Dieser Artikel erklärt, wie schwierig es ist, ein Raumschiff erfolgreich zu starten

Bei einem Weltraumstart kann jeder kleine Fehler zum völligen Fehlschlagen des Starts führen. Da es sich bei einer Trägerrakete um eines der komplexesten Industrieprodukte handelt, sind die Millionen von Einzelteilen von entscheidender Bedeutung und funktionieren nicht unabhängig voneinander.

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Die Trägerrakete ist in mehrere Systeme unterteilt, darunter das Antriebssystem, das die Schwerkraft überwindet und mühsam aufsteigt, das Steuerungssystem, das für die Kontrolle der Fluglage und -richtung zuständig ist, und das elektrische System, das jedes System mit Strom und Informationen versorgt. Dieser Artikel veranschaulicht anhand mehrerer Fälle, welche Fehler zum Scheitern des Raketenflugs geführt haben.

Stromausfall

1. Aus der Rakete ist Öl ausgetreten

Am 15. Juni 2007 wurde die Rakete Atlas 5-401 als dritter Start nach der Gründung der United Launch Alliance erneut gestartet. Die Nutzlast besteht aus zwei Baiyun-3-Meeresüberwachungssatelliten mit der Nummer NROL-30 (National Reconnaissance Office of the United States). Beide Baiyun-3-Satelliten tragen Nutzlasten zur Signalaufklärung (SIGINT). Die Mission NROL-30 soll in eine niedrige Erdumlaufbahn in einer Höhe von 1.100 Kilometern und einer Neigung von 63,4 Grad gebracht werden. Bei dieser Mission handelt es sich um den ersten Start des Satelliten Baiyun-3 mit der Atlas-5-Rakete.

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Die Rakete startete, das Triebwerk RD-180 russischer Bauart wurde abgeschaltet, die einmotorige Centaur-Oberstufe abgetrennt und das Triebwerk RL-10A-4-2 gezündet...

Allerdings erreichten die beiden Baiyun-3-Satelliten lediglich eine Umlaufbahn mit einem Perigäum von etwa 900 Kilometern und einem Apogäum von 1.100 Kilometern. Selbst nachdem das Haupttriebwerk abgeschaltet und die Hilfstriebwerke zur vollständigen Anhebung der Umlaufbahn eingesetzt wurden, betrug die Abweichung von der großen Halbachse immer noch mehr als 100 Kilometer. Streng genommen war dieser Start kein Erfolg. Der Satellit Baiyun-3 ist mit einer riesigen Überwachungsantenne ausgestattet und dürfte kaum über eine große Manövrierfähigkeit verfügen.

Das Problem liegt bei den RL-10A-4-2-Triebwerken der Centaur-Oberstufe. Aufgrund eines Lecks im Flüssigsauerstoffventil wich das Oxidationsmittel-/Kraftstoffgemischverhältnis des Motors zu stark ab, was dazu führte, dass der Motor 4 Sekunden früher abgeschaltet wurde.

2. Eine durch einen Lappen verursachte Explosion

Am 22. Februar 1990 wurde eine Trägerrakete vom Typ Ariane 4 mit zwei Kommunikationssatelliten an Bord vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana gestartet. Die 470 Tonnen schwere Ariane 44L-Konfiguration verwendet vier Flüssigkeitsbooster, von denen jeder ein in einem Winkel von 9° eingebautes Viking 6-Flüssigkeitsraketentriebwerk verwendet. Die erste Stufe verwendet vier Viking-5C-Flüssigkeitsraketentriebwerke. Die zweite Stufe verwendet einen Viking 4B-Raketenmotor mit Raumtemperaturtreibstoff. Diese Triebwerke verwenden alle einen Zweistoff-Treibstoff aus Stickstofftetroxid und UH-25, der bei Raumtemperatur brennbar ist. Die H10-Stufe, die kryogenen Treibstoff verwendet, brannte 759 Sekunden lang mit einem HM-7B-Raketentriebwerk und brachte eine maximale Nutzlast von 4,73 Tonnen in eine geosynchrone Transferbahn.

