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Galileo - Flug zu Jupiter

Im zweiten Teil über Galileo's Mission geht es um den Flug zu Jupiter. Teil 1 behandelt die Vorgeschichte bis zum Start und Teil 3 behandelt die Mission bei Jupiter.

Start mit 8 Jahren Verzögerung

Start von UllyssesAm 16.5.1989 war Galileo wieder auf dem Weg zum Cape Canaveral. Läuft nun wenigstens alles glatt? Natürlich nicht! Nach den Reaktorunglücken von Harrisburg und Tschernobyl wehrten sich nun Umweltgruppen gegen den Start einer Sonde mit 11 kg Plutoniumdioxid an Bord. Am 18.9.1989 wurde eine Klage eingereicht, die den Start verbieten sollte. Der Start war vorher von Präsident Bush freigegeben worden. Das Startfenster öffnete sich am 8.10.1989. In Deutschland begann zu diesem Zeitpunkt die Ausreise der Botschaftsflüchtlinge aus Prag in die BRD. Am 10.10.1989 musste der Countdown der Raumfähre Atlantis bei T-19 Stunden wegen eines defekten Kontrollsystems bei Triebwerk 2 des Space Shuttles abgebrochen werden. Dieses musste nun erst ausgetauscht werden.

Am selben Tage wurde von Richter Oliver Gasch die Klage gegen den Start abgewiesen. Die NASA hatte schon nach Challenger die Risiken eines nuklearen Unfalls untersucht und die GPHS Generatoren von Galileo waren aus den Erfahrungen mit vorgehenden Missionen konstruiert worden und galten als sehr sicher. Das Risiko eines Unfalls beim Start betrug 1:2500 und die Folgen wären relativ überschaubar gewesen, da eine Verteilung des Plutoniumoxids in Form von feinem staub nahezu ausgeschlossen werden konnte. Eine Verschiebung des Starts um 18 Monate bis zum nächsten Startfenster hätte weitere Mehrkosten von 164 Millionen US-$ verursacht.

Beim nächsten Starttermin am 17.10.1989 musste der Start 5 Minuten vor dem Abwegen wegen schlechten Wetters abgebrochen werden. Der nächste Termin war nun der 18.10.1989. Während noch im Cape der Countdown lief, erschütterte ein Erdbeben der Stärke 7.1 Kalifornien. Das Kontrollzentrum der IUS Oberstufe, 24 km von dem Epizentrum entfernt, musste geräumt werden, konnte aber 6 Stunden vor dem Start wieder bezogen werden. Endlich, am 18.10.1989 klappte der Start und die 34.ste Mission eines Shuttles startete mit Galileo in die Erdumlaufbahn. Atlantis musste eine sehr präzise Bahn einhalten mit einer Neigung von 34.4 Grad in 295 km Höhe, damit die IUS in der richtigen Position zur Venus stand. In Deutschland trat an diesem Tag Honecker zurück.

Ausstzen der IUSNoch am selben Tag setzte die Raumfähre Atlantis die IUS mit Galileo aus. Das Packet aus IUS und Galileo wog zusammen 38500 Pfund, etwa 17500 kg, davon entfielen 14760 kg auf die IUS. Der Rest auf den Galileo Orbiter und den Adapter zur IUS sowie die Befestigungen der IUS im Space Shuttle Nutzlastraum.

Nachdem sich die Stufe 80 km von Atlantis entfernt hatte wurde sie über Borneo gezündet. Die zweistufige Oberstufe IUS brannte für 149 und 105 Sekunden und Galileo war endlich auf dem Weg zur Venus! Die IUS richtete Galileo noch so zur Sonne aus, das der Sonnensensor diese finden konnte und brachte die Sonde in eine Rotation von 2.8 Umdrehungen pro Sekunde. 40 Minuten nach der Zündung wurde die zweite Stufe der IUS von Galileo abgetrennt.

Der präzise Einschuss der IUS konnte auch die Verzögerung beim Start wettmachen, denn ab dem 12.10.1989 brauchte man immer mehr Treibstoff um zur Venus zu gelangen. Man machte eine erste Abschätzung der Treibstoffvorräte: Galileo konnte auch den Planetoiden Gaspra besuchen, doch fehlten wegen des Düsenproblems 30 kg Treibstoff für einen Abstecher zum Planetoiden Ida. Die Geschwindigkeitsabweichung von der Vorgabe betrug nur 2 m/s.

Nach einem Tag hatte sich Galileo schon 480.000 km von der Erde Entfernung und eine relative Geschwindigkeit von 4030 m/s zur Erde.(C3 = 16.2 km²/s²).

Danach wurde der Heavy Ion Counter HIC aktiviert der Daten über energiereiche Ionen liefern sollte, welche Galileos Computer zu einem Absturz bringen konnten. Glücklicherweise konnte kein Ion während der gesamten Betriebszeit von HIC nachgewiesen werden, welches ein solches Ereignis auslösen kann.

Vorbeiflug an der Venus

Am 9-11 feuerte man über 3 Tage die kleineren Düsen 2000 mal im Pulsmodus und änderte dadurch die Geschwindigkeit um 17 m/s. Gleichzeitig konnte man einen ersten Eindruck von der Leistung des Antriebssystem gewinnen. Das zweite Kurskorrekturmanöver am 27.12.1989 um 0.74 m/s (mit 218 Pulsen) diente zur Feinkorrektur und führte Galileo bis auf 9976 km an die Wolkenobergrenze der Venus heran.

Venus bei 418 nmMan machte aus dem Venusvorbeiflug das beste und nutzte ihn für eine wissenschaftliche Erkundung der Venus, Wegen der geringen Sonnenentfernung musste die Hauptantenne von Galileo, die HGA zusammengefaltet bleiben. So konnte man nur mit geringer Datenrate über die Niedriggewinnantennen (LGA) senden. Doch Galileo hatte noch einen Bandrekorder mit einem 900 MBit fassenden Magnetband an Bord. Dies entsprach der Kapazität von 175 Bildern.

