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Voyagers: Die Sonde

Aufbau der Voyager SondenDer Aufbau der Voyager Sonden

Beide Voyagersonden waren identisch aufgebaut und instrumentiert. Voyager 1 erhielt eine zusätzliche Abschirmung aus Titan um die Elektronik, weil sie sich Jupiter stärker näherte, Voyager 2 den RTG, der mehr Leistung abgab, da ihre Mission bis zu Neptun führen konnte, sonst gab es keine Unterschiede zwischen den Sonden. Voyager verwandten erstmals eine integrierte Feststoffoberstufe, die den Antrieb übernahm, während die Raumsonde die räumliche Lage während des Betriebs stabilisierte. Nach dem Ausbrennen wurde die Oberstufe durch Sprengbolzen abgetrennt.

Grundlegend für den Aufbau der Sonden ist eine weitgehend redundante Auslegung durch doppelte Auslegung wichtiger Systeme um eine Betriebsdauer von mindestens 5 Jahren zu gewährleisten. Dies umfasst Sonnensensoren, Computer, Sender etc. So fiel 1992 der Hauptcomputer von Voyager 1 aus und seitdem arbeitet die Sonde mit dem Reserve Rechner. Diese doppelte Auslegung half Voyager 2 auch bei den Vorbeiflügen bei Uranus und Neptun - man programmierte die Reservegeräte für Aufgaben um, die beim Start nie vorgesehen waren! Mehr über die Rechner der Voyager Sonden in dem Aufsatz über Computer in der Raumfahrt. Die Auslegung für 5 Jahre garantierte Missionszeit war für die damalige Zeit eine enorme Herausforderung. Viking war inklusive der Flugzeit auf 28 Monate ausgelegt. Dabei hatten die Voyager Rechner nach ersten Schätzungen etwa 10 mal mehr Arbeit als der Bordcomputer von Viking während der Vorbeiflüge zu bewältigen.

Die gesamte Elektronik befindet sich in einem zehneckigen Ring um den zentralen Hydrazintank. Vier Abteile sind mit Louvern (Jalousien) zur Temperaturregelung versehen. Jedes Abteil hat eine Breite von 43 cm. Der maximale Durchmesser des Rings beträgt 178 cm.

System Gewicht
Voyager Raumsonde 825.5 kg
davon Instrumente 104,8 kg
Burner 2 Stufe 1.220,1 kg
Adapter zur Centaur 54,5 kg
Startgewicht 2.100,2 kg

Bordcomputer

Vor Voyager setzte man Computer im heutigen Sinne, also frei programmierbare Systeme erst bei den Viking Sonden ein. Anders als Viking ging es nun aber um eine 4 jährige Primärmission, die noch dazu durch den Strahlungsgürtel Jupiters führte, die den Pioneer 10+11 Sonden so zugesetzt hatte. Doch es war das Budget begrenzt, und so entschied man sich für die Adaption bestehender Viking Technologie. Da Voyager eine Vorbeiflugsonde ist, und so erheblich mehr zu erledigen hat als die Viking Orbiter, entschloss man sich, die Aufgaben auf 3 Computersysteme, die jeweils redundant sind, aufzuteilen. Sie unterteilen sich nach Funktionen in:

Voyager vor dem StartFür die TOPS Sonden entwickelte das JPL einen Self-Test And Repair Computer: STAR. Er sollte weitaus weiter entwickelt sein als alle bisherigen Computer in Raumfahrzeugen, und die Fähigkeit haben, eine Raumsonde über 10 Jahre autonom zu steuern. Der STAR war eine byteserielle Maschine mit einer Bitbreite von 32 Bit. Bei 500 kHz Taktrate hätte der Rechner eine Leistung von 0.02 MIPS erreicht und 16 KWorte ROM sowie 4 KWorte RAM verfügt. Ein doppelt ausgelegtes System hätte eine Ausfallrate von 0.00018 über 6 Monate und 0.21 über 10 Jahre gehabt. Ausgelegt war aber STAR als 5 faches System - Zwei Rechner hätten komplett ausfallen können. Weiterhin erlaubte dieses Konzept bis zu zwei defekte Rechner zu überstimmen (Voting System). Zum Vergleich: Zur selben Zeit, als man den STAR entwickelte, starteten Mariner 6+7 mit einem Sequenzer mit 128 Worten RAM mit einer Ausfallrate von 0.072 über sechs Monate und 0.775 über zehn Jahre. Die Konzeption des Speichers des STAR wurde später in Galileo verwendet. Er unterteilte den Speicher in High Level und Low Level Module. Letztere steuert elementare Systeme des Computers und ersteres die Experimente und die Kommunikation.

Das Konzept des STAR wurde als zu teuer befunden und man entwickelte für Voyager drei einzelne Computer mit weitaus weniger Fähigkeiten, die auf den Viking Bordrechnern basierten. Die Sicherheit bekam man, indem man jedes System doppelt auslegt und Schaltungen hinzufügte, welche einen Ausfall eines Computers erkannten und dann automatisch auf das Reservesystem umschalteten. (Selbstheilende Schaltungen)

Die Erkenntnisse von Pioneer 10 über das Jupitersystem und seinen Strahlungsgürtel kamen zu spät um das gesamte Konzept des Bordcomputers zu ändern. Man konnte aber durch Tests auf der Erde die Strahlung simulieren und Details ändern. Zusätzlich wurde die Elektronik durch einen Schild aus Tantal geschützt.

