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Raumfahrzeug Cygnus

Das Cygnus Spacecraft ist ein unbemanntes Frachtversorgungs-Raumschiff, das von der Orbital Sciences Corporation entwickelt und betrieben wird.

Das Cygnus-Programm begann als Teil des Commercial Orbital Transportation Services Program (COTS) der NASA und wird nach Abschluss des ersten Demonstrationsflugs in das Commercial Resupply Services Program aufgenommen.

Cygnus transportiert unter Druck stehende Fracht zur Internationalen Raumstation.

Das Raumfahrzeug wird an Bord der Antares-Rakete von Orbital gestartet, die vom Mid-Atlantic Regional Spaceport in Virginia abhebt. Cygnus kann keine Fracht zur Erde zurückbringen und verglüht beim Wiedereintritt, um sich selbst und nicht mehr benötigte Gegenstände von der ISS zu entsorgen.

Druckfrachtmodul

Cygnus Standard und Cygnus Enhanced verwenden Druckfrachtmodule, die von Thales Alenia Space, Italien, gebaut wurden. Das Modul basiert auf dem Multi Purpose Logistics Module (PCM), das auf mehreren Space Shuttle-Missionen geflogen wurde, um Druckfracht zur ISS zu liefern.

Es hat einen Durchmesser von 3,07 Metern und eine Länge von 3,66 Metern in der Standardkonfiguration und 5,05 Metern mit einem zusätzlichen Segment in der erweiterten Konfiguration. Das Standard-PCM hat eine Trockenmasse von 1.500 Kilogramm und die verbesserte Version wiegt 1.800 kg. In das Standard-PCM können 2.700 Kilogramm Fracht gepackt werden, während die verbesserte Version 800 kg mehr zulässt. Das Frachtmodul hat ein Druckvolumen von 18,9 Kubikmetern in der Standardkonfiguration und 27 Kubikmetern in der verbesserten Konfiguration. Die Leistungsaufnahme des PCM beträgt weniger als 850 Watt.

Das PCM verfügt über eine 94 mal 94 Zentimeter große Luke, die in den 127 Zentimeter großen Common Berthing Mechanism Ring integriert ist. Wie alle anderen Besuchsfahrzeuge verfügt Cygnus über die passive Seite des CBM, während die ISS mit einem aktiven Common Berthing Mechanism ausgestattet ist.

Das PCM kann 3.500 kg Fracht aufnehmen, die durch einen zerstörenden Wiedereintritt entsorgt wird.

Servicemodul

Das Cygnus Servicemodul befindet sich im hinteren Teil des Raumfahrzeugs und dient der Energieerzeugung &, der Fahrzeugsteuerung, dem Antrieb, der Lenkung und der Greifvorrichtung für den Roboterarm der Station. Das SM basiert auf dem GEOStar-Satellitenbus von Orbital und verwendet Elemente des NASA-Raumschiffs Dawn, das von Orbital hergestellt wurde. Es misst 3,23 Meter im Durchmesser und 1,29 Meter in der Höhe.

SM ist mit ausfahrbaren Solaranlagen, Batterien und Avionik für die Stromerzeugung, -speicherung und -verteilung ausgestattet. Die Solaranlagen können bis zu 4 Kilowatt elektrische Leistung erzeugen.

Die Standard-Cygnus ist mit zwei Drei-Panel-Solaranlagen von Dutch Space ausgestattet. Die verbesserte Cygnus verfügt über Ultra Flex Solar Arrays, die von Alliant Techsystems, ATK, gebaut wurden. Die kreisförmigen Arrays werden mit Hilfe von Antriebsmotoren ausgefahren und haben ein geringes Gewicht, das nur 25 % der Masse typischer Solararrays aus Paneelen beträgt. Darüber hinaus sind die Arrays von ATK kompakter, wenn sie verstaut werden. Die Arrays liefern eine Leistung von 3.500 Watt, wenn Cygnus in einer auf die Sonne ausgerichteten Position fliegt.

Das SM enthält auch das Hauptantriebs- und Fluglagenkontrollsystem des Raumfahrzeugs. Cygnus verfügt über IHI BT-4-Triebwerke für Manöver zur Anpassung der Umlaufbahn. BT-4 wurde von IHI Aerospace, Japan, entwickelt und hat eine Trockenmasse von 4 Kilogramm und eine Länge von 0,65 Metern. Das Triebwerk liefert 450 Newton Schub mit Monomethylhydrazin-Treibstoff und Stickstofftetroxid-Oxidator. Die Treibstoffe werden in kugelförmigen Tanks gelagert, die mit Helium unter Druck gesetzt werden. Das Lageregelungssystem von Cygnus wird für die Neuausrichtung und kleine Rendezvous-Zündungen verwendet, wobei 32 Monopropellant-Triebwerke mit einem Nennschub von jeweils 31 Newton zum Einsatz kommen.

Das Servicemodul ist auch mit dem Leit-, Navigations- und Kontrollsystem des Fahrzeugs sowie mit Kommunikationsgeräten zur Kommunikation mit Bodenstationen, der ISS und dem Tracking and Data Relay Satellite System ausgestattet.

Navigationssystem

Cygnus ist mit Star Trackern und einem absoluten GPS-System ausgestattet, um seine Position im Orbit während des freien Fluges zu bestimmen. Während des Rendezvous mit der Internationalen Raumstation schaltet Cygnus auf relatives GPS um, um seine Position relativ zur ISS zu bestimmen. Zu Beginn der Annäherungsoperationen verwendet Cygnus sein Annäherungsnavigationssystem.

