ATV Evolution

ATV beim Anflug zur ISS

ATV (künstlerische Ansicht)

Das Automated Transfer Vehicle (ATV, automatisches Transferfahrzeug) ist ein unbemannter, nicht wiederverwendbarer Weltraumfrachter, der Nachschub wie Nahrung, Wasser, Ausrüstung, Stickstoff, Sauerstoff und Treibstoffe zur Internationalen Raumstation (ISS) transportieren kann. Nach dem Andocken wird er zusätzlich für Ausweichmanöver der Raumstation vor eventuell heranfliegenden Trümmern und für die Anhebung der Umlaufbahn, das so genannte „Reboost“, der ISS gebraucht. Zu diesem Zweck ist das ATV mit einem eigenen wiederzündbaren Antrieb ausgestattet^[1]. Das ATV wird im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) von der Raumfahrtfirma EADS Astrium Space Transportation in Bremen gebaut und mit Hilfe einer Ariane-5-ES-ATV-Rakete gestartet. Nach dem ersten Start im März 2008 sind mindestens vier weitere Flüge für die Jahre 2010 bis einschließlich 2013 geplant.

Erstes ATV Jules Verne

Der Start des ersten von fünf ATVs erfolgte am 9. März 2008 um 04:03 UTC. Es trägt den Namen Jules Verne zur Erinnerung an den französischen Science-Fiction-Schriftsteller.^[2] Nach einer eingehenden Überprüfung aller Systeme sowie mehrerer Rendezvous-Manöver dockte der unbemannte Weltraumfrachter am 3. April um 14:45 UTC erfolgreich an der Internationalen Raumstation an.

Ende April 2008 wurde „Jules Verne“ erstmals genutzt, um die Umlaufbahn der ISS anzuheben. Mit einem 5-minütigen Testlauf der ATV-Triebwerke am 21. April wurde die mittlere Bahnhöhe um 1,7 km erhöht. Vier Tage später hob der Frachter die Station durch eine Zündung von zwei Triebwerken mit einer Brenndauer von 740 Sekunden um weitere 4,7 km an. Der Gesamtschub von 1000 Newton beschleunigte die Station mit ihrer Masse von 280 Tonnen um 2,65 m/s ^[3], ^[4]. Am 18. Juni fand der erste automatische Treibstofftransfer von rund 280 kg UDMH und 530 kg Stickstofftetroxid vom ATV in die Treibstofftanks der ISS statt.^[5] Bei dem dritten Reboost Manöver des ATV wurde am 20. Juni die Bahn der ISS um 7 km angehoben. Mit dem 20 Minuten dauernden Schub von zwei Triebwerken wurden die 300 Tonnen Masse der ISS unter Aufwendung von 400 Kilogramm Treibstoff um 4,05 m/s beschleunigt. Nach dem Reboost am 23. Juli wurde die Station beim letzte Reboost durch Jules Verne am 13. August 2008 um 3,3 m/s beschleunigte und damit innerhalb von 16 min 35 sek um 5,8 km auf eine mittlere Bahnhöhe von 356 km angehoben. Am 27. August 2008 16:11 UTC fand seit 2003 erstmals wieder ein Ausweichmanöver der ISS statt, bei dem das ATV zum Abbremsen der Station eingesetzt wurde^[6], bevor es am 5. September abdockte. Der Wiedereintritt von „Jules Verne“ fand am 29. September 2008 um 13:31:33 UTC in 120 Kilometer Höhe statt^[7] und wurde in der "ATV Re-entry observation campaign" von zwei Beobachterflugzeugen und von Bord der ISS beobachtet und dokumentiert (s.a. ^[8]).

Zweites ATV Johannes Kepler

Der Start des zweiten ATVs soll Mitte 2010 erfolgen. Am 19. Februar 2009 beschloss die ESA, dass der Transporter den Namen des deutschen Astronomen und Mathematikers Johannes Kepler tragen soll. Kepler hat auf Basis der Planetenbeobachtungen von Tycho Brahe die nach ihm benannten Keplerschen Gesetze abgeleitet.^[9]

Einsatz und Technik

Nach dem Start von Jules Verne soll etwa alle zwölf Monate eines der über 13 Tonnen (Leermasse) schweren ATVs vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana zur ISS fliegen.

