Sojus (Raumschiff)

Die Abbildung zeigt die drei Elemente des Sojus TMA Raumschiffs.

Ein Sojus-Raumschiff besteht aus drei Teilen (von vorne nach hinten):

• Ein sphäroidisches Orbitalmodul, das die Besatzung während ihrer Mission beherbergt;
• Ein kleines aerodynamisches Wiedereintrittsmodul, das die Besatzung zur Erde zurückbringt;
• Ein zylindrisches Servicemodul mit angebrachten Sonnenkollektoren, das die Instrumente und Triebwerke enthält.

Die Orbital- und Servicemodule sind Einweg-Module und werden beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zerstört. Obwohl dies verschwenderisch erscheinen mag, reduziert es die Menge an Hitzeschild, die für den Wiedereintritt benötigt wird, und spart Masse im Vergleich zu Designs, die den gesamten Lebensraum und die Lebenserhaltung in einer einzigen Kapsel enthalten. Dies ermöglicht kleinere Raketen für den Start des Raumfahrzeugs oder kann genutzt werden, um den bewohnbaren Raum, der der Besatzung zur Verfügung steht, zu vergrößern (6,2 m3 (220 cu ft) in Apollo CM vs. 7,5 m3 (260 cu ft) in Sojus) im Massenbudget. Der Orbital- und Wiedereintrittsbereich ist der bewohnbare Lebensraum, während das Servicemodul den Treibstoff, die Haupttriebwerke und die Instrumentierung enthält. Die Sojus ist nicht wiederverwendbar; sie ist ein Verbrauchsmaterial. Für jede Mission muss ein neues Sojus-Raumschiff gebaut werden.

Sojus kann bis zu drei Besatzungsmitglieder befördern und bietet Lebenserhaltung für etwa 30 Personentage. Das Lebenserhaltungssystem bietet eine Stickstoff-Sauerstoff-Atmosphäre mit Partialdrücken auf Meereshöhe. Die Atmosphäre wird durch Kalium-Superoxid (KO2)-Zylinder regeneriert, die den größten Teil des von der Besatzung produzierten Kohlendioxids (CO2) und Wassers absorbieren und den Sauerstoff regenerieren, sowie durch Lithiumhydroxid (LiOH)-Zylinder, die das restliche CO2 absorbieren.

Das Fahrzeug wird während des Starts durch eine Nutzlastverkleidung geschützt, die zusammen mit dem SAS nach 2 1⁄2 Minuten abgeworfen wird. Sie verfügt über ein automatisches Andocksystem. Das Schiff kann automatisch oder von einem Piloten unabhängig von der Bodenkontrolle gesteuert werden.

Start-EntweichungssystemEdit

Das Wostok-Raumschiff verfügte über einen Schleudersitz, um den Kosmonauten im Falle eines Startfehlers in geringer Höhe sowie während des Wiedereintritts aus dem Schiff zu befreien, allerdings wäre dieser in den ersten 20 Sekunden nach dem Start wahrscheinlich unwirksam gewesen, da die Höhe für die Entfaltung des Fallschirms zu gering war. Inspiriert durch das Mercury LES begannen die sowjetischen Konstrukteure 1962 mit der Arbeit an einem ähnlichen System. Dazu gehörte die Entwicklung eines komplexen Sensorsystems zur Überwachung verschiedener Parameter der Trägerrakete und zur Auslösung eines Abbruchs, wenn eine Fehlfunktion des Boosters auftrat. Basierend auf Daten von R-7-Starts im Laufe der Jahre entwickelten die Ingenieure eine Liste der wahrscheinlichsten Fehlermodi für die Trägerrakete und konnten die Abbruchbedingungen auf die vorzeitige Trennung eines Strap-on-Boosters, geringen Triebwerksschub, Verlust des Brennkammerdrucks oder den Verlust der Boosterführung eingrenzen. Das Spacecraft Abort System (SAS; russ: Система Аварийного Спасения, romanisiert: Sistema Avarijnogo Spaseniya) konnte zwar auch manuell vom Boden aus aktiviert werden, aber im Gegensatz zu amerikanischen Raumfahrzeugen gab es keine Möglichkeit für die Kosmonauten, es selbst auszulösen.

Da es sich als nahezu unmöglich erwies, die gesamte Nutzlasthülle sauber vom Sojus-Servicemodul zu trennen, entschied man sich dafür, die Hülle bei einem Abbruch zwischen Servicemodul und Abstiegsmodul zu trennen. Vier klappbare Stabilisatoren wurden hinzugefügt, um die aerodynamische Stabilität während des Aufstiegs zu verbessern. Zwei Testläufe des SAS wurden in den Jahren 1966-1967 durchgeführt.

