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ATV Start von ISS aus gesehen CR NASAAm 16. Februar 2011, um 22:50 Uhr mitteleuropäischer Zeit (18:50 Uhr Kourou-Ortszeit) eröffnete Arianespace das europäische Raumfahrtjahr mit dem zweiten Start eines Automated Transfer Vehicles (ATV) zur Internationalen Raumstation. Das Raumfahrzeug, das an der Spitze einer Ariane 5 ES in den Orbit befördert wurde, war mit einem Gewicht von 20.050 Kilogramm die schwerste Nutzlast, die jemals von einem europäischen Träger in den Weltraum gebracht worden war.

Der Start war gleichzeitig der 200. Einsatz einer Ariane-Rakete, seit im Dezember 1979 der Erstflug  der Ariane 1 erfolgte. Es war auch der 42 erfolgreiche Einsatz einer Ariane 5 in ununterbrochener Folge und der vierte in den vergangenen dreieinhalb Monaten.

Für den Transport des ATV wurde eine spezielle Version der Ariane 5 eingesetzt: die Ariane 5 ES. Die erste Stufe entspricht dabei exakt dem Standardmodell, der Ariane 5 ECA, für die anschließenden Flugphasen wird aber die von Astrium hergestellte wiederzündbare Oberstufe EPS (Etage à Propergols Stockables) eingesetzt, deren Aestus-Triebwerk mit den lagerfähigen Treibstoffkomponenten Stickstofftetroxid (Oxidator) und Monomethylhydrazin (Treibstoff) betrieben wird.

Anders als sein Vorgänger Jules Verne im Jahre 2008 wird Johannes Kepler kein Test- und Demonstrationsprogramm absolvieren, sondern die Raumstation direkt anfliegen.

Das ATV wurde im Auftrag der europäischen Raumfahrtbehörde von einem Industriekonsortium unter der Leitung von EADS Astrium entwickelt. Es ist etwa 10 Meter lang und hat einen Durchmesser von 4,5 Meter. Diese zweite Flugeinheit wurde dabei nach dem Astronomen und Mathematiker Johannes Kepler benannt. Das erste ATV, das m März 2008 gestartet wurde, trug den Namen Jules Verne.

Die erzielten Orbitparameter waren wie folgt:

  • Perigäum: 254.9 km. Geplant: 255.3 km
  • Apogäum: 262.2 km. Geplant: 262.3 km
  • Inklination: 51.6 Grad. Geplant: 51.6 Grad

25 Minuten nachdem sich das ATV von der EPS-Stufe abgekoppelt hatte, entfaltete das Raumfahrzeug seine vier Solargeneratoren.

Im Anschluss an diese ersten Schritte im Orbit vollführt das ATV eine Reihe von „Phasing“-Manövern zur Annäherung an die ISS. Dabei erreicht es zuerst einen Haltepunkt, der ungefähr 30 km hinter der Raumstation auf einem um rund ca. 5 km niedrigeren Orbit liegt.

An dieser Stelle wird eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen dem ATV und der Raumstation hergestellt. Für die Weiterreise des ISS-Versorgers werden die Navigationsdaten seiner GPS-Empfänger laufend mit den stationseigenen GPS-Daten abgeglichen. Ab hier übernimmt das ATV also auch seine Steuerung autonom – nach der Freigabe durch das ATV-Kontrollzentrum und beaufsichtigt durch die Missionskontrollzentren in Moskau und Houston. So erreicht das ATV in weniger Zeit, als es für einen Erdumlauf braucht, den Punkt S2 etwa 3,5 km hinter der Orbitposition der ISS und binnen weiterer 40 Minuten den Punkt S3, an dem es sich noch 250 Meter von der Station entfernt befindet. Dann ist für den Transporter die Zeit gekommen, seine Lage im Raum zu verändern, um die optischen Sensoren seines Rendezvous-Systems auf die Retroreflektoren auszurichten, die rund um seine Andock-Schnittstelle auf der Rückseite des russischen ISS-Moduls Swesda angeordnet sind.

Mit der dreifachen Masse eines russischen Progress-Frachters muss das ATV nicht nur präzise an der Station andocken, sondern auch sehr sanft: Die relative Geschwindigkeit zur ISS darf nicht einmal 7 cm/s betragen.

Daher findet der Endanflug in drei Phasen statt:

  • Annäherung von 250 m auf 20 m Entfernung zur ISS (Punkt S4)
  • Annäherung bis auf 11 m (Punkt S41)
  • Schlussphase und Andocken.


Dabei wird der Anflug des ATV auf den Andockstutzen zwei Mal kurz unterbrochen: Am Punkt S4, um die Rollachsensteuerung zu kalibrieren, und erneut am Punkt S41, um sicherzustellen, dass die Stationsbesatzung für die Überwachung der Schlussphase alles gut im Blick hat. Überwacht werden alle diese vom ATV automatisch gesteuerten Manöver nicht nur von der ISS-Crew und dem Personal des ATV-Kontrollzentrums, sondern auch durch ein unabhängiges ATV-Bordsystem. Dieses sorgt mit Hilfe eigener Messvorrichtungen für die Gewissheit, dass vom Primärsystem keine Gefahr für die Mission ausgeht.

