Heute ein Blog, in dem ich zwei Galileoprojekte unter die Lupe nehme, die zumindest diskutiert wurden. Galileo durchlief vor dem Start ja einige Umplanungen. Diese waren vor allem dadurch bedingt, dass die Sonden von 1.500 auf über 2.500 kg Gewicht anwuchsen und so die geplante Startmöglichkeit mit einem Space Shuttle und einer IUS nicht möglich war. Eine der zwischenzeitlich angedachten Lösungen war es die Sonden zu trennen und Orbiter und Atmosphärenprobe separat zu starten. Im ersten Teil will ich die Möglichkeiten dieser Kombination untersuchen. Das zweite war das man erwog, nachdem die Hauptantenne ausfiel, noch einen Kommunikationsorbiter hinterzuschicken.
Die Atmosphärenprobe
Für einen separaten Start einer Atmosphärenprobe hätte man ein weiteres Carrier Raumschiff gebraucht. Wenn dies leicht genug gewesen wär,e hätte es direkt zum, Jupiter fliegen können. Das sah die Planung aber nicht vor, im Gegenteil obwohl gleichzeitig mit dem Orbiter gestartet wäre es erst ein Jahr nach diesem angekommen. Das lässt den Schluss zu, dass der Orbiter die Datenübertragung durchführen sollte. Dass vereinfacht etwas beim Carrier-Raumschiff, vor allem bei der Stromversorgung, die dann minimal sein kann und eine Hochgewinnantenne braucht es auch nicht.
Was ich mich gefragt habe ist, ob eine Atmosphärensonde nicht bis zum Aufschlag Bilder von Jupiter machen könnte. Der Orbiter nähert sich nach dem Einschenken während der Primärmission selten auf weniger als 670.000 km an Jupiter wegen des Strahlengürtels. Würde man die Atmosphärensonde mit der Kamera von Galileo ausstatten, so könnte sie bis zum Aufschlag gute Aufnahmen machen. Am einfachsten Montiert man die Kamera an die Spitze des Hitzeschutzschildes, führt Daten- und Stromleitungen an dem Schilf vorbei ins Innere. Sie wird beim Eintritt zerstört, aber das dürfte die Mission nicht beeinträchtigen zudem verändert diese Position den Schwerpunkt am wenigsten.
Das Erste, was ich mich gefragt habe, ist ob man überhaupt genügend Daten erhält. Galileo empfing schließlich nur 160 Bit/s. Die Sonde sandte mit 23 Watt im L-Band bei 1387 MHz, da hier die Dämpfung durch die Atmosphäre am geringsten ist. Als Empfänger diente eine 1,10 m große Parabolantenne. 160 Bit sind extrem wenig, Galileo sollte mit maximal 134.400 Bit/s senden also 1000-mal so viel. Es gibt aber auch viel Spielraum. Galileo näherte sich auf 205.000 km an Jupiter. Die Datenrate wird sicher so bemessen sein, das man sie sicher auch noch in größerer Distanz empfangen werden kann. So sollte der Carrier in 900.000 km Distanz Jupiter passieren, für diese Entfernung errechne ich denn auch eine ähnliche Datenrate. Bei Galileo gab es zudem sicher einen Sicherheitsfaktor, weil die Atmosphäre dämpft, bei den Venussonden betrug der Sicherheitsfaktor 4. Der entfällt wenn man Bilder vor dem Eintritt sendet.
Nun man kann etwas optimieren. So kann man das Raumschiff, das die Daten empfängt, mit der HGA von Galileo ausstatten, die hat 4,8 m Durchmesser, das bringt den Faktor 19 bei der Datenrate. Realistischer wäre wohl eine einfache Sonde wie Pioneer 10 mit ihrer 2,7 m Antenne, das ist immerhin noch der Faktor 6. Zudem konnte Galileo die Daten schon vor der neuen Software um den Faktor 2 komprimieren. Das wäre dann Faktor 12 / 38. Nach meiner Berechnung sollten in Minimalentfernung (205.000 km) sicher (doppelt so hoher Signal-Rauschabstand wie bei optimaler Datenrate) 1.200 Bit/s empfangen werden. Das wären dann mit einer 2,7 m Antenne und Komprimierung 14,4 kbit/s und mit einer 4,8 m Antenne sogar 45,6 Kbit. Das Übertragen eines Bildes, das mit der Galileokamera gewonnen wird, dauert so 356 bzw. 113 Sekunden. Das beisst sich etwas mit den fixen Modi der Kamera die Datenraten von 115,2 bis 804,6 Kbit/s hatte. Wie Galileo benötigt die Sonde daher einen Bandrekorder als Zwischenspeicher.
