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Phobos 1+2

Einleitung

Von 1960-1973 starteten die Sowjets die Sonden des Mars Programms. Diese scheiterten aus verschiedenen Gründen. Wie bei der NASA gab es dann eine schöpferische Pause von 15 Jahren. Anders als bei den früheren Mars Sonden, wurden die Raumsonden Phobos 1+2 lange vorher angekündigt. Es handelte sich nun auch um Projekte mit großer Internationaler Beteiligung. Die Sonden werden auch als Fobos 1+2 geführt, in Anlehnung an die russische Schreibweise. Dies hat den Vorteil, dass man Sonde und Marsmond unterscheiden kann. In Deutschland ist die Schreibweise Phobos 1+2 jedoch gängiger. Phobos 1+2 waren die letzten Mars und Planeten Programme der Sowjetunion. Als Mars 96 startete, war die Sowjetunion schon zerfallen.

Der Marsmond Phobos

PhobosWarum sollte eine Sonde zum Marsmond Phobos fliegen? Was ist an diesem so besonders? Nun, der Marsmond Phobos ist der größere von zwei Marsmonden. Es ist ein eingefangener Asteroid mit kartoffelförmiger Gestalt und Abmessungen von ungefähr 28 × 22 x 18 km. Er umrundet den Planeten in 6000 km Höhe über dem Äquator und rotiert gebunden, d.h. er kehrt Mars immer dieselbe Seite zu. Ein großer Einschlag hat den 12 km großen Krater Stickney hinterlassen. Dieser Einschlag war so stark, das es auf der gegenüberliegenden Seite des Mondes Risse durch das Gestein gab, so heftig wurde der Mond durchschüttert. Trotz der geringen Schwerkraft, die etwa ein Tausendstel der irdischen beträgt (Ein Fußballspieler könnte ohne Problem mit einer kräftigen Anstoß den Ball in eine Umlaufbahn um Phobos befördern), gibt es auf der Oberfläche Staub, der von Einschlägen stammt.

Interessant ist Phobos vor allem weil er ein Asteroid ist, den man gut erreichen kann. Die Phobos Sonde muss nach dem Start ihre Geschwindigkeit um 1700 m/s ändern um in eine Beobachtungsbahn um Phobos zu gelangen. Die Raumsonde NEAR musste um zum Asteroiden Eros zu gelangen mit ihren Triebwerken in etwa die gleiche Geschwindigkeit (1200 m/s) aufbringen, aber das alleine reichte nicht. Ein Erdvorbeiflug lieferte weitere 4.330 m/s. NEAR musste also seinen Kurs um 5530 m/s korrigieren, um zu Eros zu gelangen. Durch den Erdvorbeiflug war dies möglich, allerdings dauerte so die Reise auch 3 Jahre anstatt 7 Monate wie bei Phobos 1+2..

Ein zweites Plus der Mission ist natürlich, dass die Bahn von Phobos mit einer Entfernung von 6000 km vom Mars noch relativ nahe am Mars ist, so dass ein Raumschiff von dieser Bahn auch aus auch gut den Mars erforschen kann. Man kann also mit einer Mission zwei Fliegen mit einer Klatsche erledigen.

Phobos 1+2

Dir Ursprünge des Sondendesign gehen zurück bis in die Mitte der siebziger Jahre. Russland hatte bis dahin vier Generationen von Raumschiffen gebaut: die 1M/V Serie von 1960/1961, die 2MV Serie von 1962-1964, und die 3 MV Serie Phobosab 1967. Diese wurden mit der Molnija gestartet, sowie die 4 Generation der schweren Veneras (9-16). Die Marsraumsonden 2-7 erhielten keine eigene Bezeichnung, basierten aber auf einem anderen Design.

Ziel war es nun ein universellen Raumfahrzeug zu haben, das angepasst werden konnte an spezifische Bedürfnisse. Es entstand das UMVL: Universelles Mars-Venera-Luna (Raumsonde). Im Aufbau differierte es stark von den vorherigen Exemplaren. Wichtigster unterschied war die Trennung der Antriebssektion von dem Raumschiff. Unten befand sich das Antriebsmodul, mit einem schubstarken Triebwerk und je 5 Tanks mit 730 und 1000 mm Durchmesser die bis zu 3.000 kg Treibstoff aufnahmen. Es sollte die Raumsonde in den Zielorbit bringen, Midkurskorrekturen durchführen etc. Danach würde sie abgetrennt werden.

Oben befand sich die eigentliche Raumsonde. Sie verfügte über eigene Treibstoffvorräte in einem zentralen und vier kugelförmigen Tanks, aber nur 28 Düsen zur Feinkorrektur der Bahn und zur Ausrichtung.

Die Solarzellen befanden sich nun unten über der Antriebssektion und die Kommunikationsantenne nicht mehr an der Seite, sondern oben. An der Seite befanden sich stattdessen die Experimente.  Wie der Name schon suggeriert sollten damit eine neue Generation von Raumsonden entstehen, doch wurden nur drei gebaut: Phobos 1+2 und Mars 96.

Ziel der Sonden Phobos 1+2 war die Erforschung des gleichnamigen Marsmondes. Im Jahre 1984 wurde das Projekt Phobos erstmals vorgestellt. Schon dies zeigte den Wechsel in der russischen Weltraumpolitik. Bei den Mars Sonden erfuhr man erst nach einem geglückten Start von der Existenz einer Raumsonde. Im Mai 1985 gab es eine Vereinbarung zwischen dem Interkosmos Rat und der ESA und der CNES über eine Beteiligung an Phobos. Gleichzeitig sollte die Sonde nun auch eine Landesonde auf dem Mond absetzen. Diese wurde 1986 mit ins Programm aufgenommen. Schon 2 Jahre vor dem Start war ein Mockup der Sonde in Austeilungen im Westen zu besichtigen.

