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Galileo: Die Mission 1986

Einleitung

Die Galileo Mission ist eine der interessantesten Planetenmissionen, sowohl von ihrer Mission her, wie auch von ihrer wechselvollen Geschichte. Um Galileo ausführlich zu würdigen, habe ich den Aufsatz über Galileo in verschiedene thematisch getrennte Teile geteilt.

Dieser Artikel behandelt nicht die Galileo Mission wie sie durchgeführt wurde, sondern wie man sie 1986, vor dem Start plante. Wesentlichste Informationsquelle ist die NASA Broschüre SP-479 "Galileo: Exploration of Jupiters System" welche die Mission ein Jahr vor dem Start beschreibt.

Dies erlaubt Vergleiche mit der später tatsächlich durchgeführten Mission.

Galileo in der Shuttle buchtGalileo 1986

Der Orbiter wog vor dem Start 1986 insgesamt 1.138 kg leer, plus 932 kg Treibstoff. Die Startmasse lag so bei 2070 kg ohne Probe. Die 1995 gestartete Sonde war schwerer und wog 2.230 kg, davon 962 kg Treibstoff. Die Masse der Probe wurde mit 335 angegeben, davon 128 kg für die eigentliche Sonde und der Rest für den Hitzeschutzschild. Die 1989 gestartete Kapsel war 338.9 kg schwer, davon entfielen ebenfalls 128 kg auf die Kapsel. die Experimente machten 1986 etwa 103 kg der Orbiter und 28 kg der Probenmasse aus. 1989 waren es 118 kg, beziehungsweise 109 kg - wenn man den HIC als ingenieurstechnisches Experiment nicht berücksichtigt - beim Orbiter und 30 kg in der Probe. Die gesamte Startmasse )mot Adapter zur Oberstufe) betrug so 1986 bei 2.390 kg, drei Jahre Später durch die Anpassungen an die neue Bahn durchs innere Sonnensystem 2.569 kg.

Als Galileo geplant wurde ging man noch von einer Datenrate von 115,2 kbit/s aus. Die für den Vorbeiflug von Voyager an Neptun von 64 auf vergrößerten 70 m Empfangsantennen hätten die Datenrate aber auf 134.4 kbit/s gesteigert.

Parameter Galileo 1986 Galileo 1989
Masse Orbiter trocken: 1.138 kg 921 kg
Treibstoff: 932 kg 962 kg
Instrumente Orbiter: 103 kg 109 kg
Masse Atmosphärenkapsel 335 kg 338,9 kg
Nur Decent Module 128 kg 128 kg
davon Instrumente 28 kg 30 kg
Batterielebensdauer 55-60 Minuten 75 Minuten

Der Flug zu Jupiter

Wie Galileo gestartet werden sollte, dies ist eine Geschichte für sich. Mehrmals hatte man die Konfiguration geändert, das Space Shuttle und die Titan waren als Träger auserkoren, die Centaur G, IUS, sowie verschiedene Injektion Module wurden selektiert und verworfen. direkte Starts zu Jupiter oder Gravity Assist Manöver untersucht und gemeinsames und getrenntes starten von Orbiter und Atmosphärensonde wurde vorgeschlagen.

Schließlich hatte Galileo seine Startgelegenheit: Ein Space Shuttle transportiert Galileo und die für Galileo und zwei weitere Planetensonden (Ulysses und Magellan) entwickelte Centaur G, eine an den Space Shuttle Nutzlastraum angepasste Centaur in einen erdnahen Orbit transportiert und diese hätte dann Galileo direkt zu Jupiter gebracht. Die Nutzlast der Centaur G war mit 2.550 kg (inklusive Adapter) ausreichend für Orbiter und Probe. Doch bald gab es ein neues Problem: Die Nutzlast der Space Shuttles lag deutlich unter den Planungen. Anstatt 29,5 t sollten die beiden letzten Orbiter 27,2 t transportieren, die Challenger und Columbia lagen noch shlechter.

