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Raumsonde für Technologietests Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Die US-amerikanische Raumsonde Deep Space 1 (oder kurz DS1) wurde am 24. Oktober 1998 zum Test neuer Technik und Programme gestartet und operierte bis zum 18. Dezember 2001. DS1 war die erste Mission im Rahmen des sogenannten New Millennium Programs zur Erprobung neuer Raumfahrttechniken. Die Mission ermöglichte zusätzlich die wissenschaftliche Beobachtung des Asteroiden (9969) Braille sowie des Kometen 19P/Borrelly. Den Namen der Sonde wählte die NASA aufgrund der getesteten Techniken für Missionen in den tiefen Raum, nicht in Anlehnung an die Star-Trek-Serie Deep Space Nine.
Die Mission kostete insgesamt weniger als 150 Millionen US $ für die Primärmission, darin enthalten waren alle Entwicklungskosten für die Techniken, weitere 10 Millionen US $ kostete die Verlängerung der Mission inklusive der Kosten für die „hyperextended Mission“ nach der Begegnung mit Borrelly.[1] Nach anderer Quelle betrugen die kompletten Missionskosten 152,3 Millionen US $, davon 94,8 Millionen für die Entwicklung, 43,5 Millionen für den Start, 10,3 Millionen für den Betrieb und 3,7 Millionen für die Wissenschaft.[2]
Primäres Missionsziel war der Test von einem Dutzend neuer Techniken, teilweise in experimentellem Stadium. Man wollte Erfahrungen mit der Zuverlässigkeit der Technik sammeln, bevor sie in einer teuren wissenschaftlichen Mission eingesetzt werden sollte. Der erstmalige Einsatz neuer Technik in einer Raummission bringt trotz aller Tests immer ein gewisses Risiko mit sich. Diese Mission nahm als sogenannte „high-risk, high-benefit mission“ die Risiken von allen zwölf Techniken zugleich auf sich. Ein Versagen einer Technik wäre in diesem Fall nicht gleichbedeutend mit dem Versagen eines Missionsziels, wenn die Daten die Analyse der Fehler ermöglichen und die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der Technik für spätere Missionen bestimmt werden können.
Generell fielen die Missionsziele in zwei Kategorien: zunächst Techniken, die Raumfahrzeuge kleiner oder leichter und preiswerter machen, dann Techniken, die Raumfahrzeuge autonomer machen und somit Personal und Nutzungszeit von großen Antennanlagen wie dem Deep Space Network (DSN) und Bodenstationen einsparen.[3]
Außer der Technik selbst wurden noch weitere Ziele getestet: Es wurden die Grenzen von zeitlich eng begrenzter Entwicklungszeit für Deep-Space-Missionen ausgetestet. Die Anfangsstudie für DS1 mit nur sehr vagen Vorgaben kam nur 39 Monate vor dem Start, eine bisher unerreicht kurze Zeit für eine solche Mission. Die eigentlichen Missionsziele wurden 26 Monate vor dem Start festgelegt. Der Start war in einem extrem ehrgeizigen Zeitplan ursprünglich für Juli 1998 geplant, jedoch wurde klar, dass die Integration von ungetesteten Komponenten und Software ein unkontrollierbares Risiko darstellte und so wurde der Start auf Oktober verschoben und die ursprünglichen Flugpläne und Flugziele wurden abgeändert.[4] Die Anfangsplanung sah als Ziele Komet 76P/West–Kohoutek–Ikemura und Asteroid (3352) McAuliffe vor.[5] Ein Teil der Software war selbst beim Start noch nicht fertig und musste später ergänzt werden.
