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Venus Radarorbiter

Einleitung

Die Oberfläche der Venus weist extreme Bedingungen auf. Es herrschen dort etwa 90 Bar Druck und 480 Grad Temperatur. Keine Raumsonde hat diese Bedingungen über eine längere Frist als etwa 2 Stunden überlebt. Wir haben heute Farbpanoramen der Oberfläche, aber in niedriger Auflösung und verzerrter Perspektive aus einem Fischaugenobjektiv. Sie stammen von den beiden Raumsonden Venera 13+14.

Es ist nicht anzunehmen, dass wir in absehbaren Zeit einen Roboter werden konstruieren können, der dort längere Zeit - Tage bis Wochen aushält. Trotzdem wäre es interessant zu wissen, wie es auf der Venus aussieht - nicht nur direkt auf der Oberfläche, sondern auch aus einiger Höhe, da wir die Oberfläche nie direkt sehen können. Das ist der Plan für einen Späher der dies tut.

Bisherige Aufnahmen der Venus stammen von Magellan. Sie haben 100 m Auflösung im globalen Kontext, einzelne Gebiete bis 75 m. Ziel ist es diese Auflösung weiter zu steigern.

Anforderungen

Ziel soll es sein aus dem Spionagesatelliten SARLupe eine Venussonde zu konstruieren, welche die Venus noch besser kartiert als bisher. Ziel ist es die Oberfläche mit 10 m Genauigkeit nach 5 Jahren Mission zu erfassen. SARLupe erreicht aus 500 km Entfernung eine Auflösung von 1 m für kleine Areale und 5,5 m für die dauerhafte Erfassung. Er wiegt beim Start 720 kg. Die einfachste Lösung ist es diesen Satelliten umzurüsten.

Herausforderungen

Auch wenn das eigentliche Hauptinstrument von SarLupe, das SAR mehr als ausreichend ist, sind weitere Veränderungen nötig:

Eine mögliche Konfiguration

Der Venus Radarsatellit wird mit einer Sojus STK-b zur Venus geschossen: Startmasse ca. 1900 kg. (Basierend auf den Angaben von Venera-D). Dort schwenkt der Späher  in einen ersten Orbit ein (Abbremsung um ca. 1000 m/s). Dieser wird dann um Treibstoff zu sparen über ein Jahr mittels Aerobraking abgesenkt (planetennächster Punkt dann in 120 bis 170 km Höhe). Zuletzt wird, wenn eine Periapsis von 1000 km Entfernung erreicht wird, mit einer letzten Zündung auf eine 1000 km hohe kreisförmige Umlaufbahn angehoben. Dafür ist ein ΔV von etwa 200 bis 250 m/s benötigt. Mit Treibstoffreserven für 1400 m/s Geschwindigkeitsänderung benötigt man 700 kg Treibstoff bei gängigen NTO/MMH Antrieben (spezifischer Impuls: 3150 m/s, Startgewicht: 1900 kg). Zusammen mit den Tanks und dem Triebwerk ist man für diesen Teil des Satelliten bei einer Masse von 830 kg.

Da SAR-Lupe beim Start nur 720 kg wiegt, gibt es so noch einen Spielraum von 350 kg für weitere Erweiterungen, Anpassungen / Treibstoffreserven.

Schon eine Überschlagsrechnung führt dazu, dass eine sehr hohe Datenrate benötigt wird. Daher benötigt der Späher eine sehr große Parabolantenne. Beim Start mit einer Sojus ist eine 3,5 m große Antenne möglich. Sie muss drehbar sein, da auf einer niedrigen Umlaufbahn die Erde von der Sonde aus nicht an einer Stelle am Firmament bleibt. Für starke Sender und weil es auch nötig sein kann, auf der Nachtseite zu senden wird ein größeres Solarpanel und Batterien benötigt. Trotzdem lassen 350 kg Mehrgewicht noch Möglichkeiten weitere Instrumente mitzunehmen, doch dazu später mehr. Daher sollte die Ausrüstung eine 3,5 m Antenne an einem ausfahrbaren Mast wie bei LRO umfassen. Alternativ kann auch die Antenne fest montiert werden und die RADAR Anlage schwenkbar montiert sein, wenn dies weniger Aufwendig ist. Da es notwendig sein kann gleichzeitig zu senden und zu kartieren sollte eine beider Antennen schwenkbar sein.

Von Vorteil ist die relativ geringe Rotation der Venus. Eine SAR Antenne kann aus 1000 km Entfernung noch etwa 200 km seitwärts sehen ohne viel an Auflösung zu verlieren. Daher sind bis zu zwei bis drei Tage, bei denen keine Kartierung möglich ist, leicht auffangbar. Die Venus rotiert nur um 158 km pro Tag am Äquator.

