Apollo (Raumschiff)

North American Apollo CSM
Apollo CSM-112 (Apollo 15) in der Mondumlaufbahn
Beschreibung
Verwendung:	Erd- und Mondumlaufbahn
Besatzung:	3 (Kommandant, CSM Pilot, LM Pilot)
Abmessungen
Höhe:	11,03 m
Durchmesser:	3,90 m
Volumen:	6,17 m³
Massen
CM:	5.809 kg
SM:	24.523 kg (vollgetankt)
Gesamt:	30.332 kg
Triebwerke
CM Steuerdüsen (N2O4/UDMH)	12 × 412 N
SM Steuerdüsen (N2O4/UDMH)	16 × 441 N
Hauptantrieb (N2O4/UDMH)	1 × 97,86 kN
Einsatzdaten
Missionsdauer:	14 Tage (200 Erdumkreisungen)
Apogäum:	386,242 km
Perigäum:	160 km
Delta v:	2804 m/s
Apollo CSM Diagramm
CSM mit Rettungsrakete (NASA)
North American Apollo CSM

Apollo war ein Raumschiff, das Mitte der 1960er im Rahmen des Apollo-Programms von North American Aviation entwickelt wurde. Es bestand aus zwei Komponenten: dem Kommandomodul (CM) und dem Servicemodul (SM). Die Kombination (CSM) wurde erst kurz vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre getrennt. Nur das CM mit den drei Astronauten an Bord war mit einem Hitzeschild ausgestattet und für einen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre und eine Wasserung ausgerüstet.

Kommandomodul (CM)

Das CM hat eine Masse von 5900 kg bei einer Höhe von 3,23 m und einen Durchmesser von 3,91 m.

Vorderteil

Im Vorderteil sind Stabilisierungsschirme (drogue chutes) sowie die drei großen Hauptfallschirme untergebracht. Letztere öffnen sich nach dem Wiedereintritt in einer Höhe von 2,5 km. Zwei Schirme sind ausreichend für eine sichere Wasserung. Bei Apollo 15 versagte einer der drei Schirme, ohne dass es zu Schäden oder Verletzungen kam. Weiterhin sind im oberen Bereich zwei Steuerdüsen des Lagekontrollsystems für den Wiedereintritt sowie das Kopplungssystem und die Luke für die Mondlandefähre (Lunar Module) angebracht. Abschließend finden sich dort Antennen und Signalleuchten, welche die Bergung auf See erleichtern, sowie aufblasbare Ballons, die das System aufrichten, sofern die Landekapsel nach der Wasserung mit der Spitze nach unten schwimmt.

Mittelteil

Schnittbild des Apollo-CM

Dort befindet sich die druckfeste Kabine für die Astronauten. Darin sind die Hauptinstrumententafel zur Kontrolle und Steuerung des Raumschiffs, die Lebenserhaltungssysteme und einige Materialschränke untergebracht. Es gibt fünf kleine Fenster und seitlich die Luke für den Ein- und Ausstieg. Die Lebenserhaltungssysteme kontrollieren die Kabinenatmosphäre und halten die Temperatur bei 22 Grad. Während des Fluges besteht sie aus reinem Sauerstoff bei einem Drittel des Drucks auf der Erde. Nur in der Startphase wird, nach den leidvollen Erkenntnissen aus der Katastrophe mit Apollo 1, 40 % Stickstoff hinzugefügt. An Bord befinden sich zudem Landkarten vom Mond wie auch von der Erde, Sternenkarten zur Navigation und Orbitkarten für jede der einzelnen Missionsphasen.

Das CM bot jedem Astronauten etwa zwei Kubikmeter Raum.

Heck

Im Heck des CM sind zehn weitere Steuerdüsen des Lagekontrollsystems für den Wiedereintritt, deren Treibstoff sowie Helium- und Wassertanks untergebracht. Die Struktur besteht hier aus dreieckigen Rippen, die auf der den Fallschirmen gegenüberliegenden Seite verformbar ausgelegt sind und im Fall einer Landung auf Land den Aufprall dämpfen.

