Im ersten Teil dieses Dossiers
wird die Geschichte und die Technik des Spacelab ausführlich vorgestellt,
im zweiten Teil sind kurze Reports über drei
wichtige Spacelab-Missionen (SL-1, D1 und D2) aufgeführt.
Zu einer Bildergalerie des Spacelab-Moduls in der "Bremenhalle"
des Bremer Flughafens bitte hier
klicken.
Die Vorgeschichte des Spacelab — Mit Apollo fing es an
Noch bevor die ersten Astronauten auf dem Mond landeten, machte
sich die NASA bereits 1964/65 Gedanken über eine Nachnutzung der
Apollo-Hardware. Das Ergebnis dieser Überlegungen war das sogenannte
Apollo Application Program (AAP), dessen Hauptbestandteil die erste
bemannte amerikanische Raumstation "Skylab" werden sollte.
1969, dem Jahr der ersten Mondlandung, lud die NASA ihr europäisches
Pendant, die European Space Research Organisation (ESRO, Vorläufer
der ESA) dazu ein, sich am AAP zu beteiligen. Am 6. Januar 1972 ermächtigte
der damalige US-Präsident Richard Nixon die NASA, mit der Entwicklung
des Shuttle Transportation System (STS) zu beginnen. Weil ein Großteil
der Entwicklungskosten des STS vom US-Verteidigungsministerium übernommen
wurde, war eine europäische Beteiligung am Bau der Space Shuttle
praktisch ausgeschlossen. Um Europa trotzdem in irgendeiner Weise am
STS zu beteiligen, wurde der Bau eines Research and Application Module
(RAM) genannten Weltraumlabors für die Shuttle-Ladebucht in Aussicht
gestellt. Während einer europäischen Weltraumkonferenz im
Dezember 1972 einigten sich die zuständigen Minister aus neun europäischen
Ländern (Belgien, Dänemark, Bundesrepublik Deutschland, Frankreich,
Großbritannien, Italien, Niederlande, Schweiz und Spanien; Österreich
stieß später noch dazu), das Beteiligungsangebot anzunehmen.
Am 24. September 1973 wurde der endgültige Vertrag zwischen der
ESRO und der NASA über die Beteiligung Europas am Apollo-Nachfolgeprogramm
unterzeichnet (Zu diesem Zeitpunkt befand sich das "Skylab"-Programm
bereits in seiner "Halbzeit" und die NASA konzentrierte sich
bereits auf die Entwicklung und den Bau des Space Transportation System
sowie der dafür notwendigen Infrastruktur).
Europa wird von der USA mit ins Boot genommen — Und soll
Spacelab bauen
Animiertes Spacelab-
Logo der ESA
(Erstellt von M. Kletzsch)Dieser Vertrag übertrug
den Europäern die Entwicklung eines Shuttle-gestützten Weltraumlabors
mit der Bezeichnung "Spacelab", den Bau einer kompletten Flugeinheit
und eines nahezu identischen Ingenieurmodells für Bodentests. Damit
erhielt (West-)Europa die Möglichkeit, mit einer Art "wiederverwendbarer
Raumstation" in die bemannte Raumfahrt einzusteigen. Definitionsgemäß
bestand eine Flugeinheit aus einem langen Modul und fünf Paletten
sowie Ersatzteilen und Zusatzausrüstung einschließlich der
entsprechenden Software. Technische Vorstudien waren auf europäischer
Seite schon seit 1972 angelaufen, sodass die Ausschreibungs-Prozedur
für den industriellen Hauptauftragnehmer zügig abgeschlossen
werden konnte. An der Ausschreibung beteiligten sich drei Firmen-Konsortien:
STAR, COSMOS und MESH (Jeweils unter der Führung von British Aircraft
Corporation BAC, Messerschmitt-Bölkow-Blohm MBB und Entwicklungsring
Nord ERNO). Den größten finanziellen Anteil mit 53,3% übernahm
die Bundesrepublik Deutschland. Damit war sichergestellt, dass der Spacelab-Hauptauftrag
an ein deutsches Unternehmen ging. Mit weitem Abstand folgten Italien
mit 18%, Frankreich mit 10% und Großbritannien mit 6,3%. Den Rest
trugen die fünf anderen ESA-Mitgliedsstaaten Belgien (4,2%), Spanien
(2,8%), Niederlande (2,1%), Dänemark (1,5%), Schweiz (1,0%) und
Österreich als assoziiertes Mitglied (0,8%). Die ESA-Mitgliedsstaaten
Irland und Schweden beteiligten sich nicht an den Kosten der Spacelab-Entwicklung.
