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SOFIA

Beim Namen Sofia denken viele zuallererst an einen weiblichen Namen – Flugzeugenthusiasten dagegen sind sofort aufmerksam. SOFIA steht auch für Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, ein Forschungsflugzeug oder treffender – eine fliegende Sternwarte. Die Maschine, ein Gemeinschaftsprojekt von NASA und DLR, befindet sich bereits seit mehr als 10 Jahren im Einsatz in mehrwöchigen Forschungskampagnen und soll mit einem Infrarotteleskop neue Erkenntnisse über das Weltall beitragen.

Mentioning the name Sofia, many people will first consider a female name – but aviation enthusiasts immediately look up and focus. SOFIA is also the abbreviation for Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, a research aircraft or to be more precise – a flying astronomical lab. The aircraft, a joint project of NASA and DLR is in operation since more than 10 years, flying in research campaigns of various duration. Main mission is the exploration of space with the on board infrared telescope.

Die Idee, Teleskope in Flugzeuge einzubauen, um so einen Blick ins Weltall werfen zu können, kam erstmals in den späten 60er Jahren auf, als die Wissenschaftler Gerard Kuiper und Frank Low in verschiedenen Projekten Flugzeuge für die Sternenbeobachtung nutzten. Darunter waren eine Convair CV-990, genannt Gallileo Observatory, danach eine Douglas A-3 Skywarrior und schließlich ein Learjet 24, in die Teleskope verbaut wurden. Das zuletzt genannte Projekt wurde LJO (Learjet Observatory) bezeichnet und beinhaltete ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von ca. 30 cm, welches in einer Öffnung eines herausgebauten Fensters eingebaut war. In Flughöhen von 13 Kilometern konnten die Forscher dann ihre Beobachtungen über Sternentstehungsgebiete oder Galaxien vornehmen.

Allerdings war bald klar, dass ein größeres Teleskop nötig war, weswegen das folgende Projekt auf einer Lockheed C-141 Starlifter und damit einem deutlich größeren Flugzeug basierte. Dieser direkte Vorgänger der SOFIA wurde KAO (Kuiper Airborne Observatory) nach dem oben genannten Wissenschaftler Gerard Kuiper genannt, und von 1974 bis 1995 betrieben. Der verbaute Spiegel des Teleskops maß hier bereits über 90 cm Durchmesser womit die Forschungsmöglichkeiten verbessert werden konnten. Eine auch der breiten Öffentlichkeit bekannte Entdeckung des KAO waren zum Beispiel 1977 die Uranusringe.

The idea of integrating telescopes in aircraft to reach out for the stars was developed in the late 1960s by the scientists Gerard Kuiper and Frank Low, who used various aircraft with telescopes to watch stars. The planes in use have been a Convair CV-990, named Gallileo Observatory, superseded by a Douglas A-3 Skywarrior and finally a Learjet 24 – all equipped with telescopes. This final project was named LJO (Learjet Observatory) and included a telescope with a mirror with approximately 30cm of diameter operating through an opening formerly used as window. Flying in heights of 13 kilometres, the scientists could make observations on star-forming regions or other galaxies.

But it became quickly obvious, that a more spacious aircraft would provide clear benefits. Consequently, the next project was based on the significantly larger Lockheed C-141 Starlifter. This direct predecessor of the SOFIA was named KAO (Kuiper Airborne Observatory), after the mentioned scientist Gerard Kuiper, and in operation from 1974 till 1995. The mirror of the telescope had already a diameter of 90cm, which enlarged the scientific research possibilities enormously. The public became aware of the capabilities due to the identification of the ring system around Uranus in 1977 – a scientific discovery made using KAO.