Im Verlauf der Entwicklung wurde die Nutzlast von Phobos 1+2 immer schwerer. Waren es anfangs noch 27 Experimente in einem Gesamtgewicht von 362 kg. So waren es schließlich 26 Experimente und ein Lander im Gewicht von 450 kg. Dazu kam eine zweite Landesonde bei Phobos 2. Gleichzeitig stieg auch das Sondengewicht an von 4.5 t auf 6.2 t. Das flexible Konzept der Antriebseinheit konnte diesen Gewichtszuwachs auffangen, da nun die Raumsonde auch fähig war schon im Erdorbit zu zünden und so die nun fehlende Beschleunigung durch die Oberstufe auszugleichen. Da deren Leergewicht wegfiel, war so die Nutzlast höher.

Der Orbiter

Um die 6200 kg schweren Sonden zum Mars starten zu können, musste die bisherige Strategie aufgegeben werden. Alle früheren Sonden startete eine Proton Trägerrakete direkt in eine Übergangsbahn. Bei Phobos 1+2 (und auch Mars 96) reichte dies Stufe nicht mehr aus. Da die Sonde sowieso Treibstoff benötigte, um einen Orbit einzuschwenken und man für die Venera 15+15 Sonden ein modernes Triebwerk entworfen hatte, nutzte man dieses, um die Sonde nach Ausbrennen der Oberstufe Block-D weiter zu beschleunigen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, das der nur 600 kg schwere  Traktorblock nur die Sonde beschleunigen muss, nicht aber noch den leer 1830 kg schweren Block D. Die Nutzlast zum Mars ist daher höher als bei den früheren Marssonden, die maximal 4650 kg wogen. Sie lässt sich aber nicht genau beziffern, da der Traktorblock schon einen Teil seines Treibstoffs verbraucht, damit er zum Mars gelangen kann. Es gibt Quellen die bei Phobos von einer Startmasse von 5500 kg ausgehen, damit könnte das Gewicht gemeint sein, dass die Sonde hat wenn sie die Erde verlassen hat.

Dieser Tranktorblock wiegt 3.6 t, davon sind 3 t Treibstoffe. Der gesamte Orbiter wiegt 6220 kg. Ohne Tranktorblock sind es noch 2620 kg. Der Traktorblock führt die wesentlichen Manöver beim Einbremsen in den Orbit und später bei Angleichung des Orbits an den von Phobos durch. Dann wurde er abgetrennt. Angetrieben wurde er von einem Triebwerk des Typs KTDA-425A. Es wurde von Mars 4-7, Venera 9-16, Vega 1+2 und Phobos 1+2 eingesetzt. Es war regelbar in einem Schubbereich von 18,89 - 9,856 kN. Das pumpengeförderte Triebwerk verbrannte die Treibstoffe UDMH (Verbrennungsträger) und Stickstofftetroxid (Oxidator).  Das Verhältnis Oxidator zu Verbrennungsträger betrug 1.9 zu 1. Der Verbrennungsdruck des  Triebwerks betrug 95 Bar bei 9.8 kN und 149 Bar bei 18.9 kN Schub. Die nominelle Brenndauer wurde mit 560 Sekunden angegeben. Bei einem spezifischen Impuls von 2874-3090 m/s errechnet sich ein Treibstoffvorrat von maximal 1920 kg (bei 9.856 kN Schub). Das Triebwerk wog 70 kg bei einer Länge von 0.71 m und einem Durchmesser von 0.7 m. Es war sieben mal wiederzündbar und diente für Kurskorrekturen sowie zum Einbremsen in den Orbit. Diese guten Eigenschaften haben dazu geführt, dass man aus dem Traktorblock eine eigene Oberstufe entwickelt hat. Diese Oberstufe, die Fregat, hat auch Mars Express mit einer Sojus-Fregat zum Mars befördert.

Neben dem Haupttriebwerk gab es noch 28 kleinere Triebwerke für feinere Korrekturen. 24 Triebwerke hatten 50 N Schub und 4 Triebwerke hatten 10 N Schub. Sie beziehen den Treibstoff aus kugelförmigen Tanks. Dazu wurde Hydrazin verwendet, welches katalytisch zersetzt wurde.

instrumenteDer zentrale Körper stammt ebenfalls aus dem Venera Programm. Es ist ein Torus, dem sich ein Zylinder anschließt. An diesem befanden sich viele Experimente. Auf ihm befand sich die Hochleistungsantenne. Diese hatte einen Öffnungswinkel von 2 Grad und übertrug Daten mit 4 KBit/sec zur Erde. Die Gesamthöhe betrug 3.5 m, ohne Traktorblock noch 2.5 m. Vier Solarpanels lieferten den Strom für die Sonde und hatten eine Spannweite von 10 m. Eine Batterie konnte maximal 5 Stunden ohne Sonneneinstrahlung abfangen. Sie waren nur bedingt schwenkbar, so dass die Sonde für manche Manöver sich drehen musste um die Experimente auszurichten.

Die Lageregelung geschah durch Dreiachsenstabilisierung. Dazu dienten Sonnen- und Sternsensoren. Anders als die Mars Sonden verfügte Phobos über einen Computer, der auch das Messprogramm autonom ausführen konnte. Nach dem Fehlschlag räumten sowjetische Experten allerdings ein, dass der Bordcomputer und die Kommunikation noch hinter dem technischen Stand von Voyager lagen. Vor allem gab es keine Programme, welche eine Sonde in einen sicheren Modus bringen, wenn es Probleme gibt.

Die Experimente

Phobos 1+2 verfügte über 26 Experimente mit einem Gesamtgewicht von 367 kg. Im folgenden sollen die Experimente zuerst einmal tabellarisch vorgestellt werden und dann einzelne Experimente näher erläutert werden. Die beiden Sonden unterschieden sich leicht in den Experimenten. Phobos 1 besaß Instrumente zur Beobachtung der Sonne, Phobos 2 dagegen Infrarotspektrometer und Radiometer und den Hüpfer.Grund dafür war das beide Sonden Übergewicht hatten und daher jeweils Teile entfallen mussten.

