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Insight

Insight ist der bisher letzte Marslander. Der Landeapparat basiert auf Phoenix und hat auch dasselbe markante Aussehen mit den beiden runden Solarpaneelen. Anders als bei Phoenix ist die Mission auf die Untersuchung des Untergrundes ausgelegt. Es ist eine internationale Kooperation: Es gibt zwei Hauptinstrumente, bei denen die USA beteiligt sind, die aber von der CNES und DLR entwickelt werden.

Wie der Name andeutet, soll Insight das Innere des Mars genauer untersuchen, während sich vorherige Landesonden auf die Oberfläche und Atmosphäre beschränken. Insight soll die Größe, Zusammensetzung und den Zustand (flüssig oder wahrscheinlicher: fest) des Kerns, die Dicke und Struktur der Kruste und die Zusammensetzung und Struktur des Mantels bestimmen.

Aufbau des Landers

Der Aufbau des Landers gleicht Phoenix. Die Grundstruktur geht sogar auf den Mars Polar Lander von 1998 zurück. Insight besteht wie alle Marslandesonden zum einen aus einer Hülle und zum anderen aus dem Landeapparat selbst. Dazu kommt noch eine kleine "Cruise Stage", ein Ring oben an der Hülle angebracht der nur arbeitet während Insight zum Mars unterwegs ist. Er wurde auf das nötigste verkleinert und wiegt nur etwas über 80 kg. An dem Kreisring gibt es zwei kleine Arrays mit Solarzellen, die Insight mit Strom versorgen. Unter dem Ring befinden sich die Treibstofftanks und das Druckgas um die Tanks unter Druck zu setzen. Am Ring (oben und unten) die Triebwerke für Lageänderungen und Kurskorrekturen, Startrackerkameras die den Sternenhimmel aufnehmen und so die Ausrichtung feststellen. Dazu kommt als weiteres System eine Inertialeinheit im Lander selbst. Die Steuerung auf dem weg zum Mars und die Kommunikation erfolgt durch den Bordcomputer im Lander.

Der Kapsel besteht aus zwei Teilen, einem stumpfem Hitzeschutzschild und einem spitzkegeligen hinteren Schild, der Backshell. Die innere Struktur ist bei beiden Teilen identisch, jedoch ist die Aeroshell nur mit dünnen Platten verkleidet während der Hitzeschutzschild eine dicke Schicht aus einem ablativ verdampfenden Material besteht. Die Struktur besteht aus Aluminium in Honigwabenstruktur um Gewicht zu sparen und ist belegt mit Platten aus CFK-Werkstoffen, die untere Aeroshell auch mit SLA451V belegt, einem Harz das in Kork gegossen wurde. Das Material SLA561V wurde für die Viking Mission entwickelt und wird seitdem für die meisten Marslandemissionen der NASA verwendet. Eine Ausnahme war Curiosity, die das neuere Material PICA verwandte. Ebenso wurde die Hülle in ihrem Grundaufbau schon für Pathfinder, Mars Polar Lander, die beiden MER und Phoenix verwendet. Die Backshell beinhaltet auch den Fallschirm und wiegt 60 kg. Die Aeroshell wegen des Hitzeschutzschildes 110 kg. Sie hat einen maximalen Durchmesser von 2,63 m. Die einzigen Änderungen die es gab war das man die Materialschicht verstärken musste, als Insight vom 2016-er Startfenster auf das 2018-er Startfenster verschoben wurde. Das war schon früh in der Mission der Fall. SLA561V verdampft sobald die Energie 110 W/cm² überschreitet und ist ausgelegt für eine maximale Energieübertragung von 300 W/cm². Die Sonne liefert auf der Erde 0,134 W/cm², eine Herdplatte mit 2 kW Leistung und 20 cm Durchmesser 6,4 W/cm². Auch der Fallschirm wurde in fast identischer Bauweise schon bei den letzten Missionen verwendet. Wegen einen höheren Entfaltgeschwindigkeit und einem etwas schweren Landers wurde das Material der Leinen aber ausgetauscht. Die kleinen Marssonden verwandten bisher Kevlar,

Der Lander selbst besteht aus einem kreisförrmigen Deck das als Plattform dient an der die anderen Bestandteile des Landers angebracht sind. Das sind die drei Landebeine unten an der Außenseite, ebenfalls drei Triebwerkseinheiten zwischen den Beinen. Oben sitzen die Antennen, Solararrays und Instrumente, unten die Elektronik. Die Plattform ist mit ihrer Bauweise in Honigwabenstruktur auch Thermalschutz für die Elektronik. Die drei Landebeine mit jeweils drei Streben und einem Teller als "Fuß" werden von Klammern gehalten bis sie etwa 1 km über der Oberfläche entfalten werden. Dazu werden die Klammern gelöst und Federn drücken die Streben in die Endposition in der sie einrasten. Sie erlauben eine sichere Landung bis zu einer Neigung von 16 cm und einer Landung auf bis zu 40 cm großen Steinen.