Einen Tag vor der Venusbegegnung begann Galileo mit der Aufzeichnung von Bildern von der Venus. Die letzten Bilder wurden 7 Tage später gewonnen. Das Instrument NIMS konnte bei 2.3 Mikrometern Wellenlänge tiefer durch die Wolken schauen und machte Aufnahmen 15 km unterhalb der Wolkengrenze. Aufnahmen wurden vom 6-9.2.1990 gemacht. Sie zeigten die Venus aus 50-55 km Höhe. Spektren, wobei man insbesondere nach Wasser suchte noch einige Tage später. Die anderen Instrumente (UVIS, PPS, Teilcheninstrumente waren nur über 12-16 Stunden am Vorbeiflugtag aktiv. Das Plasmainstrument detektierte Plasmawellen bis hin zu einer Frequenz von 5.6 MHz - erheblich höher als vorher vermutet, da die Venus über fast kein Magnetfeld verfügt,

Am 9.2.1990 passierte die Sonde die Venus in 16.103 km Höhe über der Oberfläche und bekam einen Schwung von 2.23 km/sec - Der sonnenfernste Punkt rutschte von 1.0 auf 1.28 AE. Während 8 Tagen machte die Sonde 81 Aufnahmen (weniger als geplant, wegen eines Computerfehlers) von der Venus sowie Aufnahmen des Instrumentes NIMS und schrieb sie mit den Daten der anderen Instrumente auf das Band. 3 der 4 Spuren des Bandrekorders wurden dazu benutzt. Lediglich 3 Bilder wurden kurz nach der Passage übertragen. Der Rest musste bis Ende Oktober waren, bis die Sonde wieder nahe genug bei der Erde war, um höhere Datenraten zu ermöglichen. Grund war nicht die absolute Datenrate (die bei 1200 Bit/sec lag), sondern dass der Bandrekorder als minimale Datenrate 7200 Bit/sec hatte und man ihn so dauernd starten und stoppen musste um kleine Datenmengen auszulesen. Das wollte man damals noch nicht riskieren.

IR Aufnahme der Venus von GalileoBei der Auswertung der Daten des Plasmawellen Instrumentes waren erstmals bei der Venus Blitzentladungen nachweisbar. Der Pioneer Venus Orbiter und die Landesonden sowie die sowjetische Venera 9-14 Sonden hatten zwar Anzeichen für Blitze geliefert, aber sie nicht direkt nachweisen können. Dafür ergab die Auswertung der Infrarotspektren ein neues Rätsel auf: Die Venus hatte zu wenig Wasser! Zwar erwartete man nicht viel Wasser, und bisherige Sonden hatten nur eine Obergrenze festlegen können, doch für den beobachteten Treibhauseffekt, war neben Kohlendioxid auch eine gewisse Menge an Wasser notwendig. Diese war mit NIMS jedoch nicht detektierbar gewesen. Dieses konnte auch viel tiefer in die Atmosphäre blicken als bisher und entdeckte eine neue Art von Wolken in Äquatornähe in einer Höhe von 48-53 km. Seltsamer war, dass sich das Absorptionsmaximum der Venuswolken seit dem Besuch von Mariner 10 im Jahre 1974 von 79-85 km auf 84-94 km verschoben hatte. Dazu passten auch Hubble Beobachtungen aus derselben Zeit die wesentlich weniger Schwefeldioxid in der Atmosphäre nachweisen konnten als zur Zeit der Pioneer Venus Sonden Ende der siebziger Jahre.

Die Bahn nach der Venus machte eine Reihe von Kurskorrekturen nötig. Nicht weniger als 6 waren angesetzt worden. Zum einen um die Düsen im Pulsbetrieb nicht zu oft zu feuern und zum andern weil man die Sondenbahn langsam ändern wollte, um einen Aufschlag auf der Erde in jedem Fall zu verhindern.

Erster Erdvorbeiflug

Am 12-16.4.1990 feuerte Galileo seine Düsen 1600 mal in 4 Tagen um seine Geschwindigkeit um 24.6 m/s zu verringern und den Erdvorbeiflug vorzubereiten. Eine weitere Kurskorrektur erfolgte am 11+12.5.1990. Nun wurde durch 3000 Zündungen während zwei Tagen die Geschwindigkeit um 15.6 m/s verringert. Die folgenden Korrekturen waren nun nicht mehr so stark. Die nächste Korrektur am 16.7.1990 machte dann nur noch eine Geschwindigkeitsänderung um 0.92 m/s nötig, wofür die Düsen 228 mal gezündet wurden. Am 8.10.1990 wurde die Geschwindigkeit um weitere 0.5 m/s geändert. Am 12.10.1990 konnten mit weiteren 1.3 m/s. Die Überflughöhe auf 952 km Höhe festgelegt werden. Am 19-21.11.1990 wurde dann der Inhalt des Bandrekorders übertragen. Das letzte Trimmmanöver am 28.11.1990 legte die Überflughöhe dann auf 949 km fest. Die Beobachtungen der Erde begannen am 2.12.1990 in 3.3 Millionen km Entfernung war die Sonde nun so nahe, dass sie die volle Datenrate nun auch über die Niedriggewinnantenne übertragen konnte.

Am 8.12.1990 flog Galileo wieder an der Erde vorbei. In 961 km Höhe, nur 8 km vom Flugpfad entfernt. Dies sparte 6 kostbare Kilogramm Treibstoff ein. Die Beschleunigung um 3.1 km/sec durch die Erde hob den erdnächsten Punkt von 0.7 auf 0.905 AE und den erdfernsten Punkt auf 2.27 AE an. Die Sonde war nun auf einer Bahn, die genau zwei Jahre Umlaufzeit hatte. Das war die doppelte Umlaufszeit der Erde, also würde sie die Erde genau am 8.12.1992 wieder passieren. Galileo schoss 1500 Bilder, von denen 500 zu einem Film der rotierenden Erde montiert wurden. Es war das erste Mal, das sie mit ihrer vollen Datenrate von 134.4 KBit/sec operieren konnte. Man hatte aber auch ein Experiment vor. Kann man mit einer Raumsonde Leben nachweisen? Schließlich suchten auf dem Mars die Viking Sonden nach Leben, andere Sonden mit derselben Zielrichtung waren geplant. Nun gibt es auf der Erde Leben, aber kann es Galileo auch nachweisen?. Man nutzte alle Experimente um diese Frage zu klären.