Neu war auch die Steuerung und Überwachung der Mission vom Boden aus mit dem Advanced Multi-Mission Operations System (AMMOS). Diese Form der Bodenkontrolle erlaubt, dass viele verschiedene Missionen sich Einrichtungen und Personal in einem Zeitplan teilen können. Es gibt aus diesem Grund standardisierte Grundfunktionen für Missionen, die auf die jeweilige Mission angepasst werden können und die Mission bekommt bestimmte Vorgaben, um mit AMMOS effektiv betrieben werden zu können. Die Ingenieure können Missionen und komplexe Flugmanöver vorausplanen. AMMOS kann zur gegebenen Zeit vorgeplante Kommandos zum Raumfahrzeug senden und empfangene Daten aller Art weiterverarbeiten und archivieren, Telemetriedaten berechnen und technische Daten der Raumfahrzeuge überwachen. DS1 war die erste Mission, die ausschließlich mit den Fähigkeiten von AMMOS gesteuert wurde. Die meisten wissenschaftlichen Missionen der NASA arbeiten inzwischen mit AMMOS zur Bodenkontrolle und sogar ältere Missionen wurden inzwischen von AMMOS übernommen.[6]
Der Sondenkörper hat die Abmessungen 1,1 × 1,1 × 1,5 m, mit den Anbauten und Folien 2,1 × 1,7 × 2,5 m. Wenn die Solarmodule ausgefahren sind, ergibt sich eine Spannweite von 11,8 m. Das Startgewicht war 490 kg, wovon 31 kg Hydrazin für die Lageregelung und 82 kg Xenon für den Ionenantrieb waren. Die Solarmodule haben eine Leistung von 2400 Watt.[7]
Hauptprozessor war der IBM RAD6000[8], auf dem das Echtzeitbetriebssystem VxWorks zum Einsatz kam. Im Gegensatz zu anderen Missionen gab es keinen Reservecomputer, der während eines Computerfehlers oder eines Neustarts die Kontrolle übernehmen konnte. Viele Komponenten wie Batterie, Hydrazintriebwerke, Trägheitsnavigationssystem, Sternsensor und Sonnensensor waren preiswerte Standardteile, manche übriggebliebenen Teile von anderen Missionen wurden eingebaut. Von Mars Pathfinder stammte die übrig gebliebene Hochgewinnantenne, die Steuerelektronik für die Steuerdüsen war ähnlich, der Computer war identisch und die Software war ebenfalls Pathfinder nachempfunden. Vieles von Pathfinders Testständen und Prüfgeräten wurde ebenfalls weiterverwendet.[9] Zur Kommunikation diente eine 30-cm-Hochgewinnantenne für X-Band, drei Niedriggewinnantennen, sowie eine vergleichsweise kleine Ka-Band-Antenne.
In der Sonde wurden außer den Standardfunktionen für den Betrieb zwölf neue Techniken eingebaut und getestet. Aus verschiedenen Gründen wurde auf redundante Systeme weitgehend verzichtet, allerdings konnten manche Systeme Funktionen anderer Systeme übernehmen. Gegenüber den Techniktests waren die wissenschaftlichen Ergebnisse nur ein Nebenprodukt.
Das wichtigste Ziel der Mission war der erste Einsatz des Ionenantriebs „NASA Solar Technology Application Readiness“ (NSTAR) unter realen Bedingungen. Der Xenon-Ionenantrieb hat einen Durchmesser von 30 cm und hätte bei voller Schubkraft maximal 2500 Watt an elektrischer Leistung benötigt, 500 Watt bei minimaler Leistung. Da die Solarmodule nicht so viel Leistung erbringen konnten und zusätzliche Leistung für den Betrieb der übrigen Systeme gebraucht wurde, konnte der Ionenantrieb nicht bei Maximalleistung getestet werden.[10] Das Triebwerk konnte in 112 Stufen betrieben werden, die höchste erreichte Stufe war 90. Der Schub betrug 0,09 Newton bei Maximum und 0,02 Newton bei Minimum.[2]
Beim Test des Ionenantriebs wurden die Prognosen aus den Tests im Labor überprüft in Leistung, Dauerbetrieb, Abnutzung und Wirkungsgrad. Abgesehen von den Schwierigkeiten am Anfang der Mission arbeitete der Antrieb erwartungsgemäß und bewies seine Tauglichkeit.[11] Bis zur Deaktivierung am 18. Dezember 2001 wurde der Antrieb über 200-mal gestartet und war insgesamt 16.246 Stunden in Betrieb, er verbrauchte in dieser Zeit 72 kg Xenon.[12] Die Zuverlässigkeit des Ionenantriebs war ein entscheidendes Ergebnis für die Raumsonde Dawn, die mit drei NSTAR-Ionenanantrieben ausgerüstet wurde.