Das Jahr 1986 war zudem ein sehr gutes Startfenster mit einer Überschussenergie von 84 km²/2², nahezu am Minimum von 81 km²/s² für Flugbahnen zu Jupiter (entsprechend einer Geschwindigkeit von 14344 m/s beim Start von einer 186 km hohen Parkbahn aus). Leider war dies immer noch mehr als die Centaur leisten konnte. Dies waren 80 km²/s². Die Lösung war ein eingeschobenes "Broken Plane" Manöver im Februar 1987, wobei man die Inklination der Bahn dann von der Ekliptik in die Bahnneigung von Jupiter bei der Ankunft umlenkte. Dazu musste man einen Teil des Treibstoffs opfern. Das Broken-Plane Manöver machte eine Geschwindigkeitsänderung von 231 m/s nötig, die jedoch bei den damals 932 kg großen Treibstoffvorräten noch genügend Reserven für die Orbittour ließ. Weiterhin plante man schon damals einen Vorbeiflug an Io beim Eintritt, der die Sonde um 150 m/s verlangsamte und so für einen Ausgleich für das "Borken Plane" Manöver sorgte.

Trotzdem war Galileo an der Nutzlastgrenze für das Space Shuttle und die Centaur. Zusammen hätte beides 26.2 t gewogen, dazu kam noch das Befestigungssystem der Centaur. Das war an der Grenze der Nutzlast für den Space Shuttle, die bei 29.48 t lag und 4 t mehr als jede andere Nutzlast welche der Space Shuttle je transportieren sollte. Auch die Centaur musste Schwerstarbeit leisten und hatte nur etwa 250 m/s an Reserven.

Eine Stunde 23 Minuten nach dem Start wären die Laderaumtüren geöffnet worden. Die Centaur wäre 6 Stunden 17 Minuten nach dem Start ausgesetzt worden. Feder drücken die Stufe mit der Nutzlast langsam nach oben weg. Nachdem sie 200 Fuss (60 m) vom Shuttle weggedriftet ist, etwa 6 Stunden 41 Minuten nach dem Start, zündet dieser seine Manövriertriebwerke und bringt sich selbst auf sichere Entfernung. Sieben Stunden 31 Minuten nach dem Start zündet dann die Centaur. Nach dem Brennschluss der Centaur hätte die Raumsonde begonnen sich in Rotation zu versetzen, auf 0.1 Umdrehungen pro Minute um die Sonneneinstrahlung langsam zu erwärmen, danach wäre die Antenne aufgeklappt worden. Nachdem dieses erfolgt gewesen wäre, beschleunigt Galileo seine Rotation auf 3 U/min und zuletzt wird die Galileo durch Zünden von Trennladungen von der Centaur G Oberstufe abgetrennt. Dies wäre 8 Stunden 11 Minuten nach dem Start der Fall gewesen. Galileo wäre nun auf Jupiter Kurs.

dV-EGAIm Dezember 1984 gab es eine kleine, aber wichtige Änderung in der Bahn zu Jupiter. Der neue Plan sah nun auch eine Passage des Planetoiden (29) Amphitrite in 10-20.000 km Entfernung vor. Dieser lag auf dem Flugpfad von Galileo, so das man ihn mit etwas mehr Treibstoff und einer 2-3 Monate dauernden Verzögerung bei der Ankunft besuchen könnte. (Der Ankunftstermin würde sich vom 27.8.1990 auf den 10.12.1990 bei Jupiter verschieben). Dieser Planetoid ist 200 km groß und der zwölfthellste am Himmel, so dass er aus dieser Entfernung schon mehr als Bildfüllend für die Kamera von Galileo gewesen wäre. Die minimale Distanz von 10.000 km war vorgegeben durch Sicherheitsaspekte. Über 2 Erdtage hinweg hätte Galileo mehrere Rotationen des sich in 5.4 Stunden drehenden Planetoiden beobachten können und dabei die gesamte Oberfläche erfassen können. die besten Bilder hätten Details von 180 m Größe gezeigt. Für eine Beobachtung von Amphitrite waren allerdings keine Mittel im Budget vorgesehen. So bekam man das generelle Okay dafür, allerdings mit der Auflage die Starttrajektorie so anzulegen, dass Galileo wie geplant Jupiter erreichen würde, bis Amphitrite erreicht würde, wüsste man ob es Mittel gäbe und man dann eine Kurskorrektur durchführen würde.

