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CONTOUR

Einleitung

Das im Jahre 1992 beschlossene Discovery Programm soll preiswerte Raumsonden ermöglichen. Dabei sind Kometen eines der wichtigsten Ziele. Enthalten diese doch die Bestandteile für Leben wie Wasser. Mancher Wissenschaftler vermutete schon die Entstehung von Leben auf den Kometen, so dass bis 2004 nicht weniger als vier Raumsonden des Discovery Programms zu Kometen aufbrachen:

Der Name CONTOUR ist die Abkürzung von Comet Nukleus Tour, und beschreibt die Mission, bei der die Raumsonde bei mindestens zwei Kometen den Kern nahe passieren soll recht gut. Die Mission wurde von der Cornell Universität vorgeschlagen und im August 1997 als sechste Discovery Mission von der NASA genehmigt. Die Betreuung Raumsonde erfolgte durch das JPL. Wissenschaftlich Hauptverantwortlich für die Experimente und den Bau war die Hopkins Universität, die auch die Raumsonden NEAR und MESSENGER konzipierte.

Die Raumsonde

Contour RaumsondeCONTOUR ist eine Raumsonde von achteckiger Gestalt und 1.8 m Höhe bei maximal 2.1 m Breite. Die Startmasse beträgt 970 kg. Doch davon entfallen 503 kg auf einen Star 30 Feststoffraketenantrieb, der zum verlassen der Erdumlaufbahn gebracht wird. Weitere 80 kg sind Hydrazin für Kurskorrekturen, so wiegt die Sonde leer nur 387 kg. Die Sonde ist für eine Operation zwischen 0.75 bis 1.30 AE ausgelegt, 1.50 AE kann die Sonde erreichen wenn sie im Schlafmodus ist. Dann ist jedoch nicht der Betrieb der Experimente möglich.

Die Stromversorgung erfolgt über 9 Solarpanels an den acht Außenflächen und der Fläche des "Deckels" des Achtecks. Der Boden ist vom Schutzschild bedeckt. Die Solarzellen aus Galliumarsenid liefern in Erdnähe 670 Watt. Die Maximalentfernung für CONTOUR von der Sonne beträgt 1.3 AE (Astronomische Einheiten = mittlere Entfernung der Erde von der Sonne). In dieser Entfernung liefern die Solarzellen noch maximal 390 W an Strom. Für Zeiten ohne Ausrichtung auf die Sonne wird eine 9 Ah Nickelcadmium Batterie für die Stromversorgung benutzt.

Der zentrale Star 30 Feststoffantrieb macht mit 503 kg den Großteil der Masse der Sonde aus. Er dient der Beschleunigung der Sonde um 1922 m/s um sie auf eine Sonnenumlaufbahn zu bringen. Der Feststoffantrieb wurde früher bei den Kommunikationssatelliten auf der Basis des Busses HS-376 eingesetzt. Er hat eine Leermasse von 28 kg und einen spezifischen Impuls von 2874. Der Schub beträgt 27 kN bei einer Brennzeit von 50 Sekunden.

Weiter nötige Kurskorrekturen bewerkstelligt die Sonde mit 16 kleinen Düsen, die Hydrazin katalytisch zersetzen. Sie sind jeweils in vier Gruppen von je vier Düsen angeordnet. Die Sonde hat keine Reaktionsschwungräder und muss daher auch ihre räumliche Ausrichtung mit den Düsen bewerkstelligen.

Aufbau ContourDie Kommunikation mit der Erde geschieht über drei Antennen. Für den Datenaustausch dient eine Hochgewinnantenne (HGA) an einer 46 cm Parabolantenne. Für Zeiten in denen die Sonde diese nicht präzise auf die Erde ausrichten kann, gibt es an einem Mast eine Mittelgewinn (MGA) und Niedriggewinnantenne (LGA). Gesendet wird im X-Band mit maximal 100 KBit/sec während der Begegnung mit den Kometen. Die Uplinkrate beträgt nominal 500 Bit/sec, mit zwei Datenraten von 125 und 7.8 Bit/sec für Notfälle. Die Downlinkrate beträgt zwischen normalerweise 11 und 85 KBit/sec. Dazu kommt eine Hochgeschwindigkeitsrate von 100 KBit/sec für kurze Zeit. CONTOUR hat anders als viele andere Raumsonden keinen S-Band Empfänger an Bord. Auch entspricht die Sendefrequenz des X-Band Senders der Empfangsfrequenz des Empfängers. Damit kann die Sonde selbstständig Doppelfrequenzverschiebungen des Signals von der Erde bestimmen und mit der Telemetrie übertragen, man muss also nicht mehr auf der Erde die Frequenzverschiebungen auswerten.