Bezeichnung Auf Phobos Gewicht Beteiligte Länder Aufgabe Bild von Fregat

Phobos Sonde

Lander

LIMA-D Experiment

LIMA-D 1+2 76 A,BG,CS,D,
DDR,SF,SU
Verdampfen von Materie der Oberfläche,
Auffangen und Analysieren des Materials
DION 1+2 18 A,F,SF,SU Massenspektrometrie sekundärer Ionen von Phobos
GRUNT 1+2* 35 SU Untersuchung des Oberflächenreliefs von Phobos
FREGAT 1+2 50 BG,DDR,SU Erkundung und Kartierung von Phobos mit 3 TV Kameras
KRFM 2 18 F,SU Temperaturbestimmungen auf Mars und Phobos
ISM 1+2
F,SU Temperaturbestimmungen auf Mars und Phobos
THERMOSKAN 2 25 SU Erstellen von Temperaturprofilen und Karten
GS 14 1+2 11.4 SU Gammastrahlenspektrometrie von Mars und Phobos
IPNM 1 12 SU Messung der Neutronenstrahlung von Phobos
AUGUST 1+2 17.5 F,SU Spektroskopische Untersuchung der Marsatmosphäre
ASPERA 1+2 8.5 SF,S,SU Analyse kosmischen Plasmas
SOVIKOMS 1+2 7.6 A,D,H,SU Untersuchung der Teilchen des Sonnenwindes
(Energie, Masse, Zusammensetzung)
TAUS 1+2 3 A,D,H,SU Spektrometer für Protonen und Alphateilchen
AEG+F 1+2 3,5 H,SU Untersuchung niederenergetischer Elektronen und Ionen
PLAZMA 1
SU Radiosondierung der Marsatmosphäre, zusammen mit GRUNT
LET 1+2 4.4 ESA,H,D,SU Spektroskopie hochenergetischer Strahlung
SLED 1+2 0.8 H,IR,D,SU Spektroskopie niederenergetischer Strahlung
APV-F 1+2 7.3 CD,ESA,PL,SU Studium von Plasmawellen
FGMM 1+2 5.3 DDR,SU Magnetfeldmessungen an Mars und Phobos
MAGMA 1+2 4.6 A,SU Magnetfeldmessungen an Mars und Phobos
TEREK 1+2* 36 CS,SU Untersuchung der solaren Röntgenstrahlung
VGS 1+2 2.2 F,SU Untersuchung der solaren und kosmischen Gammastrahlung
LILAS 1+2 4.8 F,SU Untersuchung der solaren und kosmischen Gammastrahlung
RF 15 1+2 5.3 CS,SU Überwachung der Röntgenstrahlung der Sonne
SUFR 1+2 3.6 SU Überwachung der e-UV Strahlung der Sonne
IPHIR 1+2 6.3 ESA,F,CH,SU Untersuchung innerer dynamischer
und struktureller Prozesse der Sonne

*: Auf Phobos 2 nur teilweise installiert

Phobos 2 enthielt durch den Lander Hopper nicht alle Experimente von Phobos 1. Wie man sieht, unterteilen sich die Experimente in zwei Gruppen. Die einen Experimente dienen zur Untersuchung des Mars und Phobos. Die zweite Gruppe untersucht die Sonne, das interplanetare Medium und kosmische Strahlen. Diese zweite Gruppe war nur während des 9 Mate dauernden Fluges zum Mars aktiv und konnte zumindest bei Phobos 2 ihre Mission erfüllen.

LIMA D

Dieses Experiment sollte beim Vorbeiflug an Phobos aus 30 m Höhe kurze (10 ns lange) Laserimpulse auf Phobos schicken. Diese verdampfen ein Gebiet von 1-2 mm Durchmesser und 0.002 mm Dicke. Aus der Gaswolke von ionisierten Teilchen wird ein Massenspektrometer die chemische Zusammensetzung bestimmen. Der Messbereich liegt zwischen den Elementen Wasserstoff und Blei. LIMA-D war ein sehr leistungsfähiger Laser, der damit er aus dieser Entfernung noch genügend Ionen für die Massenspektometer erzeugt. Er alleine wiegt 70 kg.

DION

In Ergänzung zu LIMA-D sendet dieses Instrument alle 5 Sekunden einen Strahl von Krypton Ionen auf die Oberfläche. Diese werden von einem Massenspektrometer (empfindlich bis zur Atommasse von Nickel) analysiert. Das Instrument ist empfindlicher als LIMA-D, und kann auch Ionen nachweisen, welche durch den Beschuss der Oberfläche von Phobos mit solaren Protonen gebildet werden. DION wiegt 18 kg.

GRUNT

Dieses Instrument soll über Radar das Oberflächenrelief von Phobos kartieren und diesen im Inneren "durchleuchten". Dies geschieht bei Frequenzen von 5, 130 und 500 MHz. Die Signale bei 130 und 500 MHz liefern eine Karte von 0.4 bzw. 2 m Auflösung. Sie lassen auch Rückschlüsse über das elektrische Leitfähigkeitsvermögen des Oberflächenmaterials zu. Sie dringen bis zu 30 m tief. Etwa 200 m tief dringen die 5 MHz Wellen ein, dafür haben sie nur eine Auflösung von 150 m. Dazu gibt es noch das Experiment PLAZMA. Es benutzt Radiowellen von 0.18-3 MHz um die Ionosphäre des Mars zu erkunden.

Bild von FREGATFREGAT

Das Experiment Fregat besteht aus zwei Weitwinkel- und einer Telekamera und einem Spektrometer. Es wurde auch als Videospectrometric System (VSK) bezeichnet. Je eine Weitwinkelkamera ist empfindlich im Spektralbereich von Violett bis Gelb. Die zweite im roten und infraroten Spektralbereich. Die Telekamera ist im gesamten sichtbaren Bereich empfindlich. Sie sollte auf 50 m Entfernung noch Details von 6 cm erkennen. (Auflösung 4 Bogenminuten). Die Anordnung der beiden Weitwinkelkameras lässt auch stereoskope Aufnahmen zu. Für Farbaufnahmen wurden die beiden Bilder der Weitwinkelkameras um einen dritten, synthetischen Kanal ergänzt.

