EM-1: Die Druckkabine ist fertig

Ein wichtiger Meilenstein im Processing von EM-1, dem ersten Flug des neuen amerikanischen Orion-Raumschiffs zum Mond, wurde vor Kurzem erreicht: Die Druckkabine der Raumkapsel wurde fertiggestellt. Auch wird ein Testartikel des europäischen Servicemoduls nun zahlreichen Belastungstests ausgesetzt.

Erstellt von Martin Knipfer. Quelle: NASA, Airbus Defence and Space

Es war ein wichtiger Schritt auf der von der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA oft verkündeten „Journey to Mars“: Die Druckkabine des Orion-Raumschiffs wurde am 13. Januar 2016 fertiggestellt. Orion- das ist das neue Raumschiff der NASA, mit dem erstmals wieder Menschen zu Zielen jenseits des niedrigen Erdorbits aufbrechen werden. Die Druckkabine ist dabei die Hauptstruktur der Raumkapsel, an der alle weiteren Systeme angebracht sind. Sie wird als einziges Element mit Luft unter Normaldruck befüllt sein, weshalb sich in ihrem Innenraum die Astronauten bei späteren bemannten Flügen aufhalten werden.

Der Bau dieser Druckkabine gestaltete sich als nicht gerade einfach. Sieben große Einzelteile aus einer Aluminium-Lithium Legierung mussten zu einer fertigen Struktur zusammengeschweißt werden. Beginnend im September 2015 wurden in der Michoud Assembly Facility, einer großen Fertigungshalle der NASA nahe New Orleans, die einzelnen Elemente mithilfe der Methode des sogenannten Rührreibschweißens miteinander verbunden. Dabei handelt es sich um eine spezielle Technologie, bei der das Metall durch einen schnell rotierenden Metallstift zunächst auf einen plastikähnlichen Zustand erhitzt wird, bevor das Metall dann durch Bewegung des Stiftes verteilt wird. So kann eine festere und qualitativ höherwertige Schweißnaht erreicht werden. Durch eine Designänderung konnte das Gewicht der Druckkabine und ihre Bauzeit im Vergleich zu früheren Druckkabinen signifikant reduziert werden.

„Das Team in Michoud hat unglaublich hart gearbeitet, um eine sowohl leichte als auch unglaublich stabile Struktur von Orion herzustellen, die bereit dafür ist, tausende Kilometer hinter den Mond zu fliegen“, sagte Mark Kirasich, der Manager des Orion-Programms. Nach letzten Überprüfungen, Vorbereitungen und einer Pressekonferenz wurde die Druckkabine dann in eine Frachtmaschine vom Typ SuperGuppy geladen. Diese transportierte am 1. Februar 2016 die Druckkabine von New Orleans nach Florida zum Kennedy Space Center (KSC). Nach der Landung wurde die Struktur ausgeladen und zum Neil Armstrong Operations and Checkout Building transportiert. In diesem Gebäude auf dem Gelände des KSC wird Orion in den nächsten zwei Jahren auf seinen Flug vorbereitet und mit den nötigen über 100.000 weiteren Komponenten ausgestattet werden, wie etwa dem Hitzeschild, den Stromleitungen, den Steuertriebwerken oder den Computersystemen.

Diese Mission mit der Bezeichnung Exploration Mission 1 (EM-1) wird es schon gleich in sich haben. Ein noch unbemanntes Orion-Raumschiff startet auf der neuen Schwerlastträgerrakete der NASA, dem Space Launch System, von der Startrampe 39-B des modernisierten Kennedy Space Centers in den Weltraum. Dort in einem niedrigen Erdorbit angekommen, wird die Oberstufe des Space Launch Systems Orion dann auf den Weg zum Mond befördern. Nach einigen Tagen wird Orion 100 Kilometer über die Mondoberfläche fliegen, um die Gravitationskraft des Mondes zu nutzen, um in eine Umlaufbahn 70.000 Kilometer vom Mond entfernt einzuschwenken. In dieser Umlaufbahn mit der Bezeichnung Distant Retrograde Orbit wird Orion sechs Tage bleiben, um dann nach einem weiteren Flyby am Mond wieder zurück zur Erde zu fliegen. Mit 39.000 km/h tritt die Raumkapsel wieder in die Erdatmosphäre ein, um im Pazifischen Ozean zu landen. Diese Mission wird mehr als drei Wochen dauern und ist gegenwärtig für das Jahr 2018 geplant.

Für diese Mission ist freilich ein leistungsfähiges Element nötig, das während des Fluges Orion antreibt und mit Strom, Wasser, Luft, … versorgt. Auch dieses Element befindet sich momentan in Bau, und zwar das Servicemodul des Orion-Raumschiffs. Dieses Servicemodul wird in Europa entwickelt und gebaut, von der Firma Airbus Defence and Space im Auftrag der europäischen Weltraumagentur ESA. Dabei handelt es sich um einen etwa drei Meter hohen und 4,5 Meter durchmessenden Zylinder, der unterhalb der Raumkapsel angebracht ist und auf dem Servicemodul des mittlerweile eingestellten europäischen Raumfrachters ATV basiert. Doch bevor das Modul tatsächlich mit zum Mond fliegt, muss bei Tests geprüft werden, ob es unter anderem den enormen strukturellen Belastungen beim Start standhält.