Läuft irgendetwas nicht nach Plan, aktiviert das ATV-eigene System für die Missions- und Fahrzeugsteuerung eine der drei für solche Fälle eingerichteten, fest definierten sicheren Betriebsarten:

  • „Hold“: Stopp an der aktuellen Position;
  • „Retreat“: Rückkehr zum vorigen Haltepunkt;
  • „Escape“: Ausweichen des ATV mit 4 Meter pro Sekunde entgegen der  ISS-Bahnrichtung.

Darüber hinaus kann im Notfall ein Manöver zur Abwendung eines Zusammenpralls mit der ISS, das so genannte „Collision Avoidance Manoeuvre“ eingeleitet werden. Für dieses Manöver werden vom primären Lenk- und Steuerungssystem unabhängige Sensoren und Triebwerke eingesetzt.

Nach dem Andockmanöver an die Internationale Raumstation verhält sich das ATV wie ein zusätzliches ISS-Modul. Das druckbeaufschlagte ATV-Modul ist für die Astronauten frei zugänglich, um ihnen die manuelle Entladung der aus 1.600 kg Ausrüstung und Experimenten bestehenden Fracht zu ermöglichen. Es verfügt über sein eigenes Klimaregelungs- und Lebenserhaltungssystem einschließlich Luftaufbereitungsanlage, Rauchmeldern und einem System für den Ausgleich des Druckgefälles zum Rest der Raumstation; damit bietet das ATV in der angedockten Phase alles, was die Besatzung braucht, um es als zusätzlichen Lebensraum zu nutzen.

Im angedockten Zustand ist das ATV in der Lage, durch Zündungen seines Antriebsmoduls die Umlaufbahn der ISS zu verändern, was in der Regel bedeutet, dass die Bahn angehoben wird. Dieses sogenannte „Reboost“-Manöver ist nötig, um das allmähliche Absinken der Raumstation aufgrund des in dieser Höhe noch immer spürbaren Luftwiderstandes auszugleichen. Daneben wird der Reboost auch als Ausweichmanöver genutzt, wenn die ISS die Umlaufbahn von Weltraumschrott-Teilen kreuzt und eines dieser herrenlosen Objekte in die Station einzuschlagen droht. Angesteuert werden die Triebwerke des ATV bei beiden Manöverarten über die Bordsysteme des russischen Swesda-Moduls.

Zum Ende jeder Mission wird der frei gewordene Stauraum in den Frachtabteilen des ATV-Druckmoduls mit Abfällen der Raumstation beladen. Danach wird das ATV wieder verschlossen und die Verriegelungsbolzen aus dem Anschlussflansch der Docking-Schnittstelle entfernt. Nach dem Wiedereinschalten der ATV-eigenen Avionik werden die elektrischen Verbindungen zur Station getrennt.

Sobald im Kontrollbereich der russischen Bodenstationen der Abdockbefehl ergeht, werden auch die Befestigungshaken des ATV-Andocksystems entfernt, wodurch sich der Raumtransporter mittels Federn von der ISS abstößt. Diese Federwirkung lässt ihn erst eine Minute lang frei von der Station wegdriften, bevor sein Steuerungssystem einen ersten Triebwerksschub veranlasst, um den Abstand zu vergrößern.

Beim automatischen Abdocken des ATV von der ISS gelten die gleichen Sicherheitsvorschriften wie beim Andocken. Danach manövriert sich der ISS-Versorger aus dem Orbit der Station heraus und wird zuletzt über dem Südpazifik – dem weltweit größten menschenleeren Gebiet – auch aus seiner eigenen Umlaufbahn katapultiert, um beim Wiedereintritt in den dichten Luftschichten der Erdatmosphäre zu verglühen.
Insgesamt werden mehr als sieben Tonnen Nutzlast mit dem ATV zur ISS transportiert, einschließlich 4,5 Tonnen Treibstoff für das Lageregelungs- und Reboost-System der Station.

Johannes Kepler wird dreieinhalb Monate angedockt an der ISS verbringen. Am Ende ihrer Zeit an der ISS wird sie mit Abfällen vollgepackt, abgekoppelt und über dem Südpazifik gezielt zum Absturz gebracht.

Das nächste ATV, das den Namen Edoardo Amaldi trägt, wird im August fertig gestellt werden. Gestartet wird es im Februar 2012. Auch die ATV‘s-4 und 5 befinden sich bereits in der Fertigung.

Das Startmanifest von Arianespace sieht für dieses Jahr den Einsatz von sechs Ariane 5, zwei Sojus 2.1B und einer Vega von Kourou aus vor und den Start von drei weiteren Sojus 2-Trägern von Baikonur.  Der nächste Einsatz einer Ariane 5 von Französisch Guiana soll am 29. März stattfinden.

Zum Bild oben: Den ISS-Astronauten Paolo Nespoli und Cady Coleman gelang es, den Start von Johannes Kepler von der Cupola der Raumstation aus zu fotografieren.