Zahlreiche Flugzeuge wurden also bereits vor der SOFIA mit großem Aufwand umgerüstet, da infrarotes Licht (=Wärmestrahlung), welches für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, für die Untersuchung von Planeten und Sternen viele neue Erkenntnisse ermöglicht. Durch den Einbau des Infrarot-Teleskops in ein Flugzeug ist es möglich, das All zu beobachten und dabei deutlich weniger Störungen durch den Wasserdampf in der Luft ausgesetzt zu sein (aufgrund der geringeren Dichte der Luft in größerer Höhe). Hauptgebiete der Erforschung mit Infrarot-Teleskopen wie dem der SOFIA sind die Erforschung der Entstehung und Entwicklung von Sternen, der Entwicklung von Milchstraßensystemen oder Sonnensystemen aus interstellaren Molekül- und Staubwolken.

Als Grundlage für SOFIA wurde eine 1977 gebaute Boeing 747SP verwendet. Die Entwicklung des Typs war die Antwort Boeings auf die Nachfrage einiger Airlines nach einem Ultralangstreckenflugzeug, wozu das Grundmodell der Boeing 747 um 15 m gekürzt und damit deutlich leichter wurde. Die Tragflächen und Triebwerke wurden aber unverändert übernommen, was die 747SP sehr schnell macht und ihr neben der sehr großen Reichweite zudem erlaubt sehr hoch zu fliegen (SP steht für „Special Performance“). Sowohl die Reichweite als auch die mögliche Flughöhe waren sicher stichhaltige Argumente bei der Wahl des Flugzeugtyps für ein Teleskop und sind für die Wissenschaftler bis heute relevant, SOFIA dringt bei ihren Flügen daher auch bis an den Rand der Stratosphäre (ca. 15 km Höhe) vor. Gleichzeitig ist die 747SP inzwischen eine echte Seltenheit im Flugverkehr, derzeit sind von den nur 45 gebauten Maschinen des Typs nur noch 4 aktiv. 

Various aircraft had thus already been rebuilt with significant efforts before SOFIA became reality, as infrared light (e.g. thermal radiation), which itself is not visible to the human eye, allows huge knowledge gains in the research of stars and planets. By integrating an infrared telescope in an aircraft it is possible to watch stars and have significantly less disturbing impact of vaporised water, which is everywhere in the air (but due to the thinner air much less in large heights). Main areas of research with infrared telescopes like the one in SOFIA are the exploration on the evolution of stars, the evolution of galaxies or solar systems from nebulas.

Basis for SOFIA is a Boeing 747SP built in 1977. The development of the type was an answer of Boeing to the demand of several airlines for an ultra-long-range aircraft, which the company tried to generate by shortening the basic Boeing 747 by 15 meters resulting in noticeably less weight. Wings and engines remained unchanged, which made the 7474SP very fast and gave the type the desired long range – but in addition as well the capability to fly very high (summarised by SP for “Special Performance”). Especially the range and the possible maximum altitude made the type a solid argument during the selection for a new aircraft to be equipped with a telescope. This is still relevant till today, as SOFIA reaches the lower areas of stratosphere (starting at 15 km height) during the flights. At the same time, a Boeing 747SP is very rare in operation today, currently only 4 airframes are still operational (from only 45 built).

Der Bau der SOFIA auf Basis einer Boeing 747SP wurde in einem Memorandum entschieden, welches NASA und DLR 1996 nach einigen Vorbesprechungen unterschrieben. Die dafür ausgewählte Maschine wurde 1997 nach 20 Jahren Einsatz als Passagierflugzeug bei PanAm und United Airlines von der NASA erworben. Beim Umbau des Flugzeugs in den Folgejahren wurden durch aufwendige Strukturarbeiten im hinteren Rumpfbereich der Boeing dann ein 5,5x4,1 m großes Tor installiert, hinter dem das 17 Tonnen schwere Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 2,7 Metern verbaut ist. Der vordere Teil der Kabine ist mit einem zusätzlichen Druckschott von der Teleskopsektion abgetrennt, laut DLR war dies der größte jemals vorgenommene Umbau eines Airliners. Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsstationen davor im mittleren Teil des Flugzeugs über der Tragfläche – nah am Teleskop und gleichzeitig im Schwerpunkt des Flugzeugs. Im Gegensatz zum früheren Einsatz als Passagierflugzeug mit mehreren hundert Passagieren befinden sich 3 Mann Cockpitbesatzung sowie ca. 15 Wissenschaftler und Techniker an Bord.

