Airbus Defence and Space

Partitur für eine „Symphonie im Weltraum“

ATV, Satellitenkommunikationssystem, Bodenkontrollzentren, ISS und ISS-Crew im Einklang

Künstlerische Darstellung des ATV Starts von Kourou auf einer Ariane 5 © ESAWas haben eine Symphonie für Orchester und das ATV gemeinsam?

Auf ersten Blick wohl eher weniger, außer vielleicht die in beiden Fällen ungeheuer komplexe Partitur. Von seinem Start mit der Ariane 5 bis zum Verlassen der Umlaufbahn durchläuft das ATV eine Reihe von Flugabschnitten – vom freien Orbitalflug über koordinierte Manöver mit der Internationalen Raumstation ISS (Rendezvous, An- und Abdocken, Abflug) bis hin zum Einsatz als integriertes ISS-Modul. Wie als Kontrapunkt dazu werden via Satellit Tausende von Informationen und Befehlen zwischen dem ATV, den Kontrollstationen am Boden, der ISS und ihrer Besatzung ausgetauscht.

Vielfältige Instrumentierung

Das ATV ist das technisch anspruchsvollste Raumfahrzeug, das je in Europa gebaut wurde. Für Airbus Defence and Space, den Hauptauftragnehmer der Europäischen Weltraumorganisation ESA für den Raumtransporter, war die Arbeit mit Konzeption und Integration noch lange nicht getan. Das Unternehmen musste gemeinsam mit seinen zahlreichen Partnern auch festlegen, wie das Raumfahrzeug überwacht und gesteuert werden soll: vom Boden aus über das ATV-Kontrollzentrum (ATV-CC) in Toulouse – im ESA-Auftrag durch das französische Raumfahrtzentrum CNES verwaltet – sowie direkt durch die ISS bzw. ihre Besatzung während seiner Monate als integraler Bestandteil der Raumstation.

Das ATV-CC in Toulouse übernimmt die Kontrolle etwa 60 Minuten nach dem Start mit dem Bahneinschuss des Fahrzeugs durch die Ariane 5. Sein Auftrag endet dann erst mit der Zerstörung des Raumtransporters beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, also rund sechs Monate später. Bis dahin ist das ATV-CC zunächst für die Stabilisierung und den Orbittransfer des Transporters sowie für dessen Annäherung und Andocken an die ISS zuständig. Anschließend sichert es die Betriebsfähigkeit des ATV im angedockten Zustand, wobei die Bahnanhebung und Betankung der Station durch die ISS-Crew gesteuert werden. Zuletzt steuert das ATV-CC das Abdocken und den kontrollierten Bahnauswurf des ATV.

Während aller dieser Vorgänge steht das ATV-CC ständig in enger Verbindung mit:

NASA-Kontrollzentrum in Houston dem NASA-Kontrollzentrum in Houston, das als oberste Kontrollinstanz für alle Vorgänge in Verbindung mit der ISS agiert und die TDRS-Relaissatelliten steuert, auf die das ATV zugreift;
Kontrollzentrum in Koroljow bei Moskau dem Kontrollzentrum in Koroljow bei Moskau als verantwortlicher Stelle für den russischen Teil der ISS – denn dort dockt das ATV an;

ISS-Besatzung

der ISS-Besatzung, die die Fracht des ATV auslädt;
Columbus-Kontrollzentrum (Col-CC) in Oberpfaffenhofen © DLR dem Columbus-Kontrollzentrum (Col-CC) in Oberpfaffenhofen bei München – dieses steuert das mit dem ISS-Netz verbundene Boden-Kontrollnetz der ESA;
Kontrollzentrum im belgischen Redu © ESA dem Kontrollzentrum im belgischen Redu, das den Relaissatelliten Artemis steuert.

Nach dem Andocken an die ISS wird das ATV in den „Schlafmodus“ versetzt – einer automatischen Betriebsart, in der alle Bordsysteme weiter aktiv sind. Das ATV-CC überwacht den Raumtransporter in dieser Phase ununterbrochen und regelt die Solaranlage und Leistungskonfiguration entsprechend den Erfordernissen der ISS nach. 

