Vorbeugender Schutz vor Gewittern beim Start von Raumfahrzeugen

Satelliten sind eine Notwendigkeit im modernen Leben für eine Vielzahl von Zwecken (Wettervorhersage, wissenschaftliche Erforschung, Fernkommunikation usw.).

Die Fahrzeuge, die Satelliten in die Umlaufbahn bringen, sind empfindlich gegenüber natürlichen und raketeninduzierten Blitzgefahren. Aus diesem Grund hat die NASA das LLCC-Regelwerk entwickelt, um zu beurteilen, ob die Wetterbedingungen die Starts zulassen. Seit seiner Anwendung sind Zwischenfälle wie die von Apollo 12 und Atlas-Centaur 67 nicht mehr aufgetreten. Innerhalb dieser Kriterien spielt das umgebende elektrische Feld eine wesentliche Rolle und wird durch ein Netzwerk von Feldmühlen (elektrostatische Feldsensoren) am Kennedy Space Center gemessen.

Satellitenstartaktivitäten und Weltraumerkundungsmissionen nehmen kontinuierlich zu. Kommunikationssatelliten sind für das moderne Leben unverzichtbar und stellen eine Investition von mehreren Milliarden Dollar dar. Satelliten werden von speziell entwickelten Trägerraketen in die Umlaufbahn gebracht. Dies sind in der Regel Raketen mit Steuer- und Leitsystemen1.

Andererseits ist die Weltraumforschung aus technologischen, wissenschaftlichen und oft auch politischen Gründen ein Bereich mit zunehmender Relevanz. Infolgedessen wächst die Nachfrage nach Starteinrichtungen und -programmen weiter, was es zu einem lukrativen Geschäftsangebot macht1.

Schlechtes Wetter ist die Hauptursache für Startverzögerungen und -stornierungen. Sowohl Trägerraketen als auch Raumfähren reagieren während des Starts und des Transits durch die untere Atmosphäre empfindlich auf die Gefahr von Blitzen. Raketen enthalten Oxidationsmittel, Treibstoff und gegebenenfalls auch Elektrosprengkörper zur Selbstzerstörung. Ein Blitzeinschlag könnte daher katastrophale Folgen haben, die zu Verlust von Menschenleben, Zeit und wirtschaftlichen Kosten führen1.

Die Gefahr eines Gewitters führte zur Entwicklung meteorologischer Kriterien zur Minderung des Blitzrisikos während des Starts. Sie sind als Lightning Launch Commit-Kriterien (LLCC) bekannt. Seit ihrer Einführung wurden etwa 5 % der Starts am Cape Canaveral/John F. Kennedy Space Center (KSC) abgesagt und 35 % verschoben2.

Tatsächlich musste die Orbitalmission Artemis I, deren Start am 29. August 2022 geplant war, die Betankung aufgrund von Stürmen auf See verschieben. Nach Abschluss des Betankungsvorgangs wurden Temperaturprobleme in einem der Raketentriebwerke festgestellt. Die Mission verzögerte sich mehrmals aufgrund technischer Probleme, aber auch wegen der Anwesenheit der Tropenstürme Ian und Nicole. Die Mission wurde am 16. November 2022 erfolgreich gestartet.

Im Folgenden kommentieren wir die LLCC-Startregeln der NASA für Raumfahrzeuge und die Bedeutung von Detektoren für elektrostatische Felder für die Bewertung des Risikos von Blitzeinschlägen in der Region.

Lightning Launch Commit Criteria (LLCC) der NASA

LLCCs sind eine Reihe von Regeln, die von der NASA und anderen US-Bundesorganisationen entwickelt wurden, um das Risiko von Auswirkungen während des Starts von Raumfahrzeugen zu mindern. Sie decken sowohl natürliche als auch raketeninduzierte Freisetzungen ab. Die neueste Version der LLCCs ist im NASA-STD-4010-Standard 20173 veröffentlicht. LLCCs und die damit verbundenen Definitionen werden jedoch ständig überarbeitet, basierend auf neuen Erkenntnissen und Erfahrungen, die im Laufe der Jahre des US-Weltraumprogramms4 gesammelt wurden.

Während die Bedrohung durch Gewitter in den frühen Tagen des Weltraumzeitalters bis zum Start von Apollo 12 im Jahr 1969 berücksichtigt wurde, wurden fahrzeuginduzierte Blitze, die durch das Fliegen durch stark elektrifizierte Wolken erzeugt wurden, die sich nicht natürlich entladen4, nicht berücksichtigt.

Bei Apollo 12 wurden in der ersten Flugminute zwei induzierte Blitzeinschläge beobachtet. Diese Einschläge verursachten dauerhafte Schäden an unkritischen Sensoren sowie vorübergehende Ausfälle kritischer Systeme. Die Mission wurde dank der Problemlösung der Besatzung abgeschlossen. Aufgrund dieses Vorfalls wurden neue Regeln eingeführt, die das Fliegen in der Nähe von Gewittern oder durch bestimmte Arten von Nicht-Gewitterwolken verbieten, jedoch mit einem potenziellen Risiko einer Elektrifizierung1.

Im Gegensatz dazu erlitt die Rakete Atlas-Centaur 67 (AC 67) von 1987, die den Satelliten Fleetsatcom enthielt, einen Aufprall, der dadurch verursacht wurde, dass die Rakete eine elektrifizierte Wolke passierte. Dieser Blitz verursachte einen Ausfall des Leitsystems des Fahrzeugs. Infolge einer ungeplanten Drehung wurden Spannungen erzeugt und die Rakete begann auseinanderzubrechen und wurde zur Selbstzerstörung befohlen. Aus dem Atlantik geborgene Trümmer bestätigten, dass ein Blitzeinschlag stattgefunden hatte1.

Es wurde jedoch festgestellt, dass, obwohl die 1987 geltenden LLCCs mangelhaft waren, die Hauptursache für die Katastrophe die falsche Einschätzung war, da die richtige den Start von AC 675 verhindert hätte.

Ein Standard NASA-STD-4010 bietet einheitliche technische und technische Anforderungen für Verfahren, Praktiken und Methoden für NASA-Programme und -Projekte. Auch die technische Veröffentlichung NASA/TP-2016-219439 von 20165 liefert die wissenschaftliche Grundlage für den Standard, obwohl dieses Dokument auf den LLCCs vom August 2014 basiert und daher keine späteren Änderungen enthält, die möglicherweise im Standard von 2017 enthalten sind.