Insgesamt beliefen sich die Kosten des von diesen zehn Staaten finanzierten
Programms auf rund 1,7 Milliarden DM (860 Millionen Euro). Den Zuschlag
für den zunächst auf 650 Millionen DM begrenzten Hauptauftrag
bekam das Firmenkonsortium MESH unter der Führung der in Bremen
ansässigen Firma ERNO Raumfahrttechnik GmbH am 5. Juni 1974, deren
Kontrakt am 30. September 1975 in Paris unterzeichnet wurde. Im November
1975 begann die vorläufige Entwurfsüberprüfung (Preliminary
Design Review, PDR) und schon im Mai 1976 war das 1:1-Modell (Hard Mockup)
fertiggestellt. Die technische Ausstattung und Ausrüstung machte
den Bau einer neuen, 1125 m² großen Montagehalle erforderlich.
Diese wurde als Integrationshalle 41 auf dem ERNO-Gelände im Herbst
1976 eingeweiht.
Das historische Zertifikat nach der endgültigen
Entwurfsüberprüfung durch ERNO, ESA und NASAIm
November 1976 begann die entscheidende endgültige Entwurfsüberprüfung
(Critical Design Review, CDR). Kurz vor Weihnachten 1977 wurden die
vier europäischen Astronauten-Kandidaten für die erste Spacelab-Mission
bekannt gegeben: Franco Malerba (Italien), Ulf Merbold (Bundesrepublik),
Claude Nicollier (Schweiz) und Wubbo Ockels (Niederlande). Bis zum 16.
Januar 1978 um 12 Uhr mußten alle Unterlagen der endgültigen
Entwurfsüberprüfung CDR bei der ESA abgeliefert sein. Diese
technische Dokumentation umfasste 17500 Seiten und diente der Feststellung,
ob das Spacelab-Design alle Leistungsanforderungen auch erfüllte.
Es war die letzte Möglichkeit für die Ingenieure, am Design
noch Änderungen vorzunehmen und Anfang März 1978 wurde der
CDR erfolgreich abgeschlossen. Kurz zuvor, noch im Januar 1978, wurde
mit der Montage des Ingenieurmodells begonnen, das am 28. November 1980
von Bremen aus über Hannover ins Kennedy Space Center überführt
und an die NASA abgeliefert wurde. Das Ingenieurmodell war den Flugeinheiten
technisch gleichwertig und diente dazu, notwendige Erfahrungen für
den Umgang mit den späteren Flugeinheiten zu sammeln. Im April
1979 erfolgte der Integrationsbeginn der ersten Flugeinheit (FU1). Am
30. Januar 1980 unterzeichnete die NASA den Vertrag über den Kauf
eines zweiten Spacelab-Moduls (Follow On Production, FOP). Am gleichen
Tag erhielt ERNO den Auftrag über die Integration der 24 ESA-Experimente
der ersten Spacelab-Mission. Diese First Spacelab Payload (FSLP) genannte
Nutzlast wurde innerhalb von 27 Monaten in die FU1 integriert. Am 30.
November 1981 wurde das Weltraumlabor nach eingehender Prüfung
von der NASA technisch „abgenommen“. Die offizielle Übergabe
der ersten Flugeinheit an die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde
erfolgte kurz darauf am 04. Dezember 1981 im bremer ERNO-Werk. Im Mai
1982 waren die Arbeiten an der FSLP-Nutzlast abgeschlossen und im August
1982 traf es im Kennedy Space Center in Florida ein. Am 27. Juli 1984
wurde das Modul der zweiten Flugeinheit (FU2) an die NASA übergeben.