Dafür wurde ein Testartikel des besagten Servicemoduls in Turin gefertigt und inzwischen zum Bestimmungsort transportiert: Der Space Power Facility in Plum Brooke im US-Bundesstaat Ohio. Dabei handelt es sich um eine Testeinrichtung der NASA, mit der Bedingungen wie bei einem echten Raketenstart simuliert werden können. Am 30. November 2015 ist das Modul angekommen, es wurde inzwischen mit anderen Elementen verbunden, etwa verschiedenen Adaptern und Verkleidungen. Der erste Test der Reihe ist bereits erfolgreich absolviert: Er bestand darin, eines der vier Solarpaneele zu entfalten. Dieses hat eine Spannweite von sieben Metern und soll das Raumschiff eines Tages durch 3.726 einzelne Solarzellen mit Strom versorgen. Als nächstes werden die Elemente des Servicemoduls zunächst einzeln, dann als integrierte Einheit enormen akustischen Belastungen von mindestens 152 Dezibel Schalldruck und 20 bis 10.000 Hertz an Schwingung ausgesetzt, um die Belastungen während des Starts zu simulieren. Zum selben Zweck wird das Servicemodul von Mai bis Juli dann Vibrationstests auf einem speziellen Rütteltisch unterzogen. Im August soll das Absprengen von drei Verkleidungen erprobt werden, die das Modul während des Fluges in der Atmosphäre schützen, aber schließlich von einer Reihe von pyrotechnischen Ladungen abgesprengt werden. Den Abschluss wird ein weiterer Test der Entfaltung der Solarzellen bilden.

Während Orions Flug zum Mond und wieder zurück wird Orion hohe Temperaturunterschiede erfahren, da im Weltraum durch die fehlende Atmosphäre sowohl recht hohe Temperaturen durch Sonneneinstrahlung als auch sehr niedrige Temperaturen herrschen können, wenn sich das Raumschiff im Schatten befindet. Deshalb wurde entschieden, bei zukünftigen Missionen auf die Außenwand der Kapsel eine metallische, silbern glänzende Beschichtung aufzutragen. Diese Beschichtung dient als Isolator: Sie verhindert, dass das Raumschiff zu heiß wird, wenn es auf die Sonne ausgerichtet ist, und verhindert, dass das Raumschiff zu stark abkühlt und dadurch Wärme verliert, wenn es sich im Schatten befindet. So bleibt das Raumschiff während des Fluges in einem Temperaturbereich von -100 bis 288 °C.

Der kritischste Moment während des Fluges wird neben dem Start und dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre die Landung der Raumkapsel im Pazifischen Ozean sein. Dazu wird Orion zunächst von einer Reihe von elf Fallschirmen, die sich nacheinander entfalten, auf etwa 30 km/h abgebremst. Dieses aufwendige Fallschirmsystem wurde bei einem Abwurf eines pfeilförmigen Testkörpers über der Wüste Arizonas am 13. Januar 2016 erneut getestet. Dabei handelte es sich um den 17. und letzten Testabwurf der Testreihe. Ab Juni wird die NASA damit beginnen, das System für bemannte Flüge zu qualifizieren.

Nach dem Flug wird die Raumkapsel an diesen Fallschirmen im Ozean landen. Um zu überprüfen, wie sich Orion bei unterschiedlichen Wellenhöhen und Windgeschwindigkeit dabei verhält, plant die NASA, derartige Wasserlandungen im Langley Research Center zu simulieren. Bei diesen Tests wird ein Mockup der Kapsel in ein großes Wasserbecken fallengelassen.

Der erste entscheidende Schritt als Vorbereitung dieser Tests war es, ein Mockup von Orion mit dem Hitzeschild zu verbinden, der bereits bei dem ersten Testflug EFT-1 geflogen ist. Das gestaltete sich nicht gerade einfach, denn der Hitzeschild war nicht darauf ausgelegt, auf das Mockup zu passen. Also musste das Team spezielle Hardware fertigen, um beide Elemente zu verbinden. Dazu wurden über 400 Löcher exakt in die Struktur gebohrt, damit der Hitzeschild und die Kapsel fast genau aufeinander passen. Gleichzeitig wurde der Rest des Mockups für die Landetests vorbereitet: Im Inneren der Kapsel wurden Sitze und Stoßdämpfer installiert, auf die zwei Dummies platziert wurden, wie man sie aus Crashtests kennt. Diese sind mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, um die Belastungen zu messen, die während der Wasserlandung auf die Astronauten an Bord einwirken werden. Daneben wurden weitere Sensoren und Instrumente an dem Hitzeschild und dem Mockup angebracht, um mehr Daten über das Verhalten der Kapsel zu sammeln. Während der letzten Vorbereitungen werden der Hitzeschild angebracht, geprüft, ob alles wasserdicht ist und letzte Tests der Sensoren durchgeführt. Danach wird das Mockup in das Wasserbecken fallengelassen, insgesamt neun Mal dieses Jahr. Die Tests haben das Ziel, realitätsnahe Daten über die Wasserlandung zu sammeln. Zwar können analytische Computer-Modelle solche Landungen mittlerweile recht gut simulieren, reale Tests zum Kalibrieren dieser Modelle bleiben aber unverzichtbar.

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