An Bord war das sogenannte „Ion Propulsion System Diagnostic Subsystem“ (IDS), das vor allem die Funktion des Ionenantriebs überprüfen sollte. Da die Auswirkungen des „Ion Propulsion System“ (IPS) unproblematisch waren, wurde dieses Instrument umprogrammiert, um wissenschaftliche Daten gewinnen zu können. Es besteht aus zwölf Sensoren, darunter eine Antenne für Plasmawellen und zwei Magnetometer mit Suchspulen. Ein Magnetometer arbeitete nicht und wurde vermutlich bereits vor dem Start durch ein starkes Magnetfeld durch Wechselstrom beschädigt. Das zweite Magnetometer arbeitete in drei Achsen im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 50 kHz. Der Messbereich war 100 nT mit einer Auflösung von 1 pT.[13]
Die neuartigen Solarmodule waren mit „Refractive Linear Element Technology“ (SCARLET) ausgestattet, einer Form von Solarkonzentratoren.[14] Die Module haben 720 Fresnel-Linsen aus Silizium, die Licht auf 3600 hocheffiziente Mehrschicht-Solarzellen aus Indiumgalliumphosphid, Galliumarsenid und Germanium werfen. Sie haben 2400 Watt Leistung bei 100 Volt Spannung, wobei die Leistung mit zunehmender Alterung und Abstand zur Sonne abnimmt. Sie haben circa 15–20 % mehr Leistung, als bis dahin übliche Solarmodule gleicher Größe.[15] Da der Ionenantrieb viel Energie braucht, musste zuerst die Leistung der neuartigen Solarmodule unter verschiedenen Bedingungen überprüft werden. Getestet wurde auch der Alterungsprozess unter der Weltraumstrahlung.
Zuvor wurden Raumfahrzeuge gesteuert, indem vom Boden aus die Radiosignale verfolgt und daraus Position und Kurs berechnet werden, gelegentlich werden Aufnahmen vom Zielobjekt gemacht, um genauer die Position zu bestimmen. Kommandos vom Boden aus zünden dann die Triebwerke für die Feinkorrektur. Es muss dazu regelmäßiger Funkverkehr aufrechterhalten werden. AutoNav übernahm nun diese Rolle des Bodenteams. Konventionelle Raumfahrzeuge mit chemischem Antrieb werden nur in der Startphase stark beschleunigt. Die meiste Zeit vergeht mit einer antriebslosen Flugbahn, die einem ballistischen Objekt entspricht, unterbrochen nur von kurzen Stößen der Hydrazin-Lagekontrolldüsen oder von einzelnen Einsätzen des Hauptantriebs für wenige Minuten oder Sekunden. Deep Space 1 hingegen wurde über Tage und Wochen angetrieben und konnte in dieser Zeit die Antenne nicht zur Erde drehen. Der permanente Antrieb veränderte ständig die Flugbahn und es brauchte daher eine andere Art der Navigation.
AutoNav konnte selbstständig die Orientierung der Sonde im Raum erkennen, die Sonde ausrichten und den Ionenantrieb steuern. Es erkannte den Abstand zur Sonne und die Menge an elektrischer Leistung, die für den Antrieb zur Verfügung steht. Beim Start waren die Bahnen von 250 Asteroiden und die Positionen von 250.000 Sternen im Computer gespeichert. AutoNav kannte die Bahnen von Asteroiden und die Positionen der Fixsterne und konnte anhand der Parallaxe die eigene Position bestimmen. Anfangs wurden dreimal in der Woche Aufnahmen von vier bis fünf Asteroiden gemacht, später dann einmal in der Woche von sieben Asteroiden. Während der Aufnahmen war das Ionentriebwerk abgestellt, damit die Sonde die Kamera in Richtung der Asteroiden drehen konnte. Die Aufnahmen wurden von AutoNav ausgewertet und Befehle setzten gezielt dosiert den Ionenantrieb oder die Hydrazintriebwerke in Betrieb. AutoNav war für die korrekte Funktion auf gute Aufnahmen angewiesen, jedoch wurde die Kamera von unerwartetem Streulicht beeinträchtigt und die Optik verzerrte die Aufnahmen vor allem im Randbereich, was beides negative Auswirkungen hatte. Insgesamt zeigte sich im Verlauf der Mission, dass die Qualität der Aufnahmen ein kritischer Faktor war.