Die Kommunikation erfolgt durch zwei Mittelgewinnantennen im X-Band mit der Erde. Die X-Band Antenne hat eine Sendeleistung von 15 Watt. Aufgrund des Öffnungswinkels beträgt die maximale Datenrate mit der X-Band Antenne nur 2000 Bit/s. Über sie können auch Kommandos mit 7,8 bis 2.000 Bit/s je nach Distanz und Sendestärke empfangen. Das UHF-System Elektra überträgt Daten über den Marsorbiter MRO. Über Elektra empfängt Insight zudem die meisten Softwareupdates. Electra erreicht im UHF-Band bei 401 MHz eine maximale Datenrate von 2 MBit/s, steht pro Tag aber nur zweimal beim Überflug des MRO jeweils für einige Minuten zur Verfügung.

Die beiden großen Flexarrays von ATK liefern auf dem Mars etwa 600 bis 700 Watt Spitzenleistung an Strom. In Erdentfernung wären es 1.800 Watt. Die Leistung kann durch Verstauben auf 200 bis 300 Watt sinken. Gegenüber Phoenix hat man die beiden Arrays leicht vergrößert. Neue Triple-Junction Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 29,5 Prozent nutzen zudem das Sonnenlicht besser aus. Sie widerstehen Stürmen mit bis zu 75 km/h Geschwindigkeit. Sie liefern so 700 Watt Spitzenleistung vergleichen mit 420 Watt bei Phoenix. Phoenix fiel aus, als die Leistung der Solarpaneele im Frühjahr stark abnahm. Die 17,8 kg schwere Lithiumbatterie ist dieselbe wie bei Phoenix. Sie hat eine nominelle Kapazität von 50 Ah, 62 Ah wurden bei Phoenix erreicht. Das Stromsystem reguliert die Spannung in einem Bereich von 24,5 bis 32m8 V, mit einem Zielwert von 28 V. Mit dem Strom wird die Sonde beheizt um die Temperatur der Elektronik zwischen -30 und +35 Grad zu halten.

Neu ist der Bordcomputer auf Basis des BAE RAD-750 Prozessor. Phoenix, die ihrerseits noch auf der 2000 eingelagerten Mars Surveyor 2001 Sonde basierte setzte noch die Vorgängergeneration RAD 6000 ein. Bedie Prozessoren basieren auf PowerPC-Prozessoren (602 bzw 750) die in einem speziellen Prozess hergestellt werden und strahlungsgehärtet sind. Der RAD 750 schafft bei maximal 200 MHz bis zu 400 MIPS und entspricht in etwa der Technologie Ende der Neunziger (ein Pentium II mit 233/266 MHz ist in etwa genauso schnell).  Er ist aber immerhin zehnmal schneller als der Bordcomputer von Phoenix. Mit dem RAD 750 arbeitet schon Curiosity wie auch die beiden letzten US-Marsoribiter.

Das Landeradar sendet Impuls mit je 1 Watt Sendeleistung bei 4,3 GHz. Es kann die Distanz zum Boden in einem Bereich von 0 bis 2438 m Distanz feststellen und wird nominell in 1650 m Höhe aktviert.

Wie alle US-Raumsonden der letzten Jahre wird Insight von Lockheed-Martin gebaut.

Eine kleine Cruise Stage liefert auf dem Weg zum Mars den Strom. Außerdem führt sie Kurskorrekturen durch, (bis zu 6 Kurskorrekturen, die Letzte minimal 22 Stunden vor dem Eintritt) und kommuniziert mit der Erde. Sie wird erst 7 Minuten vor dem Eintritt in die Atmosphäre abgetrennt. Sie hat acht Düsen. Vier kleine für kleine Kursänderungen und Drehungen um die Achse und vier schubstärkere Triebwerke für Kurskorrekturen. Die Triebwerke für die die Lageänderung haben 4,5 n Schub, die Triebwerke für die Bahnkorrektur 22 N Schub. Sie werden mit Hydrazin angetrieben.

Ebenso arbeiten die Triebwerke des Landers mit Hydrazin. Es sind drei Bündel mit je vier Stück, jedes mit einem Maximalschub von 293 N, der Schub ist aber regelbar bis auf 107 N. Das Hydrazin steht unter einem Tankdruck von 21 bar und wird von einem heißen Katalysator in der Brennkammer in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt. Nach der Landung wird der Restvorrat an Treibstoff entlassen.

Das Landeverfahren ist das Gleiche wie bei Phoenix. Die ausgeklügelte Technik des MSL, mit Gewichten den Auftrieb zu steuern, kommt nicht zum Einsatz. Daher ist die Landeellipse groß: 130 × 27 km. Beim MSL waren es nur 20 × 10 km.