Die Kameras entdeckten Wasser in gasförmiger, flüssiger und fester Form (Antarktis), sowie Kontinente aus Gestein. Sie konnten allerdings keine Anzeichen einer Zivilisation auf den Kontinenten finden, (Das lag am Flugpfad von Galileo, der über den Pazifik führte und dessen nächster Punkt über der Karibik lag. Die einzigen Bilder vom Festland mit Auflösungen von 1-2 km/Pixel stammen ausgerechnet von der australischen Wüste).

Ergiebiger waren die Auswertungen von UVS und NIMS. Es wurde festgestellt, dass es auf der Erde große Mengen an Sauerstoff gibt, die natürlich so nicht beständig sind, da das Gas vom Gestein aufgenommen wird. (Es oxidiert Sulfide zu Oxiden). Zugleich fand man Methan, das in Gegenwart von Sauerstoff nicht beständig ist. Dieses chemische Ungleichgewicht deutete auf Leben hin, das beide Gase emittiert. Weiterhin fand NIMS auf den Kontinenten ein grünliches Pigment, dessen Absorptionsspektrum zu keinem bekannten Mineral passte. Den einzigen, allerdings recht schwachen Hinweis auf intelligentes Leben fand das PWS: Eine Strahlung von 4-5 MHz Frequenz die nicht natürlich war und komplex amplitudenmoduliert war (wie genau, konnte das Instrument mit seiner kleinen Zeitauflösung, nicht feststellen). Zudem kam die Strahlung nur auf der Nachtseite vor, musste also von der Ionosphäre blockiert werden und damit von der Oberfläche stammen. Das Fazit nach Analyse der Galileo Daten lautete: Ja es gibt auf der Erde Leben, aber die Indizien reichen nicht aus, um auch intelligentes Leben zweifelsfrei nachzuweisen. Dies gelang erst einige Jahre später durch die Raumsonde NEAR, die bei einem Vorbeiflug an der Erde bewässerte runde Felder in der saudi-arabischen Wüste fotografierte.

Natürlich gab es auch "ernste Wissenschaft". Galileo passierte den Mond in günstiger Position. Im Zentrum stand das Mare Orientale und ein erster Blick auf das 2500 km große Aitken Becken war möglich. Galileo konnte seine Filter einsetzen und fertigte die erste, noch grobe mineralogische Karte des Mondes an. Eine zweite positive Nachricht betraf die Navigation und die Steuerungsdüsen. Die Navigation war so gut, dass man Treibstoff einsparen konnte. Gleichzeitig lieferten die aus Deutschland stammenden 10 N Düsen 2 Prozent mehr Schub als erwartet. Aus 30 kg fehlendem Treibstoff für ein Ida Rendezvous wurden nun 20 kg plus. Damit konnte man auch den Planetoiden Ida besuchen! So verabschiedete sich Galileo nach 1500 Bildern wieder von der Erde, und nahm Kurs auf seinen ersten Planetoiden - Gaspra. Die meisten Bilder die bei der nächsten Begegnung gemacht wurden zeigten leider sehr starke Zeilenstörungen (helle und dunkle Linien). Ein Video der immer größer werdenden Erde wurde aber von zahlreichen Sendern als Trailer genutzt, darunter auch von RTL für die Abendnachrichten.

Verklemmte HGADas HGA Problem

Die HGA von 4.80 m Durchmesser basiert auf der erstmals bei dem Technologiesatelliten ATS-6 erprobten Technik von entfaltbaren Antennen. Diese wurden (und werden) auch heute noch auf den TDRSS Satelliten eingesetzt. Dort wiegt eine 4.9 m große Antenne nur 24 kg. Dies ist um ein vielfaches leichter als eine massive Struktur. Die Antenne wurde von Harris gefertigt.

Sie besteht aus 18 Rippen die an einem zentralen Antennenmast angebracht sind, und einem Drahtgeflecht, welches die Antenne bildet. Die Rippen bestehen aus leichtgewichtigen Graphit-Epoxid Kunstharz, die Antenne wird von goldbeschichteten Molybdändraht gebildet. Jede Rippe besteht aus mehreren Segmenten die mit Titanstücken enden. an jedem Ende sind zwei Stücke die an der Oberfläche durch Oxidation (Titandioxid) einen Überzug bekamen, der eine gute Haftbasis für den nächsten Überzug aus Molybdändisulfud (Thiolube 460). Das ist ein festes Schmiermittel welches leicht flüssig wird, weil es nur schwache Sulfidbrücken zwischen den Molekülen gibt. Beim Start ist die Antenne zusammengefaltet weil sie sonst nicht in die Shuttle Nutzlastbucht passt. Dies Besorgen Stifte aus Incotel (Einer Nickel-Alumnium-Eisen Legierung) welche die Streben in der Startposition fixieren und die beim Entfalten weggedrückt werden.

Am 11.4.1991 sollte nun endlich die 4.80 m große HGA Antenne entfaltet werden, ohne die Galileo nur wenige Bits pro Sekunde zur Erde senden konnte. Die Sonde kam nun der Sonne niemals mehr näher als die erde und das entfalten war nun gefahrlos möglich. Die HGA hat einen Antennengewinn von 50 dbi und einen Strahl von einem Drittel Grad, während die bisher benutzte LGA Antenne nur 7 dbi Gewinn hat und einen Winkel von 200 Grad abdeckt. Mit der HGA kann die Sonde 20000 mal mehr Daten als mit der LGA übertragen.