Schlussendlich gab es folgende Restriktionen  zu beachten:

Galileo bei Jupiter

Und so sah der Plan für Galileo mit einem Vorbeiflug am Planetoiden Amphrite aus:

Broken Plane ManöverDer Flugplan sah genauso aus wie bei der späteren Mission mit den Vorbeiflügen G1, G2, C3, G4, G5, E6, E7, E8,  C9 und G10. Bei der späteren Mission musste lediglich der G5 Mission entfallen, weil zu dieser Zeit Galileo hinter der Sonne war und dies die Funkverbindung verschlechterte, Ebenso war ein Vorbeiflug an Io in etwa 1000 km Entfernung geplant. 1986 war zudem ein sehr gutes Startfenster mit einer Überschussenergie von 84 km²/s², nahezu am Minimum von 81 km²/s² für Flugbahnen zu Jupiter (entsprechend einer Geschwindigkeit von 14344 m/s beim Start von einer 186 km hohen Parkbahn aus). Leider war dies immer noch mehr als die Centaur leisten konnte. Dies waren 80 km²/s². Die Lösung war ein eingeschobenes "Broken Plane" Manöver im Februar 1987, wobei man die Inklination der Bahn dann von der Ekliptik in die Bahnneigung von Jupiter bei der Ankunft umlenkte. Dazu musste man einen Teil des Treibstoffs opfern. Das Broken Plane Manöver machte eine Geschwindigkeitsänderung von 231 m/s nötig, die jedoch bei den damals 932 kg großen Treibstoffvorräten noch genügend Reserven für die Orbittour ließ. Weiterhin plante man schon damals einen Vorbeiflug an Io beim Eintritt, der die Sonde um 150 m/s verlangsamte und so für einen Ausgleich für das "Borken Plane" Manöver sorgte.

Weitere Änderungen ergaben sich durch die Beschränkungen der Datenmenge. Neben den nahen Vorbeiflügen bis auf 200 km an die Satelliten sah Galileos Plan für 1986 zahlreiche Vorbeiflüge in mittleren Entfernungen von 25.000-50.000 km vor. Diese dienten dazu die Satelliten global zu kartieren und Beobachtungsziele für die nahen Vorbeiflüge zu selektieren.

Einschwenken in den Orbit

Die Ereignisse hätten sich 1988 kaum von denen 1995 unterschieden:

Für die Probe erwartete man eine Peakabbremsung um 2270 m/s oder 231 G. Man erwartete Daten bis 62 Minuten nach dem Eintritt bis zu dem 21 Bar Niveau. Danach hätte sich der Orbiter weggedreht und die Funkverbindung wäre verloren gegangen (die tatsächliche Sonde arbeitete bis 58.6 Minuten nach dem Eintritt beim 24 Bar Niveau).

Die erste Bahn sollte 320.000 x 19,5 Millionen km Entfernung haben (real: planetennächster Punkt in 185.000 km Höhe) bei 100 Tagen Umlaufszeit.

Die geplante Orbittour

Es folgt nun der geplante Flug von Galileo von 1988-1990 durch Jupiters System.

G1

Der erste Orbit hat eine Umlaufdauer von 200 Tagen und ein Perijovium von 7 Rj. Während der Annäherung auf diese Distanz hat Galileo 50 % der gesamten Strahlung von 150 Krad erhalten, für welche die Elektronik ausgelegt ist. Daher findet 100 Tage nach dem Einschwenken in den Orbit eine zweite Triebwerkszündung am Apojovium statt. Sie erhöht das Perijovium auf 11.5 Rj. (900.000 km, bei Galileo später real 786.000 km) Eine Distanz von mindestens 9.4 Rj zu Jupiter wird die Sonde während der Primärmission einhalten. Europas Orbit verläuft bei 9.4 Rj. Nahe Vorbeiflüge an Europa erfordern daher ein Absenken auf diese Distanz.

Der Vorbeiflug G1 sollte am 18.3.1989 stattfinden. (Basierend auf einem Ankunftstermin am 25.8.1988). Er findet in einer Distanz von 834 km bei 20 Grad Südlicher Breite statt. G1 hat die primäre Aufgabe die Umlaufdauer von 200 auf 64 Tagen zu reduzieren. Er hebt die Inklination leicht von 2 auf 3 Grad an. (Die später geflogene Mission unterschied sich dadurch, dass G1 die Inklination reduzieren sollte, da Galileo eine Anfangsinklination von 5.8 Grad hatte).