ATV „Jules Verne“, Kopplungsmechanismus

Das Raumschiff ist mit einem hochentwickelten Navigationssystem ausgerüstet, mit dem es seine Flugbahn selbst berechnen und das Rendezvous-Manöver mit der Raumstation völlig automatisch durchführen kann. Die Kopplung war das erste vollautomatische Dockingmanöver im All, das nicht von einem russischen Raumfahrzeug durchgeführt wurde. Auch weil das ATV an das russische Swesda-Modul andocken sollte, wurde beim Kopplungsmechanismus auf eine russische Entwicklung zurückgegriffen.

Überwacht werden die ATV-Manöver vom ATV Control Centre (ATV-CC), das 2002 im französischen Centre national d’études spatiales in Toulouse eingerichtet wurde. Hier wird auch die Zusammenarbeit mit den für die ISS zuständigen Kontrollzentren in Moskau und Houston koordiniert.

Das ATV bleibt bis zu sechs Monate mit der ISS verbunden. Der Frachtraum steht dabei unter Druck und kann von der Besatzung der Station betreten und als zusätzlicher Raum genutzt werden. Die Versorgungsgüter werden entnommen und das Vehikel mit bis zu 6,3 Tonnen Abfall beladen, der in der Raumstation angefallen ist. Während der Kopplungsdauer werden die Triebwerke des ATV dazu genutzt, die Station in eine höhere Umlaufbahn (maximal 500 km) zu heben. Solche Korrekturen sind in regelmäßigen Abständen nötig, da die ISS aufgrund der Reibung mit der Restatmosphäre in der Erdumlaufbahn von rund 350 Kilometern täglich zwischen 50 und 150 Meter an Höhe verliert. Kontrollierte Schübe aus den Antrieben des ATV gleichen diesen Verlust aus. Jedes ATV führt genügend Treibstoff mit, um die Station bis zu 30 Kilometer anzuheben. Nach der Nutzungszeit wird das ATV gezielt zum Absturz gebracht. Hierzu wird durch Abbremsen mit dem Triebwerk das Perigäum der Umlaufbahn so weit abgesenkt, dass das ATV beim nächsten Perigäumsdurchgang tief in die Erdatmosphäre eintaucht und weitgehend in den oberen Schichten der Atmosphäre verglüht.

Das ATV soll das russische, ebenfalls unbemannte Versorgungsraumschiff Progress nach der Stilllegung der amerikanischen Space-Shuttle-Flotte im Jahr 2010 deutlich entlasten. Es hat pro Flug etwa die dreifache Transportkapazität gegenüber dem russischen Raumschiff.

Kosten

Obwohl das ATV ein „Wegwerfprodukt“ ist, ist die Verwendung eines unbemannten Versorgungsschiffes für die ISS nicht unbedingt teurer als die Versorgung mit dem (wiederverwendbaren) Space-Shuttle-Orbiter, denn innerhalb einer bemannten Mission haben Sicherheitsaspekte eine große Bedeutung, was beträchtliche Kostensteigerungen mit sich bringt. Ein Flug des Space Shuttles, der bei der Planung 1972 mit 10,5 Millionen US-Dollar veranschlagt wurde, kostet heute 600-700 Millionen US-Dollar (bei rund 10 Tonnen Nutzlast im MPLM zur ISS), ein ATV-Flug mit 7,6 Tonnen Nutzlast dagegen nur etwa 330 Millionen Euro (etwa 456 Millionen US-Dollar per Ende Juni 2007). Ein Progress-Flug mit 2,3 Tonnen Nutzlast kostet etwa 40 Millionen Euro. Ein HTV Transporter mit rund 5,5 t Fracht ist mit 450 Millionen Euro in etwa so teuer wie ein Space-Shuttle-Flug. ^[10]

Transporter	Progress	ATV	HTV	Space Shuttle mit MPLM
Kapazität	2,3 t	7,6 t	6,0 t	10 t
Träger	Sojus	Ariane 5	H-2B	Space Shuttle
Preis pro Start (1 € = 1,5383 US$) (Transporter + Träger)	26 Mio. EUR 40 Mio. USD (20 Mio. + 20 Mio. USD)	330 Mio. EUR 508 Mio. USD (150 Mio. + 180 Mio. EUR)	? Mio. USD (? Mio. + 190 Mio.)	326 Mio. EUR 450 Mio. USD[11] (MPLM wiederverwendbar)
Preis pro Tonne (1 € = 1,5383 US$)	11,3 Mio. EUR 17,4 Mio. USD	43,4 Mio. EUR 66,8 Mio. USD	?	30 Mio. EUR 45 Mio. USD