Nach zahlreichen Problemen und Verzögerungen beim Bau – nicht verwunderlich bei so einem einmaligen Projekt – erfolgte der Erstflug der umgebauten Maschine im Frühjahr 2007. Zahlreiche Testflüge mit geschlossenem Tor folgten, bevor erstmal im Dezember 2009 das Tor im Flug geöffnet wurde. Durch Wulste rund um die Öffnung wird dabei der Luftstrom über das Loch im Rumpf hinweggelenkt, weswegen es zu keiner Entstehung von Luftwirbeln kommt. Dies ist so gut gelöst, dass es laut der Besatzung der SOFIA während des Fluges nicht erkennbar ist, ob das Tor der Teleskopsektion geöffnet oder geschlossen ist.

Entsprechend den Vereinbarungen, lag das Flugzeug in der Verantwortung der NASA, das Teleskop dagegen im Zuständigkeitsbereichs des DLR. Daher wurde das aufwendige und in Bezug auf das Gewicht optimierte Teleskop in Deutschland von den Firmen MT Mechatronics und Kayser-Threde entwickelt und gebaut und anschließend mit einer Airbus Beluga nach Waco in Texas geliefert. In der SOFIA ist das Teleskop so gelagert, dass es die Vibrationen des Flugzeuges abfängt und sich bei Turbulenzen nicht bewegt – anders ausgedrückt: „Das Flugzeug bewegt sich um das Teleskop“. Bei sehr starken Turbulenzen kann das Teleskop zur Sicherung durch drei Bolzen fixiert werden.

The development and creation of SOFIA based on a Boeing 747SP was decided in a memorandum signed by NASA and DLR in 1996 after extensive alignments. The selected aircraft was acquired by NASA and had previously operated in passenger service with PanAm and United Airlines for more than 20 years. During the rebuild in the following years significant structural work was done, adding a large door measuring 5.5 x 4.1 meters in the rear part of the fuselage where the telescope with a total weight of 17 tons and a mirror with a dimeter of 2.7 meters is installed. The front parts of the fuselage are separated from the telescope section with an additional pressurized bulkhead – according to DLR this is the most extensive rebuild of any airliner to date. The scientists have their scientific working stations in the central part of the fuselage above the wings – close to the telescope and in the center of gravity of the aircraft. In contrast to its earlier life with hundreds of passengers, the research aircraft operates today with only 3 crew in the cockpit and around 15 scientists and technicians.

After many issues and delays during the rebuild – which could somehow be expected due to the exceptional tasks – the first flight with the reconstructed aircraft took place in spring 2007. Many test flights with closed telescope section followed until finally in December 2009 the large door was opened the first time in flight. By adding small elevations around the opening, the open door does not cause any aerodynamic turbulences – the airflow just passes above the open telescope area. This design is very successful as even the cockpit crews could not verify any differences in handling of the aircraft if the door of the telescope section is open or closed.

According to the agreements made, the aircraft was in the responsibility of NASA but the telescope was a task for DLR. Consequently, the complex but weight optimised telescope was designed and built in Germany by the companies MT Mechatronics and Kayser-Threde and transported to Waco in Texas with an Airbus Beluga. Within SOFIA, the telescope is installed smartly, not impacted by vibrations of the aircraft and turbulences – or as some people say: “the aircraft is moving around the telescope”. In case of really heavy turbulences the telescope can be secured with three large bolts.