Ariane 44L-Rakete

Die Rakete zündete und hob ab, doch noch bevor sie die Startrampe verließ, fiel ein Viking-5C-Triebwerk in der Hauptstufe aus. Bei der 44L-Konfiguration werden die acht Triebwerke insgesamt 535 Tonnen Schub in vertikaler Richtung liefern, um die 470 Tonnen schwere Trägerrakete anzutreiben. Nach dem Ausfall eines Triebwerks verringerte sich der Schub auf einen Wert, der nur geringfügig größer war als die Masse der Rakete, sodass die Rakete langsam aufstieg und das Gas die Oberseite der Startrampe umspülte. Die Mitarbeiter des Raumfahrtzentrums Kourou hatten nicht damit gerechnet, dass die Rakete überhaupt hoch genug steigen würde, um die Umlaufbahn zu erreichen, wollten die Trägerrakete aber auf keinen Fall über der Startrampe zünden. Sollte dies geschehen, würde die Explosion von 400 Tonnen hochgiftigem Treibstoff die Startrampe vollständig zerstören und die gesamte Basis mit giftigem Rauch füllen. Die Rakete beschleunigte langsam über mehr als eine Minute, bevor sie durch den Luftwiderstand auseinandergerissen wurde und die Teile in einen Sumpf in Französisch-Guayana stürzten. Zwei Kommunikationssatelliten, Superbird 2 und BS2X im Wert von 500 Millionen Dollar, wurden vollständig zerstört.

Das Problem wurde schnell gefunden. Der Übeltäter war ein Lappen, der im Wrack eines Viking-5C-Triebwerks lag. Werden die beiden Zweikomponenten-Treibstoffe im gleichen Mischungsverhältnis gemischt und verbrannt, so liegen die Temperaturen über 3000 Grad. Offensichtlich ist ein derart heißes Verbrennungsgas überhaupt nicht in der Lage, eine Turbopumpe anzutreiben, und jedes Legierungsmaterial würde schmelzen. Die Europäer entschieden sich für die Verwendung einer Pumpe, um dem Gasgenerator kaltes Wasser hinzuzufügen und so das Gas des Viking-Motors zu kühlen. Das Problem bestand darin, dass die Wasserleitung verstopft war, sodass die Turbopumpe durch das heiße Verbrennungsgas zerstört wurde und der Motor an Schub verlor.

Bei der Untersuchung stellte sich heraus, dass die Wasserrohre im Motor neu poliert werden mussten, der zuständige Techniker hatte jedoch ein Taschentuch in die Rohre gesteckt und wurde nach seiner Rückkehr übers Wochenende krank. Der neue Verantwortliche wusste nichts von dem darin befindlichen Taschentuch, sodass es bis zum Abheben der Rakete als Fremdkörper im Triebwerk der Viking-5C eingeschlossen blieb.

Strukturelles Versagen

1. Start durch Raketenverkleidung „feststeckend“

Die erste Charge von Marssonden wurde unter Verwendung einer Struktur namens Mariner C gebaut. Die 261 Kilogramm schweren Sonden sollten an Bord einer Atlas Agena D-Rakete gestartet werden. Der Aufbruch zum Mars war während des Erde-Mars-Transferfensters im November 1964 geplant. Am 5. November startete die Rakete Atlas Agena D die Sonde Mariner 3 ins All. Die Trennung der Atlas-Raketenstufe erfolgte normal und das Bell-8096-Triebwerk der Agena-D-Stufe zündete. Nach der planmäßigen Trennung zeigte die Telemetrie der Sonde an, dass sich die Solarmodule nicht entfalteten. Den Ingenieuren wurde bald klar, dass sich die Verkleidung nicht geöffnet hatte. Nachdem der Befehl vom Boden zum Öffnen der Verkleidung fehlgeschlagen war, schlugen die NASA-Ingenieure vor, die Lageregelungstriebwerke zu zünden, um die Verkleidung aufzusprengen. Tatsächlich war der Start jedoch bereits fehlgeschlagen – das zusätzliche Eigengewicht der Verkleidung bedeutete, dass die Oberstufe Agena D die Sonde nicht ausreichend beschleunigte, um zum Mars zu fliegen – tatsächlich erreichte sie nur eine Umlaufbahn mit einem Perihel von 0,983 AE und einem Aphel von 1,311 AE. Der Start ist fehlgeschlagen. Nicht lange danach starb die Sonde Mariner 3, weil ihr die Energie ausging.