Blick in das ATV-Kontrollzentrum (ATV-CC) in Toulouse  © CNESDarüber hinaus reaktiviert die ISS-Crew das ATV bisweilen, um auf die „Trockenfracht“ in seinem Druckmodul zuzugreifen und Wasser oder Gas zur Wiederauffrischung der internen Atmosphäre an Bord der ISS zu entnehmen. Diese Aktivierung durch die Besatzung ist zwar recht begrenzt, wird aber immer mit den Kontrollstationen am Boden koordiniert.

Das ATV-CC überwacht dabei alle ATV-relevanten Aspekte, während Houston oder Moskau alle Parameter im Auge behalten, die sich auf die ISS und ihre Besatzung beziehen. Das Bodenpersonal vom ATV-CC muss dabei das Raumfahrzeug „aufwecken“, seinen Zustand überprüfen, die erforderlichen Hilfssysteme einschalten und der Station den Freigabebefehl für die Einleitung des Vorgangs erteilen. Darüber hinaus wird das ATV auch für Manöver zur Anhebung und Korrektur der ISS-Umlaufbahn genutzt. In diesem Fall setzt das ATV-CC zunächst die Antriebssysteme in Gang, bevor es die Kontrolle an die ISS übergibt, die das ATV wie ein eigenes Antriebsmodul ansteuert.

ATV leitet auf Befehl des Kontrollzentrums seinen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre ein und verglüht © ESAAußerdem entlädt die Crew der Raumstation die mitgebrachten Wasser- und Sauerstoffvorräte aus den Tanks des ATV und befüllt den Raumtransporter nach und nach mit dem Abfall, der sich auf der ISS ansammelt. Eine der letzten Funktionen des ATV ist das Betanken der ISS, das normalerweise unmittelbar vor dem Abdocken stattfindet und ein typisches Beispiel für einen zwischen dem ATV-CC, den Antriebssystemen der ISS und dem Kontrollzentrum Moskau koordinierten Vorgang darstellt.

Und dann heißt es Abschied nehmen …

Diesmal weckt das Kontrollzentrum das ATV vollständig auf: Alle Hilfssysteme, vor allem aber seine eigene „Intelligenz“, werden wieder eingeschaltet, um eine reibungslose Abtrennung von der Station zu gewährleisten. Auf seinem letzten Weg nach dem Abdocken bewegt sich der Transporter selbstständig im Orbitalmodus von der ISS fort, bis er auf Befehl des Kontrollzentrums seinen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre einleitet und dort verglüht.

ATV-CC in Toulouse übernimmt die Kontrolle etwa 60 Minuten nach dem Start mit dem Bahneinschuss des Fahrzeugs durch die Ariane 5 © CNES

Der Echtzeitaustausch von Informationen während der Mission umfasst auch die sofortige Übertragung von Telemetriedaten in einem effizienten Tele- kommunikations- netz, das auf den amerikanischen TDRS-Satelliten, dem Artemis-Satelliten aus Europa und dem „Proximity Link“ basiert – einer direkten Richtfunkstrecke zwischen ATV und ISS. Die „Partitur“ hierfür ist angesichts des unglaublich komplexen Charakters der Mission erstaunlich reduziert: Für die Steuerung des ATV als einem voll autonomen Raumfahrzeug muss eine begrenzte Datenübertragungsrate zwischen Himmel und Erde ausreichen. Darin liegt die Schönheit dieses symphonischen Gedichts: Es besteht aus gar nicht einmal so vielen Noten, die jedoch alle in perfekter Harmonie schwingen.

Mehrstimmige Harmonie

Parallel zur Konzeption und Qualifizierung des Fahrzeugs musste Airbus Defence and Space auch die fein ziselierte Orchestrierung zwischen dem ATV, dem Satellitenkommunikationsnetz, den Kontrollzentren für ATV und ISS, der Station und ihrer Besatzung sowie den Gesamtablauf der Mission mit ihren zahllosen programmierten Schritten, aber auch Pannen- und Fehlerrisiken, für Bodenteams und ISS-Crew ausarbeiten und bis ins kleinste Detail umsetzen.