Die Technik des Spacelab – Eine modulare "wiederverwendbare
Raumstation"
Schematische Zeichnung des Spacelab (Langmodul)
und der Crew-Kabine eines Space ShuttleSpacelab ist ein
Laboratorium, in dem Wissenschaftler Experimente im Weltraum unter Bedingungen
der Mikrogravitation durchführen konnten. Das Spacelab wurde in
der Nutzlastbucht des Space Shuttle in den Weltraum transportiert und
blieb dort während des Fluges fest verankert. Das Weltraumlabor
ist modular aufgebaut, um durch einfaches Auswechseln von Elementen
und Bauteilen eine problemlose Anpassung an die Wünsche der jeweiligen
Spacelab-Nutzer gewährleisten zu können. Zudem ermöglichte
die modulare Bauweise nach dem Baukastenprinzip die Entwicklung und
Integration von Experimenten auch außerhalb der NASA.
Die vier wichtigsten Spacelab-Elemente sind das bewohnbare Modul, u-förmige
Nutzlastpaletten, ein Ausrichtungssystem für astronomische Instrumente
(Instrumental Pointing System, IPS), ein klimatisierter zylindrischer
Druckbehälter (Iglu) für Spacelab-Flüge ausschließlich
mit Paletten sowie der Zugangstunnel von der Kabine des Orbiters zum
Spaclab-Modul.
Das wichtigste Spacelab-Element — Das bewohnbare Modul
Schnittzeichnung des Spacelab-Moduls,
dahinter eine Spacelab-PaletteDas Modul
ist zylindrisch, hat einen Durchmesser von vier Metern und besteht aus
bis zu zwei jeweils 2,7 Meter langen Segmenten, die zwischen konischen
Endflanschen angeordnet sind. Je nach Anzahl der verwendeten Segmente
beträgt die Länge des Moduls 4,3 bis 7,0 Meter. Bei einem
kurzen Modul wurde nur ein einziges Segment verwendet, das sogenannte
Kernsegment. Es enthält neben der wissenschaftlichen Laboreinrichtung
auch wichtige Betriebssysteme wie das Energieverteilungs-, Lebenserhaltungs-
und Umweltkontrollsystem. Die Atmosphäre im Modul war der irdischen
angeglichen und bestand aus 79% Stickstoff und 21% Sauerstoff. Der Druck
betrugt 1013 hPa (1 bar) und die Temperatur war zwischen 18 - 27°C
einstellbar. Das Kernsegment konnte insgesamt bis zu 7,6 m³ an
wissenschaftlichen Experimenten aufnehmen. Falls für zusätzliche
Experimente noch mehr Raum erforderlich war, konnte zum Kernsegment
ein weiteres Segment hinzugefügt werden. Dieses Experimentsegment
bot 14,6 m³ Raum für zusätzliche Gerätschaften.
In dieser Konfiguration bot das Langmodul einen freien Arbeitsraum von
22,2 Kubikmetern. Die für den Betrieb notwendige elektrische Energie
bezog das Spacelab ausschließlich aus dem Bordnetz des Space Shuttle.
Dieser Strom wird in Brennstoffzellen durch die Vereinigung von Wasserstoff
und Sauerstoff erzeugt. Der normale Strombedarf des Spacelab belief
sich auf 7 kW bei einer Betriebsspannung von 28 V. Kurzzeitig konnten
auch bin zu 12 V aus dem Bordnetz des Space Shuttle entnommen werden.
Innerhalb des Energieverteilungssystems wandelte ein Konverter den 28
V Gleichstrom aus dem Shuttle-Bordnetz in 115/200 V Wechselstrom mit
einer Frequenz von 400 Hertz um.
Die Außenhülle der von Aeritalia in Turin gebauten Module
besteht aus einer Aluminium-Konstruktion aus ringförmigen Rahmen,
die untereinander durch Längsträger verbunden sind. Beide
Segmente sind jeweils an der Oberseite mit einer Öffnung von 1,3
m Durchmesser versehen, in die je ein Sichtfenster für fotografische
Aufnahmen und eine Luftschleuse für wissenschaftliche Experimente
eingebaut werden konnten. Verschlossen wurden die Zylinder an der Stirn-
und Rückseite mit jeweils einem 0,78 m langen konischen Endflansch.