Die Sonde fliegt durch die Koma von Kometen und muss daher wie Giotto vor Staubpartikeln, welche mit hoher Geschwindigkeit einschlagen, geschützt werden. Dies geschieht durch einen Schild an der Unterseite der Sonde. Er ist 25 cm dick und besteht aus mehreren Lagen von Nextel (Einem Gewebe großer Festigkeit, aus welcher auch die Anzüge von Feuerwehrmännern bestehen). Es sollte die Staubpartikel zerkleinern. Darunter liegende Schichten aus Kevlar sollten den Staub dann auffangen. Ein weiteres Sicherheitskonzept besteht darin, dass die Sonde so gut wie keine beweglichen Teile besitzt. Auch die Instrumente und die Kommunikationsantennen sind fest montiert. So können keine Teile von der Sonde abgeschlagen oder verformt werden, wie es bei der HMC Kamera von Giotto vorkam, als ein Schutzschild durch einen Einschlag in den Strahlengang verborgen wurde.

ContourDie Elektronik von CONTOUR ist redundant ausgelegt und besteht aus 10 Karten rund um den Zentralprozessor des Typs Mongoose V. Dies ist ein 32 Bit Mikroprozessor. Er basiert auf dem kommerziellen R3000 Prozessor von MIPS. Dies ist ein 32 Bit RISC Prozessor mit einer Fliesskommaeinheit, 2 K Daten und 4 K Instructionscache. Bei 12 MHz Takt erreicht er eine Leistung von 15 MIPS. Als Massenspeicher werden zwei Speicher aus RAM Bausteinen verwendet, die sich wie eine Festplatte verhalten. Jedes der beiden Laufwerke kann 3,3 Gigabit speichern. Er nimmt die Daten während der hießen Vorbeiflugphase auf, wenn die Raumsonde auf den Kometen ausgerichtet ist. Er ist etwas weniger leistungsfähig als der RAD 6000 der bei vielen anderen Raumsonden des Discoveryprogramms eingesetzt wurde.

Die Lageregelung geschieht auf zweierlei Weise. Zwischen den Kometenrendezvous (65 % der Missionszeit) befindet sich die Sonde in einem Schlafmodus, in dem sie nicht einmal vom DSN angesprochen wird. In diesem Modus rotiert die Sonde mit 25 Umdrehungen pro Minute um die zentrale Achse durch den Feststoffmotor um Treibstoff zu sparen. Bei den Begegnungen wird die Sonde auf die Erde ausgerichtet und in den drei Raumachsen stabilisiert. Dann folgen die Instrumente dem Kometen indem die gesamte Raumsonde der Bahn des Kometen folgt.

Die Experimente

Die Sonde verfügt über vier Experimente mit einem Gesamtgewicht von 60.4 kg. Dies ist relativ viel, wenn man die geringe Leermasse von nur 387 kg bedenkt. Drei davon schauen durch Löcher in dem Schutzschild auf die Kometen. Das vierte (CRISP) dagegen entlang der Außenseite der Sonde zum Kometen. Von den 4 Instrumenten stammt eines aus Deutschland. Alle Instrumente sind fest installiert.

CONTOUR Forward Imager (CFI)

CFI ist eine Kamera welche den Kometenkern und die Koma beim Vorbeiflug in hoher Auflösung erfassen soll. Sie wiegt 9.7 kg und hat einen mittleren Stromverbrauch von 21 Watt. Als Optik wird ein 60 mm Teleskop mit einer Brennweite von 300 mm verwendet. Das Teleskop schaut nicht direkt auf den Kometen sondern durch einen Würfel in dem sich vier Umlenkspiegel befinden. Trifft ein Staubteilchen den Spiegel und beschädigt diesen, so wird dieser durch den nächsten ersetzt. Dies geschieht auch nach jeder Kometenpassage, so dass die Sonde theoretisch vier Kometen beobachten könnte. Die Belichtungszeit wird elektronisch zwischen 90 ms und 10 Sekunden geregelt.