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Die von der NASA eingeleitete Unfalluntersuchung ergab, dass die Ursache des Ausfalls in mangelnden Tests der neuen Fiberglas-Wabenverkleidung lag. Beim Durchqueren der Atmosphäre führte der Druckunterschied zwischen den nicht entleerten Wabenmonomeren und dem äußeren Vakuum zum Bersten der Innenschale der Verkleidung, wodurch der Trennmechanismus stecken blieb. Die Agentur bereitete für den Start von Mariner 4 in zwei Wochen eine neue Verkleidung aus Magnesiumlegierung vor. Am 28. November begann Mariner 4 seine Reise zum Mars.

2. Booster-Assassine

Im Rahmen der mysteriösen Mission STS-27 wird der erste Lacrosse-Satellit mit Synthetic Aperture Radar eingesetzt. Der interne Codename lautete „Onyx“ und der Start erfolgte am 2. Dezember 1988 an Bord der Raumfähre Atlantis, der zweiten Raumfährenmission nach dem Fehlschlag von STS-51-L. Der Satellit befindet sich in einer Umlaufbahn mit einem Perigäum von 437 km, einem Apogäum von 447 km und einer Neigung von 57° und trägt die Nummer USA34.

STS-27 war eine gefährliche Mission, da das Shuttle aufgrund der Wetterbedingungen mehrere Tage lang im feuchten Kennedy Space Center festgehalten wurde. Da es sich bei dem Satelliten Onyx-1 um eine streng geheime Mission handelte, wurde die Startzeit erst 24 Stunden vor dem Start endgültig festgelegt. Um das Durchsickern streng geheimer Radarsatellitenbilder zu verhindern, wurde bei der Mission STS-27 nur die niedrigste Bitrate für die Übertragung der Missionsbilder verwendet. Nach dem Aussetzen des Satelliten Onyx-1 teilte das Missionskontrollzentrum der Space-Shuttle-Crew mit, dass möglicherweise Trümmer das Wärmeschutzsystem getroffen hätten, woraufhin die Crew mit dem Roboterarm eine Sichtprüfung des Wärmeschutzsystems durchführte. Mit Entsetzen stellten sie fest, dass die Thermokacheln am Bauch des Frachtraums schwer beschädigt waren und der Roboterarm die Vorderkante der Tragfläche, wo der Wärmefluss am stärksten war, nicht erreichen konnte. Sie meldeten den Schaden der Missionskontrolle, doch die Bilder in prähistorischer Qualität beeinträchtigten die Klarheit der Missionskontrolleure, die zu dem Schluss kamen, dass der Schaden gering sei. Dem wütenden Kommandanten wurde klar, dass das Shuttle den Wiedereintritt nicht überleben würde. Aber er konnte nichts tun, da kein Space Shuttle rechtzeitig eintreffen konnte, um die Atlantis im Orbit zu retten. Er forderte die Crew auf, den Flug in den nächsten Tagen zu genießen.

Ein völlig zerstörtes Stück Bauchdämmplatte

Am 6. Dezember führte der Space-Shuttle-Orbiter eine Deorbit-Zündung durch. Glücklicherweise befand sich unter der völlig zerstörten Thermalkachel ein Satz hitzebeständigerer S-Band-Antennenkomponenten, und Atlantis entging wie durch ein Wunder der Katastrophe.

Als der NASA schließlich das Ausmaß der Schäden am Shuttle klar wurde, leitete sie eine Untersuchung ein. Das Problem lag in der Nasenspitze der wiederverwendbaren Feststoffrakete des Space Shuttles – einem chlorsulfonierten Polyethylenkautschuk. Das Material sollte vor dem Start nur 15 Tage lang gelagert werden, bei STS-27 wurde es jedoch 45 Tage lang im feuchten Bereich gelagert. Die Drucktoleranzgrenze der Raketenspitze sinkt rapide und verringert sich innerhalb einer Woche um 30 bis 40 Prozent. Darüber hinaus schlussfolgerte die Agentur, dass die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt des Aufpralls Mach 2,5 überstieg und normale kleine Fragmente nicht in der Lage wären, die Stoßwelle um den Orbiter zu durchdringen. Die Fragmente können 1,5 bis 3 Meter groß sein.