Hauptaufgabe: RADAR Kartierung

Wenn man von einem deutschen Projekt ausgeht, also als Empfangsantenne die bestehende (und einzige) Deep Sky 30 m Antenne in Weilheim einsetzt, die Venus 10 Stunden über dem Firmament ist und über 60% pro Umlauf eine Kommunikation möglich ist, dann hat die Sonde 21.600 s Kontaktzeit pro Tag. Bei 5 Jahren Mission muss die Sonde pro Tag einen 22 km breiten Streifen erfassen. Dies sind rund 850.000 km² pro Tag. Bei 10 m Auflösung und 24 Bits pro Element (Pixel) ist dies eine Datenmenge von 204 GBit pro Tag. Daraus ergibt sich eine mittlere Datenrate von 9,5 MBit/s. Dieses Datenvolumen muss auch bei größter Entfernung von der Erde (258 Millionen km) geliefert werden. Daraus ergibt sich im X-Band eine Sendeleistung von 350 Watt, was deutlich zu hoch ist.

Mögliche Lösungsansätze:

Bleiben:

Sehr starke Sender (350 Watt, bisheriger Rekord: MRO mit 170 Watt Sendeleistung) oder Übergang auf das Ka Band.

Die Bits pro Punkt wurden mit 24 Bit festgesetzt, da RADAR keine Helligkeitswerte liefert sondern die Signallaufzeit (Höhenprofil) und es zwei Werte je nach Polarisierung gibt. Die Möglichkeit der Komprimierung reduziert die Datenmenge, umgekehrt müssen Puffer für Konjunktionen, Empfangen von Kommandos und die Fehlerkorrektur kalkuliert werden. Da verlustbehaftete Komprimierung bei militärischen Spionagesatelliten schon eingesetzt wird, habe ich diese mit einem Faktor von 4 berücksichtigt. Das würde auch im X-Band die Sendeleistung auf tolerierbare 90 Watt senken.

Optionale Möglichkeiten

Wie beschrieben ist die Datenrate aufgrund der unterschiedlichen Entfernung stark schwankend. Sie liegt bei der Opposition 39-mal höher als zur Konjunktionszeit. Dies kann genutzt werden. Da die Radarkartierung an die Rotation der Venus gekoppelt ist und diese sehr langsam rotiert (einmal in 243 Tagen um die eigene Achse) ist es nicht möglich einfach bei größter Annäherung mehr zu kartieren. Zwar kann ein SAR zur Seite blicken, doch aus der gewählten Umlaufbahn sind dies nur einige Hundert Kilometer und da sich pro Tag der Groundtrack nur um 158 km verschiebt kann so leider diese Zeit nur bedingt genutzt werden um dann mehr zu kartieren. Was möglich ist die Auflösung an die Datenrate anzupassen. So könnte man in 5 Jahren rund 24% der Oberfläche mit einer Auflösung von 2 m erfassen, oder eben ein kleineres Areal mehrfach um Veränderungen festzustellen.

Sinnvoll ist es daher zum einen einen Teil der Daten zwischenzuspeichern. Das ist wegen der Konjunktion bei der die Sonde sich von der Erde aus gesehen nahe der Sonne befindet sowieso nötig. Dann ist über einige Wochen kein Funkkontakt möglich. Heute gibt es SSD von 256 GByte Kapazität. Vier Stück davon sollten ausreichen um 40 Tage vollständig abzufangen. Die vor allem bei der Opposition mögliche hohe Datenrate kann für eine bessere Kartierung in der Normauflösung genutzt werden, aber auch um kleinere Gebiete mit sehr hoher Auflösung (2 m sollten aus 1000 km Bahnhöhe möglich sein) zu erfassen, z.B. gebiete mit interessanten geologischen Strukturen oder vermutetem Vulkanismus. Allerdings ist die Zeit kurz von den 584 Tagen zwischen zwei Oppositionen befindet sich die Venus nur 100 Tage näher als 100 Millionen km zur Erde. Dagegen ist sie über dri Monate über 250 Millionen km entfernt.

Eine dritte Möglichkeit wäre es, nur wenn es die Datenrate erlaubt, ein weiteres Instrument mit hohem Datenaufkommen zu betreiben. Ein solches wäre z.B. ein abbildendes Bis-IR Spektrometer, das einen Datenkubus erzeugt: Anstatt, dass mit höherer Auflösung wie bei einem Bild die Datenmenge quadratisch ansteigt geschieht dies in der dritten Potenz. Ein Instrument das also doppelte Auflösung aufweist generiert achtmal so viele Daten. Es würde dann zeitweise hohe spektrale Kartierungen der Venus durchführen, während dies zum größten Teil der Mission nicht möglich sind.