Jede der CCD Chips hat 505 x 390 Bildpunkte. Ein parallel zu den Kameras angebrachtes Spektrometer fächert das Licht in 36 Kanäle auf und bestimmt so das Reflexionsspektrum von Mars und Phobos. Um die Ausbeute zu maximieren verfügt die Kamera über einen eigenen Speicher der bis zu 1.000 Bilder aufnimmt. Damit hätte die Kamera bei der nahen Passage einen sehr großen teil der Oberfläche in hoher Auflösung aufnehmen können. Einige der Bilder, die man Westen kaum wahrnahm, kann man auf folgender Seite der Planetary Society finden:

Parameter der VSK "Fregat" TV Kamera
  Weitwinkel 1 Telekamera Weitwinkel 2
Fokuslänge (mm) 18.5 100 18.5
Öffnungsverhältnis 1:2.5 1:5 1:2.5
Auflösung (Bogenminuten) 3.4 x 4.5 0.63 x 0.83 3.4 x 4.5
Gesichtsfeld (Grad) 28.2 x 21.4 5.2 x 4.0 28.2 x 21.4
Spektrale Empfindlichkeit [µm) 0.4-0.6 0.4-1.1 0.8-1.1
 

KFRM-ISM und Thermoskan

Diese beiden Spektrometer / Radiometer machen Spektren im mittleren und fernen IR und bestimmen zudem die Oberflächentemperaturen von Mars. Thermoskan machte Temperaturbilder des Mars zwischen 8 und 13 µm Wellenlänge mit einer Auflösung von 1.8 km/Pixel aus 6000 km Höhe.

Thermoscan Bild im IRThermoskan bestand wie frühere Kameras der Sowjetunion aus einer mechanisch optischen Scankamera. Sie hatte zwei Detektoren. Der erste war empfindlich im roten Spektralbereich und im nahen Infrarot. (600-950 nm Wellenlänge). Der zweite war mit flüssigem Stickstoff gekühlt und machte im thermischen Infrarot bei 8.5 und 12 Mikrometer Bilder. Ein Motor scannte einen 512 Pixel breiten Streifen einmal pro Sekunde ab. 384 Pixel waren Nutzdaten, 128 Pixels dienten der Kalibration. Erstellt wurden daraus sehr lange Panorama Streifen von 512 x 3100 Pixeln Breite. Die Bodenauflösung war mit 1.8 km zumindest im Infraroten lange Zeit unübertroffen. Erst im Jahre 2001 erreichte das Instrument THEMIS an Bord von Mars Odyssey eine höhere Auflösung. Eine verbesserte Version von THERMOSKAN wurde auch bei Mars 96 eingesetzt. Thermoskan wog 28 kg.

KFRM und ISM waren abbildende Spektrometer. KFRM maß das Spektrum in 16 Spektralkanälen, 10 im sichtbaren Bereich, 6 im IR-Bereich. Das französische ISM verfügte sogar über 128 Spektralkanäle und war ein Vorläufer von OMEGA an Bord von Mars 96.

GS-14

Energiereiche Strahlen der Sonne bringen Gesteine zur Aussendung von Gammastrahlung. Die Energie dieser Strahlung ist charakteristisch für bestimmte Elemente. GS-14 sollte diese Strahlen in einem 10 cm Cäsiumiodid Kristall als Szintillationsdetektor auffangen und dessen Szintillation wurde bestimmt. Die Verteilung von Uran, Thorium, Kalium, Silizium, Sauerstoff und Eisen wäre mit einer Genauigkeit von 4 km auf der Marsoberfläche  bestimmbar gewesen.

IPNM-3

Nach dem gleichen Prinzip wie GS-14 misst dieses Experiment die von der Oberfläche von Phobos durch kosmische Strahlung freigesetzten Neutronen und bestimmt damit das Vorkommen der Elemente von Sauerstoff, Aluminium und Eisen. Weiterhin kann so der Wassergehalt der oberflächennahen Schicht bestimmt werden.

AUGUST

AUGUST bestimmt das Licht, dass die Atmosphäre streifend am Planetenrand des Mars passiert. Dieses wird spektroskopiert und dadurch lassen sich die Zusammensetzung, Temperatur, Dichte und Druck zwischen 10 und 50 km Höhe bestimmen.

Phobos Mockup im WeltraummuseumASPERA

ASPERA ist ein Massenspektrometer, welches Teil des DION Experimentes ist. Es misst die Energie und Masse von Ionen und Elektronen des Sonnenwindes sowie der Strahlungsgürtel von Mars. ASPERA flog in einer weiter entwickelten Version auch auf Mars 96 und Mars Express und wird 2005 auch auf Venus Express starten.

MAGMA und FGMM

Es handelt sich hier um sehr empfindliche Magnetometer für die Detektion von Magnetfeldern von Phobos, Mars und im interplanetaren Raum. Damit können auch lokale Magnetisierungen an der Oberfläche von Phobos bestimmt werden.

APV-F

APV-F soll die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Teilchen messen, die ASPERA auffängt. Diese erlauben Rückschlüsse über die Reaktion geladener Teilchen mit der Magnetosphäre des Mars.

RP-15, LET, SLET, IPHIR, LILAS, VGS

Dies sind Instrumente zur Sonnenbeobachtung. 3 Teleskope beobachten die Sonne im Röntgenlicht, extremen UV und visuellen Bereich. Der RP-15 Detektor aktiviert diese Experimente sobald eine Aktivität zu Verzeichnen ist. LET und SLET erfasst die kosmische Strahlung der Sonne und erstellen ein Energiespektrum. IPJIR misst die Intensität der Sonne im UV, grünen und IR Bereich und sucht auch nach Anzeichen von Schwankungen bedingt durch die "Atmung" der Sonne. (Eine Schwingung der Oberfläche mit einer Periode von 5 Minuten). LILAS und VGS untersuchen die Gammastrahlung der Sonne und sollen auch externe Gammablitze detektieren. VGS nutzt dazu den Cäsiumiodid Kristall von GS-14, während LILAS über einen eigenen Natriumiodid Kristall verfügt.