Missionsverlauf

Juli 2008: Die ISS mit dem angedockten „Jules Verne“ (unten)

1. Die europäische Trägerrakete Ariane 5 ES ATV startet mit dem ATV an der Nutzlastspitze vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou aus.
2. An der Spitze der Ariane 5 muss das ATV über drei Minuten lang größten strukturellen Belastungen standhalten, während die Rakete in den Weltraum fliegt.
3. Etwa 100 Minuten nach dem Start hat das ATV seine Solarpaneele ausgebreitet und fliegt nun automatisch gesteuert zur Internationalen Raumstation.
4. Das Andockmanöver beginnt normalerweise fünf Tage nach dem Start. Als Navigationssensoren zur Steuerung des vollautomatischen Annäherns und Andockens an die ISS werden Sternensensor, GPS, relativ GPS, Telegoniometer (Entwicklung durch Jena-Optronik, Deutschland) und Videometer eingesetzt. Die Kopplung erfolgt am hinteren Port des russischen Zvezda Service Module, der mit passenden Laserreflektoren für die automatische Annäherung ausgerüstet ist. Beim Erstflug wurde das ATV bis zum 3. April 2008 auf einer Position etwa 2000 km entfernt von der ISS geparkt, um den Abflug des Space Shuttles „Endeavour“ abzuwarten.
5. Das ATV ist nun eine Art Erweiterung der Station. In seinem 45 m³ großen Innenraum können sich auch Raumfahrer aufhalten, um die Versorgungsgüter zu entladen und dort eigenen Müll zu deponieren. Das ATV kann 7,5 Tonnen Nutzlast transportieren.
6. Nach sechs Monaten an der Station wird das ATV mit 6,3 Tonnen Müll der Raumfahrer beladen und in Richtung Erde gelenkt. Das Raumschiff verglüht schließlich in der Atmosphäre.
7. Am 5. September 2008 wurde das ATV "JULES VERNE" von der ISS abgekoppelt.
8. Am 29. September 2008 um 12 Uhr MESZ wurde das gezielte Absturzmanöver eingeleitet und die Bahnhöhe zuerst von etwa 350 auf 339 km verringert. Um 14:58 Uhr MESZ erfolgte die zweite Zündung der Bremstriebwerke und die Bahnhöhe wurde auf 120km verringert. Der Eintritt in die dichtere Atmosphärenschicht erfolgte um 15:31 Uhr MESZ, wo sie dann planmäßig über dem Pazifik verglühte. ^[12][13]

Technische Daten

Treibstofftank

• Max. Länge: 10,27 m
• Max. Durchmesser: 4,48 m (mit ausgefahrenen Solarzellenflächen 22,28 m)
• Leermasse: 10.470 kg
• Startmasse: 19.400 kg^[14]
• Verbrauchsmaterial des ATV: 2.613 kg
• Nutzlastkapazität: (max 7.667 kg, typisch 7.500 kg) kann sich variabel zusammensetzen aus
  • maximal 5.500 kg trockenes Material wie Nahrungsmittel
  • maximal 4.700 kg Treibstoff
  • maximal 860 kg Treibstoff für die ISS (UDMH und Stickstofftetroxid)
  • maximal 840 kg Trinkwasser
  • maximal 100 kg Luft (Sauerstoff und Stickstoff)

Wassertank

• Maximal mögliche Masse beim Start: 20.750 kg
• Abfall-Aufnahmekapazität: typisch 6.300 kg
• Energieversorgung: vier Solarzellen-Panele und acht wiederaufladbare Batterien, Energieverbrauch 400 bis 900 W

Das ATV ist mit einem hochentwickelten Navigationssystem ausgerüstet, mit dem es seine Flugbahn selbst berechnen und das Rendezvous-Manöver mit der Raumstation völlig automatisch durchführen kann. Dieses besteht aus einem RDS-Laserradar (Rendezvous- and Docking Sensor) von Jena-Optronik und einem optischen System (Videometer), das diese zusammen mit der französischen Firma Sodern baut.

Das Lagekontrollsystem steuert 28 Triebwerksdüsen, die jeweils 220 Newton Schub liefern. Als Treibstoff kommt Monomethylhydrazin, als Oxidator Stickstofftetroxid zum Einsatz.