Das würde aber nicht reichen. Man kann noch die Distanz verkürzen. Die Sonde kann mehr Strahlen einstecken, da sie anders als Galileo ja den Jupiter nur kurz besucht. Galileo erhielt trotz des Abstandes von 205.000 km zu den Wolken schon ein Drittel der Gesamtdosis nur bei dieser einen nahen Passage. Ganz nahe an die Atmosphärensonde kann der Carrier nicht kommen, sonst schlägt der Carrier ebenfalls auf, das heißt die minimale Distanz des Carriers der Jupiter passieren muss und in jeder Position Daten der Sonde empfangen kann, muss mindestens einen Jupiterradius von der Sonde entfernt sein, zudem muss das Carrierraumschiff Jupiter später erreichen – 60 Minuten bei der Nominalmission, mit bis zu 75 Minuten Missionsdauer rechnete man. Nimmt man 90 Minuten Ankunft am Perijovi nach dem Eintritt der Atmosphärensonde mit weiteren 15 Minuten Reserve, so kommt man bei einer Geschwindigkeit zu Jupiter von 7 km/s im Unendlichen und einer Minimaldistanz von 80.000 km auf eine Distanz von 146.000 km beim Eintritt der Sonde. Ab dieser Distanz ist sie nur noch für das Empfangen der Atmosphärendaten zuständig.
Da der Carrier auch über eine Kamera verfügen sollte (dazu noch mehr) machen nur Bilder Sinn die unterhalb von 146.000 km gewonnen werden, da diese Distanz auch der Carrier erreicht, bis er selbst das Datensammeln einstellen muss. Das sind die letzten 94 Minuten vor dem Erreichen der Atmosphäre. Der Carrier ist dann noch 187.000 km von Jupiter / 41.000 km von der Sonde entfernt und kann Daten mit 180 / 456 kbit/s (2,7 / 4,8 m HGA) empfangen. Beide Datenraten sind höher als die der Kamera die maximal 115,2 kbit/s liefert und die wohl für das Maximum steht das verarbeitet wird. Es würde also eine kleine HGA ausreichen und eine Begrenzung der Datenrate auf 115,2 kbit/s.
Da die Sonde alle Daten zwischenspeichern muss, die Antenne schaut ja zur Probe und empfängt nur, kann man maximal 256 Bilder auf dem Bandrekorder aufzeichnen, was einer Datenmenge von 1311 MBit entspricht. Das wären in 94 Minuten 93 Bilder bei der kleinen Antenne.
Der Carrier sollte eine eigene Kamera haben. Aus zwei Gründen: Er kann die Distanz bis 187.000 km abdecken, die Kamera ist identisch und da sich der Orbiter später niemals näher als 590.000 km an Jupiter nähert wäre es sinnvoll ab dieser Distanz (590.000 km) Aufnahmen zu machen und sie direkt zur Erde zu Senden, für den Sondenempfang müsste er sich dann drehen damit die HGA zur Sonde schaut. Der Carrier ist 5 h 33 Minuten unterhalb 590.000 und oberhalb 186.000 km. Nimmt man 5 Stunden als nutzbare Zeit an damit er genügend Zeit hat sich zu drehen und die Probe zu kontaktieren so kann er bei der Galileo HGA die Bilder sofort übertragen, eines pro Minute also rund 300 weitere. Bei der kleineren Antenne der Pioneer-Sonden müsste man sie zwischenspeichern und mit langsamer Datenrate übertragen, da wären es noch 94 weitere Bilder.
R4alistisch könnte man also mindestesn 180 Bilder aus einer entfernung übertragen die Galileo nie erreicht (zumindest während der Primärmission). Da Sonde und Carrier lange zeit parallel fliegen – erst nahe Jupiters gewinnt die Probe schnell an Geschwindigkeit wäre eigentlich eine Kamera uaf dem Carrier nicht nötig wenn es nur um Jupiter ging. Die Bilderzahl passt auch noch auf den Bandrekorder, in jedem falle bei der kleinen HGA.
