On-Orbit Servicing

mini|Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten am Hubble-Weltraumteleskop durch die Astronauten Smith und Grunsfeld mini|Orbital Express: ASTRO und NEXTSat

On-Orbit Servicing (Abk.: OOS) beinhaltet Montage-, Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten an einem im Orbit befindlichen künstlichen Objekt (Satellit, Raumstation, Raumfahrzeug) mit dem Ziel die Nutzungsdauer des Zielobjektes zu verlängern und/oder dessen Fähigkeiten zu erweitern (Upgrade). OOS kann hierbei in bemannte und unbemannte Missionen untergliedert werden.

Hintergrund Bemannte OOS-Missionen Bemannte OOS-Missionen können als Bestandteile der bemannten Raumfahrt angesehen werden. Sollte eine Systemkomponente versagen, versucht die Besatzung dieses zu reparieren oder zu ersetzen, ob an einem Raumschiff oder an einer Raumstation. Im Nachfolgenden einige erfolgreiche OOS Missionen: Skylab (1973): Skylab war die erste Raumstation, bei der eine geplante OOS-Mission mit der Besatzung beim Eintreffen durchgeführt werden musste. Solar Maximum Mission (1980): Erster modular aufgebauter NASA-Satellit. Palapa-B2 und Westar-VI (1984) Saljut 7 (1985): Reaktivierung und Reparatur der vollständig ausgefallenen Raumstation durch die Besatzung von Sojus T-13 Hubble-Weltraumteleskop (1993–2009) Raumstationen, wie Mir und ISS: Aufbau, Instandhaltung, Erweiterung

Unbemannte OOS-Missionen Während bemannte OOS-Missionen zwangsläufig zum Standard in der bemannten Raumfahrt gehören, sind die meisten unbemannten noch auf theoretisch-experimentellem Level. Das einzige bereits einsatzreife System ist das Mission Extension Vehicle von Northrop Grumman.

Im Nachfolgenden einige Projekte und Studien zu OOS:

Unbemannt durchgeführte Projekte Space Robot Technology Experiment (ROTEX, 1993): Das ROTEX (sensorbasierter Roboterarm) startete 1993 mit der Spacelab-D2-Mission der Columbia. Das Experiment demonstrierte erfolgreich, dass die Meilensteine für robotische Anwendungen im Weltraum wie sensorbasierte und geteilte Autonomie und die Echtzeitteleoperation von einer Bodenstation aus möglich sind.

Ranger Telerobotic Flight Experiment (RFX/TFX, 1993–2005): Das Space Systems Laboratory an der University of Maryland widmet sich der Aufgabe, dass Robotersysteme dem Menschen bei Weltraumspaziergängen produktiv unterstützen. Das Ranger Telerobotic Flight Experiment (RTFX oder TFX) begann 1993 und sollte eine wissenschaftliche Mission mit dem Ziel sein, eine Datenbasis in Beziehung zwischen einen Reparatursatellit und einer Bodenstationssimulation zu erhalten. Für dieses Experiment war ein Satellit und eine ähnliche Unterwasserversion (Neutral Buoyancy Vehicle, NBV) vorgesehen. Das TFX-Programm ging 1996 in das Ranger Telerobotic Shuttle Experiment (RTSX oder TSX) über. Jedoch wurde die finanzielle Unterstützung der NASA 2001 eingestellt.

Engineering Test Satellite VII (ETS-VII) mit GETEX (1998)

Robotics Component Verification on ISS (ROKVISS, 2005–2010): ROKVISS war ein Experiment zum Testen robotischer Komponenten unter Weltraumbedingungen.ROKVISS, Institut für Robotik und Mechatronik, DLR, abgerufen am 29. Oktober 2020 Ende Januar 2005 wurde der zweigelenkige Roboterarm mit seiner Plattform am russischen Service Modul der ISS montiert.Deutscher Roboterarm auf der Internationalen Raumstation durchläuft weitere Tests, Institut für Robotik und Mechatronik, DLR, abgerufen am 29. Oktober 2020 Die Kommunikationsverbindung war ein direkter Radiolink, das bedeutet, deren Verbindung zur Bodenstation nur für maximal acht Minuten per Orbitumlauf aufrechterhalten erhalten werden kann.