CCS (Communication & Command System)

Das CCS sollte von Vikings Orbiter übernommen werden, doch die Probleme mit den energiereichen Teilchen, wie auch die Zeit in der der Computer in Betrieb waren, machten eine neue Lösung notwendig. Der CCS verwandte die Viking Technologie, jedoch mit weitgehenden Adoptionen, auch was die Zusammenarbeit mit dem AACS angeht, der alle 2 Sekunden einen Synchronisationsimpuls sandte, um festzustellen ob noch alle Rechner in Betrieb waren. Der Rechner ist erheblich schneller als der von Viking und hat eine Zykluszeit von 1.37 Mikrosekunden. Wie bei Viking wird ein 4 KWort (1 Wort zu je 18 Bit) Ringkernspeicher verwendet. Die Befehlsbreite ist fest bei 18 Bit. Davon entfallen 6 Bit für den Opcode (64 Instruktionen) und 12 Bit für eine Adresse (4 KWorte). Alternativ konnte ein 18 Bit Datenwort mit dem Wertbereich von -131071 bis +131072 gespeichert werden. In der CPU standen 13 Register für das Berechnen von Werten zur Verfügung. Die Taktfrequenz des CCS wurde jedoch auf 1.9 MHz gesteigert, wodurch der Rechner 0.73 MIPS erreichte - 64 mal schneller als der Viking Bordrechner und dreimal schneller als ein Prozessor in Voyagers Nachfolger Galileo.

Blockdiagramm CCS, FDS und AACSDer Speicher des CCS war frei aufteilbar zwischen Instrumenten und Sondensteuerung. So brachte man in 800 Worten beim Uranus Vorbeiflug eine Kompressionsmethode unter, welche die Daten der Kamera auf 3/8 reduzierte. Während des Jupitervorbeiflugs erhielt Voyager innerhalb von wenigen Tagen 18 mal neue Instruktionen, zwischen den Planeten etwa alle 3 Monate. Beim Start waren 2810 Worte mit Programmen für die Steuerung belegt. Frei waren 1286 Worte für die Steuerung der Instrumente und das wissenschaftliche Messprogramm. Beim Neptun Vorbeiflug hatte man mehr Raum für die Programmierung des Ablaufs geschaffen und hatte 2500 Worte für das Messprogramm. Als erster Computer an Bord einer Raumsonde gab es die Möglichkeit Probleme zu erkennen und darauf zu reagieren. Der CCS verfügte über 5 Fault Protection Algorithmen (FPA) die folgende schwere Probleme erkennen sollen:

AACS (Altitude and Articulation Control System)

Aufgabe des AACS war die Kontrolle der räumlichen Ausrichtung der Raumsonde. Es war das erste System das aktiv war, denn es überwachte schon die Zündung des Feststoffantriebs und korrigierte mit den Triebwerken am Antriebsmodul nach wenn dieses nicht korrekt ausgerichtet war.

Die genaue Ausrichtung von Kameras auf Monde, die sich mit bis zu 20 km/s relativ zur Raumsonde bewegen, machte ein eigenes Computersystem notwendig. Man verband den 18 Bittigen 4 KWort Ringkernspeicher von Viking, mit einem neuen Rechner, der byteseriell war und eine Mischung aus einem analogen TTL Bausteinen und integrierten Schaltungen. Zum AACS gehören neben dem Rechner auch andere Teile, da dies die gesamte Lagekontrolle umfasste, also auch sie Sensoren, Gyroskope etc. Der Rechner alleine hatte den Namen HPACE (Hybrid programmable attitude control electronics).

Der Rechner hat eine Zykluszeit von 28 Mikrosekunden. Er war also dreimal schneller als der CCS von Viking, aber 21 mal langsamer als das CCS. Sein 4,8 KHz Referenzsignal wurde als Ausgangsbasis für zahlreiche andere Zeitbasen genommen. So wurde die Wechselspannung von 2.4 KHz Frequenz aus diesem Signal generiert. Er stellte 4 Zeitschlitze für die Bewegung der Scanplattform und die Kontrolle der Lage, von 10 ms bis 240 ms Dauer zur Verfügung. Nach acht 240 ms Zyklen wurde der Synchronisationsimpuls gesandt, auf den alle Rechner reagieren mussten. Speicher war immer knapp im AACS, schon beim Start war der Speicher bis auf zwei Worte belegt.

Das AACS hatte zwei Modi, den Gyro Modus und den Sternenmodus. Im Gyromodus, der über einige Stunden bis maximal einige Tage während die Sonde den Planeten am nächsten war, und die Instrumentenplattform sehr genau ausgerichtet sein musste, lieferten schnell rotierende Kreisel, Gyroskope ein Referenzsignal. Veränderte die Raumsonde ihre Ausrichtung im Raum so induzierte dies ein Signal bei den Kreiseln, die ihre Ausrichtung im Raum beibehalten wollten. Ohne Kalibration gab es einen systembedingten Shift von 0.5 Grad pro Stunde, mit Kalibration konnte er reduziert werden auf einen Wert von 0.05 Grad pro Stunde.

Den Sternenmodus benutzte die Sonde während der übrigen Zeit. Dazu wurde ein Sonnensensor an der Spitze der parabolischen Antenne und ein seitwärts angebrachter Sternensensor, der zumindest auf Canopus ausgerichtet war, benutzt. Er war redundant vorhanden. Sobald die Sonne oder der Stern außerhalb eines bestimmten Bereiches war feuerte das AACS die Kurskorrekturdüsen und brachte diese wieder ins Zentrum des Sensors. Der Sonnensensor war ein optisches Potentiometer mit einem Cadmiumsulfid Detektor. Er hatte einen Ausrichtungsfehler von 0,01 Grad und ab einer Abweichung von 0,05 Grad wurde eine Korrektur veranlasst. Der Kanopus Sternsensor war eine Photomultiplier Röhre mit einem Cäsiumdetektor mit demselben Meßfehler und Korrekturfeld.

FDS (Flight Data Subsystem)

Vikings und Voyagers CCSDie hohen Datenraten machten ein eigenes Subsystem notwendig. Hier kam man von den Viking 4 KWorten Ringkernspeichern ab und entschied sich für CMOS Speicher, die damals sehr neu waren, aber ideal, weil unempfindlich gegenüber Spannungsschwankungen. Das der Speicher anders als Ringkernspeicher nicht permanent war (also bei Stromausfall die Daten verlor) störte nicht, denn Voyager hatte mit den Nuklearbatterien eine konstante Gleichstromquelle an Bord. CMOS IC's ließen einen doppelt so großen Speicher zu: 8 KWorte. Der Speicher wird auch gerne als Zwischenspeicher vom CCS genutzt, wenn dieser größere Programme abarbeiten muss. Weiterhin verfügt der Rechner über einen DMA Zugriff, kann anders als die anderen Rechner also Daten direkt in den Speicher transferieren, ohne den Prozessor zu bemühen.