Während G1 ist die der Galileo Orbiter zum einzigen Male längere Zeit im Magnetotail (dem von der Sonne abgewandten Schweif der sich bis zur Saturnbahn erstreckt) von Jupiter und daher gehören Magnetfeld und Plasmauntersuchungen zu den primären Zielen dieses ersten Orbits.

Wie sehr die 1986 er Tour der späteren Tour ähnelt zeigt der Vergleich der beiden Grafiken: Oben die 1986 er Tour und unten die 1995 er Tour.

G2

Der zweite Ganymed Vorbeiflug G2 findet am 21.5.1989 statt. Ziel ist es das Nordpolgebiet von Ganymed genauer zu untersuchen. Der Vorbeiflug findet in 1146 km Distanz in 89 Grad nördlicher Breite statt. Die Umlaufsdauer verändert sich kaum, aber der Orbit wird gedreht und verläuft nun nicht mehr durch den Magnetotail.

1995 er TourC3

Am 22.7.1989 passiert Galileo erstmals den zweitgrößten Mond Kallisto. Der Vorbeiflug findet am Äquator in 5 Grad Breite in 494 km Distanz statt. Es ist der einzige Vorbeiflug bei dem Galileo die führende Seite des Mondes passiert: Diese Passagen erniedrigen das Perijovium und eine Passage zu einem späteren Zeitpunkt hätte es zu stark abgesenkt.

E4 und E5

Der Kallisto Vorbeiflug C3 hat das Perijovium auf den Orbit von Europa abgesenkt. Die beiden Vorbeiflüge E4 und E5 dienen dazu die gesamte Oberfläche des Eismondes zu fotografieren. Das erste Treffen findet am 1.9.1989 statt und verläuft auf dem Flug zu Jupiter in 1400 km Höhe bei -89 Grad südlicher Breite. Das zweite E5 am 10.10.1989 in 200 km Distanz (der nächste Vorbeiflug an einem Satellit) nahe des Äquators bei 15 Grad nördlicher Breite nach Passage von Jupiter.

C6 und G7

Die beiden Vorbeiflüge an Callisto und Ganymed haben die Aufgabe, die andere Seite der Satelliten fotografisch zu erfassen. Da Jupiters Satelliten synchron rotieren, zeigt ein Vorbeifllug vor Passage der Perijoviums eine andere Seite als Flüge nach Passage dessen. Bisher waren alle Ganymed und der Kallisto Vorbeiflüge vor Passage des Perijoviums. Die beiden folgenden sind nun nach dem das Perijovium durchlaufen wurde und sie erhöhen zugleich die Umlaufdauer und das Apojovium wieder.

Der Kallisto Vorbeiflug C6 findet am 9.11.1989 in 6346 km Höhe statt. Die Bahn mit einem nächsten Punkt bei -10 Grad Breite wurde so gewählt um den Orbit möglichst nicht zu stark anzuheben. Dadurch gibt es am 2.12.1989 eine erneute Europapassage in 25.000 km Distanz. Sie wird für globale Übersichtsaufnahmen genutzt. Einen Tag später wird am 3.12.1989 Ganymed in 3258 km Distanz passiert. Der äquatornahe Vorbeiflug in 6 Grad nördlicher Breite erlaubt dann die Kartierung des bislang noch nicht erfassten Gebietes.

G8 und E9

Die beiden nächsten Vorbeiflüge haben zwei Aufgaben: Sie sollen schrittweise die Umlaufbahn anheben und die Orbits langsam rotieren lassen. Ebenfalls durch die gebundene Rotation bedingt ist eine vollständige Abdeckung der Oberfläche der Monde nur möglich, wenn von oben gesehen die Orbits wie Blütenblätter von Jupiter aus verlaufen. Ganz ist dies nicht möglich, aber doch eine gute Annäherung. Weiterhin soll der G8 Vorbeiflug am 21.12.1989 die Sonde zum E9 Vorbeiflug lenken, dem letzten der Europa passiert. G8 führt in 1722 km an Ganymed vorbei vor Passage des jupiternächsten Punktes. ein Punkt 7 Grad nördlich des Äquators wird passiert. Der letzte Europa Vorbeiflug E8 am 17.1.1990 verläuft ebenfalls vor Passage des jupiternächsten Punktes in 472 km Höhe, 2 Grad südlich des Äquators.