Der eigentliche Detektor ist ein 1024 × 1024 Pixel CCD mit besonderer EUV Bereich. Das Gesichtsfeld beträgt 2.5 Grad. Die Auflösung beträgt 4.3 m auf 100 km Entfernung. Es stehen für (Falschfarbenaufnahmen 9 Filter zur Verfügung:

CFI Aufbau
  Zentralwellenlänge Bandbreite Beschreibung
1 309.0 nm 6.0 nm OH Emission
2 344.8 nm 8.4 nm OH, CN Emission
3 387.0 nm 6.2 nm CN Emission
4 445.0 nm 10.0 nm Geologie, Blau
5 514.1 nm 11.8 nm C2 Emission
6 526.0 nm 5.0 nm C2 Emission, Grün
7 620.0 nm 4.0 nm Geologie, Rot
8 840.0 nm 9.0 nm Geologie, nahes IR
9 920.0 nm 13.0 nm Geologie, nahes IR

Neben bislang nicht erreichten Aufnahmen des Kometen dient CFI auch der Navigation, da die Kamera den Kometen vor der Begegnung aufnimmt und dadurch seinen Ort genauer als erdgebundene Methoden feststellen kann. Etwa 600 Bilder wurden in der heißen Phase der Begegnung von der Kamera erwartet. Der wichtigste Zweck von CFI ist es Emissionen des Kometen festzuhalten und ihre spektrale Zusammensetzung einzuordnen. Für hochauflösende Bilder des Kerns ist CRISP ausgelegt.

CONTOUR Remote Imager/Spectrograph (CRISP)

´CRISP ist die zweite Kamera an Bord von CONTOUR. Gegenüber CFI wird eine größere Optik von 100 mm Durchmesser und 683 mm Brennweite verwendet. Neben einem CCD Chip, der identisch zu dem bei CFI ist (1024 × 1024 Pixels, mit jeweils 13 µm Pixelgröße, einer Auflösung 1.9 m aus 100 km Entfernung) gibt es auch ein Spektrometer. Dabei teilt ein Splitter den Strahlengang zwischen beiden Instrumenten auf. Die Kamera hat 10 Filter mit folgenden Daten:

CRISP
Nummer Zentralwellenlänge Bandbreite
1 450 nm 40 nm
2 490 nm 40 nm
3 530 nm 40 nm
4 570 nm 40 nm
5 610 nm 40 nm
6 650 nm 40 nm
7 690 nm 40 nm
8 730 nm 40 nm
9 770 nm 40 nm
10 Klarfilter -

Es geht bei dieser Kamera also nicht um das Anfertigen spektroskopischer Bilder der Koma und des Kerns wie bei CFI mit den relativ spezialisierten Filtern, als vielmehr um die hochauflösende Fotographie des Kerns in Farbe. Das Gesichtsfeld von CRISPs Kamera beträgt 1.2 × 1.2 Grad und ist damit mehr als doppelt so große wie die von CFI. Die Belichtungszeit wird elektronisch zwischen 9 und 150 ms geregelt.

Das zweite Teilinstrument ist ein Infrarotspektrometer. Es ist empfindlich zwischen 800 und 2500 nm Wellenlänge. Das Gesichtsfeld beträgt 0.95 × 0.003 Grad. Detektor ist ein passiv auf 90 K gekühlter Quecksilber-Cadmiumtellurit (HgCdTe) Detektor. Ein 256 × 256 Pixel großes Array nimmt dabei ein Spektrum auf. In einer Achse wird räumlich aufgelöst (256 Pixel lange Zeile entsprechend 0.86 × 0.003 Grad, 5.3 m Auflösung aus 100 km Entfernung), in der zweiten Achse wird das Spektrum durch Zerlegen des Lichtes in Spektralfarben gewonnen (256 Punkte im Spektrum zwischen 800 und 2500 nm). Typische Belichtungszeiten des IR Spektrometers liegen bei 0.2 Sekunden.