Der „Remote Agent“ war eine Art Autopilot für einen vorbestimmten Kurs, er konnte einen komplexen vorgegebenen Plan für die Experimente abarbeiten, ohne Befehle oder Überwachung von der Bodenstation zu benötigen. Der Remote Agent setzte dabei die Zielvorgaben für AutoNav. Die Software erlaubte dem Raumfahrzeug, eigenständige Entscheidungen zu treffen, Komponenten oder Backupsysteme automatisch aus- oder anzuschalten, wobei vom Boden her nur allgemeine Vorgaben gemacht wurden. Das Bodenteam verlässt sich darauf, dass der Agent selbst einen Weg findet und entsprechende Entscheidungen trifft, um diese Vorgaben zu erfüllen, auch für den Fall, dass Systeme ausfallen oder ungeplante Ereignisse stattfinden.
Die Software enthielt auch einen Fahrplan, der festlegt, was zu einer bestimmten Zeit oder bei einem bestimmten Ereignis zu tun ist. Die Entscheidungen wurden getroffen anhand des Systemzustands, den Beschränkungen, denen eine Mission unterliegt, und den allgemeinen Missionsvorgaben. Entsprechend gibt das System eine Reihe von Befehlen an das entsprechende Teilsystem. Es wird dabei überwacht, wie die Systeme auf die Befehle reagieren, und wiederholt sie oder gibt veränderte Befehle, falls das Ergebnis anders ist, als vorhergesehen. Der Remote Agent war nicht während der gesamten Mission in Betrieb und Softwareupdates wurden auch noch während der Mission hochgeladen.
Das Beacon-Monitor-Operations-Experiment war eine einfache Kommunikationsmethode zwischen Sonde und Bodenstation. Die Sonde arbeitet dabei als „Leuchtfeuer“ und gibt nur ein einziges Signal aus. Die bisherigen Missionen verließen sich auf regelmäßige Übermittlung von Telemetriedaten. Dieses erfordert jeweils den häufigen und kostenintensiven Einsatz des DSN sowie Personal zur Auswertung der Daten bei der Missionskontrolle. Die Sonde war mit genügend Intelligenz ausgestattet, so dass sie selbst über ihren Zustand informiert war und entscheiden konnte, ob ein Eingreifen von der Bodenstation aus erforderlich war. Der Beacon Monitor gab nur vier verschiedene einfache Signale aus, die der Bodenstation generelle Auskunft über den Zustand der Sonde geben. Das einfache Signal war nicht codiert und zum Empfang reichten einfache Antennen von 3 bis 10 Metern Durchmesser, so dass das DSN nicht unbedingt nötig war. Ein „grünes“ Signal zeigte einen normalen Verlauf, ein „oranges“ Signal zeigte etwas Unvorhergesehenes, aber dass die Sonde das Problem lösen konnte und alle Werte akzeptabel sind, oder dass Kontakt innerhalb von vier Wochen nötig ist. Ein „gelbes“ Signal zeigte, dass die Sonde Daten senden will oder dass eine bestehende Entwicklung über längere Zeit in der Zukunft zu einem Problem führen könnte, oder dass Kontakt innerhalb von einer Woche nötig ist. Ein „roter“ Ton zeigte hingegen ein schwerwiegendes Problem an, das die Elektronik nicht regeln konnte und schnelles Eingreifen von der Bodenstation erforderlich machte. Der Beacon Monitor arbeitet mit aktivitätsabhängigen Limits. Ein Wert einer Messung kann bei wenig Aktivität außerhalb der Limits liegen, während einer Aktivität jedoch völlig im Normbereich sein. Der Beacon Monitor kontrollierte nicht die Mission und war nicht die gesamte Zeit in Betrieb, sondern wurde nur testweise betrieben. Die Technologie hat sich vor allem für interplanetare Missionen bewährt und wurde beispielsweise bei New Horizons eingesetzt.