Als Landeplatz wurde die Elysiumebene nahe dem Äquator auserkoren. Das Gebiet liegt hinreichend tief, damit die Atmosphäre dicht genug ist und die Fallschirme Insight effektiv abbremsen können. Da es am Äquator liegt, variiert über ein Marsjahr die Sonneneinstrahlung wenig als in höheren Breiten. Mit den großen Solarpaneelen sollte daher Insight länger arbeiten als die wenigen Monate, die Pathfinder und Phoenix erreichten. Eine Betriebsdauer wie bei Spirit und Opportunity, ebenfalls nahe des Äquators sollte möglich sein. Das ist für die Instrumente, die Langzeitmessungen durchführen, auch nötig. Die Primärmission dauert 2 Jahre.

MarCo

MarcoMit Insight werden zwei 6U Cubesats MarCo (Mars Cube One) gestartet. Sie haben die gleiche Bahn wie die Centaur, passieren den Mars daher in einem sicheren Abstand, da sie nicht sterilisiert wurden. Jeder MarCo hat zwei Antennen, darunter eine Hochgewinn-X-Band Antenne. Über sie sollen die Daten der Landung zur Erde gefunkt werden. Zur Sicherheit wird aber auch der MRO während der Landung die Landezone überfliegen und die Telemetrie empfangen. MarCoA und MarCoB sind Technologieexperimente, die NASA lies offen ob sie es bis zum Mars schaffen. Jeder Marco hat eine kleine Weitwinkelkamera und eine Telekamera an Bord. Die Weitwinkelkamera soll die Entfaltung der Hauptantenne dokumentieren. Beide verwenden einen Chip von 752 x 480 Pixeln Größe mit einem festen Bayes-Muster und können Farbaufnahmen übertragen. Das Technologieprogramm Mars Cube One kostete 18,5 Millionen Dollar.

Die beiden MarCo (A und B) sind am unteren Tank der Centaur angebracht (beim Triebwerk). Sie sind 180 Gras auseinander, wodurch die Centaur sich drehen muss um sie abzutrennen. Das erfolgt nach Abtrennen von Insight. 10 Minuten nach Abtrennung entfalten sie ihre beiden Solarzellenpaneele, die nur jeweils 30 x 30 cm groß sind. Sie liefern 35 Watt Leistung in Erdnähe und 17 Watt beim Mars. Nach Aufnahme des Kontakts wird man auf dem Weg zum Mars die große X-Band Reflektorantenne entfalten. Sie soll ähnliche Datenraten wie eine klassische Parabolantenne erlauben. Auf de gegenüberliegenden Seite befindet sich eine UHF-Empfangsantenne die ebenfalls entfaltet werden muss. Daneben gibt es zwei X-Band Antennen die nicht entfaltet werden müssen und die als Rundstrahlantenne oder Mittelgewinnantenne ausgelegt sind. Sie können immer Daten senden und empfangen. Beim Senden wegen des größeren abgedeckten Bereichs aber mit niedriger Datenrate von maximal 62,5 Bit/s.

Nominell sollen die beiden Marco den Mars in 3.500 km passieren wenn Insight landet. Sie empfangen dann das UHF-Signal des Landers beim Abstieg und senden es über die Hochgewinn-X-Band Antenne zur Erde. Trotz ihrer kleinen Größe erlauben sie die Übertragen der Daten mit 8 kbit/s. Die Mission ist nicht von den beiden MarCo abhängig, die Daten werden auch vom MRO empfangen und später übertragen. Die Marco erlauben aber eine "Live"-Übertragung, wenn man die Signallaufzeit des Lichts von 8,7 Minuten bis zu den Empfangsstationen des Deep Space Networks außer acht lässt. Es sind zwei Cubesats, damit wenigstens einer funktionsfähig den Mars erreicht.

Trotz ihrer kleinen Größe sind die Marco Raumsonden im kleinen. So haben sie eine Lithiumionenbatterie um Zeiten ohne Strom abzufangen. Sie müssen auch ihren Kurs korrigieren können. Dazu nutzen sie 1,1,1,3,3,3-Hexafluoropropan, ein Gas das in Feuerlöschern eingesetzt wird. Das auch unter der Bezeichnung R236FA bekannte Gas wird auch als Ersatzstoff für chlorierte Kohlenwasserstoffe in Kühlschränken und Kühlanlagen eingesetzt ist, da es sehr effektiv Wärme aufnimmt und dabei verdampft. Ein kleiner Tank speist acht kleine Kaltgastriebwerke, die sowohl Kursänderungen wie auch Drehungen durchführen. Der Einsatz von Gas für das Entsättigen der Drallräder mit denen die Cubesats meistens stilisiert werden ist der erste Einsatz dieser Technologie bei so kleinen Satelliten. Satelliten im Erdorbit nutzen dazu Ausleger die durch ein elektrisches Feld geladen werden. Das erzeugte Magnetfeld wechselwirkt mit dem Erdmagnetfeld und dieses dreht dann langsam den Cubesat. Im freien Weltraum ist das nicht möglich, dazu ist das interplanetare Magnetfeld zu schwach. Fünf Kurskorrekturen sind während des Flugs zum Mars geplant. Ebenso erstaunlich für eine so kleine Sonde ist die Komplettausstattung des Lagefeststellungs- und Änderungssystems. Wie größere Raumsonden verfügt jeder Marco über Strartrackers, Sonnensensoren, Gyroskope zur Feststellung der Lage und drei Reaktionsschwungrädern zur Änderung der Lage. Mit dem Vorrat an Kaltgas kann die Geschwindigkeit um 40 m/s geändert werden.