Der vordere Endflansch besitzt in der Mitte eine runde Öffnung
von 1,6 m Durchmesser, an der der Verbindungstunnel zur Crewkabine des
Orbiters angebracht war. Beim baugleichen hinteren Endflansch war diese
Zentralöffnung durch ein Druckschott verschlossen. Am unteren Bereich
des hinteren Endflansches verband eine Versorgungsbrücke das Modul
mit den dahinter angeordneten Paletten.
Zur besseren Wärmeisolierung und zum Schutz vor Mikrometeoriten-Einschlägen
ist die Außenhülle des Spacelab mit einer Schutzhülle
umgeben, die 19 beidseitig goldbedampfte Folien aus Kapton und 20 Trennlagen
aus Dracon enthält und nach außen von einem teflonbeschichteten
Gewebe abgeschlossen wird.
Einbau des Langmoduls in die Nutzlast-
Bucht des Space Shuttle "Columbia"
Innenaufnahme des Langmoduls, links
der ESA-Nutzlastspezialist Ulf Merbold |
Kernstück der wissenschaftlichen Experimentierausrüstung
der Module sind die Instrumentenschränke, sogenannte
„Racks“. Diese sind so ausgelegt, daß ohne großen
Aufwand Standardeinschübe von 48 cm Breite (z.B. gängige Laborgeräte)
darin untergebracht werden können. Es gibt Einzel- und Doppelracks
mit einer Breite von 56 und 105 cm und einer Tiefe von 76 cm. Diese
Racks werden am Boden und an der Decke befestigt und stehen im oberen
Teil schräg nach innen über, um sich der zylindrischen Form
des Moduls anzupassen. In ihnen können jeweils bis zu 290 oder
580 kg an wissenschaftlichen Geräten untergebracht werden. Sowohl
im Kernsegment als auch im Experimentsegment lassen sich auf jeder Seite
zwei Doppelracks und ein Einzelrack aufstellen. Die vorderen Doppelracks
auf beiden Seiten des Kernsegments enthalten eine Arbeitskonsole und
ein Kontrollrack für die Spacelab-Subsysteme. Ein Langmodul aus
zwei Segmenten kann maximal 4600 kg an Ausrüstung aufnehmen.
Weitere Elemente des Spacelab — Technische Zusatzausrüstung
Der Verbindungstunnel mit Luftschleuse,
links das Spacelab (STS-83 und STS-94)Der Verbindungstunnel
hat 1 m Durchmesser und variierte in der Länge zwischen 2,7 und
5,8 Metern, je nach Position des Moduls in der Nutzlastbucht. Am vorderen
Ende (nahe der Crew-Kabine) besitzt der Verbindungstunnel eine Luftschleuse,
damit die Astronauten die Möglichkeit hatten, in Raumanzügen
größere Defekte zu beheben. Grund für die variable Position
des Spacelab war, dass sich der Schwerpunkt des Orbiters nur innerhalb
eng gezogener Grenzen bewegen durfte, damit der Wiedereintritt in die
Atmosphäre, Gleitflug und Landung sicher erfolgen konnten. Als
einziges wurde dieses Spacelab-Element nicht in Europa, sondern von
der Firma McDonnell Douglas Astronautics in Huntington Beach in Kalifornien
gebaut.
Die Paletten waren eine wichtige Ergänzung der
Module und ermöglichten die Unterbringung von wissenschaftlichen
Experimenten und Gerät in der Nutzlastbucht des Space Shuttle unmittelbar
unter den Bedingungen des Weltraums. Die Anzahl variierte je nach Flugkonfiguration.
Die Paletten sind eine Aluminium-Leichtbaukonstruktion mit hoher Festigkeit
und können bei einem Eigengewicht von 590 kg bis zu 3000 kg an
Nutzlast tragen. Sie sind im Querschnitt u-förmig, 2,9 m lang,
4 m breit (3,7 m Innenmaß) und bieten 6 m² auf den Innenflächen
der Palette zur Befestigung von Gerät aller Art. Jede Palette besitzt
separate Stromversorgungs- und Datenanschlüsse. Zusätzlich
sind spezielle Kühlplatten, die mit einem Freon-Kühlkreislauf
verbunden sind, in die Struktur integriert. Die Verbindung mehrerer
Paletten miteinander („Paletten-Zug“) erfolgte an zwölf
Befestigungspunkten.