Der Phobos Lander

Phjobos LanderBeide Raumschiffe hatten darüber hinaus die Aufgabe, auf Phobos einen kleinen Lander abzusetzen. Der kleine Lander wiegt nur 67 kg und erreicht Phobos wegen seiner geringen Schwerkraft mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s. Damit er nicht auf dem Mond unkontrolliert herumhüpft, bohrt er bei der Landung einen Haken in den Boden, an dem er sich wie mit einem Anker festkrallt. Ein ähnliches Verfahren wird auch der Lander der Kometensonde Rosetta, Philae genannt anwenden. Dieser Lander sollte bis zu ein Erdjahr lang betrieben werden und hjatte die Bezeichnung LAL als Abkürzung für Long -Term Automated Lander.

Nach Spannen eines Seils zwischen Haken und Lander sollte dieser Aufrecht stehen. Dann werden die 3 Solarpanel ausgefahren. Ein optischer Sensor richtet diese immer zur Sonne aus. Daneben gibt es noch Batterien für den Betrieb nachts. Der Lander soll bis zu einem Jahr lang operieren. Neben den Instrumenten war auch geplant von der Erde aus die schwachen Funksignale der Lander mit einer Kopplung von Radioteleskopen zu orten und dadurch die langsame Abnahme des Phobos Orbits genauer zu charakterisieren.

Der Lander musste mit sehr wenig Strom arbeiten können, so benötigt das aus Finnland stammende Datenverarbeitungssystem nur 0,6 Watt Leistung. Es basiert auf der NSC-800 CPU (ein Mikroprozessor mit dem Instruktionssatz des Z80 und dem gemultiplexten Bus des 8085, also ein CPU-Zwitter). Er speichert die Daten in 96 kbyte RAM. Die Betriebssystemsoftware sollte sich in einem EEPROM befinden.

Kontakt mit dem Lander war für 30 Minuten bei jedem Umlauf (7 Stunden 40 Minuten) vorgesehen. Die Datenrate wäre bei 4-20 Bit/sec gelegen. Die Sendefrequenz betrug 1672 MHz. Er trägt folgende Instrumente an Bord:

Phobos LanderALPHA-X

UdSSR und BRD: Analyse der chemischen Zusammensetzung des Bodengesteins durch Bestrahlung mit einer Curium 244 (Elemente Beryllium-Eisen) und Cadmium 109 Quelle (Elemente schwerer als Natrium). Die von den Elementen abgegebene Röntgenstrahlen und Protonen werden analysiert und daraus die Zusammensetzung des Oberflächengesteins ermittelt. Dies ist der Vorläufer der Alpha Spektrometer die seither bei Pathfinder, den beiden Rovern Spirit und Opportunity und dem Kometenlander Philae eingesetzt wurden

RAZREZ

UdSSR: Verzögerungsmesser und Temperaturen in der Harpune messen Oberflächeneigenschaften und Temperaturen. Die Abbremsung der Sonde bei der Landung liefert Daten über die Festigkeit und Dichte des Oberflächengesteins.

Seismometer

UdSSR: Die Seismometer liefern Informationen über den inneren Aufbau des Mondes liefern. Beide Seismometer können einen Marsbebenherd lokalisieren. Ein Bebenherd kann auch durch die Gravitation von Mars (Gezeiteneffekt) oder einen Meteoriteneinschlag entstehen.

TV Kameras

UdSSR und Frankreich: Zwei Kameras mit Blickwinkeln von 36 × 27 Grad sind an der Plattform mit den Solarzellen befestigt. Der Versatz beider Kameras lässt Stereoaufnahmen zu und damit Entfernungsmessungen. Durch die Bewegung der Solarpanels nach der Sonne wird nach und nach die gesamte Umgebung erfasst.

Sonnensensor

UdSSR und Frankreich: Durch parallele Vermessung der Sonnenposition beider Lander soll eine Pendelbewegung des Mondes entlang des Orbits bestimmt werden können. Diese lässt Rückschlüsse auf die innere Massenverteilung zu.

Der SpringerDer Springer

Nur Phobos 2 hatte einen Springer an Bord. Er wurde auch als "Frosch" oder "Hopper" bezeichnet. Anders als der Lander war dieser batteriebetrieben und hätte so nur eine kurze Lebensdauer gehabt. Die Sonde hat Klammern, die von Federn angetrieben, Sprünge auf der Oberfläche vollführen. Nach jedem Sprung werden Messungen gemacht. Geplant war, dass die 43 kg schwere und 50 cm hohe Sonde etwa 10 Sprünge von je 20 m Weite auf der Oberfläche macht. Nach jedem Sprung drehen vier Stäbe den Lander so, dass die von einer Schutzhülle umgebenen Instrumentenplattform senkrecht zur Oberfläche steht. Nach etwa 10 Sprüngen dürften die Batterien erschöpft sein und sich der Orbiter zu weit von dem Spring entfernt haben um Daten zu empfangen Er sollte eine maximale Betriebsdauer von 3 Stunden aufweisen.

Alle Instrumente an Bord des Springers stammen aus der UdSSR:

Röntgenfluoreszenzspektrometer

Dieses Instrument bestimmt die chemische Zusammensetzung der Oberfläche durch die Vermessung der emittierten Röntgenstrahlung. Dazu wird das Gestein mit einer radioaktiven Quelle bestrahlt.

Penetrometer

Bestimmung der Bodenfestigkeit durch einen Bolzen der in den Boden gerammt wird.

Dynamometer

Messung der Abbremsung bei jedem Sprung liefert Daten über die Festigkeit des Bodens

Magnetometer

Messung des lokalen Magnetfeldes an der Landestelle. Dies erlaubt Rückschlüsse über das vorkommen magnetisierende Gesteine in Phobos

Gravimeter

Messung des Schwerefeldes von Phobos. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Masseverteilung in der Nähe der Landestelle.

Die geplante Mission

Phobos vor MarsNach dem Start waren zwei Midkursmanöver geplant, eines 7-20 Tage nach dem Start. Es sollte die Ungenauigkeiten beim Start korrigieren. Das zweite 185-193 Tage nach dem Start, dass die Bahn feinjustieren sollte, da Phobos sich bis auf 800 km der Marsoberfläche nähert, näher als bei jedem anderen Orbiter zuvor und Russland durch die bisherigen Misserfolge nicht über so genaue Bahndaten wie die USA verfügte.