Instrumente des CM

Der Hauptteil der Instrumente befindet sich auf der Hauptkontrolltafel, gegenüber den drei Liegen der Astronauten. Die Lebenserhaltungssysteme sind auf der linken Seite des Moduls angebracht, die Entsorgungssysteme auf der rechten Seite. Die Astronauten können das Raumschiff mittels an zwei der drei Liegen angebrachten Handcontrollern (Flysticks) steuern und stabilisieren. Die Hauptkontrollkonsole unterteilt sich in drei Bereiche. Die Bedienelemente sind so konstruiert, dass sie von den Astronauten auch mit Handschuhen bedient werden können.

• Die Flugkontrolle befindet sich auf der linken Seite, dem Platz des Kommandanten. Dazu gehören Instrumente für Stabilisierung, Steuerung, Schub und Landung. Weiterhin die Notfallsysteme ebenso wie eines der Bedienteile (DSKY - Display & Keyboard) für den Steuerungs- und Navigationscomputer (AGC - Apollo Guidance Computer), ein weiteres baugleiches Bedienteil ist am Navigationsteleskop angebracht. Von diesem Platz aus werden die beiden Dockingmanöver in der Mondtransferbahn bzw. in der Mondumlaufbahn durchgeführt, in der Sichtlinie des Kommandanten befindet sich dafür ein Fenster in der Andock- (=Flug-)richtung.
• In der Mitte sitzt der Pilot des Kommandomoduls. In seinem Bereich befinden sich die Warnsysteme sowie die Kontrollinstrumente für Lebenserhaltung und die Tanks. Am Fußende des Sitzes befinden sich die optischen Navigationsinstrumente, die im Flug mehrfach benutzt werden, um vor Kurskorrekturen den Kreiselkompass (IMU - Inertial Measurement Unit) zu justieren. Darunter ist auch ein fest eingebauter Space Sextant zur Positionsbestimmung sowie ein Teleskop. An diesem Arbeitsplatz befindet sich auch das andere Bedienteil für den Computer.
• Auf der rechten Seite sitzt der Pilot der Mondlandefähre. In seinem Segment sind die Kontrollsysteme für Kommunikation, Elektrik, Datenspeicher und Brennstoffzellen angebracht.

Navigation und Kommunikation

Zur eigenständigen Navigation war das CM mit einem eigenen Computer, dem Apollo Guidance Computer, und zwei Bedienkonsolen ausgerüstet. Der Sextant ist über Winkelencoder direkt mit dem Computer verbunden, die Bauform dieses Sextanten weicht insofern von den gewöhnlichen Geräten ab. (Ohne diesen Sextanten wäre Apollo 16 in ernste Schwierigkeiten geraten, da auf dieser Mission das elektronische Navigationssystem ausgefallen war.) Die Kommunikation findet im S-Band statt, insbesondere über die große, schwenkbare kleeblattförmige Richtantenne am Heck des SM. Für die Phase der Landung und Bergung steht darüber hinaus eine UKW-Verbindung mit einer ungerichteten Antenne zur Verfügung.

Hitzeschild der Landekapsel

Für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre mit etwa Fluchtgeschwindigkeit war die Landekapsel mit einem ablativen Hitzeschild aus Epoxidharz ausgerüstet.

Servicemodul (SM)

Explosionsdarstellung des Servicemoduls

Steuerdüsen (RCS) am Servicemodul

Das SM ist eine zylinderförmige, 7,50 m lange und 3,91 m durchmessende Konstruktion. Es enthält die elektrischen Lebenserhaltungs- und Kommunikationssysteme. Unterteilt ist es in eine Mittel- sowie weitere 6 Außensektionen. Darin befinden sich Tanks für den Antrieb, die Lageregelung, die Stromerzeugung und die Lebenserhaltungssysteme; die Steuertriebwerke und das Haupttriebwerk. An der Außenseite befinden sich vier Baugruppen mit je vier Steuerdüsen, Positionslichter, drei Antennen und vier Parabolantennen für die Kommunikation und die Radar-Transponder.