Das Grunddesign des SAS ist in den 50 Jahren seines Einsatzes fast unverändert geblieben und alle Sojus-Starts tragen es. Die einzige Änderung erfolgte 1972, als die aerodynamische Verkleidung über den SAS-Motordüsen aus Gründen der Gewichtsersparnis entfernt wurde, da das neu gestaltete Sojus 7K-T-Raumschiff zusätzliche Lebenserhaltungsgeräte mitführte. Die unbemannte Progress-Versorgungsfähre hat einen Dummy-Fluchtturm und entfernt die Stabilisierungsflossen von der Nutzlastabdeckung. Es gab bereits drei fehlgeschlagene Starts eines Sojus-Fahrzeugs mit Besatzung: Sojus 18a im Jahr 1975, Sojus T-10a im Jahr 1983 und Sojus MS-10 im Oktober 2018. Der Fehlstart 1975 wurde nach dem Abwurf des Rettungsturms abgebrochen. Im Jahr 1983 rettete das SAS von Sojus T-10a die Kosmonauten erfolgreich vor einem Feuer auf der Startrampe und einer Explosion der Trägerrakete. Zuletzt im Jahr 2018 rettete das SAS-Subsystem in der Nutzlasthülle von Sojus MS-10 die Kosmonauten erfolgreich vor einem Raketenversagen 2 Minuten und 45 Sekunden nach dem Start, nachdem der Rettungsturm bereits abgeworfen worden war.

OrbitalmodulBearbeiten

Das Orbitalmodul des Sojus-Raumschiffs Modul

Sojus-Raumschiff Abstiegsmodul

Instrumenten-/Antriebsmodul des Sojus-Raumschiffs

Der vordere Teil des Raumschiffs ist das Orbitalmodul (russ: бытовой отсек, umgangssprachlich: bytovoi otsek), das auch als Wohnsektion bezeichnet wird. Es beherbergt alle Geräte, die beim Wiedereintritt nicht benötigt werden, wie Experimente, Kameras oder Fracht. Das Modul enthält auch eine Toilette, die Andockavionik und die Kommunikationsausrüstung. Das Innenvolumen beträgt 6 m3 (210 cu ft), der Wohnbereich 5 m3 (180 cu ft). Bei den neuesten Sojus-Versionen (seit Sojus TM) wurde ein kleines Fenster eingeführt, das der Besatzung einen Blick nach vorne ermöglicht.

Eine Luke zwischen ihm und dem Abstiegsmodul kann geschlossen werden, um es bei Bedarf als Luftschleuse zu isolieren, wobei die Besatzungsmitglieder durch die seitliche Öffnung (in der Nähe des Abstiegsmoduls) aussteigen. Auf der Startrampe betritt die Besatzung das Raumfahrzeug durch diese Öffnung. Durch diese Trennung kann das Orbitalmodul auch an die Mission angepasst werden, ohne dass das lebenswichtige Abstiegsmodul gefährdet wird. Die Konvention der Orientierung in einer Mikro-G-Umgebung unterscheidet sich von der des Abstiegsmoduls, da die Besatzungsmitglieder mit dem Kopf zur Andocköffnung stehen oder sitzen. Auch die Rettung der Besatzung auf der Startrampe oder mit dem SAS-System wird durch das Orbitalmodul erschwert.

Die Abtrennung des Orbitalmoduls ist kritisch für eine sichere Landung; ohne Abtrennung des Orbitalmoduls ist es für die Besatzung nicht möglich, die Landung im Abstiegsmodul zu überleben. Dies liegt daran, dass das Orbitalmodul die ordnungsgemäße Entfaltung der Fallschirme des Abstiegsmoduls behindern würde und die zusätzliche Masse die Fähigkeit des Hauptfallschirms und der Bremstriebwerke übersteigt, eine sichere weiche Landegeschwindigkeit zu gewährleisten. Aus diesem Grund wurde bis in die späten 1980er Jahre das Orbitalmodul vor der Zündung des Rückkehrtriebwerks abgetrennt. Damit war gewährleistet, dass Abstiegsmodul und Orbitalmodul getrennt wurden, bevor das Abstiegsmodul in eine Wiedereintrittsflugbahn gebracht wurde. Nach der problematischen Landung von Sojus TM-5 im September 1988 wurde dieses Verfahren jedoch geändert und das Orbitalmodul wird nun nach dem Rückkehrmanöver getrennt. Diese Änderung wurde vorgenommen, da die TM-5-Besatzung nach dem Abwurf des Orbitalmoduls, das die sanitären Einrichtungen und die Andockmanschette zur Ankopplung an die Mir enthielt, erst nach 24 Stunden den Orbit verlassen konnte. Das Risiko, das Orbitalmodul nicht abtrennen zu können, wird tatsächlich als geringer eingeschätzt als das Risiko, die darin befindlichen Einrichtungen, einschließlich der Toilette, nach einem fehlgeschlagenen Deorbit zu benötigen.