CRISP ist als einziges Instrument schwenkbar. Alle anderen Instrumente sind fest montiert und werden durch Ändern der Ausrichtung der Sonde auf das Ziel ausgereichtet. CRISP verwendet dazu einen in einem Bereich von 30 Grad schwenkbaren Spiegel. Dieser wird vom Bordcomputer so gesteuert, das der Kern des Kometen ständig im Gesichtsfeld der Kamera ist. CRISP ist mit einer Masse von 46.7 kg und einem Stromverbrauch von 45 W das schwerste Instrument an Bord.

Neutral Gas Ion Mass Spectrometer (NGIMS)

NGIMSNGIMS hat die Aufgabe das Gas der Koma des Kometen während des Vorbeifluges zu untersuchen. Das Instrument ist ein Quadrupol Massenspektrometer mit zwei Ionenquellen, einer offenen und einer geschlossenen Ionenquelle. Der Wechsel zwischen beiden Ionenquellen lässt eine getrennte Untersuchung von Ionen (offene Quelle) und neutralen Molekülen zu. Das Massenspektrometer basiert auf einem Instrument an Bord von Cassini. Es erfasst Atommassen zwischen 1 und 294 u. Die Samplefrequenz ist in drei Frequenzen im Bereich von 1 bis 5 MHz einstellbar.

NGIMS soll vor allem das Vorkommen und die Verteilung der Gase H2O, CH4, CO2, NH3 und H2S untersuchen und nach komplexeren Molekülen in der Koma suchen.

NGIMS wiegt 13.5 kg und hat einen durchschnittlichen Stromverbrauch von 45 Watt.

CONTOUR Dust Analyzer (CIDA)

CIDADieses Instrument stammt aus Deutschland vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Es basiert auf Vorläuferinstrumenten die an Bord der Sonden Vega 1+2 und Giotto flogen. Ein identisches Instrument ist auch an Bord der Stardust Mission. Eine weiter verbessere Version dieses Instruments fliegt auch auf der Rosetta Mission mit. Es analysiert Staubpartikel und stellt ihre chemische Zusammensetzung fest.

CIDA ist ein Flugzeitmassenspektrometer. Staub prallt auf ein 50 cm² großes Ziel und erzeugt einen Blitz, der als Trigger für die Messung benutzt wird. Die Aufschlagsenergie führt dazu, das Teile des Staubskorns ionisiert werden. Das entstandene Plasma strömt nun in das Instrument. Elektronstatische Gitter lassen je nach Modus nur die Ionen oder Elektronen passieren. Sie werden durch ein Feld beschleunigt und durch ein Magnetfeld zum Detektor umgeleitet. Der Detektor misst die Atommasse (bis 350 Dalton auf eine Atommasse genau, bis zu einigen 1000 Dalton als Abschätzung), die Ankunftszeit und die Energie. Die elektrischen und Magnetischen Felder dienen dem Auftrennen der Ionen nach Masse/Ladung. Dies äußert sich in einer unterschiedlichen Flugzeit.

Der Detektor ist ein Photomultiplier mit einer Öffnung von 30 mm. Er verstärkt die Signale um den Faktor 100.000. Die Auflösung liegt bei m/Δm von 250 bei Atommasse 100. Die Digitalisierungsrate liegt bei 80 MHz, die Zeitauflösung liegt bei 10 ns. Gewonnen werden 400 Spektren pro Sekunde. CIDA soll beim Vorbeiflug die chemische Zusammensetzung des Staubs ermitteln sowie seine Geschwindigkeit bestimmen. CIDA wiegt 10.5 kg und verbraucht 10 W an Strom. Mit beteiligt ist auch Finnland, von dessen meteorologischen Institut die Software stammt.

Komm schon!

Die Mission

Delta 7425 StartCONTOUR startete am 3.7.2002 mit einer Delta 7425. Dies ist eine Delta 2 mit vier anstatt den üblichen neun Castor 4 Boostern. Die Delta 7425 befördert CONTOUR zuerst in eine temporäre Bahn um die Erde. Diese erste Bahn hat ein Perigäum von 212 km, ein Apogäum von 108.614 km und eine Inklination von 30.6 Grad. Der Einsatz dieser kleinen Delta Version sparte 10 Millionen USD bei den Startkosten ein. Auf der anderen Seite kostet der integrierte Star 30 Antrieb (der nur teilbefüllt worden sein kann, da er normalerweise über 500 kg Treibstoff aufnimmt) auch. Der Nutzen liegt darin das die Leermasse des Star 30 etwa 170 kg kleiner als die des Star 48, der letzten Stufe der Delta 7925 ist, die Nutzlast also um 170 kg höher ist.