Durch neue Herstellungsverfahren wurde der Prozess der Herstellung der Nasenspitze der wiederverwendbaren Feststoffraketen des Space Shuttles verbessert, wodurch die Gefahr von Nasenspitzenfragmenten und anderen Schäden am Wärmeschutzsystem des Space Shuttles deutlich verringert wurde. Diese Untersuchungen und Verfeinerungen fanden 14 Jahre vor der Mission STS-107 statt.

Ausfall der elektrischen Anlage

1. Rückwärtssteuerkreis

Die Mission AS-502 war der zweite Flugtest der Saturn-V-Trägerrakete. Die Nutzlast bestand aus dem Testobjekt der Mondlandefähre LTA-2R und der Raumsonde CSM-020, mit denen der Wiedereintritt mit nahezu einer Sekunde kosmischer Geschwindigkeit getestet wurde.

Die erste Stufe der Rakete trennte sich 149 Sekunden nach dem Start ab, dann zündeten die fünf J-2-Triebwerke und arbeiteten bis 319 Sekunden, bis der Schub des Triebwerks Nr. 2 um mehr als ein Drittel abfiel. 412,92 Sekunden nach dem Start stieg die Temperatur im Motorraum der J-2 Nr. 2 plötzlich an und der Motor ging daraufhin aus. Mehr als eine Sekunde später ging auch das Triebwerk Nr. 3 aus. Allerdings berücksichtigt der Controller im Instrumentenraum der Rakete die ballistischen Veränderungen nur beim Ausfall eines einzelnen Triebwerks und verfügt über keinen integrierten Plan für den Fall, dass zwei Triebwerke ausfallen. Daher wurde dennoch versucht, den vorgesehenen 4-Schuss-Arbeitsmodus wiederherzustellen. Die Rakete beschleunigte im falschen „Head-Up“-Modus weiter, bis sich nach 576 Sekunden die S-II-Stufe ablöste. Sie brannte 57,81 Sekunden länger als erwartet, wodurch die Rakete auf eine völlig falsche Flugbahn geriet.

Zwei Probleme mit der S-II-Stufe – ein Leck im Balg des Zünders von Triebwerk Nr. 2 führte dazu, dass Triebwerk Nr. 2 aufgrund einer Kraftstoffunterbrechung abgeschaltet wurde. Motor Nr. 3 wurde abgeschaltet, weil die Steuerleitungen der beiden Motoren irrtümlicherweise vertauscht angeschlossen waren. Daher wurde der Befehl zum Schließen des Oxidationsventils an Motor Nr. 3 gesendet, was zu einer vorzeitigen Abschaltung führte.

2. Falsche Parametereinstellungen

Der Kommunikationssatellit SES-14 ist ein 4.423 kg schwerer, vollelektrischer Satellit, der auf der All-ElectricSat-3000EOR-Plattform gebaut wurde und die GOLD-Nutzlast der NASA trägt. GOLD ist ein hyperspektraler Detektor für fernes Ultraviolett, der im Band von 132 nm bis 162 nm arbeitet. Es verfügt über zwei identische und unabhängige Detektoren und wird hauptsächlich zur Beobachtung der Ionosphäre der Erde verwendet. Damit können die Auswirkungen geomagnetischer Stürme und Sonnenstürme auf die Ionosphäre und einige Eigenschaften der Ionosphäre selbst untersucht werden.

Kommunikationssatellit SES-14

Der Kommunikationssatellit Al Yah-3 wiegt 3.795 kg und basiert auf der GEOStar-3-Plattform. Es gehört zur Al Yah Satellite Communications Company der VAE. Der Satellit verwendet BT-4-Triebwerke von Ishikawajima-Harima Heavy Industries, um seine Umlaufbahn anzuheben, und XR-5-Hall-Triebwerke, um seine Position zu halten.