Bei Wegfall des Moduls (und somit auch des Verbindungstunnels) konnten
bis zu fünf Paletten einschließlich der Iglu-Versorgungseinheit
in der Nutzlastbucht des Orbiters eingebaut werden, zu einer Gesamtlänge
von 17 m und maximal 8,0 t Nutzlast.
Diverse Spacelab-Elemente in der Check-
Out and Operations-Facility des KSCDer Iglu
ist ein klimatisierter zylindrischer Druckbehälter für Spacelab-Flüge
ausschließlich in der Paletten-Flugkonfiguration. Dieses Element
ist 1,1 m breit und 2,4 m hoch und wurde an der vordersten Palette angebracht.
Er enthält für die auf den Paletten untergebrachten wissenschaftlichen
Experimente und Geräte die Steuergeräte und Datenverarbeitungssysteme,
die sich sonst im Kernsegment des Moduls befunden hätten.
Das Ausrichtungssystem für astronomische Instrumente
(Instrumental Pointing System, IPS) ist eine bewegliche Plattform, die
auf einer Spacelab-Palette montiert ist. Sie diente der Feinausrichtung
und Stabilisierung von Instrumenten wie Teleskopen mit einer Genauigkeit
von weniger als einer Bogensekunde (1/60tel Grad). Die Ansteuerung konnte
durch Bodenkommandos oder auch per Hand von den Astronauten mit Hilfe
eines Joysticks in der Crewkabine des Space Shuttle erfolgen.
Datenerfassung und Datenübertragung
Das Spacelab ist mit drei identischen Computern ausgerüstet, einen
für die Experimente, einen für die Subsysteme und einen Reservercomputer.
Die während des Fluges anfallenden Datenströme konnten sowohl
an Bord zwischengespeichert als auch über das Telekommunikationssystem
des Space Shuttle in Echtzeit übertragen werden. Für den Transfer
zur Bodenkontrollstation wurde anfänglich das weltweite bodengestützte
Empfangs- und Kommunikationssystem STDN (Space Tracking and Data Network)
der NASA eingesetzt. Mit der ersten Spacelab-Mission 1983 wurde das
veraltete STDN durch das nach und nach mehrere Satelliten umfassende
Datenübertragungssystem TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite
System) abgelöst. Für die erste Spacelab-Mission waren zwei
TDR-Satelliten in geostationären Umlaufbahnen vorgesehen. Damit
wäre es möglich gewesen, 85% der gesamten Spaclab-1-Mission
in Echtzeit zu verfolgen und die Experimente waren entsprechend geplant
worden. Während der Mission STS-6 im April 1983 versagte jedoch
die IUS-Transferstufe des ersten TDR-Satelliten und der Start des zweiten
verzögerte sich dadurch. In einer komplizierten Rettungsaktion
konnte der in einer elliptischen Umlaufbahn gestrandete Satellit in
einen geostationären Orbit gebracht werden. Trotz des unvollständigen
TDRS-Systems wurde nach langen Beratungen zwischen NASA und ESA entschieden,
die für Herbst 1983 geplante erste Spaclab-Mission durchzuführen
(Der zweite TDR-Satellit ging mit der "Challenger"-Katastrophe
1986 verloren und wurde mit dem TDRS-C-Satellit 1988 ersetzt).
Die vom Space Shuttle ausgesendeten Daten wurden über die TDR-Satelliten
in der TDRSS-Bodenstation in White Sands, New Mexico, empfangen und
von dort über weitere Satellitenverbindungen innerhalb der NASA
und ggfs. zur ESA weitergeleitet.