Das Ausfahren dauert nominal 165 Sekunden wenn beide Motoren arbeiten, 330 Sekunden wenn nur ein Motor arbeitet. Doch schon nach 17 Sekunden blieb der Motor stecken. Zuerst wusste man nicht die genaue Ursache, weil es nur einen Sensor gab, der das komplette Einrasten signalisierte. Doch man hatte einige andere Daten der Sonde:

Die Analyse dieser Daten ergab folgendes: Man ging von 3-5 Rippen aus, die noch am Zentralmast fest hingen. Die Antenne hatte sich nur bis zu einem Winkel von 34-43 Grad geöffnet. Spätere, genauere  Analysen zeigten das zwei der Rippen nicht aus der Halterung in der Mitte gefahren waren. Ein Test an einer identischen HGA auf der Erde unter Vibrationsbelastung zeigte, das sich sowohl die Titandioxid Oberflächen abnützten wie auch das Thiolube verbrauchte, wodurch der Reibungskoeffizient um den Faktor 10 zwischen den beiden Enden anstieg (von 0.04 bis 0.4). Sollten zwei Titanenden (ohne Schutzschicht) im Vakuum kontakt bekommen haben, so könnte sogar eine Kaltschweissverbindung resultiert sein, mit 1000 mal höherem Reibungskoeffizienten. Weiterhin drücken die Vibrationen die Stifte zum Festhalten der Streben stärker in ihre Verankerungen und es kommt zur Abnützung von Kunststoffabstandhaltern.

Ursache für die Abnutzung war nicht der Start - Es waren vier Transporte über 4000 km auf einem LKW Truck quer durch die USA:

Jede Reise ging über 4000 km Luftlinie über Straßen.  Niemals wurde die Antenne zwischendurch inspiziert oder entfaltet. Die Vibrationen mussten zu einer Schädigung der Oberflächen geführt haben, wodurch das blanke Titanmetall freilag. Nach dem Start mit dem Space Shuttle gab es durch die IUS erneute Vibrationen - diesmal jedoch im Vakuum des Raums, wodurch die Oberflächen fest aneinander haften blieben.

Man erarbeite einen Notfallplan der zuerst eine Abkühlung Galileos vorsah, um die Rippen durch die thermische Belastung zu lösen. Der Antennenmast musste sich nur um 2-3 Millimeter bewegen. Doch das ging dank leichtgewichtiger Kohlefaserverbundwerkstoffen mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizient nicht. Ein erster Versuch bei dem man die Antenne um 38 Grad aufheizte indem man sie zur sonne drehte ergab nur eine Vergrößerung des Winkels um 1 Grad. Es folgten weitere Manöver indem man die Antenne zuerst 50 Stunden lang abkühlte und sie dann erwärmte. Die letzten Versuche mittels Kalt-Warmzyklen die Antenne zu lösen gab es im Dezember 1991, als Galileo den erdfernsten Punkt für Jahre erreichte.

Später wurde die Rotation vergrößert um die Rippen zu lösen und der Antennenmotor hämmerte 13320 mal im Pulsbetrieb auf die Rippen. Alles ohne Erfolg. Die Antenne löste sich nicht.

Es wurde vorgeschlagen für den TDRS Einsatz (welche dieselbe Antennenkonstruktion verwendeten) die Satelliten zukünftig per Flug zu transportieren. Bei Galileo war man  nicht nur wegen der Kosten von 65000 $ pro Flug davon abgegangen, sondern auch weil man bei einem Landtransport viel flexibler war und nicht den Flug lange vorher buchen musste.

Der Erste Besuch bei einem Planetoiden

Zuerst war Galileo aber auf dem Weg zu dem Planetoiden Gaspra. Ohne die Hauptantenne war erstaunlicherweise nicht so viel von den Ergebnissen von Gaspra verloren gegangen. Das lag an der kleinen Größe des Planetoiden, Vor dem Start hatte man anhand der Lichtkurve eine Größe von 20 × 12 × 11 km bestimmt. Galileo sollte ihn in einer Distanz von 1600 km passieren. Doch selbst aus dieser Distanz wäre der Planetoid nur bei der nächsten Distanz formatfüllend, dann kann Galileo aus geometrischen Gründen aber keine Fotos anfertigen. Die nächsten Aufnahmen kamen so aus 5300 km Entfernung zustande. Von den 150 Fotos sollten 126 innerhalb einer Stunde entstehen. Auch ohne HGA wären es nicht mehr gewesen und einen Eingriff hatten die Bodenkontrolleure bei der schnellen Passage auch nicht. Einzig bei einem Punkt wirkte sich die fehlende HGA aus: Bei den Navigationsfotos im Vorfeld. Da man den Ort des Planetoiden nicht genau kennt waren 40 Fotos geplant um seinen Orbit genau zu bestimmen und die Kamera präzise auszurichten. Nun waren nur 4 möglich. Dadurch musste die Kameras bei der nächsten Begegnung ein Mosaik abfahren um den Planetoiden zumindest auf einem Foto zu Gesicht zu bekommen. Alle Daten wurden auf den Bandrekorder geschrieben.

GaspraAm 29.10.1991 passierte Galileo mit 8 km/s den Planetoiden Gaspra. Die Telemetrie zeigte, das die Computerprogramme korrekt gearbeitet hatten. 150 mal hatte die Kamera ausgelöst. Nun musste man nur noch 1 Jahr warten, bis im Dezember 1992 Galileo wieder bei der Erde ankam. 1 Jahr warten? Das war doch etwas zu lange für viele Wissenschaftler. Sie bestanden darauf ein Bild vom Planetoiden vom Rekorder zu überspielen. Ein Bild, das klingt einfach. Doch bei 40 Bit/sec dauert die Übertragung 80 Stunden! Solange blockiert Galileo die 70 m Antennen des DSN, deren Zeit begrenzt den Sonden zur Verfügung steht, denn davon hat die NASA nur drei, während sie über acht 34 m und weitere drei 26 m Antennen verfügt. Man entscheid sich für ein Bild aus 16200 km Entfernung das den Planetoiden mit 99 % Wahrscheinlichkeit zeigen sollte. Zuerst übertrug man nur 12 Zeilen. Als auf diesen Gaspra zu sehen war, wurde das Bild abgerufen. Am 14.11.1990 war es vollständig angekommen. Die Schärfe war hervorragend und so kam man dem Wunsch nach 3 weitere Bilder abzurufen um ein Farbbild aus 4 Farbauszügen zu erstellen. Doch die restlichen Bilder mussten warten. Warten bis zum 8.12.1992, wenn sich Galileo wieder der Erde nähert...