Der Transponder jedes Marco hat eine Sonderleistung von 3,3 Watt bei einem Gewicht von 1,21 kg und 0,77 l Volumen. Es gibt drei datenraten für das Senden (62 1/2, 1.000 und 8000 Bit/s) und zwei für den Empfang (62,5 und 1.000 Bit/s).

Die Weitwinkelkamera mit 138 Grad Gesichtsfeld wird nur das Entfalten der Hochgewinn-Xband Antenne aufnehmen. Die auf der gegenüberliegenden Seite angebrachte Telekamera schaut beim Vorbeiflug Richtung Mars. Mit ihrem 6,8 Grad großen gesichstfeld könnte sie den Planeten in 57.000 km Distanz bildfüllend aufnehmen. Ob geplant ist die Kamera für Aufnahmen des Mars zu nutzen war beim Start offen.

Die Instrumente

Die USA stellen den Instrument Deployment Arm (IDA) und die Kamera, die das Absetzen überwacht (IDC). Die IDC-Kamera verwendet einen 1.024 × 1.024 Pixel Frametransfer-CCD mit fester Bayermaske für Farbaufnahmen, anstatt Filterräder. Sie ist eine Weitwinkelkamera. Dazu kommt das Experiment RISE, dass den X-Band-Sender der Sonde durch DOR Messungen verfolgt und damit die Position von Insight auf einige Zentimeter genau bestimmt. Mit dieser Genauigkeit wird auch die Bewegung der Oberfläche verfolgt.

Das Auxiliary Payload Sensor System (APSS) stammt ebenfalls von den USA. Es ist eine Suite von Druck, Temperatur, Windgeschwindigkeitssensoren und ein Magnetometer. Anders als bei allen vorherigen US-Landesonden gibt es kein Kamerasystem an einem Mast. Es gibt die IDC-Kamera am Arm, die primär dazu dient, den besten Ort für die beiden abgesetzten Instrumente zu finden. Eine zweite, identische Kamera, die ICC (Instrument Context Kamera) ist so auf dem Deck platziert, dass sie den Bereich abbildet, den der Arm erreichen kann.

Der 2,4 m lange Arm dient bei Insight dazu, zwei Instrumente auf den Boden abzusenken. Das Erste ist SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure), ein hochempfindliches Seismometer. Seismometer wurden schon bei Viking und Mars 96 mitgeführt. Aber nur eines der beiden Viking Geräte funktionierte. Es konnte kein Marsbeben feststellen. SEIS kann ein Beben der Magnitude 5,5 überall auf dem Planeten registrieren. Davon werden ein bis zwei pro Jahr erwartet. Das Viking-Seismometer konnte nur Beben der Stärke 6,5 bis 7 planetenweit erfassen. Damit war es bezogen auf die Energiefreisetzung, mindestens 32-mal unempfindlicher. Auf der Erde gibt es ein Beben der Größe 5 bis 6 etwa 800-mal pro Jahr. Kleinere Beben können in der Nähe des Landeortes geortet werden. Sie können auch durch nicht-tektonische Ursachen wie Abgänge von Geröll oder Meteoriteneinschläge entstehen.

Ein Beben der Stärke 5,5, das planetenweit nachgewiesen werden kann, richtet auf der Erde am Entstehungsort Schäden bei anfälligen Häusern an. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von SEIS war es, das der Sensor absolut eben stehen muss. Um eine Neigung des Landers oder Bodenunebenheiten um bis zu 15 Grad auszugleichen, kann jedes der drei Beine um bis zu 6 cm eingefahren werden. SEIS wurde von der französischen Weltraumagentur CNES entwickelt.

Das zweite Hauptinstrument HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) von der DLR basiert auf Entwicklungen für Philae und die Exomars 2020 Mission. Es besteht aus einer Grabsonde, „Maulwurf“ genannt, die sich mit Hammerschlägen selbst in den Boden vorarbeitet. Die Sonde zieht ein Seil hinter sich her, an dem alle 10 cm eine hochempfindliche Temperatursonde hängt. HP3 soll bis zu 5 m Tiefe erreichen. Mit den Sonden werden Wärmefluss, Temperaturgradient, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenwärmeabgabe gemessen. Diese Daten erlauben Rückschlüsse über das Innere des Mars. Ziel ist es, eine Tiefe von mindestens 3 m zu erreichen. Dann werden die wissenschaftlichen Ziele in 530 Sols (Marstagen) erfüllt. Gelingt es die 5 m zu erreichen, dann schon in 235 Sols, da je tiefer man gelangt, umso geringer der Einfluss der Erwärmung der Oberfläche durch die Sonne ist.