Struktur

Verbindung des CM mit dem SM bei Apollo 6

Die Struktur des Servicemoduls besteht aus einem inneren Zylinder mit einem Durchmesser von etwa einem Meter, umgeben von einem äußeren Zylinder von 3,91 m Durchmesser. Trennwände teilen den Raum zwischen innerem und äußerem Zylinder in sechs ungleich große Sektoren auf. Vorne und hinten werden die Zylinder durch Schotts abgeschlossen. Alle Teile sind aus gefrästen Aluminiumplatten gefertigt. Der innere Zylinder enthält zwei kugelförmige Tanks mit Helium unter hohem Druck.

Die sechs Sektoren sind wie folgt belegt (Zählung links oben beginnend und im Gegenuhrzeigersinn, vom CM aus gesehen):

• Sektor 1 ist ein 50°-Segment und war anfangs unbenutzt. Nach der Beinahe-Katastrophe von Apollo 13 wurde hier im oberen Teil ein dritter Sauerstofftank eingebaut. Bei den Flügen von Apollo 15, Apollo 16 und Apollo 17 befanden sich hier zusätzlich noch wissenschaftliche Instrumente zur Erforschung der Mondoberfläche aus der Mondumlaufbahn, wie Kameras, Höhenmesser und Strahlungsdetektoren; das äußere Panel wurde bei diesen Missionen abgesprengt (wie in obigem Bild des CSM-112 sichtbar).
• Sektor 2 umfasst 70° und wird für den ersten, größeren Oxidatortank verwendet. Dieser wird als "Auffangtank" (sump tank) bezeichnet. Der Tank ist 3,90 m hoch bei einem Durchmesser von 1,30 m und enthält 6315 kg des Oxidators.
• Sektor 3 ist ein 60°-Segment und enthält den zweiten Oxidatortank, den "Lagertank" (storage tank). Der Oxidator aus diesem Tank gelangt zunächst in den Auffangtank und von dort zum Triebwerk. Dieser Tank ist 3,92 m lang, hat 1,14 m Durchmesser und enthält weitere 5118 kg.
• Sektor 4 ist wieder ein 50°-Segment. Im oberen Teil sind die drei Brennstoffzellen untergebracht, darunter die zwei Tanks mit superkritischem Sauerstoff für die Brennstoffzellen und die Lebenserhaltungssysteme. Ganz unten befinden sich zwei Tanks mit superkritischem Wasserstoff für die Brennstoffzellen.
• Sektor 5, ein 70°-Segment enthält den Brennstoff-Auffangtank. Es wird das gleiche zweistufige Konzept verwendet. Bei gleicher Größe wie sein gegenüberliegendes Gegenstück enthält dieser Tank 3950 kg Brennstoff.
• Sektor 6 ist ein weiteres 60°-Segment für den Brennstoff-Lagertank. Er enthält weitere 3200 kg Brennstoff.

Alle Tanks bestehen aus Titanblech von 1,36 mm Stärke.

Die Elektrik befindet sich vornehmlich auf dem vorderen Schott. Insgesamt nimmt die Anordnung der Systeme auf die Schwerpunktlage Rücksicht. Nachdem sich keine vollständige Kompensation erreichen ließ, ist das Triebwerk so eingebaut, dass die Nulllage um 1,5° von der geometrischen Achse abweicht.

Triebwerk

Schema des Antriebs

Das Triebwerk des SM, das AJ10-137 entwickelt von der Aerojet-General Corporation, erzeugt einen Schub von 97,5 kN und ist für maximal 50 Zündvorgänge ausgelegt. Als Brennstoff wird Aerozin 50 verwendet, eine Mischung aus 50 % Hydrazin und 50 % Unsymmetrischem Dimethylhydrazin, als Oxidator kommt Distickstofftetroxid zum Einsatz, lagerfähige hypergole Treibstoffe. Eine Zündung im eigentlichen Sinn mittels Funken erfolgt nicht, die beiden Flüssigkeiten zünden bei Kontakt miteinander. Das Triebwerk hat keine Pumpe. Vielmehr werden der Brennstoff und der Oxidator durch Helium als Treibgas aus ihren Tanks in die Brennkammer gepresst. Der Aufbau wird damit auf Kosten der Leistung einfach und zuverlässig. Das gesamte Triebwerk und die Triebwerksdüse haben eine Länge von 3,90 m und wiegen zusammen 293 kg. Allein die Düse ist 2,80 m lang und hat einen Durchmesser von 2,10 m.