Währenddessen bemühte man sich die Antenne frei zu bekommen. Man kühlte die Antenne zuerst ab, dann hämmerte man dem Motor auf die Streben. Man erhöhte auch die Rotation von 2.8 auf 10 Umdrehungen /pro Minute. Doch alle Maßnahmen verbrauchten nur kostbaren Treibstoff, rüttelten die Streben aber nicht frei. Inzwischen wusste man auch warum die Antenne festsaß: Viermal wurde die Sonde mit einem Truckkonvoi 4000 km quer durch die USA vom JPL nach Florida und zurück gefahren. 4000 km über holprige Straßen bei denen irgendwo das Schmiermittel für die Streben verloren ging. Dies war die einzige Erklärung. Eine Analyse zeigte, dass die langen Fahrten erheblich mehr Erschütterungen beinhalteten als der Start. Wäre Galileo mit dem Flugzeug geflogen worden, nichts wäre passiert...

Die Chancen, dass man die Antenne frei bekommen würde sanken mit jedem Manöver. Schon gab es Vorschläge die Mission umzugestalten: Wenn der Vorbeiflug bei Gaspra so gut klappte, warum nicht aus der Not eine Tugend machen und Galileo nicht als Planetoidensonde nutzen: Mit dem Treibstoff und der Rückkehr zur Erde alle 2 Jahre hätte man die Sonde auch zu einigen Planetoiden lenken können. Noch utopischer war der Vorschlag einen Relaissatelliten mit zwei der 4.8 m Antennen zu bestücken und diesen mit einer Titan Rakete auf einer schnellen Bahn direkt zu Jupiter zu schicken. Er sollte dort die schwachen Signale von Galileo empfangen und verstärkt zur Erde zurückfunken. Doch keiner der Vorschläge hatte eine Chance verwirklicht zu werden.

Noch einmal Schwung holen...

ErdaufnahmeIm November 1992 kamen nun nicht nur die restlichen Fotos von Gaspra an sondern auch die ersten aus geringer Distanz. Auf 57 der 150 Aufnahmen war Gaspra zu sehen, die nächste Aufnahme war aus 5300 km Entfernung gemacht worden. Zwei Dinge waren außergewöhnlich: Der Mond war von einer Staubschicht bedeckt, die man bei einem so kleinen Planetoiden nicht vermutet hatte und er hatte ein Magnetfeld! Dies war noch von Galileo trotz der großen Distanz (Im Verhältnis zu der Größe von Gaspra) nachweisbar, es musste an der Oberfläche in etwa die Stärke des Erdmagnetfeldes erreichen! Gaspra zeigte sich als Eisen-Stein Meteorit mit einer relativ jungen Oberfläche.

Als sich die Sonde im Dezember der Erde näherte, konnten nicht nur die Gaspra Daten überspielt werden, sondern auch ein größeres Beobachtungsprogramm absolviert werden. Diesmal näherte sich Galileo am 8.12.1992 bis auf 303 km der Erde, vor allem aber lag der nächste Punkt des Flugpfads nun über dem Südatlantik, was gute Aufnahmen von Afrika und Südamerika zuließ. Das Geologenteam machte Aufnahmen von den Anden um die Kamera zu justieren. Auch bei den Jupitermonden erwartete man steile Berge. Ein weiteres Experiment war die Verfolgung der Sonde mit Laserstrahlen von der Erde aus. Dank der präzisen Navigation (auf einen Kilometer genau) war das Experiment ein voller Erfolg. Die Kamera konnte die Laserblitze aus 600.000 und 6 Millionen km Entfernung nachweisen. Das war ein erster Test ein Kommunikationssystems, das vielleicht einmal die großen X und Ka Band Antennen ersetzen wird. Galileo war nun um 3.7 km/s schneller geworden und auf dem Weg zum Jupiter. Dank der präzisen Navigation waren Kurskorrekturen unnötig und die Treibstoffreserven schnellten wieder von 5 kg auf 20 kg, nachdem sie durch die Bemühungen die Hauptantenne zu lösen abgenommen hatten. Am 19.1.1993 wurde zum letzten mal der Motor der Antenne eingeschaltet und als sich nichts tat, begannen nun die Vorbereitungen auf eine neue Mission - ohne die Hauptantenne.

Es scheint unsinnig zu sein überhaupt eine Mission mit der Niedriggewinnantenne zu planen. Sie kann aus Jupiterdistanz nur mit 8-10 Bit/sec senden. Die Hauptantenne hätte eine Sendeleistung von 134400 Bit/sec gehabt. Schon 1991 wurde als Forderung festgelegt, mindestens eine effektive Datenrate von 1000 Bit/sec zu erreichen. Nun ging man daran dies umzusetzen. Als erste bekam Galileo die 70 m Antennen des DSN exklusiv, wodurch die Datenrate schon auf 40 Bit/sec anstieg. Bei der Antenne in Canberra, über die Galileo während den Großteil der Primärmission mit der Erde kommuniziert, wurde ein rauscharmer Empfänger installiert, der 23 % schwächere Signale empfangen kann. Doch dafür musste der Sender zum Uplink von Galileo weichen. Zusätzlich konnte man zwei 34 m Antennen und eine 64 m Antenne bei Parkes in Australien zur 70 m Antenne koppeln und so kurzzeitig bis zu 160 Bit/sec empfangen.

