Pannen in der Raumfahrt – Voyager 2

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Es gibt in meiner Website den Artikel „Schlamperei in der Raumfahrt“. In dieser geht es um Verlust von Missionen, wie auch Katastrophen die verhinderbar gewesen wären und gravierende Auswirkungen hatten. Es gibt aber auch viel mehr Ereignisse, in denen etwas an Bord nicht funktionierte und trotzdem die Mission glückte. Ich will eine kleine Serie anfangen in der ich einige dieser Ereignisse aufgreife und beschreibe. Da ich das aus meiner Erinnerung tue – ich habe nicht so was wie eine Textsammlung zu dem Thema – bin ich auch für Vorschläge zu dem Thema in den Kommentaren dankbar. Ich fang an mit der Panne, die am besten kompensiert wurde und die meine Lieblingssonde betrifft, über die ich auch einen 600 Seiten Wälzer geschrieben habe.

Voyager 2 (5.4.1978)

Die interplanetare Sonde Voyager 2 wurde vor ihrer Schwestersonde Voyager 1 am 20.8.1977 gestartet. Voyager 1 würde Voyager 2 durch eine höhere Startgeschwindigkeit überholen, daher die Benennung. Die beiden Voyagers sollten fünf Jahre lang funktionieren. Damit dies gelang gab es zahlreiche Redundanzen an Bord. So waren die Computer, Sender und Empfänger doppelt vorhanden und es gab elektronische Schaltungen und Computerprogramme, genannt Fault Protection Algorithm (FPA), die Defekte erkennen sollen und dann automatisch die Reservesysteme aktiveren. Für den Vorfall war aber ein anderes Ereignis mitschuldig.

Schon vor dem Start der beiden Sonden, am 14.4.1977 gab die NASA intern die Entwicklung der Jupiter-Orbiter-Probe (JOP, später in Galileo umbenannt) in Auftrag. Im Oktober 1977 genehmigte das Repräsentantenhaus die Mittel für JOP. Dieses neue Projekt hatte gravierende Folgen für Voyager. Denn die für Voyager-Mission Verantwortlichen arbeiteten nun zu 90 Prozent an JOP, bei dem in der ersten Projektphase die ganzen Anforderungen und Instrumente festgelegt wurde. Wer jetzt nicht dabei war, hatte später kaum noch Einfluss. Um Voyager kümmerten sie sich kaum. Wie eine spätere Untersuchung zeigte, waren auch zahlreiche Probleme die es in der Frühen Mission bei Voyager 1+2 gab, auf die Vernachlässigung zurückzuführen.

Während Voyager 1, die zuerst Jupiter erreichen sollte, noch genügend „Aufmerksamkeit“ bekam, „vergaß“ die Missionskontrolle Voyager 2 im April 1978 einfach und zwar über eine Woche. Sie sandte keine Kommandos zur Sonde. Der Fehlerkorrekturalgorithmus des Bordcomputers CCS interpretierte eine Woche ohne Kontakt mit einer Bodenstation nach der implementierten Logik als Ausfall des Hauptempfängers. Ein FPA, der Command Los Timer, schlug zu. Das CCS schaltete den Primärempfänger am 5.4.1978 in 2,81 AE Entfernung ab und auf den Reserveempfänger um. Der Reserveempfänger hat jedoch einen fehlerhaften 75 µF Kondensator. Der Kondensator war verantwortlich, dass sich der Empfänger automatisch auf das stärkste Signal der Empfangsfrequenz einpendelt. Da die Frequenz durch die Bewegung der Sonde, der Erde und die Rotation der Erde durch die Dopplerverschiebung sich laufend ändert, kam keine Funkverbindung zustande. Das Funksignal von einer Bodenstation kann im S-Band um über 100 Kilohertz schwanken, Voyager 2 konnte ohne den Kondensator nur noch auf einem Intervall von 30 bis 96 Hz um die Zentralfrequenz empfangen. Das CCS war so programmiert, dass es nach 12 Stunden ohne Funkkontakt wieder auf den Primärempfänger umschalten würde.

Das tat sie am 6.4.1978. Das DSN sandte Kommandos zur Sonde, inklusive der wichtigsten Anweisung, dem Reset des Timers. Doch 30 Minuten nach dem Wechsel auf den Hauptempfänger fiel der primäre Empfänger aus, eine Sicherung war durchgebrannt. Die genaue Ursache ist bis heute unbekannt, vermutet wird eine zu hohe Stromaufnahme durch das Sende-/Empfangssystem. Die Missionskontrolle achtete von nun an bei beiden Sonden darauf, beide Sender selten zusammen im höchsten Powermode zu betreiben.