Der Grund warum ich eine Kamera vorgesheen habe ist weil Galileo auch den größten Mond Io und den meiner ansicht nach interessantesten weil er sich druch Vulkanismus dauernd verändert nur einmal passiert, nämlich kurz vor Orbiteintritt. Bei der echten Mission mussten wegen eines Vorfalls am Bandrekorder alle Aufnahmen dieses Ereignisses entfallen. Io rotiert gebunden. Das heißt wenn Galileo ihn vor dem Eintritt ind den Orbit passiert so sieht sie eine andere Seite der Oberfläche als wenn sie dies nach Passage von Jupiter tut. Der Carrier könnte dies aber tun und so (wenn Galileo bei Io funktionieren würde) praktisch die ganze Oberfläche abdecken. Ich habe dies mal simuliert mit einem minimalen Abstand von 1.000 km analog Galileo und eine Relativgeschwindigkeit von 10 km/s angenommen. Unter Annahme einer Phase von 70 % ist der Bandrekorder schon bei unter 22.000 km Abstand voll gefüllt. Sendet man in größerer Distanz direkt zur Erde und schaltet dann erst auf das Speichern um so können 465 Bilder gemacht werden, die den ganzen Mond abdecken, die ersten aus 60.000 km / 38.000 km Distanz (Vor / Nach Passage) mit Abmessungen von rund 500 bzw. 400 km pro Bild. 50 % der Fläche werden mit 360 / 320 m Auflösung erfasst. Das ist bedeutend besser als bei Voyager, wo die Auflösung bei etwa 1 km lag.
Das setzt aber voraus, das man die Daten auf dem Bandrekorder zwischen Abbruch der Funkverbindung der Probe und Passage von Io übertragen hat. Die Zeit dafür hat man, aber ich halte es für riskant. Beschränkt man sich auf das direkte Senden, so sind es etwas weniger Bilder, 252. Die globale Kartierung kaum darunter, aber es entfallen viele hochauflösende Aufnahmen aus naher Distanz. Die Io Passage würde ich persönlich als wissenschaftlich wichtiger und mit weniger aufwand verbunden einschränken. Beschränkt man sich auf die Bildausbeute, die auf einen Bandrekorder geht so könnte auch ein Carrier mit einer kleinen Hauptantenne und einem leistungsschwachen Sender diese Daten innerhalb einiger Tage nach der Passage übermitteln.
Der Kommunikationsorbiter
Wesentlich schwieriger ist es mit dem Kommunikationsorbiter. Es gibt hier viele Variablen. Zu einem könnte man sich vorstellen, einen Kommunikationsorbiter in einem festen Jupiterorbit zu belassen. Dessen Orbit ist unabhängig von Galileos Orbit. Der Nachteil sind stark schwankende Distanzen. Während der Primärtour lag nach dem ersten Umlauf die maximale Distanz von Jupiter bei 150 Radien, später bis 250 Radien. Würde ein Kommunikationsorbiter im ersten Orbit von Galileo verbleiben, so könnte Galileo bis zu 400 Jupiterradien, das sind 28,5 Millionen km entfernt sein. Das ist keine gute Lösung. Das ist zwar 1/30 der Distanz zur Erde, aber dort hat man 70 m große Empfangsantennen mit auf 20 bis 50 K gekühlten Empfänger. Die Raumsonde hat dagegen Empfänger, die maximal so kalt ist wie die Umgebung von Jupiter etwa 110 K. Macht man eine genaue Berechnung so kommt heraus das ein solcher Orbiter, wenn er die HGA von Galileo als Empfangsantenne nutzt eine kleinere Datenrate erreicht, als die Antennen des DSN auf der Erde. Damit man dieselbe Datenrate wie die 70 m Antennen erreichen, darf der Orbiter niemals weiter als 27 Millionen km von Galileo entfernt sein. Will man die volle Datenrate von 134.400 Bit/s, die das Sendesystem bietet, erreichen so darf er nicht weiter als 150.000 km von Galileo entfernt sein.
Das führt zu einem zweiten Problem: Galileo nutzte ja die vier massereichen Monde Jupiters Io, Europa, Callisto und Ganymed um gezielt die Orbits zu ändern. Die relative Stellung dieser Monde wiederholt sich zwar alle 100 Tage, was kompatibel mit den 399 Tagen ist, die zwischen zwei Startfenstern liegen (~ 4 x 100 Tage) aber dann würde ein Kommunikationsorbiter zwar dieselbe Tour durchfliegen wäre aber nicht da wo Galileo ist. Ein Kommunikationsorbiter müsste also zeitgleich mit Galileo an 8. Dezember 1995 Jupiter erreichen, nur so kann er ihm folgen wobei die 150.000 km Distanz theoretisch sind – praktisch wäre da ein Vorbeiflugsziel durch seine Eigenbewegung an einer anderen Stelle und würde den Orbiter anders umlenken. Praktisch müsste die Distanz gering sein, ich würde auf 100 bis 1000 km tippen, in der Größenordnung liegt die Ortungsgenauigkeit des DSN zu dieser Zeit.
