.

Ähnliche Projekte

→ Hauptartikel: Raumfähre

Das Space Shuttle war das einzige wiederverwendbare Raumfahrzeug, das je im regelmäßigen Einsatz stand. Jedoch gab es eine Reihe von ähnlichen Programmen, die von verschiedenen Raumfahrtbehörden betrieben werden. Einige Programme dauern derzeit noch an.

Buran (Sowjetunion)

Das russische Pendant zum Space Shuttle, die Raumfähre Buran, war neben dem Shuttle als einziges Raumgleiter-Projekt über die Entwurfsphase hinausgekommen und mit einem unbemannten Testflug erprobt worden. Das Programm wurde nach der Auflösung der Sowjetunion Anfang der 1990er Jahre gestoppt und die verbleibenden Fähren für Ausstellungen genutzt. Siehe dazu auch Vergleich von Buran und Space Shuttle.

Sänger und Sänger II (Deutschland)

Der deutsche Ingenieur Eugen Sänger entwickelte zwischen 1961 und 1974 bei der Firma Junkers Konzepte für einen wiederverwendbaren Raumgleiter. Die Sänger kam nie über die Konzeptphase hinaus.

Hermes (ESA)

Die ESA begann 1987 mit der Entwicklung einer Raumfähre, die an der Spitze einer Ariane-Rakete ins All befördert werden sollte. Das Programm wurde 1993 gestoppt.

Kliper (Russland)

Die Kliper war ein teilweise wiederverwendbares Raumschiff, das als Ersatz für die Sojus entworfen wurde. Die Entwicklung begann im Jahr 2000 und wurde im Jahr 2007 endgültig eingestellt.

Skylon (Großbritannien)

Entwurf für eine unbemannte Raumfähre der britischen Firma Reaction Engines Limited (REL).

Siehe auch

• Liste der Space-Shuttle-Missionen

Literatur

• David Baker: Die neuen Space Shuttles – Columbia, Enterprise & Co. Arena, 1979, ISBN 3-401-03882-6
• Dennis R. Jenkins: Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System. Midland Publishing, 2006, ISBN 978-1-85780-116-3
• Pat Duggins: Final Countdown: NASA and the End of the Space Shuttle Program University Press of Florida, 2009, ISBN 978-0-8130-3384-6

Weblinks

 Commons: Space Shuttle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikinews: Space Shuttle Themenportal – in den Nachrichten

• Einsatzgeschichte des Space Shuttle
• NASA: Multimediagalerie der NASA zum Space Shuttle mit Bildern in hoher Auflösung (englisch)
• NASA: Space Shuttle operational flight rules Einsatzregeln für Space Shuttle Flüge (englisch, pdf 5,3 MB)
• Informationen über alle bemannten NASA-Missionen
• drafts.de: Verschiedene Datailansichten und Perspektiven der Orbiter
• Cockpit-Ansicht im Wandel der Zeit Weg zum Glasscockpit
• Space Shuttle Videos
• Das Buch: o.A.Space Shuttle, Prepared by LYNDON B. JOHNSON SPACE CENTER, Scientific and Technical Information Office National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C. 1976, NASA-SP-407, bei NASA History Online (engl.).
• Das Buch: Howard Allaway Space Shuttle At Work, Scientific and Technical Information Office National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C. 1979, NASA-SP-432/NASA-EP-156, bei NASA History Online (engl.) und als 174 MB großes PDF vom NASA Technical Reports Server.

Belege

• NASA: Space Shuttle Homepage (englisch)
• extrasolar-planets.com: Informationen zum Space Shuttle
• raumfahrer.net: Informationen zum Space Shuttle
• Bernd Leitenberger: Space Shuttle
• Korb, Morant, Calland und Thatcher: Das Hitzeschutzschild der Weltraumfähren. Physik in unserer Zeit, 16. Jahrgang 1985, Seite 78–85