Ergänzt werden die Tiefensensoren durch ein hochempfindliches Radiometer (Temperaturmessgerät) am Deck. Es bestimmt in drei Kanälen mit je zwei Sensoren die Infrarotstrahlung, welche die Oberfläche abgibt. Man wird sich Zeit lassen, die Instrumente abzusetzen. Dies ist erst für den 60-ten Marstag geplant. Die internationale Beteiligung macht 175 Millionen Dollar der Missionskosten von 1 Milliarde Dollar aus.

Der Flug zum Mars

Ein Novum bei Insight ist der Weltraumbahnhof. Bisher starteten alle Planetenmissionen der NASA von der Cape Canaveral Air Force Station (CCAF). Von dort gibt es die günstigste Transferbahn mit der niedrigen Bahnneigung. Daher starteten bisher alle US-Raumsonden vom CCAF aus. Da aber in den letzten Jahren die kommerzielle Startfrequenz laufend angestiegen ist und das CCAF immer mehr Starts durchführen muss, wird der Start von Insight von der Vandenberg Air Force Base (VAFB) durchgeführt. Die niedrigste Inklination beim Start vom CCAF aus sind 28 Grad. Von der VAFB aus sind es 70 Grad. Dadurch sinkt die Nutzlast für den Parkorbit ab. Da Insight auf der Phoenix-Mission aufbaut und eine niedrige Startmasse hat, ist dies aber kein Problem. Die Produktion der Delta II, die Phoenix startete, wurde 2011 eingestellt. Phoenix startet wie die beiden letzten Orbiter und das MSL mit einer Atlas V. Die Leistung der Atlas erlaubt es, Insight auf eine schnelle Hohmanntyp-I Bahn zu entsenden, bei dem sie den Mars 6,5 Monate nach dem Start erreicht, obwohl die kleinste Version, eine Atlas 401 mit einer 4-m Nutzlastverkleidung ohne Booster eingesetzt wird. Der Mars ist beim Start 121 Millionen km entfernt, bei der Ankunft sind es 146 Millionen km. Die hohe Leistung der Atlas V erlaubt ein sehr langes Startfenster über mehr als einen Monat bis zum 8.6.2018. Die Atlas V kostete alleine 163,4 Millionen Dollar.

Nach dem Start sind mindestens zwei Kurskorrekturen geplant. Das erste 10 Tage nach dem Start wird die Ungenauigkeiten des Starts korrigieren, nachdem in den letzten Tagen die Bahn  genau bestimmt wurde. Dieses Manöver wird Insight auch näher an den Mars bringen. Aus Sicherheitsgründen, da weder die letzte Stufe der Atlas, die Centaur noch die beiden Satelliten MarcoA und B sind nicht sterilisiert, wie sie die Planetary Protection Vorschriften der NASA fordern wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Körper auf dem Mars landet egal ob absichtlich oder nicht. Daher führt der Startkurs nicht direkt zum Mars sondern auf eine Vorbeiflugbahn in sehr großer Distanz (typisch: einige Hunderttausend Kilometer) die auch bei größerer Abweichung von der Vorgabe noch weit genug vom Mars entfernt ist, dass ein Aufschlag unwahrscheinlich ist. Diese erste Kurskorrektur verringert die Distanz der Bahn zum Mars deutlich. Die zweite Kurskorrektur ist fix auf den 28.6.2018 terminiert. Sie reduziert die Distanz weiter, reduziert aber auch die Bahnneigung. Mars und erde haben unterschiedlich geneigte Bahnen und es ist energetisch günstiger die Differenz abzubauen wenn die Raumsonde langsamer ist. Die Geschwindigkeit von Insight nimmt aber bei steigender Entfernung von der Sonne ab. Die weiteren Kurskorrekturen werden nach Erfordernis, d.h. Abweichung der Istbahn von der Sollbahn angesetzt. Sie sind für den 22.10, 11.11, 18.11 und 25.11 (bis 22 Stunden vor der Landung) angesetzt. Normal waren bei den letzten Missionen drei bis vier Kurskorrekturen. Die letzte Kurskorrektur direkt vor der Landung würde nur erfolgen wenn die anderen nicht erfolgreich waren, was bei der heutigen genauen Bahnvermessung nur bei einer Fehlfunktion der Cruise Stage der Fall sein könnte.