200 Tage nach dem Start wären beide Sonden zuerst in einen hoch elliptischen Orbit von etwa 800 × 75600 km Entfernung vom Mars eingeschwenkt. Dieser Orbit hat eine Umlaufszeit von 72 Stunden. Während 25 Tagen machen die Sonden in dieser Bahn beim Perizentrum Untersuchungen des Mars.

Eine Triebwerkszündung im Apozentrum, dem entferntesten Punkt der Bahn hebt den marsnächsten Punkt an, so dass er nun 6300 km über der Oberfläche liegt. Die Umlaufsdauer beträgt in diesem Orbit 79 Stunden. Dieser wird für 35 Stunden beibehalten.

Ein weitere Triebwerkszündung im Perizentrum bei 6300 km Entfernung vom Mars zirkularisiert diese Bahn. Die Sonde hat nun eine Bahn die 320 km außerhalb des Orbits mit Phobos verläuft. Die Umlaufszeit beträgt 8 Stunden. Phobos umkreist den Mars in 7 Stunden 40 Minuten. Während der nächsten 30 Tage wird Phobos auf dieser Bahn gegen den Sternenhintergrund fotografiert um seine Bahn genauer zu bestimmen. Dies ist notwendig, weil sich die Sonde Phobos auf bis zu 30 m nähern soll. Der Traktorblock wird nach Erreichen dieser Bahn abgesprengt. Nun machen die kleineren Triebwerke die notwendigen Feinkorrekturen. Dieser erste Beobachtungsorbit wird für einen Monat beibehalten und dient für Marsbeobachtungen aber auch erste Untersuchungen von Phobos. Dessen Orbit ist noch weniger gut bekannt, sodass sich die Raumsonde langsam dem Mond nähert und so seine Bahn genauer untersucht. Die Position ist bisher nur mit einer Genauigkeit von 150 km bekannt.

Die vierte Bahn hat eine Höhe von 5985 km und verläuft nun bis auf 35 bis 60 km an Phobos heran. Nun holt die Sonde stück für Stück die Distanz zu Phobos auf, nähert sich also bei jedem Umlauf ein bisschen. Dieser Orbit wird für zwei Monate beibehalten. Zuletzt wird die Bahn angepasst, so dass sie nur noch 2 km von Phobos entfernt ist. Durch kurzes Zünden der Düsen nähert sich die Sonde für 15-20 Minuten an Phobos auf eine Distanz von 30-80 m. Sie gleitet mit 5-6 m/s über die Oberfläche und macht dort die Messungen und setzt die beiden Lander ab. Dieses Manöver sollte vollautomatisch ablaufen, was angesichts der zahlreichen Experimente, die in dieser kurzen Zeit betrieben werden sollten und dem Absetzen der Lander ein sehr komplexes Unternehmen ist.

Danach entfernt sie sich wieder von dem Mond auf eine Entfernung von 2 km. Wäre dieses Manöver geglückt, so hätte man es wiederholen können. Auf jeden Fall hätte die Sonde aus 2 km Entfernung noch 140 Tage lang den Mond begleitet und Daten der Lander empfangen und ihn aus der Entfernung untersucht. Es gab auch Vermutungen, das falls Phobos 1 ihre Mission voll erfüllt hätte, man Phobos 2 zu dem zweiten Marsmond Deimos hätte lenken können. Für den Orbiter hätte dies keinen Unterschied gemacht, aber eventuell für die Lander die auf die Schwerkraft und den Tag / Nachtzyklus von Phobos ausgelegt waren. Doch dazu sollte es nicht kommen.

Was der Endorbit von Phobos sein sollte ist offen. Eine Quelle spricht von einem 500 km hohen Orbit, doch dieser wäre mit den Treibstoffvorräten nicht erreichbar gewesen, vielleicht ist auch ein Orbit 500 km jenseits von Phobos gemeint (6452 km Entfernung von der Oberfläche), andere Quellen sprechen von einem 7,6 Stunden Orbit, dieser liegt mit 5933 km Entfernung von der Oberfläche 60 km unterhalb des Orbits von Phobos.

Die Mission

Im Vorfeld der Mission rüstete die Sowjetunion ihre Empfangsantennen auf um die Datenrate von Phobos zu erhöhen. Phobos soll fähig gewesen sein mit bis zu 131 Kilobit/s mit einem 50 Watt Sender zu übertragen. Dabei war die Sendeantenne deutlich kleiner als bei vorherigen Missionen die 2-2,8 m große Sendeantennen hatten.

Phobos am 28.2 aus Sicht der KameraAm 7.7.1988 startete Phobos 1 mit einer Proton mit verstärktem Block D-2, und am 12.7.1988 ihre Schwestersonde Phobos 2. Beide Sonden zündeten nach Abkopplung vom Block D2 ihren eigenen Antrieb und brachten mit diesem die noch fehlenden 500 m/s Geschwindigkeit auf.

Phobos 1 vermaß beim Passieren des Bugschocks des irdischen Magnetfeldes dessen Aktivität in 170.000 km Entfernung zur Erde. Am 16.7.1988 gab es die erste Zündung des Traktorblocks zur Korrektur von Ungenauigkeiten beim Start.

Bis zum 2.9.1988 lieferten die Experimente welche die Sonnenaktivität beobachteten 140 Aufnahmen der Sonde. Als man am 2.9.1988 die Sonde in 17 Millionen km ansprechen wollte antwortete sie nicht mehr. Alle Versuche sie zu aktivieren scheiterten. Am 3 November wurde bekannt gegeben, dass man Phobos 1 aufgegeben hatte. Die Sonde passierte den Mars schweigend am 23.1.1989.