Weitere: Experimental Satellite System 10 (XSS-10, 2003) und XSS-11 (2005) Demonstration for Autonomous Rendezvous Technology (DART, 2005) Orbital Express (2007) Prisma (2010) Robonaut 2: transportiert zur ISS im Februar 2011

Konzepte und Studien Experimental Servicing Satellite (ESS, 1993): Die ESS-Studie und der dafür vorgesehene Labordemonstrator wurden nach der erfolgreich durchgeführten ROTEX Mission (1993) gestartet. Ziel dieser Studie war die Bestimmung des dynamischen Verhaltens bei Rendezvous- und Dockingmanövern. Hierfür wurde ein Dockingmechanismus entwickelt, welcher sich in das Apogäumstriebwerk des Zielsatelliten (wenn vorhanden) einklinken kann.DLR, Institute of Robotics and Mechatronics, Status Report 1997–2004 (englisch)

Spacecraft Modular Architecture Design For On-Orbit Servicing (SMARD, 1996): Bei der SMARD-Studie wurde das Kosten-Nutzenverhältnis von OOS-Missionen evaluiert. Ein Konzept dabei sah die Stationierung von 10 oder weniger Reparatursatelliten im LEO auf verschiedenen Orbitebenen vor. Diese können dann zum OOS eingesetzt werden, jedoch müssen die zu reparierenden Satelliten OOS-fähig sein.Reynerson Dr. Charles M.: „Spacecraft Modular Architecture Design“, Study Final Report, 18. Oktober 1996, Naval Research Laboratory

Operational Servicing Satellite (ESS – OSS, 1999): Aufgrund der ROSAT-Entwicklung, bei dem keine Triebwerke für eine Wiedereintritts-Initiierung vorgesehen waren, wurde die ESS-OOS Studie in Auftrag gegeben. Bei dieser Studie sollten mögliche Einfang- und Wiedereintrittsstrategien untersucht werden.

Spacecraft Life Extension System (SLES, ~2002): Das SLES, welches in Kooperation zwischen DLR und Orbital Recovery Corp. entwickelt werden sollte, sah einen Reparatursatelliten vor, der an einen beeinträchtigten Telekommunikationssatelliten im GEO andocken soll, mittels des in der ESS-Studie entwickelten Systems, um dessen Antriebs-, Lageregelungs- und Navigationssystem zu übernehmen. Alternativ soll auch ein gestrandeter Satellit in den richtigen Orbit manövriert werden können.

Robotic Geostationary orbit Restorer (ROGER, 2002): ROGER wurde 2002 von der ESA als Machbarkeitsstudie initialisiert, bei der ein nicht dafür vorgesehener geostationärer Satellit eingefangen und ein Orbitmanöver durchgeführt werden soll. Das DLR war in der Analyse der zwei Strategien involviert. Das eine Konzept sah bei der Durchführung der Einfangaktion ein Seil und das andere einen Greifer vor.

Technology Satellite for Demonstration and Verification of Space Systems (TECSAS, 2001–2006): ECSAS war ein deutsch-russisches Projekt zur Qualifizierung von robotischen Komponenten, welches im Jahre 2001 initialisiert wurde. Die Missionsdurchführung sah ein Rendezvous-, ein Annäherungs-, ein Umrundungsmanöver zur Inspektion, einen Formationsflug und weitere Manöver zum Einfangen und Manipulieren vor. Das Projekt wurde 2006 gestoppt. Die Erkenntnisse gingen in das Projekt Deutsche Orbitale Servicing Mission (DEOS, 2007) über.

Deutsche Orbitale Servicing Mission (DEOS, 2013–2018): Das Projekt DEOS der DLR sollte zur Datengewinnung bzgl. einer Systemlösung zum Bergen von havarierten Satelliten aus den Umlaufbahnen dienen. Ziel der Mission, die Ende 2017 starten sollte, war die Erprobung des sicheren Anfliegens und Einfangens von unkontrolliert fliegenden Satelliten. Die Mission hätte aus zwei Satelliten bestanden, wobei der eine den havarierten Satelliten simuliert hätte und mit dem anderen die Technologieerprobung durchgeführt worden wären. Das Projekt wurde 2018 aufgegeben.DEOS auf Gunter's Space Page, abgerufen am 6. September 2019.

Arten von OOS-Missionen In der Literatur können folgende OOS-Arten identifiziert werden:

Betankung: Auffüllen der Verbrauchsgüter beim Zielsatelliten mit z. B. Treibstoff, Kühlmittel, …

Orbitmanöver: Korrektur der Orbitbahn nach fehlerhaften Orbiteinschuß durch die Transferstufe oder vorzeitigem Zielsatellitenausfall, bevor dieser auf den Friedhofsorbit transferiert werden konnte.

Reparatur: Repariert werden könnte ein einfacher Schadensfall, wie ein Versagen des Ausfahrens einer Antenne, oder ein komplexer Schadensfall, was dem Ausfall einer Komponente bedeutet. Ist der Zielsatellit nicht für eine Reparatur vorgesehen, können mitunter komplexe Schadensfälle nicht repariert werden.