1. ↑ Space Shuttle Technical Conference pg 238
2. ↑ Space Shuttle Main Engines
3. ↑ Space Shuttle Basics. NASA, 15. Februar 2005, abgerufen am 1. Oktober 2009 (englisch). 
4. ↑ NASA: Shuttle Reference Manual, 7. April 2002, abgerufen am 24. September 2009 (englisch)
5. ↑ US-Raumfähren. Spiegel Online, abgerufen am 7. Juli 2011 (deutsch). 
6. ↑ Zerplatzter Traum. Vor 25 Jahren explodierte der Spaceshuttle 'Challenger' – und mit ihm die Utopie von der einfachen Weltraumreise. In: Süddeutsche Zeitung Nr. 22, Freitag, den 28. Januar 2011, S. 16
7. ↑ ^{a b} Columbia Accident Investigation Board: CAIB Report, Vol.1 (2003), S. 22 (englisch)
8. ↑ Report of the PRESIDENTIAL COMMISSION on the Space Shuttle Challenger Accident: Appendix D – Supporting Charts and Documents. 6. Juni 1986, abgerufen am 10. Oktober 2009 (englisch). 
9. ↑ ^{a b} Mark Hayhurst: I knew what was about to happen. In: Guardian. 23. Januar 2001, abgerufen am 23. September 2009 (englisch). 
10. ↑ Roger Boisjoly: Firmeninternes Memo von Roger Boisjoly über die Erosion an O-Ringen und die daraus folgende Gefahr einer Katastrophe. 31. Juli 1985, abgerufen am 23. September 2009 (englisch). 
11. ↑ Roger's Commision: Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle Challenger Accident, 6. Juni 1986 (englisch)
12. ↑ US-Raumfähren – Altersruhesitze für Spaceshuttles Astronomie heute (13. April 2011)
13. ↑ Sound Suppression Water System. In: Countdown! NASA Launch Vehicles and Facilities. NASA, Oktober 1991, abgerufen am 19. April 2010. 
14. ↑ NASA: Shuttle Reference Manual – Solid Rocket Boosters, 31. August 2000, abgerufen am 28. September 2009 (englisch)
15. ↑ Space Shuttle Technical Conference pg 258
16. ↑ NASA: Shuttle Entry
17. ↑ SPACE SHUTTLE EMERGENCY LANDING SITES globalsecurity.org (zugriff=15. April 2010)
18. ↑ NASA: Space Shuttle Transoceanic Abort Landing (TAL) Sites, Dezember 2006
19. ↑ SPACE NEWS: NASA Eyes Alternative to Shuttle Main Engine for Heavylift, 20. März 2006 (englisch)
20. ↑ NSTS 1988 News Reference Manual. NASA, abgerufen am 9. Oktober 2009 (englisch). 
21. ↑ NSTS 1988 News Reference Manual. AUXILIARY POWER UNITS. NASA, 1988, abgerufen am 11. August 2011 (englisch). 
22. ↑ NASA: S-Band System (englisch)
23. ↑ NASA: Ku-Band System (englisch)
24. ↑ Archaeological Consultants: NASA-wide survey and evaluation of historic facilities in the context of the U.S. space shuttle progfram: roll-up report. NASA, Juli 2008, S. 3-5, abgerufen am 28. April 2010 (7,3 MB PDF, englisch): „There are many references to the Pathfinder Orbiter Weight Simulator as OV-098. Though it was never formally numbered by NASA, the OV-098 designation was assigned unofficially and retroactively.“ 
25. ↑ NASA: NASA Orbiter Fleet. abgerufen am 25. Mai 2011 (englisch): „Atlantis is named after a two-masted sailing ship that was operated for the Woods Hole Oceanographic Institute from 1930 to 1966.“ 
26. ↑ NASA: NASA Orbiter Fleet. abgerufen am 25. Mai 2011 (englisch): „Space Shuttle orbiter Challenger was named after the British Naval research vessel HMS Challenger that sailed the Atlantic and Pacific oceans during the 1870s. The Apollo 17 lunar module also carried the name of Challenger. Like its historic predecessors, Challenger and her crews made significant scientific contributions in the spirit of exploration.“ 
27. ↑ NASA: NASA Orbiter Fleet. abgerufen am 25. Mai 2011 (englisch): „Columbia was named after a small sailing vessel that operated out of Boston in 1792 and explored the mouth of the Columbia River. One of the first ships of the U.S. Navy to circumnavigate the globe was named Columbia. The command module for the Apollo 11 lunar mission was also named Columbia.“ 
28. ↑ NASA: NASA Orbiter Fleet. abgerufen am 25. Mai 2011 (englisch): „Discovery is named for two famous sailing ships; one sailed by Henry Hudson in 1610-11 to search for a northwest passage between the Atlantic and Pacific Oceans, and the other by James Cook on a voyage during which he discovered the Hawaiian Islands.“ 
29. ↑ NASA: NASA Orbiter Fleet. abgerufen am 25. Mai 2011 (englisch): „Endeavour is named after the first ship commanded by 18th century British explorer James Cook. On its maiden voyage in 1768, Cook sailed into the South Pacific and around Tahiti to observe the passage of Venus between the Earth and the Sun. During another leg of the journey, Cook discovered New Zealand, surveyed Australia and navigated the Great Barrier Reef.“ 
30. ↑ NASA: Enterprise (OV-101). 2000, abgerufen am 28. November 2007. 
31. ↑ Frances Lewine: Star Trek Fans Win on Space Shuttle. In: The Lewiston Daily. 6. September 1976, S. 55, abgerufen am 26. Mai 2011 (englisch). 
32. ↑ Inflight Crew Escape System. NASA, 7. März 2002, abgerufen am 30. September 2009 (englisch). 
33. ↑ Der Physiker und promovierte Politikwissenschaftler leitete viele Jahre das von ihm aufgebaute Space Policy Institute an der George Washington University. Er war Mitglied im Nasa Advisory Council, dem obersten Beratungsgremium der US-Raumfahrtbehörde, und in der Untersuchungskommission zum Absturz des Space Shuttle "Columbia".
34. ↑ spiegel.de 7. Juli 2011: Interview

Bestandteile des Space-Shuttle-Systems

Notwendige Bestandteile: Feststoffraketen | Haupttriebwerke | Außentank | Orbital Maneuvering System | Reaction Control System | Hitzeschutz

Optionale Bestandteile: RMS | Laser Camera System | MFR | LMC | OBSS | Spacelab | Spacehab