Cygnus verwendet ein von Neptec entwickeltes TriDAR-System. TriDAR (Triangulation and LIDAR Automated Rendezvous and Docking) ist ein Rendezvous-Navigationssystem, das sich nicht auf Referenzmarkierungen am Zielort stützt. Stattdessen verwendet TriDAR einen laserbasierten 3D-Sensor und Wärmebildkameras zur Erfassung von 3D-Daten des Ziels, die von einer Software mit der bekannten Form des Zielraumschiffs verglichen werden. Auf diese Weise kann TriDAR die relative Position, die Entfernung und die relative Geschwindigkeit berechnen. Der Computeralgorithmus ist in der Lage, die relative Lage mit 6 Freiheitsgraden (6DOF) in Echtzeit zu berechnen, wobei ein MILD-Ansatz (More Information Less Data) verwendet wird. „TriDAR arbeitet in einem Entfernungsbereich von 0,5 Metern bis über 2000 Meter, ohne dabei an Geschwindigkeit oder Präzision einzubüßen“, heißt es auf der Website von Neptec.

ISS gesehen von Tridar

Der 3D-Sensor von TriDAR kombiniert die autosynchrone Lasertriangulationstechnologie mit dem Laserradar (LIDAR) in einem einzigen Paket, um Verfolgungsdaten auf kurze und lange Distanz zu liefern.

Das Lasertriangulationssystem basiert auf dem Laserkamerasystem (LCS), das im Orbiter Boom Sensor System des Space Shuttle verwendet wurde, um den Hitzeschild des Fahrzeugs in der Umlaufbahn zu überprüfen.

TriDAR bietet die Funktionalität von zwei 3D-Scannern, indem es die optischen Pfade der beiden aktiven Teilsysteme multiplexiert. Das Wärmebildgerät wird verwendet, um die Reichweite des Systems über den Einsatzbereich des LIDAR hinaus zu erweitern.

TriDAR wurde im Weltraum auf den Space Shuttle-Missionen STS-128, STS-131 und dem letzten Shuttle-Flug, STS-135, getestet.

Bei STS-135 begann TriDAR mit der Verfolgung der ISS aus 34 Kilometern Höhe bis zum Andocken, und während des Abdockens lieferte das System beeindruckende Bilder von der ISS und lieferte 3D- und Wärmebilder der Station als Teil des letzten Shuttle-basierten Umflugs der ISS.

Flugprofil

Cygnus wird an der Spitze der Antares-Rakete von Orbital gestartet, die sie 630 Sekunden nach dem Start auf eine 250 mal 275 Kilometer große, um 51,66 Grad geneigte Umlaufbahn bringt. Von dort aus beginnt Cygnus mit Bahnanpassungen und Phasenmanövern, um sich mit der ISS zu verbinden, die die Erde in einer Höhe von 410 Kilometern umkreist. Im Laufe des ersten Teils des Fluges aktiviert Cygnus seine Sender und fährt seine Solaranlagen aus.

Außerdem wird das Fahrzeug einer Reihe von Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass alle Systeme wie vorgesehen funktionieren. Mit Hilfe von Star-Trackern und GPS führt Cygnus mehrere Triebwerksverbrennungen durch, um seine Höhe zu erhöhen und sich der ISS zu nähern.

Wenn es sich in der 28-Kilometer-Kommunikationszone um die ISS befindet, schaltet das Fahrzeug auf relatives GPS um und kommuniziert mit den GPS-Systemen der ISS, um seine relative Position zur Station zu berechnen. Cygnus nähert sich der ISS auf dem R-Balken und kommt direkt von unterhalb der ISS. Wenn sich das Fahrzeug der ISS nähert, schaltet es auf sein TriDAR-Nahbereichsnavigationssystem um, um die endgültige Annäherung fortzusetzen.

Die Besatzungsmitglieder an Bord der ISS können über das Crew Command Panel mit Cygnus interagieren, sollte während des Rendezvous etwas Ungewöhnliches geschehen. Sobald Cygnus einen Punkt erreicht hat, der 10 Meter von der ISS entfernt ist, stoppt sie ihre Annäherung und geht in die freie Drift über, um von Canadarm2 eingefangen zu werden. Der Roboterarm der Raumstation wird von ISS-Besatzungsmitgliedern gesteuert, um das Raumschiff zu ergreifen.

Nach dem Ergreifen wird Cygnus an der Nadir-CBM des Harmony-Moduls der ISS festgemacht. Nach der Befestigung werden die Leckprüfungen abgeschlossen und die Luken zwischen ISS und Cygnus geöffnet, damit die Besatzungsmitglieder Zugang zum Frachtmodul erhalten. Im Laufe der angedockten Mission, die in der Regel 30 Tage dauert, bringen die Besatzungsmitglieder Fracht von Cygnus zur ISS und beladen das Fahrzeug mit Müll und nicht mehr benötigten Gegenständen.

Wenn die Luken wieder geschlossen sind, bewegt Canadarm2 Cygnus auf 10 Meter zurück und gibt das Fahrzeug frei, das dann eine Reihe von Triebwerksverbrennungen durchführt, um die Umgebung der ISS zu verlassen. In sicherer Entfernung führt Cygnus seine Deorbit-Zündung durch, um über dem Pazifischen Ozean wieder in die Atmosphäre einzutreten. Beim Wiedereintritt bricht das Fahrzeug auseinander und verbrennt teilweise, bevor überlebende Fragmente in den Pazifik fallen, weit weg von bewohnten Landmassen.