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Das Gemeinschaftsprojekt SOFIA ist inzwischen in Palmdale zu Hause, einer von der US Air Force betriebene Basis in Kalifornien etwa 80 Kilometer nördlich von Los Angeles. Von dort startet die Boeing 747SP zu Forschungsflügen über dem Südwesten der USA oder über dem Pazifik. Aufgrund der Kooperation mit dem DLR waren aber von vornherein auch Einsätze aus Europa geplant, beispielsweise erfolgte im September 2019 eine Reihe an Forschungsflügen vom Flughafen Stuttgart. Eine weitere Forschungsreihe brachte SOFIA dann im Februar und März 2021 für sechs Wochen und ca. 20 Wissenschaftsflüge nach Köln. Dabei erfolgten die Flüge immer in der Nacht und beinhalteten Routen Richtung Island oder Flugkorridore über Frankreich auf den Atlantik, zum Teil mit Rückkehr über das Mittelmeer. SOFIA muss dabei in den sonstigen Luftverkehr integriert werden, was aufgrund der für die Forschungen erforderlichen Flugrouten oftmals aufwendige Absprachen mit den beteiligten Flugsicherungen erfordert.

Neben der Forschung und der Wartung und Pflege des Teleskops und des Spiegels wird auch das Flugzeug und seine Technik immer wieder überprüft. Dabei erfolgte 2012 der Einbau eines Glascockpits (also Ersatz der analogen Anzeigen durch Bildschirme / Digitalisierung des Cockpits) und die Maschine war bereits mehrfach zu Wartungsaufhalten bei Lufthansa Technik in Hamburg zu Gast, so im Frühsommer 2018 und im Winter 2020/2021 zum C-Check. Dabei wurde die inzwischen 44 Jahre alte Maschine für zahlreiche weitere Forschungsflüge fit gemacht. 

Today, the collaborative project SOFIA is homebased in Palmdale, a base operated by the US Air Force in California approximately 80 kilometres north of Los Angeles. From this location SOFIA takes off for research flights across the southwest of the United States or above the Pacific. Due to the cooperation with DLR it was planned from the start to perform research missions in Europe, one of them occurring in September 2019 from Stuttgart airport. An additional series of 20 flights were performed in February and March 2021 during a period of six weeks from Cologne. These flights were always done at night and included missions towards Iceland or routes across France on the Atlantic, partly returning through the Mediterranean. SOFIA like any other aircraft has to integrate in the other normal flight traffic, which requires complex planning and alignments due to the specific flight routes with the involved air traffic controls.

Next to research and maintenance of the telescope and its mirror, as well the aircraft and its technology require service. In 2012 the airframe received a glass cockpit (replacing analogue instruments with screens e.g. a digitalisation of the cockpit) and in addition the aircraft was a repeated guest with Lufthansa Technik in Hamburg – for example in early summer 2018 and again in winter 2020/21 for a C-Check. During these overhauls the airframe – in the meantime 44 years old – was made fit for further research flights.

SOFIA ist aufgrund ihrer Eigenschaften und Fähigkeiten daher sowohl für den an Aviatik begeisterten Enthusiasten (aufgrund des seltenen Typs und der zahlreichen Umbauten) als auch für jeden an Raumfahrt interessierten Beobachter (Forschungsinhalte und Teleskop) ein einmaliges und beeindruckendes Flugzeug. Da das Flugzeug für eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt ist, sollten noch mindestens neun weitere Jahre mit Forschungsflügen vor SOFIA liegen.

SOFIA with its special characteristics and capabilities has a special place not only for the aviation enthusiast (due to the rare aircraft type and the rebuilt), but as well for everyone interested in science and space (due to its research missions and the telescope) – it is a one-off and very impressive aircraft. As the airframe was designed during the rebuilt with an operational period of 20 years, we should see SOFIA at least 9 more years operating on scientific missions.

Text: Florian Szczepanek & Alexander Nieder

Pictures: Fabian Lührs, Sebastian Sowa, Bruno Geiger & Alexander Nieder