AbstiegsmodulBearbeiten

Nachbildung des Einstiegsmoduls des Sojus-Raumschiffs im Euro Space Center in Belgien

Das Abstiegsmodul (russisch: Спуска́емый Аппара́т, tr. Spuskáyemy Apparát), auch Wiedereintrittskapsel genannt, wird für den Start und die Rückreise zur Erde verwendet. Die Hälfte des Abstiegsmoduls ist zum Schutz beim Wiedereintritt mit einer hitzebeständigen Hülle überzogen; diese Hälfte zeigt beim Wiedereintritt nach vorne. Es wird zunächst durch die Atmosphäre abgebremst, dann durch einen Bremsfallschirm, gefolgt vom Hauptfallschirm, der das Raumschiff für die Landung abbremst. In einem Meter Höhe über dem Boden werden die hinter dem Hitzeschild angebrachten Feststoffbremsmotoren gezündet, um eine weiche Landung zu ermöglichen. Eine der Konstruktionsvorgaben für das Abstiegsmodul war, dass es einen möglichst hohen volumetrischen Wirkungsgrad haben sollte (Innenvolumen geteilt durch die Hüllenfläche). Die beste Form dafür ist eine Kugel – wie das Abstiegsmodul des Pionierraumschiffs Wostok – aber eine solche Form kann keinen Auftrieb erzeugen, was zu einem rein ballistischen Wiedereintritt führt. Ballistische Wiedereintritte sind aufgrund der hohen Verzögerung hart für die Insassen und können nicht über den ersten Deorbit-Burn hinaus gesteuert werden. Deshalb entschied man sich für die „Scheinwerfer“-Form, die die Sojus verwendet – ein halbkugelförmiger vorderer Bereich, der durch einen kaum geneigten (sieben Grad) konischen Abschnitt mit einem klassischen Hitzeschild mit kugelförmigem Abschnitt verbunden ist. Diese Form erlaubt es, durch die ungleiche Gewichtsverteilung einen geringen Auftrieb zu erzeugen. Der Spitzname wurde zu einer Zeit erdacht, als fast jeder Scheinwerfer kreisförmig war. Die geringen Abmessungen des Abstiegsmoduls führten dazu, dass es nach dem Tod der Sojus-11-Besatzung nur mit zwei Mann besetzt werden konnte. Das spätere Raumschiff Sojus T löste dieses Problem. Das Innenvolumen von Sojus SA beträgt 4 m3 (140 cu ft); 2,5 m3 (88 cu ft) sind für die Besatzung nutzbar (Wohnraum).

ServicemodulBearbeiten

Am Heck des Fahrzeugs befindet sich das Servicemodul (russisch: прибо́рно-агрега́тный отсе́к, tr. pribórno-agregátny otsék). Es hat einen druckbeaufschlagten Behälter in Form einer ausgebeulten Dose (Instrumentenraum, priborniy otsek), der Systeme zur Temperaturregelung, Stromversorgung, Langstrecken-Funkkommunikation, Funktelemetrie sowie Instrumente zur Orientierung und Steuerung enthält. Ein druckloser Teil des Servicemoduls (Antriebskompartiment, agregatniy otsek) enthält das Haupttriebwerk und ein flüssigkeitsbetriebenes Antriebssystem für das Manövrieren in der Umlaufbahn und die Einleitung des Abstiegs zurück zur Erde. Außerdem verfügt das Schiff über ein System von Triebwerken mit geringer Schubkraft zur Orientierung, das im Zwischenkompartiment (perekhodnoi otsek) angebracht ist. Außerhalb des Servicemoduls befinden sich die Sensoren für das Orientierungssystem und das Solarfeld, das durch Rotation des Schiffes zur Sonne ausgerichtet wird. Eine unvollständige Trennung zwischen Service- und Wiedereintrittsmodul führte bei Sojus 5, Sojus TMA-10 und Sojus TMA-11 zu Notfallsituationen, die zu einer falschen Wiedereintrittsorientierung (Besatzungseintrittsluke zuerst) führten. Durch das Versagen mehrerer Sprengbolzen wurde bei den beiden letztgenannten Flügen die Verbindung zwischen Service- und Wiedereintrittsmodul nicht gekappt.