Dieses zwölf Kilogramm schwere Instrument kann mehrere Aufgaben zugleich erfüllen: Es arbeitet als Kamera, als Ultraviolett-Bildspektrometer und als Infrarot-Bildspektrometer. MICAS lieferte auch Bilder für das AutoNav. Es verfügt über zwei schwarz-weiß Kameras, ein UV- und ein IR-Bildspektrometer, die alle gemeinsam ein 10-Zentimeter-Teleskop mit Spiegeln aus Siliciumcarbid benutzen. Von den beiden Kameras im sichtbaren Bereich ist eine CCD-Pixelkamera, die andere hat einen CMOS-Active-Pixelsensor. Die Spektrometer müssen einzelne Punkte des Zielobjekts abtasten, um Daten zu erhalten. MICAS sollte mit dem UV-Spektrometer im Sonnensystem verteilten Wasserstoff erkennen. Der UV-Kanal sollte im Bereich zwischen 80 nm and 185 nm Wellenlänge arbeiten, konnte jedoch keine brauchbaren Daten gewinnen. Der Fehler lag irgendwo in der Kette nach den Photondetektoren. In der Praxis verminderte Streulicht in der Kamera den wissenschaftlichen Wert der Daten und erschwerte die Auswertung durch AutoNav. Einige Designänderungen und eine andere Montage der Kamera könnte bei zukünftigen Missionen dieses Problem beheben.[4]
Das „Plasma Experiment for Planetary Exploration“ (PEPE) ist ein sechs Kilogramm schweres Mehrzweckinstrument zur Untersuchung von Plasma und geladenen Teilchen. Das Gerät kann Elektronen und Ionen erkennen. Es wurde getestet, wie sich der Ionenantrieb auf die Messergebnisse auswirkt. Es arbeitete wie mehrere physikalische Beobachtungsgeräte, daneben untersuchte es die Auswirkungen des Ionenantriebs auf die Oberfläche der Sonde und auf die Instrumente und untersuchte, wie der Ionenantrieb mit dem Sonnenwind interagiert. Es konnte außerdem wissenschaftlich interessante Daten aus dem Flyby am Asteroiden gewinnen.
Im Januar 1999 waren DS1 und Cassini günstig zueinander angeordnet und unternahmen gemeinsam für 36 Stunden Messungen des Sonnenwinds, wobei beide Sonden circa 0,5 AU voneinander entfernt waren.[4] Für volle Funktionalität arbeitete das Gerät mit einer Spannung von 15.000 Volt. Die meiste Zeit konnte nicht genügend Energie von den Solarpanelen erzeugt werden, so dass es in diesem Fall bei Spannungen von circa 8.000 Volt betrieben werden musste. In diesem Fall konnten komplexe und schwere Ionen nicht erfasst werden. Der Messbereich von PEPE für Elektronen ist 10 eV bis 10 keV und für Ionen von 3 eV bis 30 keV.[16]
Der drei Kilogramm schwere „Small Deep-Space Transponder“ soll die Telekommunikationshardware verbessern. Er enthält einen Kommandodetektor, eine Telemetriemodulation, einen Tongenerator für den „Leuchtfeuer“-Modus, sowie Kontrollfunktionen. Er kann im X-Band senden und empfangen sowie im Ka-Band senden. Geringes Gewicht und Abmessungen sind möglich durch Verwendung von integrierten Mikrowellen-Chips aus Einkristall-Galliumarsenid, dichte Anordnung und Verwendung anwendungsspezifischer Silizium-ICs. Verschiedene Tests wurden zugleich im X-Band und im Ka-Band ausgeführt, um die Ergebnisse vergleichen zu können. 2001 Mars Odyssey und andere Marsmissionen verwendeten später diesen Sender, weil er sich bewährt hat.