Die CPU aus 150 TTL Bausteinen in MSI Bauweise (Medium Scaled Integrated Circuts) verbraucht nur 0.33 Watt, das ganze FDS 10 Watt bei 16.3 kg Gewicht. Die CPU ist auf den Datentransfer zugeschnitten, verfügt über 128 Register die im Speicher liegen und 36 Instruktionen: Die meisten Instruktionen sind Dekrement, Inkrement und Shift bzw. Rotationsbefehle. Andere Instruktionen waren relativ langsam. Der Rechner erreicht eine Geschwindigkeit von 0.08 MIPS. Alle Tasks sind vielfache von 24 × 2.5 ms. In dieser Zeit ist eine Zeile der Kamera ausgelesen und im Speicher abgelegt worden, danach beginnt das Auslesen der nächsten Zeile an Adresse 0000. Die Aufzeichnung auf Band (57600 Baud) oder zur Erde (19200-115200 Baud bei den Planeten) wird damit synchronisiert. Die beiden FDS konnten parallel arbeiten oder als Cold Spare, bei dem eine Schaltung den Ausfall eines FDS feststellte und dann den zweiten startete. In der Praxis betrieb man lange Zeit alle FDS parallel und wagte erste beim Uranus Encounter das zweite FDS mit anderen Aufgaben zu betrauen. Der Speicher der FDS wurde unterteilt ein einen Programmspeicher und einen Datenspeicher von jeweils 2 KWort Größe. Im Hot Swap Mode spiegelte das zweite FDS laufend den 2K Datenspeicher des ersten in seinen eigenen Speicher. Das FDS verfügte auch über Selbsttestroutinen und die Fähigkeit festzustellen, ob die angeschlossenen Instrumente noch reagieren. Allerdings dauerten I/O Checks der Instrumente relativ lange.

Das FDS sammelte die Daten der Instrumente ein und sandte sie in einem einheitlichen Format zur Erde: dem GS&E Format (General Science and Engineering). Dieses Format bestand aus zwei Datenraten von 4800 und 7200 Bit/sec. Wobei das FDS die Daten der Instrumente zusammenmischte, komprimierte und mit Fehlerkorrekturbits versah. Bei 7200 Bit Format gab es zum Beispiel 3600 Datenbits und 3600 Korrekturbits des Golay Codes. Der zweite Korrekturcode war der Reed-Solomon Code, der nur 1200 Korrekturbits erforderte. Seine Hardware war aber nicht redundant vorhanden, so dass man ihn erst beim Uranus Encounter zum ersten mal einsetzte (Ein weiterer Grund war das das Codieren länger dauerte, so dass diese Codierung nur bei Datenraten unter 50 KBit/s einsetzbar war). Die 3600 Bits waren ein gemischter Datenstrom, so stammten z.B. 1120 Bits/sec von IRIS und 266 Bits/sec von PRA. Die Kameras ISS und das RSS benutzten nicht dieses Format. Die Kameras, weil ihre Datenraten viel höher lagen und das RSS benutzte das Format nicht, weil man hier zum Durchleuchten der Atmosphären kein Nutzsignal sondern nur die Trägerwelle sandte. PRA und PWS hatten neben ISS ebenfalls Modi mit hohen Datenraten die jedoch nur zum Speichern auf Band genutzt wurden. Von dort aus wurde dann langsam ausgelesen und im GS&E Format gesandt.

Bis zum Uranus Vorbeiflug fungierte immer ein FDS als Backupsystem, später betrieb man die FDS getrennt: Ein Computer formatierte Daten und der zweite komprimierte und sandte die Daten.

Man wählte Mikroprozessor und Elektronik aller Rechner so aus, das Sie dem Strahlungsgürtel des Jupiters, dessen Strahlungsdosis in Minuten einen Menschen töten kann, widerstehen konnten. Pioneer 10 wurde z.B. beim Vorbeiflug von der 500 fachen für einen Menschen tödlichen Strahlungsdosis getroffen. Die doppelte Auslegung bewährte sich, als 1992 einer der Computer von Voyager 1 ausfiel. Die Raumsonde arbeitet seither mit dem Backup System. Das System bewährte sich und auch Galileo, Magellan und Cassini haben jeweils ein CCS und AACS. Das FDS trifft man heute bei Instrumenten nicht mehr an, da heute jedes Experiment seine eigene Elektronik hat, manchmal ist diese sogar leistungsfähiger als der Bordcomputer.

Im Jahre 2005 haben die Voyager Bordrechner jeweils über 100.000 Betriebsstunden auf dem Buckel. Von den 12 Rechnern sind noch 11 aktiv. Übertragen auf die Erde wäre das, als würde man im August 1977 insgesamt 12 Apple II Rechner einschalten und im Jahre 2005 laufen 11 davon.

Massenspeicher

Bilder und Daten wurden zuerst auf ein Halbzollmagnetband (Digital Tape Recorder DTR) mit 328 m Länge und 8 Spuren geschrieben (mit einer Schreibgeschwindigkeit von maximal 115.2 KBit/sec, Lesegeschwindigkeit maximal 57.6 KBit/sec, Schreiben und Lesen gleichzeitig mit maximal 7.2 KBit/s) und später direkt vom Band an die Bodenstation gesendet, da die Computer nicht den Speicher hatten um auch nur ein Bild zwischenzuspeichern. Das Magnetband fasste 536 MBit, was maximal 100 Bildern entsprach. Auch später diente der Bandrekorder als Zwischenspeicher, so wird einmal pro Woche 48 Sekunden lang mit 115.2 KBit Daten des PWS Instrumentes gespeichert, die alle 6 Monate von der Erde abgerufen werden. Die maximale Senderate von 115.2 KBit/sec wurde so gewählt, weil es die maximale Abtastrate von Bildern aus der Vidicon Kamera war. Pro Spur konnte das DTR 12 Bilder speichern, insgesamt also maximal 96. Das FDS hat als schnellsten Zyklus zum Holen der Daten diese Rate, alle anderen niederen Datenraten sind davon abgeleitet.