Wiedereintrittsverfahren

Die Sojus verwendet eine ähnliche Methode wie das US-amerikanische Apollo-Kommando und Servicemodul, um sich selbst zu deorbitieren. Das Raumfahrzeug wird mit dem Triebwerk nach vorne gedreht und das Haupttriebwerk wird für den Deorbit auf der erdabgewandten Seite vor dem geplanten Landeplatz gezündet. Dies erfordert den geringsten Treibstoff für den Wiedereintritt; das Raumfahrzeug reist auf einer elliptischen Hohmann-Transferbahn zum Eintrittsschnittpunkt, wo der atmosphärische Luftwiderstand es genug abbremst, um aus der Umlaufbahn zu fallen.

Bei frühen Sojus-Raumfahrzeugen würden sich dann das Service- und das Orbitalmodul gleichzeitig vom Abstiegsmodul lösen. Da sie durch Schläuche und elektrische Kabel mit dem Abstiegsmodul verbunden sind, würde dies ihre Trennung erleichtern und vermeiden, dass das Abstiegsmodul seine Ausrichtung ändert. Bei späteren Sojus-Raumschiffen wurde das Orbitalmodul vor dem Zünden des Haupttriebwerks abgetrennt, was Treibstoff sparte. Seit dem Landeproblem von Sojus TM-5 wird das Orbitalmodul wieder erst nach dem Wiedereintrittszünder abgetrennt, was zu Notfallsituationen von Sojus TMA-10 und TMA-11 führte (aber nicht verursachte). Das Orbitalmodul kann nicht als Zusatz zu einer Raumstation im Orbit verbleiben, da die Schleusenluke zwischen Orbital- und Wiedereintrittsmodul ein Teil des Wiedereintrittsmoduls ist und das Orbitalmodul daher nach der Abtrennung drucklos wird.

Der Wiedereintrittsschuss erfolgt in der Regel auf der „Dämmerungsseite“ der Erde, so dass das Raumfahrzeug beim Abstieg in der Abenddämmerung von den Bergungshubschraubern gesehen werden kann, wenn es von der Sonne beleuchtet wird, wenn es sich über dem Erdschatten befindet. Das Sojus-Raumschiff ist so konzipiert, dass es an Land landet, normalerweise irgendwo in den Wüsten Kasachstans in Zentralasien. Dies steht im Gegensatz zu den frühen bemannten Raumfahrzeugen der Vereinigten Staaten, die im Meer landeten.

RaumschiffsystemeBearbeiten

Sojus-Diagramm

Explosionszeichnung des Sojus MS-Raumschiffs.

• Thermalkontrollsystem – Sistema Obespecheniya Teplovogo Rezhima, SOTR
• Lebenserhaltungssystem – Kompleks Sistem Obespecheniya Zhiznedeyatelnosti, KSOZh
• Stromversorgungssystem – Sistema Elektropitaniya, SEP
• Kommunikations- und Verfolgungssysteme – Rassvet (Dawn) Funkkommunikationssystem, Onboard-Messsystem (SBI), Kvant-V Raumfahrzeugsteuerung, Klyost-M Fernsehsystem, Orbit-Funkverfolgung (RKO)
• Onboard-Komplex-Steuerungssystem – Sistema Upravleniya Bortovym Kompleksom, SUBK
• Kombiniertes Antriebssystem – Kompleksnaya Dvigatelnaya Ustanovka, KDU
• Chaika-3 Bewegungssteuerungssystem (SUD)
• Optische/visuelle Geräte (OVP) – VSK-4 (Vizir Spetsialniy Kosmicheskiy-4), Nachtsichtgerät (VNUK-K, Visir Nochnogo Upravleniya po Kursu), Andocklicht, Pilotenvisier (VP-1, Vizir Pilota-1), Laserentfernungsmesser (LPR-1, Lazerniy Dalnomer-1)
• Kurs-Rendezvous-System
• Andocksystem – Sistema Stykovki i Vnutrennego Perekhoda, SSVP
• Teleoperator-Steuerungsmodus – Teleoperatorniy Rezhim Upravleniya, TORU
• Einstiegsaktuatoren-System – Sistema Ispolnitelnikh Organov Spuska, SIO-S
• Landehilfen-Kit – Kompleks Sredstv Prizemleniya, KSP
• Tragbares Überlebenskit – Nosimiy Avariyniy Zapas, NAZ, enthält eine TP-82 Kosmonauten-Überlebenspistole oder eine Makarow-Pistole
• Sojus-Startflucht-System – Sistema Avariynogo Spaseniya, SAS