Nun hatte Voyager 2 die volle Aufmerksamkeit, die sie vorher nicht bekam. Der wissenschaftliche Betrieb bei Voyager 1 wurde eingestellt und die 64 m Antenne bei Madrid sandte, als der Timer nach einer Woche am 13.4.1978 abgelaufen war, über neun Stunden lang Kommandos in einer langsam aufsteigenden Frequenz. Um 3:30 kalifornischer Zeit empfing Voyager 2 eine Sequenz und antwortete – aufgrund der Signallaufzeit kam das Signal erst 55 Minuten später an.

Von nun an achtete die Missionskontrolle peinlich darauf, die Empfangsfrequenz, die vorher berechnet wurde, genau zu treffen. Das Intervall dafür betrug nur 50 Hz. Schon eine Erwärmung der Empfänger um 0,25 Grad Celsius an Bord reicht aus, die Empfangsfrequenz aus diesem Fenster zu verschieben. Neben der laufenden Anpassung an die Relativgeschwindigkeit von Voyager 2 war es notwendig die Temperatur im Sende- und Empfangssystem konstant zu halten. Sind mehrere Sender in Betrieb, oder springen Heizelemente an, so erwärmt sich das System. Dann werden zwei bis drei Tage lang keine Kommandos gesendet, um dem Empfänger Zeit zum Abkühlen zu geben. Diese genaue Thermalkontolle musste während der ganzen folgenden Mission beibehalten werden, was vor allem bei den Near Encounterphasen, also wenn die meisten Experimente aktiv sind, eine Beeinträchtigung war. Dann sollten die Sender mit hoher Leistung arbeiteten um viele Daten zu übertragen und auch um Radiobedeckungsexperimente durchzuführen, wenn zwischen Bodenstation und Sonde sich ein Ring oder die Atmosphäre eines Planeten schob und man die Signalveränderungen maß.

In dem Jahr, das bis zum Jupitervorbeiflug blieb, untersuchte das JPL diverse Szenarien, wie man die restliche Mission durchführen kann auch wenn der Kommandoempfänger defekt war. Das Messprogramm von Voyager wurde an eines der drei Computersysteme, das CCS übermittelt. Das Arbeitsprogramm war nicht konstant. Während eines Vorbeiflugs, der einige Monate dauern konnte, waren mehrere Programme aktiv, die Dauer betrug anfangs einige Wochen bis hinab zu 1-2 Tagen vor der nächsten Begegnung. Ohne Kommandoempfänger konnte man diese Programme nicht mehr durch neue austauschen. Heute, in der interplanetaren Phase, deckt ein Programm einen Zeitraum von mehreren Monaten ab. Es wurde nun ein Programm entwickelt, das das schlimmste Szenario abdeckte, nämlich das man Voyager 2 nie mehr mit Kommandos würde versorgen können.

Am 26. Juni 1978 sandte das Deep Space Network (DSN) eine Backup-Sequenz zu Voyager 2. Dieses Programm enthielt nur die dringendsten Anweisungen, Bilder würde es bei dieser Sequenz von Jupiter nicht geben, aber von Saturn. Es würden nur drei Positionen auf der Scanplattform angefahren. Anstatt Tausende Positionen, wie sonst vorgesehen, aber mit diesem Backupmissionsporgramm könnte die Sonde autonom bis Saturn arbeiten, ohne Sie jemals wieder ein Kommando von einer Bodenstation empfing. Eingeschlossen war eine Kurskorrektur nach Passage von Jupiter damit sie überhaupt Saturn erreicht. Die Backup-Software belegte die Hälfte des Platzes für das Messprogramm. Noch traute sich das JPL nicht zu es nur in einem der beiden CCS-Computer unterzubringen, um gegen einen Ausfall des primären CCS gewappnet zu sein.

Es wurde untersucht ob man über eines der Experimente, die Radioastronomieantenne, eine einfache Stabantenne Kommandos schicken konnte. Am 13. September 1978 schickte die Stanford Universität von Palo Alto mit einer großen Antenne und 300 kW Sendeleistung bei 46,72 MHz Signale in einem Abstand von 6 Minuten zu Voyager. Das Radioastronomieexperiment hatte Empfänger, die eigentlich nur bis maximal 40,55 MHz arbeiten sollten, sie empfingen aber trotzdem noch ein Signal, das deutlich über dem Rauschen lag. So könnte das DSN mit geeigneten Sendern trotzdem noch mit Voyager 2 kommunizieren, wenn der zweite Empfänger ausfallen würde. Allerdings nur mit niedriger Bitraten, da PRA eine lange Integrationszeit hat. Voyager 2 müsste komplett umprogrammiert werden und die Messdaten als Kommandos interpretieren. Diese Idee wurde daher nicht weiter verfolgt.