Magnetband
Länge: 328 m
Spuren 8
Kapazität: 536 MBit
Datenrate Speichern: 115.200 und 7.200 Bit/s
Datenrate auslesen: 7.200, 21.600, 33.600, 57.600 Bit/s

Kommunikation

Datenraten von VoygerDie Voyager Sonden haben als auffälligsten Teil eine 3.66 Meter durchmessende. parabolische, Kommunikationsantenne (HGA = High Gain Antenna). Mit dieser verläuft die gesamte Kommunikation zur Erde. Eingebaut sind je 2 Sender in S-und X-Band. (2295 MHz beziehungsweise 8418 MHz). Dazu kommt noch eine Niedriggewinn (LGA Antenne). Ein Backup dieser Antenne wurde bei Magellan eingesetzt. Die Kombination von großer Antenne und Benutzung des X-Bandes erlaubte es mit einer sehr hoher Datenübertragungsrate zu operieren. Mariner 10 stellte vor Voyager den Rekord mit 117.2 KBit/sec aus maximal 219 Millionen km Entfernung. Voyager sandte mit 115.2 KBit/sec aus 930 Millionen km Entfernung. Die Daten wurden im X-Band gesendet, das S-Band wurde für Kommandos von der Erde (2114 MHz, mit 40-160 Bit/sec) und kleinere Datenraten zwischen den Fly-Bys genutzt. Die Parabolantenne bestand aus dem damals neuen Graphit-Epoxid Verbundmaterial um Gewicht zu sparen. Die tragende Struktur bestand aus Aluminium, die Antennenfläche aus dem Verbundwerkstoff. 

Die Sender waren 9.4 / 28.3 Watt (S-Band) und 12 / 23 Watt (X-Band) stark, die Stromaufnahme durch die Wandlungsverluste waren aber beträchtlich höher und lagen beim X-Band Sender z.B. bei 53 Watt bei 23 Watt Sendeleistung. Nur jeweils ein Sender war in Betrieb. Die HGA kann um bis zu 20 Grad zur Achse des Sonnensensors verschoben werden. Nach 80 Tagen Flug ist die Erde niemals mehr als diese 20 Grad von der Sonne entfernt und die gesamte Kommunikation erfolgt nur noch über die HGA.

Die Bodenstation sandte ein Carriersignal mit einer Frequenz von 2114,667 MHz zu Voyager 1 und 2113,3125 MHz zu Voyager 2. Dieses kann auch Telemetrie (Kommando) enthalten, die dann aufmoduliert sind. Die Raumsonden nehmen dieses Trägersignal als Referenz und multiplizieren es mit dem Faktor 240/221 für die Downlinkfrequenz im S-Band und 880/221 für die Downlinkfrequenz im X-Band. So werden Downlinkfrequenzen von 2295 und 2296,48 MHz (S-Band) und 8416 / 8420.43 MHz erhalten.

Technische Daten wurden mit 40..1200 Bit/s, wissenschaftliche mit 2500-115200 Bit/sec übertragen. Der S-Band Sender wurde nur für wissenschaftliche Anwendungen nur sporadisch eingesetzt, z.B. um bei Planetenbegegnungen die Atmosphäre zu durchleuchten, ansonsten war er für Telemetrie (Daten von den internen Sensoren der Sonde reserviert).  Die beiden Sender der Sonde haben ein Gesamtgewicht von 44 kg. Kommandos zur Sonde wurden nur im S-Band gesandt. Daneben gab es einen weiteren S-Band Empfänger mit einer Niedriggewinnantenne als Backup.

AntennenpatternDie Daten wurden im X-Band gesandt, weil durch die höhere Frequenz der  Öffnungswinkel kleiner war und man so auf der Erde mehr Leistung pro Bit empfängt. Der "Half-Power" Winkel betrug 0.6 Grad im X-Band und 2.3 Grad im S-Band. Zeigt die Antenne also 0.6 Grad neben die Erde, so sinkt die Empfangsleistung im X-Band auf die Hälfte ab, während sie im S-Band nur geringfügig absinkt. Dafür beträgt der Antennengewinn im S-Band nur 35 db, im X-Band sind es 48 db. Die Niedriggewinnantennen (LGA) mit einem Öffnungswinkel von 60 Grad werden nur für den Empfang von Kommandos in Notsituationen und kurz nach dem Start eingesetzt wenn die Raumsonde noch nahe der Erde ist. 80 Tage nach dem Start erfolgt die gesamte Kommunikation über die HGA. Die LGA haben einen Gewinn von 5 db.

Ohne den X-Band Sender wäre die Datenmenge bei den Vorbeiflügen sehr gering gewesen, doch waren sie noch sehr neu und man schätzte die Gefahren des Datenverlustes durch Fehlorientierung recht hoch ein. Die S-Band Sender waren daher ein wichtiges Backupsystem. Damit man nur mit dem S-Band Sender auch die Mission durchführen konnte, baute man neben dem Golay Code Codierer auch einen Reed-Solomon Codierer ein. Der Golay Code hat pro Datenbit ein Bit mit Zusatzinformationen die es erlauben Übertragungsfehler zu korrigieren. Der Reed Solomon Code (der auch in den CD eingesetzt wird) braucht auf 5 Datenbits nur ein Zusatzbit. Allerdings war die Hardware dafür nicht redundant vorhanden und wurde erst eingesetzt als man ohne sie bei Uranus zu wenige Bilder erhalten hätte. Dabei war er effizienter: Es reduzierte den Bitfehler von 5 x 10-3 auf 1 x 10-6.

Es gab 42 Datenmodi die sich in den transportierten Daten (Daten der internen Systeme , Cruise wissenschaftliche Daten, Vorbeiflugdaten mit und ohne Sondendaten) und der Datenrate unterschieden. Verfügbare Datenraten waren 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560, 3600, 7200, 19200, 298662/3, 44800, 67200, 89600 und 115200 Bit/s. Empfangen wurden Kommandos mit einer Datenrate von 16 Bit/s.