Die geplante Mission sah dann folgende Schritte vor: Nach dem Start erfolgt am 15.8.2002 im Perigäum das Zünden des Feststoffmotors. Er beschleunigt die Sonde um 1922 m/s. Die Sonde befindet sich nun auf einer Sonnenumlaufbahn. Auf dieser ist sie zwischen 120 und 300 Tagen im Schlafmodus. Es gibt in dieser Zeit keinen Kontakt zur Sonde. Dies ist möglich weil die Sonde sich in einer Bahn befindet, in der sie immer weder zur Erde zurückkehrt. Selbst wenn man die Kontrolle verliert, kann man CONTOUR wenn sie sich wieder der Erde nähert über die LGA Antennen kontaktieren und unter Kontrolle bringen.

Auf dieser Bahn gelangt Sie am 15.8.2003 wieder zurück zur Erde und passiert diese in 58.000 km Entfernung. Nun werden die Instrument kalibriert. Dabei dreht die Erde die Bahn leicht, so dass die Sonde 12.11.2003 den Kometen Encke in 100 km Entfernung passieren sollte. Aktiv ist die Sonde nur 60 Tagen vor der Begegnung bis 15 Tagen danach. In der ersten Phase wird die Sonde durchgecheckt und die Bahn von Sonde und Komet ermittelt. Etwa zehn Tage vor der nahen Begegnung beginnen die ersten Observationen. Innerhalb der Koma des Kometen ist die Sonde nur wenige Stunden. Jeweils 12 Stunden vor und nach der Passage sind alle Instrumente aktiv und speichern Daten auf den Massenspeicher an Bord der Sonde.

Die Kamera sollte den Kometenkern in den besten Aufnahmen mit 4 m Auflösung erfassen, zehnmal besser als die Aufnahmen von Deep Space 1 von Borelly und 25 mal besser als die Aufnahmen von Giotto von Halley. Global (über eine Rotationsperiode) sollte der Kern mit 100 bis 500 m Auflösung erfasst werden können.

Begenung mit dem KometenDie gewonnenen Daten werden 15 Tage nach der Begegnung zurückgespielt. Der Begegnung mit dem relativ alten Kometen Encke folgt dann am 19.6.2006 eine mit dem Kometen Schwassmann-Wachmann 3, einem relativ frischen Kometen. Dazu müssen drei Vorbeiflüge an der Erde 14.8.2004, 10.2.2005 und 10.2.2006 die Sonde umlenken, damit sie zu Schwassmann-Wachmann 3 gelangen kann.

Schwassmann-Wachmann 3 war schon lange vor dem Start als Ziel bestimmt worden. Doch er wurde interessanter als er 2001 in drei Teile zerbrach, 2006 als ihn CONTOUR erreichen sollte, fand ein weiterer Zerfall in 60 Teile mit starken Gasfreisetzungen statt. CONTUTR hätte das direkt vor Ort beobachten können und durch das Zusammenbrechen die Bruchstücke und nahezu unveränderte Materie aus dem Inneren untersuchen können.

Der zweite Erdvorbeiflug ändert den Punkt an dem die Sonde sich der Erde nähert um sechs Monate jeweils auf den 10.2. eines Jahres. Am 30.9.2006 wäre die Mission offiziell beendet gewesen. Man hätte allerdings noch genügend Treibstoff an Bord für ein weiteres Rendezvous. Das Team hatte vor Beginn der Mission den Kometen d'Arrest ausgewählt, sollte man während der Mission einen neuen Kometen entdecken, der in der Bahn von CONTOUR lag wäre auch ein anderes Ziel möglich gewesen. Die Sonde nähert sich jeden Jahr rund um den 10. Februar wieder der Erde und wäre dann durch ein Swing-By Manöver auf eine neue Bahn umlenkbar gewesen.

