Jules Verne: rendez-vous van ruimtevrachtwagen met internationaal ruimtestation

Jules Verne is de eerste van acht onbemande Automated Transfer Vehicles (ATV) die tussen 2006 en 2014 het International Space Station (ISS) moeten bevoorraden. Hij krijgt een veeleisende opdracht. De Jules Verne moet laten zien dat hij - onder leiding van het ATV-controlecentrum in Toulouse (Frankrijk) - automatisch én veilig kan omgaan met elke mogelijke noodsituatie bij de nadering van het ISS. Daarbij is de veiligheid van astronauten aan boord van het ISS van absoluut belang.

Aan de eerste ATV-missie worden bijzonder veel eisen gesteld en dat is een gevolg van de vele zaken die men tijdens de vlucht wil nagaan. Zo moet hij laten zien dat het rendez-vous van de ruimtecargo van 20,7 ton met het ISS op elk mogelijk moment kan worden onderbroken. De Jules Verne moet de nadering tot het station kunnen stopzetten en zich weer van het ISS, dat een massa van 178 ton heeft, kunnen verwijderen.

Simulatie van noodprocedure

Wanneer de Jules Verne zich op een afstand van 225 meter achter en onder het ISS bevindt moet hij met zijn actief vluchtcontrolesysteem een automatische noodprocedure simuleren. Dit zogenaamde Guidance, Navigation and Control-systeem (GNC) is bij wijze van spreken de automatische piloot van de ATV.

Het cilindervormige ESA-ruimteschip, dat met een lengte van 10 meter en een diameter van 4,5 meter ongeveer zo groot is als een bus, moet op een veilige manier de nadering tot het ISS afbreken en zich weer even van het ruimtestation verwijderen alvorens een nieuwe koppelpoging te beginnen.

Rendez-vous

De Jules Verne wordt vanaf Europa's 'ruimtehaven' Kourou in Frans Guyana gelanceerd met behulp van een Ariane 5-raket. Een dag later zal hij op een afstand van 20 meter van het ISS nog een ander veiligheidssysteem testen. Tijdens de laatste fase van het rendez-vous zal het ATC-controlecentrum of de ISS-bemanning een manoeuvre uitvoeren ter vermijding van een botsing, een zogenaamde Collision Avoidance Manoeuvre (CAM). In tegenstelling tot de hiervoor beschreven manoeuvre wordt dit uitgevoerd door een systeem dat volledig onafhankelijk is van de normale GNC-controle. Dat zorgt voor extra veiligheid.

Pas bij de derde poging tijdens de derde dag zal de ATV een koppeling met het ruimtestation uitvoeren. Het zal het eerste volledig automatisch rendez-vous zijn dat ooit met een Europees ruimtevaartuig is uitgevoerd. De Jules Verne zal er zeven tot tien dagen over doen om zijn missie te voltooien. Wanneer een jaar later een tweede ATV naar het ISS wordt gestuurd zal die er slechts drie tot vijf dagen over doen om het ISS te bereiken.

Automatisch ruimteschip

Na zijn lancering vanuit Frans Guyana komt de Jules Verne in een baan om de aarde met een hoek van 51,6 graden ten opzichte van de evenaar, net zoals het ISS. Maar in tegenstelling tot het ISS zal hij niet op een hoogte van 400 kilometer, maar op amper 230 kilometer boven het aardoppervlak ronddraaien. Ongeveer 75 minuten na de lancering, na afscheiding van de lanceerraket, wordt de ATV een volledig automatisch ruimteschip.

Nadat hij in een baan om de aarde is gekomen voert de ATV eerst een aantal automatische procedures en manoeuvres uit, zoals het oppenklappen van antenne en zonnepanelen. Deze manoeuvres worden berekend, ingeladen en opgevolgd door het ATV-controlecentrum (gehuisvest in de gebouwen van de Franse ruimtevaartorganisatie CNES in Toulouse), via het Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en de Artemis-communicatiesatelliet van ESA.

Koppeling

Wanneer de ATV zich binnen 30 kilometer afstand van en 6 kilometer onder het ruimtestation bevindt, maakt hij door middel van microgolven contact met het station. Dan begint hij met de nauwkeurige nadering van het ISS met behulp van GPS-technologie.