Während der Cruise Phase wird die Position zum einen durch Messung der Signallaufzeit bestimmt. Sie liefert die Entfernung von der Erde. Dazu sendet die Raumsonde einen Zeitcode mit dem Signal mit. Sie hat eine hochgenaue Uhr an Bord. Misst man die Dopplerverschiebung des Funksignals, so erhält man die relative Geschwindigkeit .zur erde. Aus beiden kann man die Form des Orbits ermitteln und die Position im Orbit. Eine dritte Meßmethode Delta-Differential One-way range Measurement misst mit mehreren Empfangsstationen die Position senkrecht zur Bewegungsrichtung. Aus allen drei Methoden kann man die Position der Sonde auf wenige Hundert Meter genau bestimmen. Die ESA leistet mit zwei ihrer großen Bodenstationen DSA 1 und 3 bei New Norica in Asutalien und Malargüe in Argentinien Unterstützung.

Die letzten 15 Tage vor der Landung dienen der Vorbereitung dieser. Die Cruise Stage hat die Aufgabe die Sonde in einen 10 x 24 km großen Korridor zu lenken. Dieser entspricht auf dem Mars einer 190 x 27 km großen Landeellipse. Anders als die Vorgängermission, das Mars Science Laboratory, MSL mit dem Rover Curiosity hat Phoenix nicht die Möglichkeit den Auftrieb aktiv zu regulieren, wodurch diese große Landeellipse resultiert. Als Landegebiet wurde daher die flache Ellysiumebene, 4,5 Grad nördlich des Äquators ausgewählt.

Die Landung

47 Minuten vor der Landung werden die Katalysatoren in den Triebwerken vorgeheizt. Bis 7 Minuten vor der Landung sendet Insight Daten über die Mittelgewinnantenne auf der Cruise Stage. Danach wird diese abgetrennt und Insight ist nun auf sich gestellt. Zuerst sendet nun der Lander nur die Trägerwelle ohne Daten über die Rundstrahlantenne. 30 s nach der Abtrennung dreht sich Insight so, dass der Schutzschild auf die Atmosphäre weist. Das dauert etwa 90 Sekunden. Kurz vor Ende dieser Zeit beginnt Insight dann damit Telemetrie über die UHF-Antenne "Electra" mit einer Datenrate von 8 KBit/s zu übertragen. Die UHF-Signale sind nur für Marsorbiter zu empfangen. Die NASA hat drei Orbiter die UHF-Signale empfangen können. Das sind Mars Odyssey, der älteste Mars-Orbiter, der schon seit 2001 den Mars umkreist. Er hat eine sonnensynchrone Bahn in 400 km Höhe. Damit ergeben sich längere Übertragungsphasen. Allerdings hat Mars Odyssey nur die ältere Generation der UHF-Anlage an Bord. Sie erlaubt nur zwei maximale Datenraten von 128 und 256 kbit/s. Der 2005 gestartete MRO umrundet den Mars auf einer niedrigeren Bahn, was die Dauer einer Session und deren Frequenz absenkt. Er hat aber wie Insight die aktuelle Generation Elektra an Bord. Elektra passt die Datenrate dynamisch den Empfangsbedingungen an. Sie kann so bis auf 2 MBit/s steigen und im Mittel drei bis vierfache Datenvolumina erlauben. Der dritte Orbiter MAVEN hat auch ein Empfangsgerät für Elektra an Bord, umkreist den Mars aber auf einer elliptischen Bahn sodass der Abstand laufend schwankt. MAVEN hat eine noch laufende wissenschaftliche Mission und ist nicht für den Datenempfang vorgesehen, außer es gäbe ein Problem mit den beiden anderen Orbitern. Theoretisch könnte auch der europäische Trace Gas Orbiter der ESA die Daten empfangen, genauso wie Mars Express. Sie haben kompatible Empfangsgeräte an Bord für den Empfang der Daten von Beagle 2 und Schiaparelli bzw. der 2020 zu startenden Rover Surface Plattform. Sie können aber wie der ältere US-Orbiter nicht die Datenrate den Empfangsbedingungen anpassen. Due europäischen Orbiter sind ebenfalls nicht für den Regelbetrieb vorgesehen.

Während der Landung wird der MRO die Landestelle überfliegen und Daten übertragen. Sein Orbit wurde schon Jahre vorher für die Landung angepasst. Die beiden Marco-Cubesats sollen beim Vorbeiflug auch die Daten empfangen und direkt übertragen. Daneben lauschen drei Radioteleskope der NASA in Virgina, des MPI in Effelsberg und ein italienisches Radioteleskop auf Sardinien. Sie können keine Daten empfangen aber das Trägersignal und damit Informationen über die Geschwindigkeit.

Gegenüber Phoenix, dessen Technologie bei der Landung übernommen wurden sind die Anforderungen höher. So beträgt die Ankunftsgeschwindigkeit 5,9 anstatt 5,6 km/s bei Phoenix. Er ist mit 608 kg auch 35 kg schwerer und die Landestelle liegt 1,5 km höher, was bei Mars mit seiner dünnen Atmosphäre einem bedeutenden Druckunterschied entspricht. Das wirkt sich stark auf die Verzögerung durch den Fallschirm aus. Gegenüber Phoenix wurde der Hitzeschutzschild verstärkt, der Fallschirm bei höherer Geschwindigkeit ausgelöst, dafür wurden die Leinen die ihn halten verstärkt. Die Abbremsung beginnt 3,5 Minuten vor der Fallschirmentfaltung mit einer Spitzenbeschleunigung (im Sinne einer Abbremsung) von 7,4 g.