Bei den Vorbeiflügen an Jupiter und Saturn wurden so Backup-Missionsprogramme hinterlegt. Sie würden es erlauben, die Mission von Voyager 2 bis Saturn durchzuführen, aber es musste so eben viel gestrichen werden. Beobachtungen der Monde würden so zum Beispiel fast vollständig entfallen. Ab Uranus wurde auf das Backup-Programm verzichtet, durch die geringere Datenrate dauerte das Überspielen der Programme nun so lange, dass man während der Nahbeobachtungsphase zu viel Zeit gebraucht hätte ein neues Programm zu überspielen. Der Backup-CCS hielt so die nächsten Programme vor wenn das im primären CCS ablief. Zwischen den Begegnungen mit den Eisriesen wurden aber die Backup-Programme wieder hochgespielt. Noch heute haben beide Sonden diese Programme in ihren kleinen Speichern (das CCS hat einen Speicher von 16 KByte pro Computer).

Es gab immer wieder Probleme mit Voyager 2, aber auch ihrer Schwester Voyager 1. Voyager 2 verlor am 21.7.2023 für 14 Tage den Kontakt mit der Erde als ein fehlerhaftes Kommando die Antenne in eine falsche Richtung drehte. Voyager 1 hatte erst vor wenigen Tagen einen Defekt und übermittelte „Unsinn“. Wie sich zeigte war ein Chip im FDS, 1/32 des Gesamtspeichers defekt und dieser Bereich wurde nun gesperrt. Etwas ähnliches mit gravierender Auswirkung erlebte auch Voyager 1 während sie sich Uranus näherte. Die Aufnahmen waren mit weißen und dunklen Linien durchzogen, weil ein Bit im FDS dauerhaft gekippt war.

Beide Sonden sind – nun fast 47 Jahre nach dem Start – immer noch aktiv und liefern noch Daten. Man musste wegen der abfallenden Leistung der RTG, die den Strom liefern die meisten Experimente abschalten, aber vier bzw. fünf (Voyager 1/2) Experimente die Daten über Wellen und Teilchen liefern sind immer noch aktiv. Die Raumsonden selbst sind heute 24,32 (Voyager 1) bzw. 20,27 (Voyager 2) Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt.

Der Schlüssel für den Erfolg von Voyager 2, trotz der Beeinträchtigungen durch den fehlerhaften Empfänger war, das sie Computersysteme hatte die neu programmierbar waren. Sie waren noch relativ neu, erst eine Mission – Viking – hatte Computersysteme. Die vorherigen Sonden hatten Sequenzer. Ein Sequenzer ist eine Art Zeitschaltuhr mit einem Programmspeicher. Zu einem bestimmten Zeitpunkt führte er vorher festgelegte Anweisungen aus. Er konnte so aber nicht auf Ereignisse reagieren die in diesen Programmen nicht vorgesehen waren.

Meiner persönlichen Meinung nach war im Rückblick der Zeitpunkt des Ausfalls ein glücklicher. Der Kondensator war ja schon beim Start defekt. Wahrscheinlich war auch die Sicherung vom Start weg vorgeschädigt. Früher oder später hätte man irgendwann auf den Reserveempfänger umgeschaltet und sei es nur zu Testzwecken. Ebenso hätte man spätestens beim Encounter die Sender mit der maximalen Sendestärke betrieben und so das Durchbrennen der Sicherung forciert Durch den Ausfall ein Jahr bevor am 25.4.1979 die Encounterphase mit Jupiter begann.

One thought on “Pannen in der Raumfahrt – Voyager 2

  1. Ein Anmerkung zur letzten Voyager-2-Panne vom 21. Juli 2023, die die Sonde wegen eines falschen Parameters versehentlich um 2° an der Erde vorbeischielen ließ.
    Die NASA hat bei ihren Statements zu der Panne ein kleines Detail weggelassen, war ihr vielleicht ein bisschen peinlich.
    Die NASA hatte den falschen Parameter vor dem Uplink entdeckt und sie hatte ihn selbstverständlich korrigiert und sie hat die nicht korrigierte Version hochgejagt…

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