Tanks

Zwei Brennstofftanks mit einem Fassungsvermögen von insgesamt 7,2 t, und zwei Oxidatortanks mit einem Fassungsvermögen von insgesamt 11,4 t (s.o.) versorgen das Triebwerk. Allein diese Treibstoffe machen mehr als 75 % der Gesamtmasse des SM aus. Die zwei kugelförmigen Heliumtanks für die Druckgasförderung befinden sich im Mittelteil des Moduls. Zwei weitere Tanks mit einem Volumen von jeweils 144 l liefern den Sauerstoff für die Brennstoffzellen und die Lebenserhaltung. Zudem gibt es für die Brennstoffzellen zwei Wasserstofftanks mit einem Volumen von jeweils 13 l. Das Unglück bei Apollo 13 war auf ein defektes Heizungselement in einem der Sauerstofftanks zurückzuführen, welches bereits früher in einem Raumschiff eingesetzt, vor dem Start des früheren Raumschiffs jedoch wieder entfernt und trotz des Defektes bei Apollo 13 verwendet wurde.

Stromversorgung des CSM

Drei alkalische Brennstoffzellen sind für die Stromerzeugung und Versorgung des Raumschiffs verantwortlich. Sie produzieren neben dem Strom noch Wärme und Trinkwasser. Weiterhin liefern Silberoxid-Zink-Batterien 1,5 kW Leistung und gewährleisten die Versorgung während des Wiedereintritts und der Landung. Zwei weitere Silber-Zinkoxid-Batterien im CM liefern 28 Watt und lösen die Explosionen in den Sprengbolzen für die Trennung der dritten Raketenstufe, für die Trennung von CM und SM sowie die der Rettungsrakete (LES) aus. Sie sind auch für die Auslösung der Fallschirme zuständig. Insgesamt benötigt das CSM eine elektrische Leistung von 2000 W.

Modifikationen für Skylab

Um den erheblich geänderten Anforderungen für den Flug zur Raumstation Skylab und insbesondere dem Umstand, dass das CSM über mehrere Monate an die Station angedockt blieb, Rechnung zu tragen, wurden die letzten vier CSMs CSM-116 bis CSM-119 umfassend modifiziert und folgende Ausrüstungen ergänzt bzw. hinzugefügt:

• eine Einrichtung zur Stromübertragung zwischen Skylab und dem CSM
• rückstoßfreie Abströmventile ('non-propulsive vent') für Wasserstoff und Sauerstoff
• zusätzliche Isolation und Heizer zur Thermalkontrolle
• Batterien und Treibstoff
• Racks für Experimente
• geänderte Software und Verbesserungen am Aufrichtesystem

Im Gegenzug entfielen:

• ein Helium-Drucktank und die beiden Lagertanks des Antriebs (der Antriebsbedarf war erheblich geringer)
• ein großer Teil des Stauraumes für Abfälle (für diese bot Skylab genügend Platz)
• die schwenkbare S-Band-Richtantenne am Heck
• eine der drei Brennstoffzellen

Für eine Rettungsmission hätte ein CSM weiter modifiziert und für fünf Astronauten ausgerüstet werden können. Die rückwärtigen Schränke wären gegen zwei weitere Liegen ausgetauscht und das Lebenserhaltungssystem entsprechend ergänzt worden. Eine Zweimanncrew hätte zu Skylab fliegen und die Crew abholen können.

Die einzelnen Apollo-Raumschiffe

Siehe auch

• Primary Guidance, Navigation and Control System
• Gemini-Raumschiff

Weblinks

• Schnittdarstellung des Commandmodules bei FlightGlobal.com
• John Fitch: Science Reporter. Computer for Apollo. M.I.T., NASA, Fehler bei Vorlage:Internetquelle, datum=Mitte 1960er Jahre, abgerufen am 2. September 2014 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).