Airbus Defence and Space

Einzelkämpfer im Weltall: Der ISS auf den Fersen

ATV im Focus: Airbus Defence and Spaces ATV-Programmleiter Dr. Wolfgang Paetsch erläutert den Flug des ATV zur ISS.

Die gewaltige, 50 Meter hohe und speziell an ihren massigen und äußerst kostbaren Passagier – das automatische Versorgungsfahrzeug ATV – angepasste Trägerrakete Ariane 5 ES hebt von ihrer Startbasis in Kourou (Französisch-Guayana) in nordöstliche Richtung ab, bewegt sich anschließend auf ihrer Flugbahn vom Äquator über den Atlantischen Ozean nach Europa und fliegt über Frankreich, Luxemburg, Deutschland, Polen, die Ukraine und Russland hinweg.

ATV auf der "Spezialanfertigung" Ariane 5 ES

Etwa drei Minuten nach dem Abheben wird die Nutzlastverkleidung abgeworfen, einige Minuten danach erfolgt die Abtrennung der kryogenen Hauptstufe von der Oberstufe, die das ATV in rund 260 km Höhe in eine kreisförmige Umlaufbahn bringt, welche auf die um 51,6 Grad zum Äquator geneigte Orbitalebene der ISS ausgerichtet ist. Ungefähr eine Stunde nach dem Start löst sich das ATV von der Oberstufe und fliegt nun vollständig autonom – die eigentliche Reise beginnt.

Noch immer auf die Erde ausgerichtet beginnt das ATV mit seiner In-Orbit-Konfigurierung: Zunächst muss es eine Kommunikationsverbindung zum US-amerikanischen Kursverfolgungs- und Datenrelaissatellitensystem (Tracking & Data Relay Satellite System, TDRSS) im geostationären Orbit aufbauen, entfaltet dann seine Solarkollektoren und anschließend die Antenne zur Kommunikation mit der ISS. Nun erfolgt eine Überprüfung aller Bordsysteme, beginnend mit der Aktivierung des Antriebssubsystems. Um die Regelung seiner Bahnlage kümmert sich der Weltraumfrachter selbst. Das ATV wendet seine Solarkollektoren stetig der Sonne zu, um Strom für die Bordausrüstung und seine Antenne zu erzeugen, die auf die Relaissatelliten zur Kommunikation mit der Erde und auf die GPS-Konstellation ausgerichtet ist.

Verfolgung der ISS

Nun vollführt das ATV mithilfe seines Antriebssystems unter Ausnutzung der natürlichen Orbitalabweichung eine Reihe von „Phasing“-Manövern zur Annäherung an die ISS. Dabei erreicht es zunächst einen Punkt, der ungefähr 30 km hinter der Raumstation auf einem etwa 5 km niedrigeren Orbit liegt.

Annäherung: ATV fliegt zunächst 3,5 km hinter der Raumstation her und nähert sich dann auf 249 m Entfernung

Von dort aus wird eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen dem ATV und der Raumstation hergestellt. Für die Weiterreise des Weltraumfrachters werden die Navigationsdaten seiner GPS-Empfänger laufend mit den Daten der GPS-Empfänger auf der ISS abgeglichen. Nach entsprechen­der Autorisierung durch das ATV-Kontrollzentrum (ATV-CC) in Toulouse und unter Aufsicht der Missionskontrollzentren in Moskau und Houston steuert das ATV seinen Kurs völlig autonom. So erreicht das ATV in weniger Zeit, als es für einen Erdumlauf braucht, einen im Orbit der ISS etwa 3,5 km hinter der Raumstation liegenden Punkt und binnen weiterer 40 Minuten einen Punkt, an dem es in nur noch 249 m Entfernung hinter der Station her rast. Damit ist für den Transporter die Zeit gekommen, seine Lage im Raum zu verändern, um die optischen Sensoren seines Rendezvous-Systems auf die Laserretroreflektoren auszurichten, die rund um die Andockstelle auf der Rückseite des russischen ISS-Moduls Swesda angeordnet sind. Nun wird ein Laserimpuls zu den Retroreflektoren der ISS gesendet und die hierfür benötigte Übertragungszeit gemessen, um die genaue Entfernung zwischen ATV und Andockstelle zu berechnen.

Behutsame Annäherung und Kontaktaufnahme

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

Daher erfolgt der Endanflug in drei Phasen: Annäherung von 249 m auf 19 m Entfernung zur ISS, weitere Annäherung bis auf 11 m und abschließende Schlussphase mit Andockung.

Der Endanflug des ATV erfolgt in drei Phasen: Annäherung von 249 m auf 19 m Entfernung zur ISS, weitere Annäherung bis auf 11 m und abschließende Schlussphase mit Andockung.

Der Anflug des ATV wird dabei zwei Mal kurz unterbrochen: am 19-Meter-Punkt, um die Bahnlage zur ISS-Andockstelle zu überprüfen, sowie am 11-Meter-Punkt, um zu gewährleisten, dass die Besatzung der Raumstation in der Schlussphase alles gut im Blick hat. All diese vom ATV automatisch gesteuerten Manöver werden sowohl von der ISS-Crew und dem ATV-CC als auch von einem unabhängigen ATV-Bordsystem überwacht, das mithilfe eigener Messinstrumente sicherstellt, dass vom Primärsystem, welches selbst schon fehlertolerant ausgelegt ist, keinerlei Gefahr für die Mission ausgeht.

Im unwahrscheinlichen Fall der Fälle

Natürlich wurden auch unerwartete Fehlfunktionen mit einkalkuliert. Das ATV-eigene System für die Missions- und Fahrzeugsteuerung (MVM: Mission & Vehicle Management) ermittelt und isoliert einzelne Störungen und konfiguriert anschließend die Systeme neu, sodass die Mission fortgesetzt werden kann. Sollten unwahrscheinlicherweise mehrere schwere Zwischenfälle gleichzeitig auftreten, aktiviert das MVM die Betriebsart „Escape“, woraufhin sich das ATV mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s in entgegengesetzte Richtung zur ISS und somit von der Raumstation weg bewegt.

Darüber hinaus kann im äußersten Notfall vom ATV selbst, von der ISS-Besatzung oder dem Kontrollzentrum in Toulouse ein Manöver zur Abwendung einer Kollision mit der Raumstation (CAM: Collision Avoidance Manoeuvre) eingeleitet werden, um das ATV in sicherem Abstand zur ISS auf eine niedrigere Umlaufbahn zu bringen. Für dieses Manöver werden vom primären Lenk- und Steuerungssystem unabhängige Sensoren und Schubdüsen eingesetzt.

Das ATV ist derzeit der intelligenteste Roboter im All.