Ursache war eine neue Software die am 29/30 August zur Sonde überspielt wurde. Diese enthielt einen Programmfehler, der die Steuerungsdüsen desaktivierte, anstatt dass er das Gammastrahlenspektrometer desaktivierte. Ein Zeichen war in der Kommandosequenz vergessen worden. Die Sonde geriet ins Taumeln. Ohne die laufende Korrektur der Ausrichtung wurden die Solarpanels jedoch nicht mehr beschienen. Die Batterie an Bord von Phobos 1 konnte nur 5 Stunden diese Zeit überbrücken. So wurde die Sonde verloren. Im Normallfall wurden die Kommandos von Yewpatrovia Sendekomplex gegengecheckt, nachdem sie vom Moskauer Kontrollzentrum aus übermittelt wurden, doch just an diesem Tag war die entsprechende Hardware nicht aktiv. Das alleine kann den Fehler aber nur teilweise erklären. Eigentlich dürfte der Computer einen Befehl der die Sonde in Bedrängnis bracht gar nicht ausführen. Das war das eigentliche Problem.

Nun ruhten alle Hoffnung auf der Schwestersonde Phobos 2. Am 21.7.1988 fand die erste Kurskorrektur statt. Am 23.sten Januar 1989 fanden das letzte Korrekturmanöver vor Erreichen des Marsorbits statt. Am 29.1.1989 zündete die Sonde das Haupttriebwerk für 201 Sekunden und reduzierte die Geschwindigkeit um 815 m/s. Die Sonde gelangte in einen Orbit von 867 × 81347 km Entfernung vom Mars. 0.806 Grad zum Äquator geneigt mit einer Umlaufsdauer von 79.11 Stunden. Hier entdeckte die Sonde ein schwaches Magnetfeld, dessen Werte jedoch rasch mit zunehmender Entfernung abnahmen. Dieses Magnetfeld des Mars konnte 8 Jahre später von Mars Global Surveyor verifiziert werden. Da man nur eine Sonde zu betreuen hatte konnte man das folgende Programm nun beschleunigen.

Am 12.2.1989 wurde die Bahn zum ersten Mal verändert. Ein Zünden des Triebwerks im marsfernsten Punkt steigerte die Geschwindigkeit um 115 m/s und es wurde eine Bahn von 6407 × 81200 km erreicht. Die Umlaufszeit betrug nun 86.5 Stunden. Aus dieser Umlaufbahn aus wurde die Wärmekartierung des Mars begonnen. IR Spektren des Äquators bis zu ± 15 Grad Breite gelangen. In deser Bahn blieb die Sonde über drei Umläufe.

Am 18.2.1989 wurde durch eine dritte Zündung, welche die Sonde um 722 m/s beschleunigt die Parallelbahn zu Phobos erreicht. Die Bahn hatte nun Entfernungen zum Mars von 6148 × 6390 km bei einem Neigungswinkel von 1.26 Grad. Die Umlaufsdauer betrug 8.013 Stunden. Der Traktorblock wurde nun abgetrennt.

Bild von Phobos von FREGATAm 23.2.1989 gab es die erste Serie von 9 Bildern von Phobos aus einer Entfernung von 860 bis 1130 km Entfernung. Dem folgte am 28.2.1989 eine zweite Serie von 15 Bildern aus 320-440 km Entfernung. Danach begann die weitere Erforschung des Mars. Insbesondere Thermoskan lieferte sehr gute Temperaturkarten und 4 vollständige Panoramen des Mars.

Am 7.3.1989 wurde die Bahn durch ein Geschwindigkeitsmanöver von 37.9 m/s noch näher an Phobos herangeführt. Am 15.3.1989 musste nur noch um 1 m/s korrigiert werden. Am 21.3.1989 war eine Synchronbahn zu Phobos erreicht: Entfernung vom Mars 5693 × 6277 km bei 1.0582 Grad Neigung und 7.6597 Stunden Umlaufszeit. In dieser Bahn betrug der Abstand zu Phobos 200-400 km. Die Raumsonde hatte eine Bahn die sie bis zu 200 km auf die marszugewandte Seite von Phobos brachte und 400 km von der Marsfernsten Seite entfernt, das heißt, die Sonde schwang um den Mond herum. Am 25.3.1989 entstand die letzte Serie von 14 Fotos aus einer Distanz von 191-277 km Entfernung. Die Sonde verfolgte nun Phobos in einem Abstand von 4 Sekunden. Diese Aufnahmen dienten auch als Navigationshilfe, da der Orbit von Phobos aufgrund der Mariner 9 Bestimmungen nur auf 3-10 km genau bekannt war und dies war zu wenig, wenn man in weniger als 100 m Abstand den Mond passieren wollte.

Am 27.3.1989 sollten neue Bilder des Mondes gemacht werden. Die Raumsonde hatte sich nun bis auf 35 km an den Marsmond angepirscht. Die Begegnung mit Phobos und das Absetzen der Lander war auf den 4/5.4.1989 geplant. Nun galt es Landeplätze auszumachen. Dazu musste man die Sonde drehen um die Bilder anzufertigen. Nach dieser Kommunikationspause empfing man aber nur 12 Minuten lang ein schwaches Signal ohne auswertbare Telemetrie. Die Sonde hatte die Orientierung verloren und die Antenne zeigte nicht mehr zur Erde. Die Sonde rotierte und die Solarzellenflächen waren nicht mehr auf die Sonne ausgerichtet. Ohne korrekte Ausrichtung kühlte die Sonde aber aus und wäre spätestens am 13.4.1989 tot. Alle Versuche die Sonde wieder unter Kontrolle zu bringen scheiterten. Am 15.4.1989 wurde das Scheitern des Unternehmens bekannt gegeben. Die Ursache konnte nicht endgültig geklärt werden. Es wurde aber vermutet, dass der Computer der Sonde versagt hatte. Eine zweite Möglichkeit wäre ein Ausfall des Senders. Da die Sonde über mehrere Stunden vom Bordcomputer kontrolliert wurde und es keine Telemetrie von ihr über diesen zeitpunkt gab konnte man es nie genau feststellen.