Modi Sender Fatenrate
"Engineering Data" S-Band 40 und 1200 Bit/s
Real Time Cruise Science / Engineering S-Band 10, 20, 40, 80 Bit/s
Real Time Cruise Science / Engineering X-Band 160, 320, 640, 1.280, 2560 bit/s
Real Time Encounter General Science and Engineering X-Band 7.200 Bit/s
115.200 Bit/s für PWR (kurzzeitig)
Real Time Encounter General Science, Engineering and Television X-Band 19.200, 29.900, 44.800, 67.200, 89.600, 115.200 Bit/s
Real Time Encounter General Science, Engineering plus Tape Recorder Playback X-Band 29.900, 44.800, 67.200 Bit/s
Tape Recorder Playback X-Band 7.200, 21.600 Bit/s
Computer Memory Readout S-Band/X-Band 40 und 1200 Bit/s

Für die Vermessung von Signalverschiebungen durch den Dopplereffekt, z.B. um die Masse von Monden zu bestimmen wenn die Sonde an ihnen vorbeiflog gibt es auch einen ultrastabilen Oszillator (USO) dieser erzeugte ein Signal dessen Frequenz über kurze Zeiträume stabil mit einer Frequenz von 12 x 10-12 MHz war und langzeitstabil mit einer Frequenz von 2 x 10-6 MHz.

Obgleich die Datenrate erheblich größer war, sanken die Übertragungsfehler verglichen mit früheren Missionen. Vergleicht man Bilder von Mariner 9+10 und Viking mit denen von Voyager, so zeigt sich, dass es zum einen weniger fehlerhafte Pixels gab (die sich meist in hellen oder dunkeln Pixeln äußern) und es auch weniger Fehler beim Übertragen der Datenblöcke gab (die sich meist in fehlenden Zeilen) gab.

Das gesamte Kommunikationssystem von Voyager nahm drei der Buchten ein und war in Bucht 1,9 und 10 untergebracht. Es wiegt 109,4 kg, davon entfallen alleine 53 kg auf die Hauptantenne und ihre Befestigung. Es war hochredundant ausgelegt. So gab es nicht nur je zwei TWTA (Wanderfeldröhrenverstärker) sondern auch noch einen Festkörperverstärker (solid-State Amplifer SSA) um eine Betriebszeit im X-Band von über 50.000 Stunden zu erhalten.


System Stromverbrauch Niedrigpower Modus Stromverbrauch Normaler Modus
S-Band TWTA 33,0 Watt 96,4 Watt
X-Band Festkörper Verstärker 35,7 91,2 Watt
X-Band TWTA 48,3 71,9

Struktur, Instrumentenplattform

Die Sonde besaß eine mehrschichtige Isolation und RHU Elemente /Radioisotope Heater Units) mit Plutonium wurden zur Heizung verwendet. Der zehneckige hohle zentrale Elektronikteil hat 1.78 m Durchmesser und 47 cm Höhe. Er enthält unter anderem die Elektronik inklusive der 6 Bordcomputer und des Bandspeichers. Er wiegt nur 29,5 kg und besteht aus Aluminium. Vier der Buchten mit der Stromverteilung/Stromwandlung, den Verstärkern für die Sender, dem HYPACE und Bandrekorder hatten an der Seite Louver, das sind Jalousien die durch Bimetallfedern geöffnet und geschlossen werden können. Sie gewährleisten das überschüssige Wärme abgegeben wird und diese Sektionen bei Raumtemperatur arbeiten. Kleinere Lover finden sich bei der Elektronik von zahlreichen Instrumenten. Die RHU haben jeweils eine Abgabe von 1 Watt und befinden sich an verschiedenen Stellen, so den Magnetometern und den Sonnensensoren. Es befinden sich keine in der Nähe der Partikelinstrumente um diese nicht zu stören. Die meisten Instrumente und Teile der Sonde können elektrisch geheizt werden. Diese Heizelemente sind so beschaltet, dass die automatisch deaktiviert werden, wenn das Instrument in Betrieb geht und die Elektronik eigene Abwärme produziert. Der Rest der Sonde, mit Ausnahme der Antenne ist in eine mehrlagige Isolierung aus mit Aluminium überzogener Mylarfolie als thermische Isolation, Teflonfolie als Mikrometeoritenschutz und außen aus einem schwarzen Kaptongewebe überzogen, dass die Sonnenwärme maximal aufnimmt und so ein Auskühlen reduziert.

Die Raumsonde wurde über Sensoren auf die Sonne (in der Hauptantenne) und auf den Stern Kanopus ausgerichtet. Dadurch konnte die Plattform mit den Experimenten genau auf einem Punkt ausgerichtet werden. Bei den ersten Jupitersonden Pioneer 10+11 war dies noch nicht der Fall, weshalb diese schlechtere Bilder liefern.

An einer Plattform befinden sich alle Experimente, die auf einen gemeinsamen Punkt an einem Planeten oder Mond ausgerichtet werden sollen. Es sind dies die Experimente ISS, IRIS und PPS. Die Scanplattform ist dabei in der Horizontalen und Vertikalen schwenkbar über einfache Zahnräder. 9000 Umdrehungen sind für eine Rotation der Plattform nötig. Beim Voyager 2 Vorbeiflug an Neptun erreichte die Plattform den Stand von über 555 Drehungen. Andere Experimente sind fest an dem Mast oder an der Sonde befestigt. Ein Mindestabstand von 6.4 m von der Stromversorgung ist bei allen Experimenten gegeben. (Wegen der Strahlung der Plutonium 239 Thermoelemente). Zwei weitere Ausleger aus Gaphit-Epoxid Harz für das Magnetometer (Länge 13 m) und die Peitschenantennen aus Beryllium-Kupfer (Länge 10 m), ragen an der Unterseite der Sonde weg.