Eine Herausforderung ist, dass das Landegebiet 1,5 km höher liegt als bei Phoenix, dadurch ist die Abbremsung durch die Marsatmosphäre geringer. Die ganze Landung dauert nur 5 Minuten, 223 s davon zwischen Fallschirmauslösung und Landung.

Der Betrieb auf dem Mars

Mit der Landung beginnt Sol 0, der erste Marstag. Ein Marstag ist 37 Minuten länger als ein Erdtag. Die Primärmission dauert ein Marsjahr (689 Erdtage) + 40 Sols. Erst 16 Minuten nach der Landung werden die Solarzellen entfaltet. Sie sind der missionskritische Teil des Landers. Sie laden die Batterie auf die während der Nacht Strom und Wärme liefert. Ohne die Batterie würde die Sonde ausfallen. Ein Ausfall der Batterie war für das Missionsende des Mars Pathfinders, des Rovers Sprit und Phoenix verantwortlich. Man wartet daher 16 Minuten, dass sich bei der Landung aufgewirbelter Staub legen kann. Die Vertaubung gilt bei dem äquatornahen Standort mit geringeren Schwankungen der Sonneneinstrahlung als in höheren Breiten als die größte Gefahr für die Stromversorgung.

Der Betrieb auf der Oberfläche teilt sich noch in zwei Phasen auf. Während der ersten Wochen bis zum Absetzen und Inbetriebnahme der Instrumente sendet Insight auch noch mit der X-Band Daten zur Erde und empfängt von den Bodenstationen der NASA mit 34 und 70 m Antennendurchmesser Kommandos. Das erlaubt es öfters Insight mit Kommandos und Programmen zu versorgen und es gibt pro Marstage mehr Gelegenheiten Daten und Statusinformationen vom Lander. Später erfolgt die Kommunikation nur durch den MRO. Er überfliegt zweimal pro Tag die Landezone. Das läuft so ab, das man beim ersten Vorbeiflug die Daten abruft (meist in der Nacht, dafür wird Insight durch einen Zeitgeber geweckt) und zur erde überträgt. In den folgenden 12 Stunden werden die Daten ausgewertet und die Planung für den nächsten Tag erstellt. Diese werden zum MRO übertragen, von ihm gespeichert und beim nächsten Überflug am Nachmittag zu Insight übertragen und weitere Daten abgeholt.

In der ersten Woche nach der Landung wird der Landeplatz mit den beiden Kameras aufgenommen, danach der Raum direkt am Lander mit der IDC-Kamera am Arm in Stereo erfasst, dazu wird der Arm bewegt und so der Boden aus zwei Winkeln aufgenommen. Auf Basis dieser Aufnahmen wird der Platz ausgesucht wo die Instrumente platziert werden. Das Seismometer ist das erste Instrument das abgesetzt wird. Nach dem Absetzen setzt der Arm noch eine Schutzabdeckung auf das Seismometer das es vor wind und Sonneneinstrahlung schützen soll. Es folgt das deutsche Experiment mit dem "Maulwurf". Er wird sich über Wochen langsam in den Untergrund vorarbeiten, wobei jeder Betrieb des Hammers gefolgt ist von einer Pause von zwei bis drei Sols in denen die dabei gebildete Reibungswärme abklingen kann und die Wärmeleitfähigkeit des Bodens gemessen wird. In diesen ersten Wochen in denen die Instrumente noch nicht aktiv ist erhält Insight auch Unterstützung vom Deep Space Network der NASA. Zweimal pro Tag werden Daten abgerufen und frühmorgens auch Kommandos übertragen. Dazu wird eine Mittelgewinn X-Band Antenne genutzt. Sobald die Instrumente arbeiten erfolgt die Datenübertragung nur noch durch den MRO. Der X.Band Sender wird dann nur noch verfolgt um mittels  DOR Messungen verfolgt wofür aber die Trägerwelle oder ein kleiner Datenstrom (Zeitmarken) ausreicht.

Der Start von Insight wurde im Dezember 2015 um ein Startfenster auf 2018 verschoben, was die Mission um 153,8 Millionen Dollar verteuerte. Das von der CNES gestellte Seismometer SEIS fiel bei einem Vakuumtest durch und wies Lecks auf. Der Defekt konnte nicht bis zum geplanten Startzeitpunkt behoben werden. Erwartet wird während der 728 Tage dauernden Primärmission eine Datenmenge von 29 Gigabit.