Mögliche Weiterentwicklung des ATV

Die Konzeptstudie "ATV Evolution Scenarios", der ESA sieht das ATV als Basis zur Entwicklung zukünftiger Raumschiffe. Beweggründe sind zum einen das Auslaufen des Amerikanischen Space-Shuttle-Programms im Jahre 2010, da bis zur Einführung des geplanten Orion-Raumschiffes ab 2014 nur die russischen Sojus-Raumschiffe zum Transport von Astronauten zur ISS zur Verfügung stehen und zum anderen die Unterstützung der europäischen Raumfahrtindustrie, um die Unabhängigkeit zu gewährleisten.

UIC (Unpressurized Logistics Carrier)

Der UIC soll mehrere Tonnen von nicht unter Luftdruck stehender Fracht zur ISS bringen. Hierzu wird das im derzeitigen ATV integrierte Frachtmodul durch das UIC ersetzt. Die Fracht kann dann durch den European Robotic Arm oder durch einen Astronauten an die endgültige Position an der Raumstation angebracht werden.

LCRS (Large Cargo Return Spacecraft)

Der Plan sieht vor, das Frachtmodul des ATV mit einem Hitzeschild für den Wiedereintritt in die Atmosphäre auszustatten. Damit soll es möglich sein, mehrere hundert Kilogramm an Fracht und Experimenten zurück zur Erde zu bringen. Hierfür könnte das Konzept des Atmospheric Reentry Demonstrators (ARD) genutzt werden, welches bereits im Jahre 1998 erfolgreich getestet wurde.

CARV (Cargo Return Vehicle)

Das CARV ist eine weitere, detailliertere Studie mit einem höheren Budget aus dem Jahre 2004. Es soll am amerikanischen Teil der ISS andocken können, um die International Standard Payload Racks (ISPR) auszutauschen und zurück zur Erde zu bringen.

Small Payload Return

Unter Ausnutzung des inneren Volumens des ATV könnte es mit einer kleinen Kapsel für den Rücktransport von circa 150 kg Material zur Erde ausgestattet werden.

CTV (Crew Transport Vehicle)

In der Modifikation als CTV soll das ATV den Transport von Astronauten ermöglichen. In der ersten Phase dient es dabei als Crew Return Vehicle (CRV) für die ISS. In einer weiteren Entwicklungsstufe soll es als vollwertiges Raumschiff eingesetzt werden können, um Astronauten in den Weltraum und zurück zur Erde zu bringen. Im Juni 2006 wurde dazu von der ESA die Studie für ein Crew Space Transportation System (CSTS) in Auftrag gegeben. Darin wird die Konstruktion eines Raumschiffs in Kooperation mit Russland erörtert, mit dem der Mond-Orbit erreicht werden kann. Hierzu sollen auch erprobte Technologien des ATV zum Einsatz kommen.

Free-Flying Lab/The Safe-Haven

Das ATV könnte vergleichsweise einfach zu einem unbemannten freifliegenden Labor weiterentwickelt werden. Dieses könnte einen besseren Mikrogravitationslevel für Experimente bereitstellen. Zum Austausch von Experimenten soll es an die ISS andocken. Weiterhin könnte ein solches Modul als eine Art Rettungsboot (Safe-Haven) fungieren. Dies würde im Falle eines schweren Störfalles auf der ISS genug Zeit geben, die Besatzung mit Hilfe eines Sojus-Raumschiffs oder eines Space Shuttles zu retten.

MSS (Mini Space station)

Das ATV könnte mit zwei Andockmechanismen ausgestattet werden und so dem Aufbau einer Mini-Raumstation oder eines Raumlabors dienen.

ETV (Exploration Transport Vehicle)

Weiterentwicklungen des ATV könnten für den Transport von Fracht und Astronauten in den Mond- und den Mars-Orbit oder auch für den Einsatz von Weltraumteleskopen genutzt werden. Die ESA strebt damit langfristig die Weiterentwicklung des ATV zu einem universell nutzbaren Raumtransporter an.