Die Instrumentenplattform kann mit einer Genauigkeit von 0.1 Grad genau ausgerichtet werden, die Schrittmotoren haben einen Fehler von 0.03 Grad. Sie verfügt über drei Geschwindigkeiten in der Bewegung von 1 Grad/s, 0.3 und 0.08 Grad/s.  Sie ist schwenkbar um 360 Grad im Azimut und 210 Grad im Zenit. Sie wiegt 107 kg.

Stromversorgung

RTGDie Stromversorgung geschieht über 3 Radioisotopenbatterien mit einem Gewicht von je 39 kg, die den Zerfall von Plutonium 238 (Halbwertszeit 87.7 Jahre) nutzen um aus der Wärme über ein Thermoelement Strom zu gewinnen. Die Multihundred-Watt (MHW) RTG wurden extra für Voyager entwickelt und sind bei keiner anderen Mission eingesetzt worden. (Sie sollten sich zu einem Standard entwickeln, doch kam es anders). Sie hatten dreimal mehr Leistung als die für Viking und Pioneer 10+11 eingesetzten SNAP-19 Elemente. Für Voyagers lange Mission wurden neue Kontakte entwickelt, die nicht so starke Material Veränderungen durch die Hitze zeigten. Die Forschungen gingen schon auf TOPS zurück und verbesserten die Zeit ab der die Leistung stark absank drastisch. Vorher hatte man 10000 Stunden erreicht, also nicht einmal 2 Jahre. Entsprechend verloren z.B. die SNAP-19 Elemente nach vier Jahren viel mehr Leistung.

Jedes Element ist mehrfach isoliert und gekapselt und von einem Berylliumschild zur Minimierung der Strahlung umgeben. Es enthält das Plutonium in Form von keramischen Plutoniumoxid, welches nicht eingeatmet werden kann (Nur so ist Plutonium 238 als Alphastrahler für den Menschen gefährlich). Der gesamte Generator besteht aus 3 RTG mit je 24 Einzelpellets umgeben von je 312 Silizium-Germanium Thermoelementen, welche die Zerfallswärme von bis zu 1273 K in Energie umwandeln. An der Außenseite der Thermonuklidgeneratoren waren diese beim Start noch 573 K (300 °C) warm. Jeder Generator wiegt 39 kg und enthält 4.5 kg Plutonium 238.

Aus einer Anfangsleistung von 7200 Watt Wärme wurden beim Start (je nach Quelle) 471-485 Watt Strom gewonnen. Mindestens 420 Watt sind für den Betrieb aller Experimente nötig, sinkt die Leistung unter 245 Watt, so ist die Sonde nicht mehr funktionsfähig. Soviel Strom braucht die Sonde alleine für ihre internen Systeme, vor allem für die Heizung. So muss der Treibstofftank beheizt werden, sonst würde das Hydrazin zu Eis gefrieren. Mit Reserven kalkulierte man mit einer Leistung von 423 Watt nach dem Start die bei Saturn auf 384 Watt abfallen sollte.

Der Wechselstrom wurde aus einer Gleichspannung von 30 V mit einer Wechselspannungsfrequenz von 2.4 kHz erzeugt durch zwei (redundante) Zerhacker an Bord. Jedes der drei RTG Elemente hat eine Länge von 50.8 cm und einen Durchmesser von 40.6 cm. 17 Jahre nach der Fertigung wurde ein RTG der übrig war, im Jahre 2000 in einer Vakuum Testkammer geprüft, ob dieser noch dicht ist. Dies war der Fall.

Obgleich RTG wegen des dort enthaltenen Plutoniums keine sehr preiswerten Stromlieferanten sind, waren sie damals noch vergleichsweise billig. Die RTG von Voyager kosteten 17.736 Millionen US-$ (mit Entwicklungskosten 23.6 Millionen US-$) und damit etwa 5 % der Gesamtmission. Bei New Horizons, der letzten Raumsonde die RTG einsetzte, sind es dagegen 12.4 % der Missionskosten, obgleich die Menge des Plutoniums nur ein Drittel von Voyagers RTG betrug. Grund dafür ist das das Pu-238 in den RTG verwendet wird, als Nebenprodukt gewonnen wird, wenn Pu-239 erbrütet wird, welches man für Atomwaffen benötigt. Und davon wurden früher einfach mehr produziert.

Das System ist so ausgelegt, dass man sich eine Reserve von 12 Watt für Verluste oder Spannungsschwankungen einkalkuliert. Überschüssige Energie wurde durch einen beheizbaren Schild in den Weltraum abgestrahlt. Es gab keine Batterie, aber eine Bank von Kondensatoren die kurzzeitige Spitzen abfingen, wenn z.B. die Verstärker eingeschaltet wurden.

Phase Strombedarf
Start 235 - 265 Watt
Reise zwischen den Planeten 320 - 365 Watt
Jupiter Begegnung 384 - 401 Watt
Saturn Begegnung 377 - 382 Watt
danach < 365 Watt

Antriebssystem

Mit zu Voyagwr gehörte eine Variante der Burner 2 Oberstufe mit dem Feststoffantrieb TE-364-4. Sie war mit acht Streben an einer Umhüllungsstruktur angebracht, die einen Durchmesser von 0,9 m und eine Länge von 1,0 m hatte. Sie übertrug die Lasten auf die Sonde. An ihr wurde auch der Adapter zur Centaur befestigt.