Den größten Gewinn machte aber Galileo selbst: Erstmals setzte man eine verlustbehaftete Komprimierung nach dem DCT Verfahren ein (Grundlage von JPEG). Bis zu einem Faktor 31 wurden die Bilder komprimiert, erledigt übrigens von einem Bordcomputer mit einem 8 Bit Prozessor aus dem Jahre 1977 mit 1.6 MHz Takt. So sollten während der Primärmission etwa 2000 Bilder gewonnen werden. Geplant waren mit der HGA 50-70.000. Dafür musste die gesamte Flugsoftware umgeschrieben werden. Der Bandrekorder hatte nun eine zentrale Stellung in der Mission: Nahe beim Jupiter wurden Bilder der Monde gemacht und auf den Rekorder geschrieben, die dann im äußeren Teil der Ellipse um Jupiter ausgelesen und zur Erde gesandt wurden. Auf der Strecke blieb kontinuierliche Beobachtung von Jupiter mit ISS, UVIS und NIMS. Nur wenige Aufnahmen wurden gemacht. Auch die Überwachung der Teilchen und Magnetfelder wurde stark eingeschränkt und erfolgte im äußeren Teil der Ellipse nicht, weil dann Galileo Bilder übertrug. Auch hier wurden die Daten um den Faktor 80 komprimiert, da das Plasmawelleninstrument bis zu 1 Millionen Bits/sec an Daten liefern konnte. Wegfallen musste auch die Kartierung der Monde in mittlerer Auflösung. Nur die hochauflösenden Nahaufnahmen kleiner Gebiete waren möglich. Die NASA hoffte aber 70 % der wissenschaftlichen Ziele erreichen zu können, wenn man auch nicht 70 % der Daten gewinnen konnte.

Der zweite Planetoid: Ida

Ida und iohr Mond DactylZuerst stand aber der Vorbeiflug an Ida an. Der Planetoid war nach Erdbeobachtungen mindestens doppelt so groß wie Gaspra und Galileo flog in einer Distanz von nur 2400 km an ihm vorbei - das erlaubte noch bessere Beobachtungen. Doch wieder schlug das Schicksal zu. Nun war Galileo nicht nur weiter von der Erde entfernt und konnte nur noch mit 40 Bit/sec Daten senden. Es forderte nun eine andere Mission die 70 m Antennen des DSN. Am 24.8.1993 sollte der Mars Observer in eine Umlaufbahn um den Mars eintreten und verstumme dabei. Nach dem Verlust der HGA bei Galileo, der zweite Rückschlag für die NASA innerhalb von 2 Jahren, bei den beiden letzten gestarteten Planetenmissionen. Wochenlang suchte das DSN mit den 70 m Antennen nach Signalen des Mars Observers, bis dies am 22.9.1993 aufgegeben wurde. Die Unterstützung des DSN mit den 70 m Antennen hatte als Sekundärfolge auch Einschnitte für Galileo zur Folge, die sich gerade auf den Ida Vorbeiflug vorbereitete und von der man nicht alle Navigationsbilder abrufen konnte, so, dass die Sonde mehr Bilder des Weltraums machen musste um Ida wenigstens auf einem Bild zu erfassen.

Am 28.8.1993 passierte die Sonde Ida in 2393 km Entfernung. Wieder wurden 150 Aufnahmen gemacht, beginnend 5.4 Stunden vor der Begegnung (Die Rotationsperiode von Ida war bei Beobachtungen von der Erde aus mit 4.6 Stunden bestimmt worden). Die am besten aufgelöste Aufnahme, 35 Sekunden vor dem Vorbeiflug gewonnen zeugt aus 2410 km Entfernung noch einen Rand Idas. Noch erstaunlicher war aber das man auf einem der Bilder einen Mond fand. Bei genauer Auswertung fand man den Mond auf 47 Aufnahmen. Der nur 1.5 km große Mond Dactyl umkreist die Ida, auch wenn man wegen des kleinen Bahnstückes die Bahn nicht bestimmen können. Insgesamt war die 60x25x19 km große Ida auf 98 Aufnahmen zu sehen. Damit man die richtigen Fotos herausfinden konnte, übertrug man von jedem Bild zuerst nur einige Zeilen die wie ein Gitter über dem Foto lagen. War auf einer Zeile etwas von Ida zu finden, so übertrug man das ganze Foto. Der Mond Dactyl war bei der Passage 85 km von Ida entfernt. Man konnte ihn als Messgröße für die Dichte von Ida benutzen. Ida kann einen Mond in dieser Entfernung nur halten wenn sie in einem bestimmten Massebereich ist. Ist sie zu leicht, so entfleucht der Mond, ist sie zu schwer, so stürzt Dactyl auf Ida. So konnte man die Dichte von Ida auf 2.6 ± 0.5 g/cm³ bestimmen. Es dauerte lange bis man die ganzen Ida Daten zur Erde geholt hatte. Das erste Bild gab es am 22.9.1993, 3 Wochen nach der Begegnung. Die letzten Daten waren erst im Juni 1994 übertragen worden.

Ida, das wusste man schon vorher gehörte zu einer anderen Klasse von Asteroiden als Gaspra, er sollte mehr aus Gestein bestehen und fast kein Eisen enthalten. Vor allem zeigte sich IDA aber wesentlich älter als Gaspra. Seine Oberfläche war stärker zerkratert und es gab auch größere Krater, die man auf Gaspra vergeblich sucht. Mindestens 1-2 Milliarden Jahre musste die Oberfläche von Ida alt sein. Ein Problem für die bisherigen Vorstellungen die davon ausgingen dass im Asteroidengürtel Kollisionen so häufig sein sollten, dass die Oberfläche nach einigen Hundert Millionen Jahren völlig neu gebildet wird. Wie bei Gaspra ist auch Ida mit einer Schuttschicht bedeckt, wobei man sogar 100 m große Felsbrocken ausmachen konnte. Auch dies war eine Überraschung: Man erwartete nicht, dass so kleine Körper das Auswurfmaterial halten konnten.

Die Ergebnisse von Galileo zeigten das Planetoiden durchaus nicht nur einfache Gesteinsbrocken waren sondern genauso interessant wie große Himmelskörper. Dadurch gab es erst Sonden wie NEAR, Deep Space 1, Hayabusa und Dawn.