Am 26. Januar 2018, Pekinger Zeit, beförderte die Ariane-5-Rakete zwei Kommunikationssatelliten ins All. Die Zielumlaufbahn war eine spezielle supersynchrone Transferbahn mit einem Perigäum von 250 Kilometern, einem Apogäum von 45.234 Kilometern und einer Neigung von 3 Grad. Eine solche Umlaufbahn wurde konzipiert, weil SES-14 ein vollelektrischer Satellit ist. In dieser Umlaufbahn wird der Satellit 24 Stunden am Tag vom Sonnenlicht beleuchtet, was ihm einen einfachen Aufstieg in eine elliptische Umlaufbahn mit einer Periode von 24 Stunden ermöglicht, sodass der elektrische Antrieb zum Anheben der Umlaufbahn eingeschaltet bleiben kann. Auch der Sekundärsatellit Al Yah3 ist mit einem Elektroantrieb ausgestattet, so dass die Auswirkungen auf ihn nicht allzu groß sind.

Doch Sekunden nachdem die erste Stufe abgeschaltet und abgetrennt und die zweite Stufe gezündet worden war, ging das Telemetriesignal der Rakete verloren.

Tatsächlich war die Rakete beim Abheben in die falsche Richtung unterwegs. Ariane gab an, es handele sich um ein Problem mit der zweiten Stufe der Rakete. Später am selben Tag wurden die beiden Satellitensignale von Bodenstationen erfasst.

Der Satellit erreichte eine Umlaufbahn mit einem Perigäum von 232 km, einem Apogäum von 42.163 km und einer Neigung von 20,64°. SES gab bekannt, dass die Lebensdauer des Satelliten SES-14 kaum beeinträchtigt werde, die Anhebung der Umlaufbahn und Positionierung jedoch weitere vier Wochen in Anspruch nehmen werde. Allerdings hatte „Al Yah 3“ Pech. Würde man aufgrund des falschen Perigäumswinkels chemische Triebwerke direkt zur Anhebung der Umlaufbahn einsetzen, würde sich die Lebensdauer des Planeten um mindestens sechzehn Jahre verkürzen – das käme einem Totalverlust gleich.

Der Satellit Al Yah 3 wurde durch vier Zündungen chemischer Triebwerke in eine elliptische Umlaufbahn gebracht. Am 9. Mai 2018 wurde der Satellit Al Yah3 schließlich erfolgreich positioniert. Im Oktober 2019 schloss SES-14 zudem die Positionierung mit Elektroantrieb erfolgreich ab.

Das Problem liegt im Leitsystem der Ariane-5-Rakete. Diese Mission ist etwas ganz Besonderes, es handelt sich um eine supersynchrone Transferbahn. Daher hätte ein bestimmter Parameter in der Trägheitsnavigationseinheit der Ariane-5-Rakete aufgrund der speziellen Flugazimut-Anforderung auf 70° eingestellt werden müssen, tatsächlich war er jedoch auf 90° eingestellt, was letztendlich dazu führte, dass sich die Rakete beim Rollen um 20 Grad weiter nach Süden drehte - und schließlich flog die Rakete bei T+566 aus der Telemetriereichweite und verlor das Signal.

Fehler im Steuerungssystem

Ignorierte mathematische Symbole

Am 22. Juli 1962 wurde die Atlas Agena B erfolgreich vom Luftwaffenstützpunkt Cape Canaveral gestartet, die Mission scheiterte jedoch bald. In den letzten Sekunden vor der Abschaltung der Atlas-Rakete wurde die Rakete auseinandergerissen und vom Missionskontrollzentrum gezündet, woraufhin die Fragmente in den Atlantik fielen. Nach mehreren Monaten der Untersuchung kam das Problem ans Licht. Der Lenkalgorithmus der Atlas-Rakete basierte auf der Berechnung der Durchschnittsgeschwindigkeit. Bei der Eingabe dieser Variable in den Navigationscomputer wurde der kleine Strich, der den Durchschnitt darstellte, ignoriert, sodass die vom Radar gemessene Momentangeschwindigkeit die Durchschnittsgeschwindigkeit ersetzte. Dieses Problem ist bereits früher aufgetreten, hatte jedoch keine Auswirkungen auf den Flug. Normalerweise empfängt die Rakete über die Antenne viermal die von der Bodenstation gemessenen Geschwindigkeitsdaten. Dieses Mal jedoch erfasste die Empfangsantenne den Boden nicht, sodass der Navigationscomputer automatisch auf den Führungsalgorithmus des Pfeils umschaltete und eine Überkorrektur vornahm, die dazu führte, dass die Rakete von ihrem Kurs abkam.