Die Burner 2 Stufe zündete nach Ausbrennen der Centaur und brannte 43 s lang mit 68 kN Schub. Sie verbannte in dieser Zeit ihren Treibstoff von 1060 kg und beschleunigte die Raumsonde um weitere 2080 m/s. Das Antriebsmodul hat eine eigene Stromversorgung aus 22 Silberzink-Batterien. Sie liefern einen Strom von 1200 As bei einer Spannung von 22 bis 40 V, je nach Belastung. Die Batterien müssen nur für 12 Minuten lang Leistung abgeben. Sie werden 4 s vor Brennschluss der Centaur gestartet indem Elektrolyt injiziert wird und sind 2 s später betriebsbereit. Schon 18 s später erfolgt die Zündung der Feststoffrakete. 11Minuten nach dem Ausbrennen wurden die Leitungen zu den Hydrazintriebwerken geschlossen und das Antriebsmodul abgesprengt

Antriebssystem
Startgewicht: 1.220 kg
Treibstoff: 1.060 kg
Trockengewicht: 140 kg, davon 44 kg Verbindung zur Sonde, 83 kg Feststoffantrieb
Schub: 68.000 N (Feststoffantrieb)
4 x 445 N (Hydrazintriebwerke zur Schubvektorkontrolle)
4 x 22,2 N Hydrazintriebwerke zur Rollachsenkontrolle
Brenndauer: 43 s
Zündung: 20 s nach Brennschluss der Centaur
Abtrennung: 11 Minuten nach Brennschluss
Antrieb: Star 37E Stufe mit dem Triebwerk Thiokol TE-364-4
Durchmesser: 0,93 m
Länge: 1,00 m

Kurskorrektur / Lageregelung

Voyager hat in der Mitt einen Tank mit 105 kg Hydrazin. Er besteht aus Titan und hat einen Durchmesser von 0,71 m. In dem Tank befindet sich getrennt durch eine Gummimembran Helium als Druckgas und Hydrazin. Das Helium drückt mit der Gummimembran das Hydrazin zu den Öffnungen der Triebwerke und fördert so den Treibstoff. Innen ist er mit Teflon beschichtet.

Die Kursänderungen geschehen über 16 kleine Lageregelungsdüsen mit je 0.89 N Schub. Das Hydrazin wird katalytisch in Stickstoff, Ammoniak und Wasserstoff zersetzt. Erstmals wurde Hydrazin als einziger Treibstoff für Kurskorrekturen und Lageregelungsänderungen eingesetzt. Bisherige Sonden hatten dazu getrennte Systeme, bei denen die Lageänderung meistens mit Stickstoffkontrollgas geschah und der Antrieb mit Hydrazin oder Hydrazin/NTO geschah. Hydrazin für beide Systeme bedeutete zum einen eine Gewichtsersparnis wie auch die Reduktion der Treibstoffmenge. Zudem konnte man den beheizten zentralen Tank für einen viel geringeren Druck als bei Stickstoffdruckgas ausgelegen. Benötigt wurden 8 Triebwerke, jedes Triebwerk war redundant ausgelegt. (Je zwei zur Drehung in X,Y und Z Achse und zwei zur Beschleunigung/Abbremsung der Sonde).

Insgesamt besteht die Möglichkeit den Kurs um maximal 143 m/s zu korrigieren, wobei die Vorräte mehr als ausreichend sind (einschließlich nicht nutzbarer Reste wird Treibstoff für 201 m/s mitgeführt). Man hatte die Menge schon reduziert, nachdem Pioneer 10+11 noch ihre Geschwindigkeit um 200 m/s ändern konnten und man feststellte, dass dies mehr als ausreichend war. Vor Missionsbeginn ging man bei Voyager 1 von einer Kurskorrektur um 100 m/s bis nach dem Jupitervorbeiflug und bei Voyager 2 von 60 m/s aus. Allerdings basierten diese Berechnungen darauf, dass man die Position von Voyager auf 200 km genau würde feststellen können. In der Praxis gelang es aber die Position auf 20 km genau festzustellen und entsprechend geringer fielen die Korrekturen aus.

Dazu kamen noch acht größere Düsen die sich auf dem Antriebsmodul mit der Feststoffrakete befanden. Sie waren nur aktiv während diese arbeitete. Vier hatten einen Schub von 445 N und waren im Rechten Winkel zur Längsachse und dem Schubvektor des Feststoffantriebs orientiert. Sie waren für die korrekte Ausrichtung des Schubvektors im Raum verantwortlich. Vier weitere mit 22,2 N Schub waren für die Kontrolle der Rollachse verantwortlich.

Voyager 2 hatte vor dem Uranus Vorbeiflug noch mehr als den halben (62 kg) Tank voll. Vor der Jahrtausendwende waren es 34 kg bei Voyager 2 und 32 kg bei Voyager 1. Neben Kurskorrekturen wurden bei Uranus und Neptun die Steuerdüsen auch genutzt um die Sonde langsam zu schwenken und somit einem Mond nachzuführen der sich bewegt, um verwackelungsfreie Bilder zu erhalten. Neben den kleinen Düsen gibt es auch 4 große Düsen von je 22.2 N Schub für die Regelung um die Rollachse.

Lagekorrektursystem
Tank: 71 cm Durchmesser, 105 kg Hydrazin
Innendruck: 29 Bar, sinkend auf 9 Bar
Triebwerke: 16 x 0,89 N Schub
4 x 22,2 N Schub (Antriebssystem)
4 x 445 N Schub (Antriebssystem)
Kurskorrekturvermögen: 201 m/s

Ausrichtung von VoyagerBeide Sonden besitzen Sonnen- und Sternsensoren. Bei Voyager 2 war der Sternsensor auf Canopus ausgerichtet. Bei Voyager 1 benutzte man in bestimmten Abschnitten der Mission auch Rigel. Bei diesen Sensoren handelt es sich um Photodioden und Photomultiplier, welche das Licht in Strom umwandeln, wandert der Stern aus dem Gesichtsfeld so sinkt der Strom langsam auf 0 und das AACS zündet die Düsen um die Sonde wieder korrekt auszurichten. Der Sonnensenor konnte elektronisch "gebiast" werden, da er sich in der Mitte der HGA befand. So zeigte diese nicht direkt zur Sonne, sondern zur Erde. Das war nötig nach dem Start, weil dann die Ausrichtung auf die Sonne sie weg von der Erde weisen würde. Nach 80 Tagen nach dem Start war sie ständig auf die Sonne ausgerichtet.