Geplante Weiterentwicklung des ATV zu einem bemannten Raumschiff

Vorgeschlagenes CSTS design

EADS Astrium und DLR verkündeten am 14. Mai 2008 offizielle Pläne, das ATV zu einem bemannten Raumschiff weiterzuentwickeln. Das Raumschiff soll in der Lage sein, drei Astronauten in einen Low Earth Orbit zu bringen und von einer modifizierten Version einer Ariane 5 Rakete gestartet werden. Eine Mock-up des geplanten Raumschiffs wurde auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung 2008 in Berlin präsentiert. Die Umsetzung des Projekts soll in zwei Phasen erfolgen. Die erste Phase sieht die Realisierung eines unbemannten Cargo Return Vehicle (CARV) bis 2013 vor, dies zum einen in Hinblick auf die Rückführung von wissenschaftlichen Experimenten von der ISS und zum anderen für die geplante Mars Sample Return Mission mit der NASA. Das vorgesehene Budget für das Projekt beträgt 1 Milliarde Euro. Die zweite Phase sieht die Entwicklung eines Raumschiffs bis 2017 vor, mit dem Astronauten sicher in den Orbit und zurück zur Erde transportiert werden können. Hierzu sind einige technische Entwicklungen notwendig, zum einen die Landekapsel mit Lebenserhaltungssystem und Hitzeschild, zum anderen ein Rettungssystem für eventuell auftretende Startprobleme. Die veranschlagten Kosten betragen mehrere Milliarden Euro.

Der Europäischen Weltraumrat hat bei seinem Treffen im November 2008 die geplanten ESA-Programme gebilligt. Das Programm zur Bemannten Raumfahrt erhält einen Anteil von 28% des gesamten ESA-Budgets bis 2012. Dies beinhaltet Konzeptstudien für das Advanced Re-entry Vehicle (ARV), den geplanten unbemannten European Lunar Lander. Das "ISS exploitation activities"-Programm sieht die Produktion weiterer ATV zur Versorgung der ISS vor. Koorperationen mit der russischen Weltraum-Agentur Roskosmos und der Japanischen JAXA bleiben ebenfalls bestehen.

Missionen

Nr.	Bezeichnung	Start (UTC)	Ankopplung (UTC)	Abkopplung (UTC)	Deorbit Burn (UTC)	Wiedereintritt (UTC)
1	Jules Verne	9. März 2008, 04:03	3. April 2008, 14:45	5. September 2008, 21:32	29. September 2008, 12:58	29. September 2008, 13:31
2	Johannes Kepler	2010 (geplant)
3	ATV-3	2011 (geplant)
4	ATV-4	2012 (geplant)
5	ATV-5	2013 (geplant)

Quellen

1. ↑ http://www.esa.int/esaMI/ATV/ESAE021VMOC_0.html ATV mission scenario - animation ESA
2. ↑ ESA Nachrichten: Europa startet seinen ersten ATV-Versorgungstransporter „Jules Verne“ zur ISS, 9. März 2008
3. ↑ EADS Astrium: ATV hebt Internationale Raumstation ISS an, 25. April 2008
4. ↑ ESA: Jules Verne boosts ISS orbit, 25. April 2008
5. ↑ ESA: Premiere for Europe: Jules Verne refuels the ISS, 21. Juni 2008
6. ↑ ESA: ATV carries out first debris avoidance manoeuvre for the ISS, 28. August 2008
7. ↑ ESA: [http://www.esa.int/esaHS/SEME556EJLF_index_0.html Successful re-entry marks bright future for ATV
8. ↑ ESA: "Jules Verne" ATV Re-entry, Sep 2008
9. ↑ ESA News: Second ATV named after "Johannes Kepler", 19. Februar 2009
10. ↑ Bernd Leitenberger Das ATV Jules Verne ISBN-978-3-8370-5572-6
11. ↑ http://www.nasa.gov/centers/kennedy/about/information/shuttle_faq.html#10
12. ↑ SPON, Esa-Raumtransporter planmäßig über Pazifik verglüht
13. ↑ ESA Successful re-entry marks bright future for ATV
14. ↑ www.arianespace.com: The Spaceport welcomes a record-setting payload with the arrival of Europe’s Automated Transfer Vehicle. 31. Juli 2007. (englisch)

• DLR: ATV:Automated Transfer Vehicle, Mission Jules Verne (englisch/deutsch, PDF)
• Space radio measuring docking systems (englisch/russisch)

Weblinks

• Übersicht zum ATV auf der DLR-Website
• Übersicht zum ATV auf der ESA-Website (englisch)
• ESA: ATV-Bildergalerie (englisch)
• EADS Space: ATV-Bildergalerie (englisch)
• ESA: ATV Evolution Scenarios (englisch)
• ESA: Jules Verne ATV Information Kit (englisch)
• ATV Jules Verne Launch Kit von EADS Astrium (englisch)
• Geplanter Verlauf für den kontrollierten Absturz des ATV Jules Verne sowie Links zu allen News zur Mission bei astronews.com

Weltraumtransporter

Historisch: TKS-Raumschiff

Aktuell: Progress · Automated Transfer Vehicle (ATV) · H-2 Transfer Vehicle (HTV)