G10 und C11

Diese beiden Vorbeiflüge lassen die Bahnen weiterhin gegen den Uhrzeigersinn rotieren und erhöhen die jupiterfernsten Punkte auf 100 und später 148 Jupiterradien. Beide Orbits erlauben zwei Vorbeiflüge in mittlerer Distanz an jeweils dem anderen Mond. Am 22.2.1990 wird Kallisto bei G10 in 40630 km Entfernung 12 Grad nördlich des Äquators passiert und einen Tag später Ganymed in 3680 km Entfernung bei 13 Grad südlicher Breite. Die Umlaufdauer steigt nun von einem Monat auf 50 Tage an. Am 13.4.1990 wird Kallisto in 277 km Höhe passiert bei 16 Grad nördlicher Breite und ebenfalls einen Tag später Ganymed am 14.4.1990 in 45955 km Entfernung und 22 Grad südlicher Breite.

Das waren die Planungen für die Primärmission. Die Planungen sahen für die Primärmission einen Treibstoffverbrauch von etwa der Hälfte der Menge, die man nach dem Einschwenken in den Orbit noch hatte. Am Ende sollten etwa 40 kg übrig bleiben, was die Möglichkeit für eine Missionsverlängerung offen lies. Die Anhebung der Umlaufdauer hatte auch den Zweck Galileo in einer Bahn zu hinterlassen in der sie später wieder alle Möglichkeiten offen hat die Bahn erneut zu ändern. eine kurzperiodische Bahn hätte die Strahlungsbelastung in kurzer Zeit stark angehoben. Das Perijovium wird am 29.5.1990 durchlaufen und markiert das Ende der 21 Monate dauernden Primärmission.

Zusammenfassung

Orbit Datum Ziel Vor/Nach Distanz Geographische Breite
1 18.3.1989 Ganymed Vor 834 km -20
2 21.5.1989 Ganymed Vor 1.146 km +89
3 22.7.1989 Kallisto Vor 494 km +5
4 1.9.1989 Europa Vor 1.400 km -89
5 10.10.1989 Europa Nach 200 km +15
6 9.11.1989 Kallisto Nach 6.346 km -10
7 2.12.1989 Europa Vor 25.000 +10
7 3.12.1989 Ganymed Nach 3.258 km -6
8 21.12.1989 Ganymed Vor 1.722 km +7
9 17.1.1990 Europa Vor 472 km -2
10 22.2.1990 Kallisto Vor 40.630 km +12
10 23.2.1990 Ganymed Vor 3.680 km -13
11 13.4.1990 Kallisto Vor 277 km +16
11 14.4.1990 Ganymed Vor 45.955 km -22

Die NASA erwartete von Galileo mindestens 50.000 Bilder des Jupitersystems. Diese Annahme ist eher konservativ zu sehen, denn beide Voyager Sonden funkten schon zusammen in 9 Monaten über 33.000 Bilder und Galileo verfügte über eine höhere Datenrate als Voyager. Ein guter Teil wäre auf die Monde entfallen. Die Vorbeifluggeschwindigkeiten lagen typischerweise zwischen 6 und 9 km/s. Europa füllt die Kamera schon etwa 375.000 km vor der nächsten Begegnung aus, Ganymed sogar 645.000 km. Bis die Sonde von diesem Zeitpunkt aus den nächsten Punkt erreicht hätte, wären 12-24 Stunden vergangen, in denen die Sonde jede Minute ein Bild zur Erde hätte senden können. ein Vorbeiflug hätte also 700-1400 Bilder des Mondes einbringen können. Cassini, welche mit geringerer Datenrate sendet als Galileo und 60 % mehr Bildpunkte pro Bild übertragen muss schaffte etwa 80.000 Bilder in den ersten 2 Jahren bei Saturn.

Gemacht wurden dann während der Primärmission 1645 Bilder, da wie bekannt die parabolische Hauptantenne nicht entfaltet werden konnte und man so über die Niedriggewinnantenne mit kleinen Datenraten senden musste.

Links:

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19860001670.pdf Originaldokumentation von 1986 (Press Kit)

Artikel verfasst 1997, Artikel zuletzt geändert: 4.7.2017


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