Für kurze Perioden (über einige Stunden) gibt es neben diesem Modus einen in dem rotierende Gyroskope als Referenzplattform genutzt werden, Dies sind schnell rotierende Räder, welche bei der Beschleunigung und Abbremsung einen Impuls abgeben und dadurch zur einer Rotation der Sonde führen. Derartige Rotationen sind für die Kalibrierung des Magnetometers nötig. Sie weisen jedoch einen systematischen Fehler auf und können daher nicht dauerhaft eingesetzt werden. Drei Gyros wurden entlang der Raumachsen eingesetzt. Zwei sind maximal zusammen aktiv. Sie haben zwei Modi. Den einen mit hoher Rotationsrate benötigte man nur während der Zündung des Feststofftriebwerks. danach arbeiteten sie mit geringer Rotationsgeschwindigkeit. Die Abbildung links informiert über die Genauigkeit der Messungen der Lage und Ausrichtung der Sonde.

Das AACS schwenkte auch die gesamte Sonde wenn dies nötig war. Es gab dazu zwei Modi mit Rotationsraten von 0.18 und 0.3 Grad pro Sekunde. Dies erfolgte durch Zünden der Düsen in eine Richtung und erneutes Zünden gegen die Rotationsrichtung wenn die neue Lage erreicht wurde.

Sounds of Earth

die goldene SchallplatteEin kleines Gimmick erregte vor dem Start die meiste Aufmerksamkeit: Eine vergoldete, 30 cm große Schallplatte, samt Bauanleitung für einen Schallplattenspieler. Die Platte ging auf einen Vorschlag von Carl Sagan zurück, der schon die Pioneer 10+11 Sonden mit einer Plakette ausstattete. Die Platte enthielt Geräusche, Grüße und Musik von der Erde. Sie enthielt Grüße in 55 Sprachen von Sumerisch bis zu einer Begrüßung durch den damaligen UN Generalsekretär Kurt Waldheim, darunter auch in Deutsch. Dazu kamen 35 Natur und menschliche Geräusche (Plätschern, Erdbeben, Gorilla Geschrei, Donner, Wind, Wellenschlag, Hundegebell, Froschgequake, Vogelzwitschern, aber auch Morsecode, Traktoren, Düsenflieger, Zug). Am meisten Aufwand machte es übrigens den Kuss aufzunehmen. Verwendet wurde schließlich ein Wangenkuss von Timothy Ferris (Produzent der Platte) und Ann Druyan (NASA Verantwortliche für das Auftreiben der Geräusche). Die NASA machte zur Auflage, dass es ein "erkennbar heterosexueller" Kuss ist. Wie die die Außerirdischen diesen aber von einem homosexuellen Kuss unterscheiden sollen, bleibt wohl Geheimnis der NASA.

Dazu kamen 27 Musikstücke in Ausschnittn): Eine Fuge von Bach, Blues von Louis Armstrong, Flötenmusik aus Japan, ein bulgarisches Hirtenlied, Gesang von Navaho Indianern oder das Initationslied zairischer Pygmäenmädchen. Geplant war die Platte mit "Here comes the Sun" von den Beatles beginnen zu lassen. Die vier Beatles waren auch einverstanden, doch ließen sich die Urheberrechte nicht klären. Zuletzt gab es 16 analoge Bilder. Diese wurden als S/W Bilder mit 512 Pixels pro Zeile in die Rillen geprägt. 512 Zeilen von je 8 ms Länge ergaben ein Bild. Ein Bild einer schwangeren Frau mit einem Mann fiel der Zensur zum Opfer. Eine Seite der Schallplatte war bespielt, die andere enthielt die Bauanleitung eingraviert in die Metallplatte.

Bildplatte vor VoyagerDa die Sonden das Sonnensystem verlassen, bestand eine kleine Chance das außerirdische Intelligenz die Sonden einmal bergen wird und so flog die Schallplatte mit. Es handelte sich vor allem um eine Publicity Aktion und bei den Ingenieuren, die um jedes Gramm bei der Sonde feilschen mussten, war die Mitnahme der 2 kg schwere Platte nicht unumstritten. Auch heute gibt es wieder solche Aktionen, so z.B. vor dem Start der New Horizons Sonde "Send your Name to Pluto". Da eine mitgeführte DVD oder ein ROM Baustein mit Millionen von Namen aber wesentlich weniger wiegen, als Voyagers Platte, ist dies heute kein Thema mehr. Zudem fehlt die Bauanleitung für den DVD Spieler bei den heutigen Sonden.

Damit die Außerirdischen auch feststellen können, wann Voyager startete, gibt es eine 2 cm große Zone auf der Platte, die reines Uran-238 enthält. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von 4.51 Milliarden Jahren in Blei, so dass man aus dem bestimmten Verhältnis von Blei zu Uran bestimmen kann, wann die Sonde auf die Reise ging. Das geht etwa bis zu 4 Halbwertszeiten ganz gut, also bis in zirka 18 Milliarden Jahren. (Zum Vergleich: Das Universum ist nach den derzeitigen Erkenntnissen 13.73 Milliarden Jahre alt). Shirts mit der aufgedruckten Schallplatte waren der Hit als die Voyager 1977 startete. Die Platte muss mit 162/3 Umdrehungen pro Minute abgespielt werden. Eine Grammophonnadel zum Abspielen liegt ebenfalls bei. Die 30.48 cm große Platte aus Kupfer befindet sich in einer Hülle aus Aluminium, welche sie vor Mikrometeoriten schützen soll. Die gesamte Abspieldauer beträgt 90 Minuten.

Neben dieser Schallplatte gab es auch 6 andere Platten an Bord von Voyager. Die Aluminiumplatten jede 4 x 5 Zoll (10.8 x 12.7 cm) groß enthielten die Signaturen von 5400 am Voyager Projekt beteiligten Personen in miniaturisierter Form. Sie waren im Innern der Sonde untergebracht.

Links

NSSC Informationen Voyager 1

NSSC Informationen Voyager 2

Voyager Atlas of Saturn NASA SP-474

Voyager Mission Description

Die Voyager Homepage des JPL informiert über die Mission und die Ergebnisse.

Die Projekt Voyager Homepage geht auf die Raumsonde selbst mehr ein und vor allem über die aktuellen und geplanten Aktivitäten. Dort finden Sie auch den Inhalt der Schallplatte die Voyager den Aliens bringt...

Voyagers Telecommunication Subsystem


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