Da man das Antennenproblem erst am 11.4.1991 feststellte, hätte man so nur 4 ½ Jahre für den Bau und Start und die Reisezeit zu Jupiter. Ein „normaler“ Kommunikationssatellit scheidet aus. Er wäre wohl schnell zu beschaffen, aber ihm fehlt die HGA die man für die Übertragung der Daten braucht und er hat weder RTG zur Stromversorgung noch strahlungsresistente Elektronik. Als schnelle Lösung käme nur ein Nachbau von Galileo selbst infrage. Um ihn schneller zu Jupiter zu bringen muss er leichter werden und man kann in der Tat einiges weglassen:
– die Atmosphärensonde (339 kg)
– die Experimente (118 kg)
– einen RTG (58 kg) – da die Experimente natürlich Strom brauchen und man schneller bei Jupiter ist (=weniger Leistungsverlust durch radioaktiven Zerfall).
Das sind 515 kg. Beim Nachdenken kommt man aber auf weitere Einsparmöglichkeiten. Die gibt es beim Treibstoff:
– die 515 kg weniger Masse sparen beim Einbremsen in den Orbit 110 kg Treibstoff ein.
– Galileo verbrauchte weitere 50 kg, um die Antenne freizusetzen.
– Es gab 28 Kurskorrekturen die 321 kg Treibstoff verbrauchten, durch eine kürzere Flugzeit könnte man hier weitere 160 kg einsparen.
– 40 kg wurden für die Kursänderung nach Absetzen der Probe verbraucht.
Zusammen sind dies weitere 320 kg, in der Summe also 835 kg. Die Frage ist nun kann man den nun den leichteren Orbiter so schnell zu Jupiter schicken, dass er zeitgleich mit Galileo ankommt. Galileo würde noch 1.400 kg wiegen. Schaut man sich die Tabelle in meinem Blog an, so könnte eine Titan 34 mit Centaur + fester Oberstufe diese Nutzlast erreichen. Es ginge sogar noch komfortabler. Tankt man Galileo voll auf, so reicht der Treibstoff für weitere 400 m/s Korrektur. Dann käme die ΔvEGA Tour infrage, die ebenfalls kurzzeitig bei Galileo mal erwogen wurde. Bei genauerer Betrachtung ist sie aber keine Alternative, denn diese Reiseroute dauerte 52 Monate, das heißt man müsste den Kommunikationsorbiter im August 1991 starten, vier -monate nach dem Antennenvorfall. So schnell bekommt man ihn nicht gebaut.
Mit der Masse von 1.400 kg ist der Kommunikationsorbiter problemlos mit einer Titan oder dem Shuttle startbar. Als Startfenster kommt Mitte Dezember 1993 infrage, da ist die benötigte Geschwindigkeit sogar noch etwas kleiner, als sie 1986 bei Galileo war. Das würde zwei Jahre Zeit lassen um Jupiter zu erreichen, das ist realistisch.
Sinnvoll halte ich das aber nicht. Wenn man den Orbiter nachbaut, warum nicht komplett? Er kann dann die Mission von Galileo übernehmen, dessen Daten kann, man ja noch zusätzlich nutzen. Galileo 1 würde man so auf Experimente beschränken die keine hohen Datenraten haben also keine Plasma- oder Kameradaten. Ohne Probe wiegt der Orbiter 2230 kg. Das ist nahe an den 2.276 kg die eine IUS in einen GTO transportiert, der ein Δv von 12.042 m/s gegenüber der Erdoberfläche hat. Um eine Raumsonde auf eine 2-jahresumlaufbahn (Aphel in etwa 325 Millionen km distanz) zu schicken braucht man 12.083 m/s also nur etwas mehr. Lässt man etwas Treibstoff weg oder nutzt ihn um die Bahn anzupassen, so würde ein kompletter Nachbau auf diese Bahn gelangen. Da diese Bahn genau die doppelte Periode wie die Erdbahn hat, kehrt Galileo nach zwei Jahren zur Erde zurück, holt nochmal Schwung und gelangt so zu Jupiter. Solche Swing-Bys auf Umlaufbahnen mit einem vielfachen der Umlaufstauer der Erde gab es inzwischen einige. Galileo hat auch eines durchgeführt. Der Nachbau wäre so in 4 ½ anstatt 6 ¼ Jahren bei Jupiter. Er könnte die Tour nachfliegen und die Ergebnisse liefern, die Galileo schuldig blieb. Voraussetzung für beide Vorschläge wäre das man ein zweites Flugexemplar hat. Der erste Projektmanager John Casani kämpfte für ein zweites Exemplar, wie es vorher immer der Fall war, damit man Ersatzteile hat, die man kurz vor dem Start austauschen kann (kam immer wieder in der Vergangenheit bei den Endchecks vor, so bei Viking und Voyager), aber er konnte sich nicht durchsetzen.