Sinnvoll ist es sicher diese Möglichkeiten zu kombinieren, also Daten in der Konjunktionphase zwischenzuspeichern, bei weiterer Annäherung dann ein Spektrometer hinzunehmen und erst bei großer Erdnähe zusätzlich die gespeicherten Daten zu übertragen und punktweise Kartierungen durchzuführen.

Weitere Messinstrumente

Ohne Problem sollte die Mitführung weiterer Messinstrumente mit geringer Datenrate möglich sein. Aufgrund der Tatsache, dass der Beobachtungsorbit sehr planetennah ist und während der Aerobraking Phase die Sonde sogar in die obere Atmosphäre eintaucht, wären Instrumente welche das Magnetfeld und vor allem die Teilchen (neutrale und ionisierte) nahe der Venus untersuchen, interessant wie Magnetfeldsensoren, Analysatoren für geladene Teilchen, Massenspektrometer um Moleküle und Atome zu untersuchen. Die Sonde sollte sich in diesem Orbit ein Jahr lang befinden - genug Zeit für zahlrieche Analysen. Sie können auch im 1000 km Orbit aktiv sein, auch wenn viele Phänomene wie die Interkation mit dem Sonnenwind sehr nahe des Planeten ablaufen. Eine Kamera macht wegen der niedrigen Höhe und dem geringen Kontrast der Atmosphäre nur wenig Sinn, außer man entscheidet sich nicht für einen kreisförmigen Orbit, sondern verbleibt in einem elliptischen Orbit. Dieser hat den Nachteil, dass die Auflösung vom Fußpunkt der Periapsis ausgehend abnimmt.

Aufgrund der großen Antenne wäre auch ein Empfänger für eine Landemission nicht uninteressant, dazu weiter unten mehr.

Eine Mögliche Mission:

Startdatum: 10.6.2010: Energie im Unendlichen: 15,99 km²/s²

Stargeschwindigkeit (200 km Parkorbit): 11714 m/s

Ankunftsdatum: 13.12.2010

Ankunftsenergie: 9,07 km²/s²

Einbremsgeschwindigkeit in 250 x 66000 km Orbit: 855 m/s

Absenkung der planetennächsten Punkts auf 150 km Höhe: 6,4 m/s

Abbremsung um 2 m/s pro Umlauf über Aerobraking:

1177 Umläufe, 265 Tage

Anhebung des Orbits: 221,3 m/s

Gesamter Treibstoffverbrauch: 1082,7 m/s (lässt rund 300 m/s für zukünftige Aufgaben übrig)

Unterstützung einer Landemission

In der gewählten Umlaufbahn ist die Raumsonde schon so weit von der Venus entfernt, dass sie beim Passieren eines Landeortes einen Funkkontakt über 18 Minuten aufrecht erhalten kann. Denkbar ist der Transmit von Daten direkt nach der Landung (die natürlich mit dem Überflug des Orbiters korreliert werden muss). Der Vorteil ist gegeben, wie folgender Vergleich zeigt:

Aufgrund der niedrigen Entfernung kann in kurzer Zeit viel übertragen werden. Auch wenn man Zeit verschenkt (die Sonde arbeitet eventuell länger als die 18 Minuten) ist die Gesamtdatenmenge viel höher. Ein sinnvolles Regime wäre es, die Daten während des Abstiegs, der etwa 45 bis 60 Minuten dauert, zuerst zwischenzuspeichern und über den Vorbeiflugbus die Daten zu übertragen, die geringe Datenraten haben, wie z.B. Analysewerte von Massenspektrometern, direkte Messungen der Atmosphäre, aber Spektren und Fotos zwischenzuspeichern. Nach der Landung werden diese dann mit hoher Datenrate, ergänzt durch Panoramen von der Landung gesendet. Reist die Funkverbindung ab, so werden die weiteren Messungen wieder über den Vorbeiflugbus übermittelt. Die Sonde muss daher in rund 18 Minuten ihre Fototätigkeit auf der Oberfläche absolviert haben. Andere Analysen können weiter laufen.

Der Vorteil ist dass in diesen 18 Minuten theoretisch rund 3456 MBit übertragen werden können, was z.B. 432 Bildern von 1 Mpixel mit je 8 Bits/Helligkeitswert entspricht. Das ist ein vielfaches dessen was wir von bisherigen Landesonden haben und es würde nicht nur ein Venuspanorama in bisher nicht gekannter Auflösung, sondern auch zahlreiche Bilder, die während des Abstiegs entstanden und die die Oberfläche aus "Vogelperspektive" vergleichbar den Aufnahmen von Huygens, erlauben.



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

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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