Das ATV-CC überwacht alle ATV-relevanten Aspekte, während Houston oder Moskau alle Parameter im Auge behalten, die sich auf die ISS und ihre Besatzung beziehen.© Airbus Defence and Space

Das ATV-CC überwacht alle ATV-relevanten Aspekte, während Houston oder Moskau alle Parameter im Auge behalten, die sich auf die ISS und ihre Besatzung beziehen.© Airbus Defence and Space

Dabei war das Airbus Defence and Space-Team dafür verantwortlich, gemeinsam mit der ESA und allen Programmpartnern aus Russland, den USA und Europa den Betrieb des ATV, die Überwachung des Fahrzeugs und seine Reaktionen in jeder denkbaren Situation vorherzubestimmen. Die Verteilung der Rollen zwischen dem ATV, den Kontrollzentren und der ISS-Besatzung für jede einzelne Phase der Mission war dabei ebenfalls genau festzulegen – mit Berücksichtigung verschiedenartiger kultureller Hintergründe, Erfahrungen und daher auch unterschiedlicher Arbeitsmethoden.

Das ATV ist als Bestandteil eines umfangreichen Systems mit einer Vielzahl von Komponenten ausgelegt, die von ESA (ATV-Bodensegment und Raumfahrzeug, Ariane 5, Artemis), NASA und RSC-Energia (ISS-Bodensegment und Raumstation, Stationsbesatzung, TDRS) geliefert werden. Airbus Defence and Space musste so nicht nur die einzelnen Rollen verteilen, sondern auch die Einsatzpläne des ATV-Kontrollzentrums in Toulouse, der ISS-Kontrollzentren in Houston und Moskau sowie der ISS-Besatzung für die gesamte Einsatzdauer erstellen. Dieser umfassende Katalog, die „ATV System Operations Reference“, liegt sämtlichen Phasen der Mission als „schriftliche Verfassung“ zugrunde.

Konkret für das ATV haben die Airbus Defence and Space-Teams sämtliche Betriebsverfahren und Anweisungen detailliert festgeschrieben. Jeder Operator im ATV-Kontrollzentrum weiß so genau, welche Aspekte überwacht werden müssen und wie der Transporter während der gesamten Mission zu steuern ist. Alle Anweisungen zusammen bilden das „Operations Manual“, eine mit mehreren Gigabyte wahrhaft enzyklopädische Datensammlung, die sich in 19 Hauptbände zu den Subsystemen (Antrieb usw.) und neun Bände zum allgemeinen Betrieb des ATV (z. B. Energie- und Leistungsverwaltung) unterteilt.

Darüber hinaus übersetzte Airbus Defence and Space alle Anweisungen im Zusammenhang mit der Befehlsübermittlung vom ATV-CC an das ATV in direkt ausführbare elektronische Prozeduren. Auf diese Weise wurden über 1.000 Verfahren und rund 100 Steuerungsablaufpläne bereitgestellt. Und dies ist noch nicht alles: Airbus Defence and Space erstellte auch 1.300 Mikroprogramme für Berechnungen, 1.400 Warnsignale für die Überwachung des Raumtransporters durch das ATV-CC sowie Zehntausende von ATV-spezifischen Merkmalsdaten, die für den Betrieb des Fahrzeugs notwendig sind (z. B. Tausende von Sollwerten für die Temperaturregelung des ATV). So ist seit 2002 ein kolossales Gesamtwerk entstanden, das regelmäßig aktualisiert und dem Kontrollzentrum in Toulouse zur Verfügung gestellt wird.

Musik, Maestro!

Mit der Mission des ATV-3 „Edoardo Amaldi“ soll die imposante Partitur nun erneut zur Aufführung gelangen. Experten von Airbus Defence and Space werden während der ganzen Mission in der ersten Reihe sitzen – allzeit bereit, um das ATV-CC in Toulouse zu unterstützen, und mit den Teams in Bremen und Les Mureaux (bei Paris) im Rücken, die bei Bedarf wiederum auf die Kompetenzen und Ressourcen des ATV-Produktionsteams zurückgreifen können. Alle diese Mitwirkenden bilden die jede für sich einzigartigen Stimmen des Orchesters, das eine der fantastischsten Weltraum-Symphonien aller Zeiten darbieten wird.




Artemis relay satellite Control Centre in Belgium (© ESA

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