Upgrade: Austausch von Systemkomponenten mit Komponenten neuester Technologie, die eine Steigerung des Nutzens, des Zielsatelliten, ermöglichen.

Aufbau und Montage großer Strukturen: Das Prinzip des Aufbaus großer Strukturen wird in der NASA mit „Born-in-space architecture“ bezeichnet. Hierbei werden große Strukturen modular aufgebaut und die Teilsysteme im Orbit zu einem Objekt zusammengefügt.

Weltraummüllbeseitigung: Die Beseitigung des Weltraummülls ist eine Art „Orbitmanöver“, wobei das Zielobjekt (defekter Satellit, ausgebrannte Oberstufe, …) auf einen Wiedereintrittsorbit transferiert wird. Hintergrund ist die Überlegung, die als Kesslersyndrom bezeichnet wird, dass bei weiterer Zunahme des Weltraummülls eine Raumfahrt nicht mehr möglich sein könnte. Weitere Überlegungen in diese Richtung führen zum Aufbau von Depots für Verbrauchsgüter. Das Hermes-Konzept greift diese Idee mit der Nutzlaststation auf. Hierdurch wird dem Reparatur-/Servicesatellit ermöglicht mehrere Zielsatelliten anfliegen zu können, um einen Service durchzuführen.

Sullivan konnte in seiner DissertationSullivan Brook Rowland: Technical and Economic Feasibility of Telerobotic On-Orbit Satellite Servicing, University of Maryland, 2005 fünf Service- bzw. Fehlerarten und deren Fehlerhäufigkeit identifizieren. Diese geben eine Auskunft darüber, welche aufgelistete OOS Art am häufigsten vorkommt und damit das größte Potential besitzt:

57,4 %: Komplexe Wartungs-, Instandhaltungs- und Reparaturarbeiten 17,7 %: Orbitmanöver 12,1 %: Inspektion 7,8 %: Betankung 5,0%: Einfache Wartungs-, Instandhaltungs- und Reparaturarbeiten

Aus der Auflistung wird ersichtlich, dass der Ausfall von Komponenten (komplexe Reparaturarbeiten/Schadensfälle) eine der häufigsten Fehlerursachen ist. Da diese die größte Herausforderung an die Technologie des Reparatursatelliten darstellt und die Servicezeit erheblich verlängert wird, falls der Austausch einer Komponenten überhaupt möglich ist, wurde die Designphilosophie der Orbital Replacement Unit entwickelt. Diese soll den Aufwand des Services erheblich reduzieren, so dass komplexe Reparaturarbeiten übergehen in einfache.

Orbital Replacement Unit Das Orbital Replacement Unit-Konzept (ORU) ist eine Designphilosophie für künstliche Weltraumobjekte, wie Satelliten, Raumschiffe und Raumstationen. Dabei wird der Satellit so in Module aufgeteilt, dass diese bei einer Service-Mission ohne größere Probleme ausgetauscht werden können. Hauptaugenmerk liegt dabei auf Größe, Zugänglichkeit und einfach zu verbindende Schnittstellen zum Rest des Satelliten. Beispiele für die Anwendung dieses Konzepts sind z. B. die Solar Maximum Mission, das Hubble-Weltraumteleskop und die Internationale Raumstation.

Ein typisches ORU am Hubble-Weltraumteleskop wird als eine separate Box am Satelliten, die mittels Verschlüsse und Konnektoren montiert und demontiert werden kann, bezeichnet.

Rahmenbedingungen mini|Satellitenverteilung im GEO mini|Satellitenverteilung im GEO (detaillierter Ausschnitt) mini|Satellitenverteilung im LEO mini|Satellitenverteilung im LEO (detaillierter Ausschnitt) Im Nachfolgenden wird einfachheitshalber als Beispiel das Objekt Satellit verwendet, jedoch beziehen sich die Rahmenbedingungen auf Objekte (Satellit, Raumstation, Raumschiff, Weltraummüll, …). Die Rahmenbedingungen sind dabei dieselben, jedoch können geringfügige Variationen auftreten. In der NASA-Studie konnten acht Kategorien/Rahmenbedingungen identifiziert werden. Die nachfolgenden vier Punkte stimmen im Wesentlichen mit den acht Kategorien der NASA-Studie überein:

Ort des Zielsatelliten – hat Einfluss auf: Wirtschaftliches Potential, die Telekommunikationsverbindung, den Servicesatelliten, die Missionsart