Beim Kometencrash in der ersten Reihe

Einschlag W FragmentWährend Galileo sich langsam Jupiter näherte, entdeckte man auf der Erde etwas neues bei Jupiter: Dieser hatte einen Kometen (SL9 Shoemaker/Levy 9) eingefangen und dessen elliptische Bahn führte in die Jupiteratmosphäre, so dass man erstmals eine Vorwarnung für ein Astronomisches Ereignis dieser Kategorie hatte. Am 22.9.1993 kannte man die Bahn genau und wusste, dass der Einschlag rund um den 9.ten Juli 1994 stattfinden würde. Insgesamt stürzten 20 Fragmente auf Jupiter. Doch bald kam auch Ernüchterung auf. Von der Erde aus gesehen, fanden alle Ereignisse auf der Nachtseite statt. Zwar würden die Einschlagsstellen nach etwa 30 Minuten auf die erdzugewandte Seite rotieren, doch dann war der wichtigste Teil schon gelaufen. Nur Galileo saß in idealer Position. Noch 240 Millionen km von Jupiter entfernt, war dieser nur klein abzubilden, aber Galileo konnte als einzige Sonde direkt die Einschläge beobachten.

Nun gab es aber das Problem mit der HGA und inzwischen war Galileo so weit entfernt, das die Datenrate auf 10 Bit/s herunter ging. Man musste einen Weg finden, die wichtigen Daten zu erwischen. Man konzentrierte sich auf 4 große Bruchstücke des Kometen und machte rund um den Impaktzeitraum Aufnahmen. Gleichzeitig bestimmte das Photopolarimeter die Helligkeit der Aufschlagszone. Diese Daten konnte man ohne Probleme übertragen, da es sich nur um Helligkeitsinformationen mit geringer Bitrate handelte. Nun kannte man die genauen Einschlagszeiträume und konnte gezielt die Daten holen, welche die Aufschläge des Kometen zeigten. Die anderen Bilder rief man nicht ab. Bis zum Januar 1995 war auch dies erledigt. Nun ging es an die Neuprogrammierung der Sonde.

Vorbereitung auf Jupiter

Die HGA Probleme führten dazu, dass man  die Software der Sonde weitgehend umschreiben musste um mit den zu erwartenden Datenraten von 10-40 Bit/s noch die Mission durchführen zu können. Die Bilder sollten nun mit der Discreten Cosinus Transformation, das ist die Basiskompression für den JPEG Algorithmus komprimiert werden. Die Herausforderung lag zum einen in der schwachen Rechenleistung der Prozessoren und zum anderen darin, dass keine Details verloren gehen sollten. 2000-4000 anstatt 50.000 Bilder meinte man trotzdem übertragen zu können. Die Daten der anderen Instrumenten wurden im Time-Sharing Betrieb übertragen. Dies bedeutete dass man laufend Daten der Instrumente übertrug, auch wenn es keine Daten gab. Nun stellte man das Verfahren auf ein Packetverfahren um: Daten wurden an Bord gesammelt wenn sie anfielen und als Datenpacket versandt.

Erwartet wurde, das 70 % der wissenschaftlichen Ziele, wenn auch nicht der Daten erfüllt wurden. (80 % der Atmosphärenstudien, 60 % der Magnetfeldstudien und 70 % der Untersuchungen der galileischen Monde) Die Steuerungssoftware für Galileo musste komplett umgeschrieben werden und zerfällt in zwei Phasen. In Phase 1 passiert die Sonde beim Eintritt in die Umlaufbahn um Jupiter den Mond Io und macht von ihm Aufnahmen und zeichnet diese wie gehabt auf Band auf. Danach horcht sie auf die Daten der Atmosphärensonde und empfängt diese und überträgt auch diese auf das Band. Diese werden dann im Orbit zuerst übertragen. Dies ist die Steuerungssoftware für Phase 1. Erst danach bekommt Galileo die neuen Kompressionsalgorithmen, um die Daten von Io nun komplett zu übertragen.

Bye Bye Atmosphärensonde

Am 5.12.1995 wurden die Batterien der Atmosphärensonde aktiviert. Am 7.7.1995 war die Sonde voll unter Eigenstrom, Am 11.7.1995 wurde die Verbindung von Galileo und Probe unterbrochen und vorher ein Zeitgeber gestartet, der die Sonde 6 Stunden vor dem Auftreffen bei Jupiter weckt. Am 12.7 beschleunigte Galileo seine Rotation auf 10 Umdrehungen pro Minute auf und löste schließlich am 13.7.1995 die Atmosphärenkapsel ab. Drei Sprengsätze und Federn trennten die Sonde von Galileo ab und gleichzeitig weg. Die Atmosphärenkapsel war nun allein. Über ihre Mission finden Sie alles im Beitrag über die Kapsel. Dies fand in 83 Millionen km Entfernung von Jupiter und in 644 Millionen km Entfernung von der Erde statt eine kleine Änderung des Dopplershift, entsprechend der kleinen Geschwindigkeitsänderung durch die pyrotechnischen Sprengsätze von einigen Millimetern pro Sekunde zeigten auf der erde, das alles gelklappt hatte. Bilder von der Sonde gab es keine. Zum einen weil das Teleskop sie erst scharf abbilden konnte wenn sie mehrere Kilometer entfernt war und zum anderen wegen des HGA Problems.

Nun lag auch erstmals das 400 N Haupttriebwerk frei, das vorher von der Sonde blockiert war. Man nützte es sogleich, um das Manöver durchzuführen, das Galileo anders als die Kapsel nicht auf Jupiter zurasen, sondern in 214000 km Entfernung passieren ließ. Am 27.7.1995zündete man es für 5 Minuten 18 Sekunden und änderte die Geschwindigkeit von Galileo um 61 m/s. Das Triebwerk zeigte eine um 1.2 % geringere Leistung als angenommen, dies lag jedoch im 6 % Toleranzbereich des Triebwerks. Damit hatte man auch die genauen Daten um die Brenndauer für das Einschwenken in den Orbit zu berechnen.

Im August 1995 kam der größte Sonnensturm auf, seit Galileo gestartet war und die Instrumente registrierten bis zu 20.000 energiereiche Teilchen pro Tag.