Datum Ziel Distanz Geschwindigkeit
15.8.2003 Erde 58.000 km
12.11.2003 Encke 100 km 28200 m/s
14.8.2004 Erde 40.180 km
10.2.2005 Erde 218.770 km
10.2.2006 Erde 30.000 km
19.6.2006 Schwassmann-Wachmann 3 200-300 km 14000 m/s

Das Scheitern der Mission

Am 3.7.2002 startete CONTOUR mit zwei Tagen Verspätung. Nach dem Erreichen des ersten Orbits gab es 43 kleine Korrekturen der Bahn bis CONTOUR am 8.7.2002 in einer 214 × 106.686 km × 29.8 Grad geneigten Bahn angekommen war. In dieser Bahn mit 42 h Umlaufszeit verblieb die Sonde bis zum 15.8.2002 als man den Star 30BP Antrieb für 50 Sekunden zündete. Die Sonde verstummte wie geplant (Die Erschütterung des Antriebs hätte die Sender der Sonde beschädigen können), man konnte aber keinen neuen Kontakt mit ihr herstellen.

Am 16.8.2002 zeigten erdgebundene Aufnahmen drei Objekte entlang des Flugpfades von CONTOUR. Bald wurde vermutet, dass es die Sonde ist, zerbrochen in mindestens drei Teile. So viele waren durch RADAR nachweisbar. Es gab noch bis zum 20.12.2002 Versuche die Sonde zu kontaktieren, doch ohne Erfolg. Am 22.8.2002 wurde eine Untersuchungskommission eingesetzt, welche die Unglücksursache feststellen sollte. Dies gelang nicht, jedoch konnte das Komitee wahrscheinliche Ursachen benennen. Als wahrscheinlichste Ursache gilt eine Überhitzung der CONTOUR Sonde durch die Abgase des Feststoffantriebs. Andere mögliche Ursachen die genannt wurden, war eine Explosion des STAR 30 BP Antriebs, eine Kollision mit einem Meteoriten oder Weltraummüll oder ein Verlust der Lagekontrolle während der Brennphase des Antriebs.

Auffällig war die Position des Feststoffmotors: Star 30 Antrieb in CONTOURDer Star 30 Antrieb wurde in die Sonde hinein verlagert. Normalerweise (d.h. bei den Kommunikationssatelliten in denen er bisher eingesetzt wurde) ist die Düse völlig außerhalb der Sonde (Heller Teil auf der Skizze rechts, meist sogar der ganze Feststoffmotor). Diese Düse wird durch die Abgase sehr heiß. Man vermutet, dass die Hitze die Struktur der Sonde soweit geschädigt hat, dass diese den Schubkräften des Antriebs (27 kN Schub = Beschleunigung von 27 - 63 m/s je nach verbrauchtem Treibstoffmenge) nicht mehr standhalten konnte. Teilweise mussten Teile der Sonde an der Düse bis zum 50 fachen der Energie aufnahmen, welche die Sonne liefert (bis zu 70 kW/m²).

Der Untersuchungsbericht stellte auch fest, was schon bei früheren verlorenen Sonden (Mars Polar Lander und Mars Climate Orbiter) festgestellt wurde: Dem CONTOUR Projekte fehlte es an Prüfungen des Designs der Raumsonde und der Fertigung. Man hatte sich nicht einmal Gedanken gemacht, welche Auswirkungen es hat die Düse nach innen zu verlagern. Es wurde zeitweise erwogen die Sonde als CONTOUR 2 nachzubauen und mit einer schubstärkeren Delta doch noch zu den ursprünglichen Zielen zu schicken. Doch da die Unglücksursache nicht wirklich genau geklärt werden konnte, kam es nicht mehr dazu.

Die CONTOUR Raumsonde kostete 109 Millionen USD, dazu kamen noch 50 Millionen USD für die Trägerrakete. Die Gesamtkosten für die Mission betrugen somit 159 Millionen USD

Links

CONTOUR Homepage

NSSC Masterkatalog

von Hörner & Sulger (CIDA Hersteller)

https://solarsystem.nasa.gov/docs/CONTOUR_Fact_Sheet.pdf

https://solarsystem.nasa.gov/docs/CONTOUR_mishap_board.pdf


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