De vluchtleiders zorgen er vervolgens voor dat de ATV zijn doel via een stapsgewijze en vooraf vastgelegde procedure nadert. Daarbij is er toelating nodig van het ISS-vluchtcontrolecentrum in Moskou (MCC-M), want de koppeling gebeurt met de Russische Zvezda-module van het ruimtestation. Verder is er coördinatie met het vluchtcontrolecentrum in Houston (MCC-H), dat verantwoordelijk is voor het gehele ruimtestation. Bij elk van deze stappen voert de ATV automatische manoeuvres uit.

Grote uitdaging

”Het is een opmerkelijk automatisch ruimtevaartuig,” zegt Philippe Estaque, één van de vluchtleiders in het controlecentrum in Toulouse. “Wanneer alles normaal verloopt, dus volgens het vluchtplan, zal de ATV veel taken zelf uitvoeren, terwijl hij door het controlecentrum wordt gevolgd en in de gaten gehouden. Voor vluchtleiders zoals wij, gewoon om satellieten in de gaten te houden vormen de ATV-operaties een grote uitdaging. Eigenlijk moeten we een heel nieuw concept uitwerken, omwille van de specifieke kenmerken van het ruimtetuig en de betrokkenheid van onder meer de vluchtleidingscentra in Moskou en Houston en de ISS-bemanning.”

Dat de ATV zelfstandig taken kan uitvoeren is van cruciaal belang in verband met hoge eisen die bemande ruimtevluchten op het vlak van veiligheid stellen.

Met de nauwkeurigheid van een euro

Voor de laatste manoeuvres tijdens zijn rendez-vous beschikt de ATV over sensoren die er als ogen uitzien en verdere bijkomende meetsystemen. Daardoor is een automatische koppeling met het ISS mogelijk met een ongelooflijke nauwkeurigheid van amper 1,5 centimeter en dat terwijl de ATV en het ISS rond de aarde draaien met een snelheid van 28.000 kilometer per uur...

“Het eerste Europees ruimtevaartuig dat een rendez-vous heeft met het ISS moet een koppeling uitvoeren met een nauwkeurigheid die te vergelijken is met de grootte van een munt van één euro,” zegt ESA-astronaut Jean-François Clervoy die bij het ATV-programma betrokken is.

Een half jaar gekoppeld met het ISS

Op ieder willekeurig moment tijdens de nadering van het ruimtestation kan het rendez-vous – op basis van gegevens van sensoren of een beslissing van de bemanning van het ISS of van het vluchtcontrolecentrum – worden afgebroken, hervat of zelfs uitgesteld. De Jules Verne zal al deze mogelijkheden demonstreren en het ISS bevoorraden met 6,7 ton water, brandstof en ‘droge’ materialen.

Na de koppeling met het ruimtestation blijft de Jules Verne gedurende zes maanden een intrinsiek onderdeel van het ISS. Tijdens de uiterst kritieke fasen van de ATV-missie, van de lancering tot de koppeling met het ISS en van de ontkoppeling tot de terugkeer in de atmosfeer, werken er 60 vluchtleiders in het controlecentrum.

Vurig einde

Wanneer de ATV aan het station is gekoppeld en hij zich in ‘slaapstand’ bevindt, houdt het controleteam in Toulouse de ATV vierentwintig uur per dag in ploegendienst in de gaten. In geval van nood kan een volledige ploeg vluchtleiders binnen het uur weer paraat zijn.

De ATV-operaties, met inbegrip van de communicatie met Moskou en Houston, gebeuren in het Engels. Na zes maanden aan het ruimtestation te zijn vastgekoppeld zal de Jules Verne zich van het ISS loskoppelen en boven de Stille Oceaan met een gecontroleerde vurige duik in de atmosfeer aan zijn einde komen. Hij zal dan, volgestouwd met 6,5 ton afval, dienst doen als soort komische vuilnisbak. Ook bij zijn levenseinde worden dezelfde veiligheidprocedures gevolgd als bij de koppeling met het internationaal ruimtestation.