Erst HGA , nun Bandrekorder

Jupiteraufnahme SL9Zwar gilt beim JPL das Projekt Ranger als das "Murphy Spacecraft", weil so viele Sonden aus den unterschiedlichsten Gründen scheiterten. Doch eigentlich hat diesen Namen Galileo verdient. Denn getreu Murphys Gesetz "Alles was schief gehen kann, wird auch schief gehen" schlug nun wieder das Schicksal zu: Am 11.10.1995 machte die Sonde Aufnahmen von Jupiter, der bald nicht mehr in das Blickfeld der Kamera machen würde, und spulte das Magnetband zurück. Doch der Ausschaltmechanismus versagte und die Rolle zog weiter am Band... Man erkannte das zwar bei der Empfangsstation von Goldstone. Doch bis man den Befehl "Stopp das Band" zur Sonde übertragen konnte, war Galileo aus dem Sendebereich von Goldstone gewandert. Die nächste Empfangsstation war Canberra in Australien. Doch hier waren die Antennen mit rauscharmen Empfängern ausgerüstet worden, denen die Sender zu Galileo weichen mussten. Hilflos mussten die Flugkontrolleure zusehen, wie die Telemetrie meldete, das der Rekorder immer noch das Band zurückspulte, ohne das sie etwas dagegen machen konnten. Erst als Galileo am 12.10.1995 wieder in Reichweite der Antenne von Madrid war, konnte der Befehl für das Stoppen gesandt werden. 15 Stunden hatte das Magnetband gerieben und an den Spulen gescheuert. War es noch zu gebrauchen?

Zuerst stoppte man über Kommando den Rekorder und machte sich an einen weiteren Notfallplan und eine Untersuchung was schief gegangen sein könnte. Das war am 12.10.1995.

Ohne Bandrekorder könnte die Sonde maximal ein Bild mit hoher Kompression im Speicher halten (Der Gesamtspeicher aller 22 Prozessoren an Bord von Galileo beträgt gerade einmal 400 KByte). Vielleicht 150 bis 300 Bilder im Laufe der Primärmission wären ohne den Rekorder noch möglich gewesen. Das wäre ein noch härterer Schlag als der Ausfall der HGA gewesen. Nun machte man sich zusammen mit dem Hersteller des Geräts an die Fehlersuche.

Am 20.10.1995 konnte man den Bandrekorder probeweise für einige Sekunden starten - damit war zumindest klar, dass das Band nicht kaputt war und auch keine Transportrolle gebrochen war. Durch die Daten welche man von dem Stromverbrauch und dem gemessenen Widerstand bekam konnte man schließlich die Ursache entschlüsseln.

Die Ursache war Klebstoff vom Anfang des Bands, mit dem dieses an der Spule befestigt war. Er hatte sich losgelöst und verklebte nun die Bandführung. Am 20.10.1995 gab es Entwarnung. Das Band lief bei verringerter Geschwindigkeit und lies sich lesen. Allerdings wusste man nicht, wie es sich bei hohen Datenraten (hoher Geschwindigkeit) verhält. Da die Daten der Atmosphärensonde nun gesichert werden mussten, hatten diese oberste Priorität. Dafür und für die Daten von den Experimenten niedriger Datenrate (praktisch alles außer dem Plasmawellen- und Kamerasystem) konnte man das Band einsetzen. Doch Aufnahmen der Kamera dürfte es keine geben, bis die Atmosphärendaten zur Erde überspielt waren, und im Mai 1996 es die neue Betriebssoftware gab. Die Daten der Atmosphärensonde speicherte man um ganz Sicher zu gehen auch noch im RAM Speicher des Orbiters zwischen. Die Software für den Betrieb der Experimente musste dem weichen.

Das war ein Wehrmutstropfen, denn dem interessanten Mond Io, dem einzigen vulkanischen Mond im Sonnensystem, kam Galileo nur einmal nahe: Bis auf 1000 km beim Eintritt in den Orbit. Danach war Io tabu, denn er ist so nahe an Jupiter, dass eine Passage für die Sonde eine zu hohe Strahlenbelastung bedeutet. Die einzigen hochauflösenden Bilder von Io mussten also entfallen. Nochmals hatte das Schicksal die Sonde hart getroffen. Die Bandstelle am Anfang wurde durch 25 Extraumdrehungen des Bandes begraben und dieser Teil des Bandes (etwa 16 %) wurde für die Mission nicht mehr benutzt.

AntennenproblemDie Ankunft bei Jupiter

Am 7.12.1995 begann die heiße Phase von Galileo. Am 14.09 MEZ passierte Galileo den Mond Europa in 32.900 km Entfernung, ohne Bilder zu machen. Um 19.46 wurde Io passiert, in 890 anstatt 937 km geplanter Entfernung. Der Vorbeiflug an Io sollte 186 m/s an Geschwindigkeit einsparen. Durch die größere Nähe wurden es mehr. Das verkürzte die Periode des ersten Orbits von 205 auf 198 Tage und sparte zugleich 90 kg an Treibstoff ein - Basis für eine erweiterte Mission. Um 23.07 beginnt die Atmosphärensonde mit dem Senden von Daten an den Orbiter.

Für einen Check, ob Galileo auch die Daten der Atmosphärenprobe  empfangen hat gab es um 23:12 und 23:24 zwei kleine Checks der Kommunikation, bei denen der Orbiter Teile der Probendaten zur Erde sendete.

Der Sender der Atmosphärenprobe verstummte nach 61.4 Minuten. Der Galileo Orbiter meldet den Empfang der letzten Daten um 0:11 zur Erde. Schon um 22:54 wird der nächste Punkt der Annäherungsbahn erreicht. Um 1:20 am 8.12.1995 wurde das 400 N Triebwerk am nächsten Punkt der Bahn 214.000 km über den Wolken von Jupiter gezündet. Es wurde um 2:09 automatisch abgeschaltet, nach 45 anstatt geplanter 49 Minuten. Nun war Galileo auf einer optimalen Bahn, man musste sie kaum nachbessern.  Die Geschwindigkeit von Galileo wurde um 600 m/s reduziert. Bedingt durch die hohe Annäherung an Jupiter bekam Galileo bei der Jupiter Orbit Insertion 50 % der erwarteten Strahlenbelastung der Primärmission.


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