Die aktuelle Mission

Die Atlas 401 bringt die Centaur mit Insight zuerst in eine 185 km hohe nahezu kreisförmige Umlaufbahn. 59 bis 66 Minuten nach dem Start - abhängig vom genauen Startzeitpunkt zündet die Centaur erneut und bringt das Gespann auf den Fluchtkurs. Während der Zeit im Erdorbit rotiert die Centaur langsam mit 1,5 Grad/s (eine Umdrehung in vier Minuten) um die eigene Achse um ein einseitiges Überhitzen zu vermeiden. Nachdem die Centaur Brennschluss hat wird zuerst Insight abgetrennt. Danach dreht sich die Centaur und trennt danach Marco A und Marco B ab. Zuletzt wird der Resttreibstoff entlassen, was der Stufe einen zusätzlichen Impuls gibt und sie von einer nahen Marspassage abbringt sodass sie den Mars in größerer Distanz (mindestens 100.000 km) passiert. Die folgende Tabelle enthält die Zeitvorgaben für den Start zu Beginn des Startfensters am 5.5.2018. Das RD-180 wird nachdem es vollen Schub erreicht hat und die Rakete abheben könnte noch 1,1 s lang auf volle Funktionsfähigkeit geprüft, erst dann hebt die Rakete ab. Daher sind T-Null und Abheben nicht derselbe Zeitpunkt wie dies bei anderen Raketen so ist.

Ereignis Zeit
Zündung RD-180 -2,7 s
RD-180 auf vollem Schub, bereit zum Abheben. 0 s
Abheben 1,1 s
Brennschluss RD-180 der CCB 244,3 s
CCB / Centaur Trennung 250,3 s
Erste Centaur Zündung 260,3 s
Centaur Brennschluss für Erdumlaufbahn 796,2 s
Zweite Zündung Centaur 4736,9 s
Zweiter Brennschluss Centaur 5059,8 s
Abtrennung Insight 5599,8 s
Abtrennung Marco A 5633,8 s
Abtrennung Marco B 5681,8 s

Acht bzw. neun Stunden nach dem Start sandten beide Marco nach Anfunken durch das Deep Space Network ein Statussignal aus, das empfangen wurde. Noch sind die Bordcomputer der beiden Miniraumsonden aber noch nicht hochgefahren. Später verlief alles geplant. 14 Tage nach dem Start haben beeide Marco, inzwischen von den Ingenieuren nach Figuren aus einem Pixar Film "Wall E" und "Eva" genannt in 2,9 Millionen km die erde und den Mond fotografiert und das Foto übertragen.

Datenblatt

Datenblatt Insight

Start:

5.5.2018 mit Atlas V 401

Ankunft:

26.11.2018 Landung bei 4.5°N, 135.9°E

Missionsende:

24.11.2020 (Primärmission)

Mission:

Marslander

Gewicht:

694 kg beim Start, davon 79 kg Cruise Stage, 358 kg Insight, 189 kg Aeroshell, 67 kg Treibstoff (Cruise Stage und Lander)

MarCo: je 13,5 kg

Gesamtstartmasse: 721 kg

Abmessungen:

Im Flug: 3,60 m Spannweite, 2,65 m Durchmesser, 1,74 m Höhe

Lander: Höhe mit/ohne Mast 2,2 m / 1,2 m, Durchmesser Landedeck: 1,56 m,
Spannweite 5,52 m. Armlänge: 2,40 m.

Marco : 36,6 x 24,3 x 11,8 cm

Instrumente:

 

Drei Experimente im Gesamtgewicht von 50 kg:

  • ICC+IDC: 124 Grad Gesichtsfeld, Brennweite 5,58 mm, f/15, Detektor ist ein 1.024 × 1.024 Pixel CCD mit 2,6 Bogenminuten Auflösung. Fokus 0,1 m bis unendlich

  • SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure): Seismometer. Messgrenzen: > 5 × 10-8 m/s2
    10-3 Hz bis 10 kHz. Gewicht 3 kg

  • HP3: 14 × P100 Temperaturmesssensoren an einem 5 m langen Band. IR-Radiometer mit zwei Kanälen, 15 Grad Winkel zwischen den Gesichtsfeldern. Bereich 7,8 bis 9,6 µm, 8 bis 14 µm und 16 bis 19 mm.

Kosten:

~ 1 Milliarde Dollar, US-Anteil: 813,8 Millionen Dollar, davon 675 Millionen Dollar bis 2016, 153,8 Millionen Dollar Verzögerungen und Reparaturen an SEIS, 163,4 Millionen Dollar Trägerrakete und Start, internationaler Anteil: 180 Millionen Dollar, MarsCubeOne: 18,6 Millionen Dollar

 



Links

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/insight/download/mars_insight_launch_presskit.pdf

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/insight/appendix/mars-cube-one/

https://phys.org/news/2018-05-nasa-deep-space-cubesats-polo.html

https://ssed.gsfc.nasa.gov/pcsi/docs/2017/presentations/014-Communication-A-MarCO-Overview-GSFC%20Symposium.pdf

http://spaceflight101.com/insight/insight-spacecraft/

 


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

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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