Dieser sehr kleine und 0,7 kg leichte Verstärker mit einer Sendeleistung von 2,3 W erlaubt aufgrund der höheren Frequenz im Ka-Band höhere Datenraten gegenüber der bis dahin allgemein üblichen Kommunikation im X-Band.[17] Das Ka-Band erlaubt dieselbe Datenrate mit einer kleineren Antenne, ist jedoch beim terrestrischen Empfang anfälliger gegen Wettereinflüsse. Der Sender wurde nicht nur zur Kommunikation eingesetzt, sondern auch für allgemeine Experimente zur Kommunikation im Ka-Band. Zur Zeit der Mission war vom DSN nur der Goldstone-Komplex mit entsprechender Technik für Ka-Band ausgestattet, so dass alle Experimente mit der Station in Goldstone ausgeführt wurden.
Es handelte sich dabei um extrem energiesparende Mikroelektronik, unempfindlich gegen Strahlung. Das Experiment arbeitete mit niedrigen Spannungen, besaß eine Logik für wenig Aktivität, eine energiesparende Architektur und ein Strom-Management. Getestet wurde ein Ringoszillator, Transistoren und ein Vervielfacher mit minimalem Stromverbrauch. Ein Dosimeter zeigte am Ende der Mission eine gesamte Strahlenbelastung von 450 Gray.[18]
Die multifunktionale Struktur ist ein weiterer Schritt zur Gewichtseinsparung, zu weniger Komponenten und mehr Zuverlässigkeit. Bisher waren tragende Funktionen, Temperaturregelungsfunktion und elektronische Funktionen getrennt entwickelt und in verschiedenen Teilen untergebracht. Alle Teile wurden dann mit großen Steckverbindern und Kabelbäumen zur Stromversorgung und Datenübermittlung verbunden. Die multifunktionelle Struktur verbindet Temperaturregelung und Elektronik und ersetzt zugleich eines der Panel des Sondenkörpers. Es hat Kupfer-Polyimid-Folie auf der einen Seite und eingebaute Wärmetransportvorrichtungen. Die Oberfläche dient zur Wärmeabstrahlung und die Verkabelung wird mit der Polyimid-Folie geschaffen. Flexible Verbindungen zwischen den Folien ermöglichen Stromversorgung und Datenverteilung.
Dieses Modul besteht aus acht sehr kleinen elektrischen Schaltern, die in redundanten Paaren angeordnet sind, somit können vier elektrische Verbraucher überwacht werden. Die Schalter registrieren Spannung und Strom und können den Strom begrenzen.
Deep Space 1 war in technischer Hinsicht ein voller Erfolg. Alle Missionsziele wurden mit Ende der 11 Monate der Primärmission bis September 1999 erfüllt oder übertroffen. Der NSTAR-Ionenantrieb bewährte sich und machte den Weg frei für die Dawn-Mission, die drei solche Triebwerke verwendete. Vor dem Test wurde befürchtet, dass der Ausstoß des Ionentriebwerks möglicherweise die Funkverbindung oder die wissenschaftlichen Instrumente beeinträchtigen könnte. Das PEPE-Instrument war an Bord, um diese Auswirkungen zu erkennen und zu quantifizieren, der Plasmaausstoß verursachte jedoch keine Probleme. Der Small Deep-Space Transponder hat sich bewährt und wurde seither in mehreren Missionen verwendet.
Der Star Tracker war kein Teil des Testprogramms, sondern ein zugekauftes Bauteil, das eigentlich als sehr zuverlässig galt. Der Ausfall führte beinahe zum Ende der Mission, jedoch war die Problemlösung durch neue Software eine eigene Erfolgsgeschichte. Wissenschaftliche Missionen verfügen im Gegensatz zu Deep Space 1 im Regelfall über mehrere redundante Star Tracker.
Auch in wissenschaftlicher Hinsicht konnte Deep Space 1 einiges für sich verbuchen, darunter die erste Messung eines Asteroiden-Magnetfeldes bei Braille. Während es nicht gelang Bilder aus der Nähe von Braille zu machen, war der Vorbeiflug an Borrelly ein voller Erfolg, der einige neue und überraschende Erkenntnisse über Kometen lieferte.
Die Missionen Dawn, New Horizons und einige Marsmissionen konnten die Erfahrungen von DS1 direkt nutzen, indem sie diese Technologien in Wissenschaftsmissionen einsetzten.
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