Geliefert hatte die Sonde Messungen während 57 Tagen in der Marsumlaufbahn, darunter Profilmessungen bei 33 Passsagen am Marshorizont. Eine genaue Bestimmung der Atmosphärenzusammensetzung als es mit Viking möglich war. Erstmals wurde Ozon in der Atmosphäre nachgewiesen und Hydroxylradikale am Boden (eine Erklärung für seltsame Reaktionen in einem von Vikings Bioexperiment). Ein Plasmaschweif hinter dem Planeten wurde nachgewiesen und Anzeichen eines schwachen Restmagnetfeld, wahrscheinlich durch Regionen mit magnetischem Material nahe der Oberfläche. Im Plasmaschweif fanden sich Kohlenmonoxid und Sauerstoffradikale und es zeigte sich, das Mars durchaus auch eine Ionosphäre hat. Thermoskan konnte eine Wärmkarte rund um den Äquator mit 1500 km Breite und einer Auflösung von 2 km anfertigen. Die Verlustrate der Marsatmosphäre wurde auf 1-2 kg/s bestimmt und der Wasserdampfgehalt in 20 bis 60 km auf 1/10000 des Kohlendioixidgehaltes.

37 Aufnahmen des Phobos gelangen. Sie deckten 80% der Oberfläche ab. Die besten Aufnahmen haben eine Auflösung von 40 m. Die Masse konnte durch Bahnanalyse genauer festgelegt werden auf 108 Billionen Tonnen, was einer mittleren Dichte von 1.95 entspricht. Damit enthält der Mond im inneren Hohlräume, denn Gestein ist dichter. Ein IR-Spektrum zwischen 0,32 und 3,2 µm m wurde angefertigt. Die Albedo wurde zu 4% bestimmt. Phobos ist also sehr dunkel. Die Oberflächentemperatur liegt daher höher als beim Mars, da die meiste Strahlung absorbiert wird. Phobos 2 maß eine Temperatur von 300 K (+27"C).

Die einzigen Experimente, welche ihren Plan erfüllen konnten waren die Experimente zur Untersuchung der Sonne. Traditionell gibt es in Russland keine eigenen Raumsonden zur Erforschung der Sonne und des interplanetaren Mediums und so waren die Experimente dafür auf Phobos 1+2 untergebracht und sie waren seit dem Start aktiv. Über 100 Röntgen- und Gammastrahlenausbrüche wurden registriert. Erstmals wurde die Polarisation der Röntgenstrahlung die von heißem Helium stammte festgestellt.

Zusammenfassung

Die letzte und ambitionierte Mars Mission der Sowjetunion scheiterte an Unzulänglichkeiten der Technik der Sonden. Die Ausrichtung der Solarzellen auf die Sonne war unpraktikabel wie sich zeigte. Die Pufferbatterie hatte eine zu geringe Kapazität. Vor allem aber war die Computerhardware zu fehleranfällig. Es weder genügend Hardwareredundanzen, nach war die Software so ausgelegt, dass sie Unterroutinen beinhaltete, die bei Problemen die Sonde in einen "Safe" Mode brachte, wie dies bei den amerikanischen Sonden geschah. Dabei hat die Sicherheit der Sonde oberste Priorität. Beginnt sich die Sonde unplangemäß von der Sonne wegzudrehen oder geht die Batterie zur Neige so stellen diese Unterprogramme den laufenden Betrieb ein, richten die Sonde so zur Sonne aus, dass sie wieder vollen Strom bekommt und die Temperaturregelung gewährleistet ist. Danach wartet die Sonde auf neue Befehle von der Erde. Derartige Automatismen gab es bei Phobos nicht. Weiterhin wurde später bekannt dass die Genehmigung für diese recht komplexen Sonden erst im Frühjahr 1985 erfolgte, rund 3,5 Jahre vor dem Start. Manche meinten dass dies nicht ausgereicht hätte um verlässliche und gut getestete Hardware zu fertigen, andere wie Roald Sagdejev vom IKI hielten die Zeit für ausreichend. (In Russland ging es schon immer schneller als in den USA), machten aber die Bürokratie und den Niedergang des kommunistischen Systems für die Verzögerung verantwortlich. So wurde das Phobos Projekt auch genutzt um zu begründen, warum man Perestroika brauchte.

Phobos GruntEs gab noch ein Ingenieursmodell der Sonde, das man hätte umrüsten und mit verbesserter Technik ausstatten können. Doch der Zusammenbruch der Sowjetunion verhinderte einen erneuten Start im Startfenster von 1990 oder 1992. So scheiterte das letzte Planetenunternehmen der Sowjetunion. Die nächste Sonde, Mars 96 sollte schon eine Internationale Sonde sein.

Am 25.10.2005 wurde von der ESA verlautbart, dass Russland überlegt wieder eine Mission zu Phobos zu schicken; Phobos-Grunt. (bedeutet Phobos - Boden). Seit 2001 sollen Konzeptstudien laufen. 2004 soll man sich dann für ein Design entscheiden. Die Sonde soll die Phobos Oberfläche untersuchen, aber auch Bodenproben an Bord untersuchen. Darüber hinaus sind Untersuchungen der Marsatmosphäre und der Wechselwirkung von Mars mit dem Sonnenwind geplant. Die Sonde könnte frühestens 2009 starten und wäre deutlich kleiner als Phobos 1+2 und würde nur mit einer Sojus-Fregat Trägerrakete auskommen (maximale Nutzlast je nach Lage des Startfensters etwa 1100-1250 kg). Der Start von Phobos-Grunt soll je nachdem wie gut die Finanzierung verläuft zwischen 2009 und 2015 erfolgen. Eine Mitnahme eines chinesischen Tochtersatelliten sicherte das Projekt ab und so ist Phobos-Grunt nach Mars 96 das erste planetare Unternehmen der Sowjetunion.

Die Sonde soll von NPO Lavochkin gebaut werden. Es gibt 25 Vorschläge für Experimente. Darunter die Entnahme von Proben aus bis zu einem Meter Tiefe und Rückführung derer zur Erde. Ob die Sonde chemisch oder auch mit Ionentriebwerken ausgerüstet wird ist noch offen.

Online Quellen:

NSSDC Query: NASAs Katalog der Raumsonden und Satelliten

Bilder von Fregat

Info über Phobos 1+2 und die Lander



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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