Eine schnelle Datenübertragung vom Spacelab zur Bodenstation und
umgekehrt war von großer Bedeutung. Sie versetzte Experimentatoren
und Wissenschaftler in die Lage, vom Boden aus ihre Untersuchungen im
Weltraum verfolgen zu können und bot die Möglichkeit zum direkten
Kontakt zwischen den Nutzlastspezialisten an Bord des Spacelab und den
Experimentatoren im Kontrollzentrum. So konnten in Echtzeit Pannen behoben
oder Experimente abgeändert und zwischenzeitlichen Ergebnissen
angepaßt werden. Diese Methode der zweiseitigen Datenstrom-Anbindung
in Echtzeit hat sich über die Jahre als so erfolgreich herausgestellt,
dass die gleiche Methode auch in Zukunft während des Betriebs des
Columbus-Labormodules der ISS angewendet wird. Das zuständige ESA-Kontrollzentrum
ist in Oberpfaffenhofen bei München angesiedelt und trägt
die Bezeichnung Columbus Control Centre. Der erste Bewährungsprobe
für Menschen und Technik erfolgt während der Langzeitmission
des deutschen ESA-Astronauten Thomas Reiter auf der ISS. Als zweiter
Flugingenieur der Expedition-13-Crew ist er der erste europäische
Crew-Angehörige an Bord der Raumstation während einer etwa
halbjährigen Langzeitmission.
Spacelab-Module gehen in Rente — Die Paletten werden
noch heute eingesetzt
Nach 16 erfolgreichen Einsätzen wurden die beiden Spacelab-Module
nach der Mission STS-90 im Mai 1998 endgültig aus dem Flugbetrieb
genommen. Insgesamt gab es 22 Missionen, die unter der Bezeichnung "Spacelab"
durchgeführt wurden.
Die erste Flugeinheit (FU1) ist in der Außenstelle des National
Air and Space Museum ausgestellt, und zwar im seit 2003 neu errichteten
Steven F. Udvar-Hazy Center bei Washington. Weitere Spacelab-Exponate
dort sind der Verbindungstunnel, das Instrumenten-Ausrichtungssystem
IPS, Spacelab-Paletten und die Paletten-Versorgungseinheit "Iglu".
Die zweite Flugeinheit aus der Follow-On Produktion wurde am 16. April
1999 am Bremer Flughafen der ESA übergeben und ist heute dort in
der "Bremenhalle" zu besichtigen. Eingesetzt wurde das FOP-Modul
während der deutschen Missionen STS-61A (SL-D1, 1985) und den weiteren
Missionen STS-42 (IML-1, 1992), STS-47 (SL-J, 1992), STS-58 (SLS-2,
1993), STS-71 (SL-MIR, 1995) und STS-78 (LMS-1, 1996). Der letzte Einsatz
des FOP-Moduls und eines Spacelab-Moduls allgemein erfolgte 1998 während
der Mission STS-90 (Neurolab). Nach persönlichen Angaben von Ulrich
Bremer, Mitarbeiter beim Raumfahrthistorischen Archiv der EADS SPACE
in Bremen, entspricht die aktuelle Ausrüstung nicht seinem letzten
Einsatz während der Neurolab-Mission. Es wurden einfach Racks,
die man übrig hatte und die griffbereit waren, eingebaut.
Nach Angaben von Dr. Matthias Knopp, dem Leiter der Hauptabteilung Luft-
und Raumfahrt des Deutschen Museums in München, handelt es sich
bei dem Spacelab auf der Museumsinsel in München um das sogenannte
Qualifikationsmodell (SL-QM). Manchmal wird es auch als "engineering
model" bezeichnet. Es unterscheidet sich vor allem von den Flugeinheiten
äußerlich durch das "scientific airlock", eine
große Luftschleuse von ca. 1m Durchmesser für das Aussetzen
von Experimenten in den Weltraum direkt vom Spacelab aus. Ferner ist
dort eine IGLOO-Einheit und eine Palette mit der 1983 geflogenen MPSS-Trägerstruktur
ausgestellt. Das Spacelab-Qualifikationsmodell kam 1987 ins Deutsche
Museum.
Mit der Ausmusterung der beiden Druckmodule war die Karriere von Spacelab
noch nicht zu Ende. Auch danach wurden einzelne Spacelab-Paletten bei
Service-Missionen zum "Hubble Space Telescope" und beim Aufbau
der Internationalen Raumstation "ISS" eingesetzt.
Die Flugeinheit 1 als Ausstellungsstück
des Udvar-Hazy-Center bei Washington
(Foto: Foust; thespacereview.com)
Das Spacelab-Ingenieurmodell des
Deutschen Museums in München
(Foto: Kletzsch)
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