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Mission Accomplished - Fast gescheiterte Missionen

Nachdem ich schon einen Aufsatz über gescheiterte Missionen oder fast gescheiterte Missionen in dieser Rubrik habe, will ich dies heute ergänzen um das Gegenteil: Missionen die erfolgreich abgeschlossen wurden, obwohl sie fast als gescheitert angesehen wurden.

Die Betonung liegt auf "erfolgreich abgeschlossen". Das ist ein Unterschied zu Missionen die nicht in einem Desaster endeten, aber nicht das primäre Missionsziel erfüllten. So ist Galileo zwar nach dem Ausfall der Hauptantenne noch weiter gegangen, wurde auch mehrmals verlängert,. Doch die Datenmenge (Qualitativ und Quantitativ), die man gewann war weit unter dem, was die Sonde mit der Hauptantenne hätte liefern können. Das gleiche gilt für Apollo 13 - Die Astronauten wurden gerettet, aber die Mondlandung musste entfallen.

Voyager 2

Voyager vor dem StartVoyagers Mission verlief normal bis zum 6.4.1978. An diesem Tag schlug Murphys Gesetz zu. Seit November 1977 verlor einer der beiden Verstärker der Empfänger an Verstärkungsleistung und die Bodenkontrolle schaltete ihn in den Modus in dem er weniger Strom verbrauchte. Im Februar 1978 fiel dann Voyager 1 Kameraplattform aus und das Bodenteam war vollauf beschäftigt diese wieder zum Laufen zu bekommen. Zu dieser Zeit war das Projektmanagement stark ausgedünnt. 90 % der Zeit wurde an der Definition der just beschlossenen Galileo Mission gearbeitet, da Voyager ja noch 1 Jahr vor dem Jupitervorbeiflug entfernt waren. So wurde etwas übersehen, was bei früheren Missionen wohl folgenlos gewesen wäre. Man kommunizierte eine Woche lang nicht mit Voyager.

Voyager hatte erstmals Computersysteme an Bord mit Routinen um gegen Fehler gewappnet zu sein, wobei man unter Fehlern in den siebziger Jahren noch Hardwareausfälle verstand - die Elektronik war noch weitaus unzuverlässiger als heute. Frühere Sonden hätten nun einfach gewartet bis ein Befehl von der Erde gekommen wäre. Voyager hatte aber erstmals "selbstheilende Schaltungen" - unter diesem Begriff verstand sich eine Hard/Softwarearchitektur. Die Hardware war redundant vorhanden. Software überwachte ihre Funktion und wechselte automatisch wenn sie ein versagen feststellte auf das Backupsystem. Auch die 3 Computersysteme waren redundant und mussten sich regelmäßig melden. Fiel eine Meldung aus, so wurde auf das Backupsystem umgeschaltet.

Wie kann man die Fehlfunktion eines Empfängers feststellen? Nun es gibt offensichtliche Anzeichen wie z.B. erhöhter Stromverbrauch oder durchgebrannte Sicherungen. Doch wenn einfach ein Transistor kaputt ist und er nicht mehr das Empfangssignal verstärkt? Die Softwareroutinen an Bord von Voyager waren so ausgelegt, dass sie annahmen, dass ein fehlerhafter Empfänger sich darin äußern würde, dass Voyager 1 Woche lang kein Signal von der Erde empfängt.

Voyager 2 wechselte nun auf den Backup-Empfänger und schaltete den Primärempfänger ab. Der Backup-Empfänger hatte jedoch einen anderen Defekt. Ein Kondensator, der das Empfangssignal aufnahm hatte versagt. Der Kondensator hatte den Zweck, das Empfangssignal von einem Bereich um die Zentralwellenlänge zu empfangen, also den Bereich zu erweitern. Ohne ihn musste das Signal genau bei 2113 MHz empfangen werden. Der Bereich in dem der Empfänger empfindlich war hatte sich auf ein Tausendstel eingeschränkt.

Das Problem war: Die Wellenlänge bei dem das Signal empfangen wurde verschob sich mit der relativen Geschwindigkeit der Raumsonde und der Empfangsstation. Dabei war nicht nur die Geschwindigkeit der Sonde selbst wichtig (die sich z.B. nahe der Planeten innerhalb von Stunden schnell änderte) sondern auch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, der genauen Position zueinander, da die Geschwindigkeitsrichtungen dauernd wechselten, aber auch der Temperatur des Empfängers. Stieg oder fiel diese nur um 0.1 Grad so brach die Kommunikation mit der Erde ab.

Während man auf der Erde hektisch versuchte Kontakt mit Voyager 2 zu bekommen, tickte die Uhr im Computersystem weiter und nach 12 Stunden versuchte es erneut den primären Empfänger zu aktivieren - betrieb ihn aber anders als die Erde mit voller Leistung. Das war zu viel für den Empfänger. Nach 30 Sekunden zog er abrupt mehr Strom und die Sicherungen im Raumschiff sprangen an und brannten durch - Der primäre Empfänger war unwiderruflich vom System getrennt und wahrscheinlich auch dauerhaft defekt. Nun hieß es warten, bis Voyager 2 nach 1 Woche erneut auf den Backup Empfänger umschalten würde.

Währenddessen liefen Computersimulationen auf der Erde bei denen man Bänder erstellte, welche die Sender der 34 m Antennen des DSN steuerten. Sie veränderten ihre Frequenz nun so, dass die Empfangsfrequenz von Voyager immer konstant blieb. Regelmäßig sandte man zu Voyager ein kodiertes Signal, in dem die Sendezeit enthalten war. Voyager empfing es und sandte es sofort zurück. Beim Empfang maß man die Signallaufzeit und bestimmte so die Entfernung zu Voyager. Trotzdem kam es immer wieder zu Verbindungsabbrüchen, vor allem in den ersten Jahren. Die Situation wurde besser je weiter ich Voyager von der Erde entfernte, vor allem wegen der nun durch die sinkenden Außentemperaturen und Sinkenderen Stromversorgung geringeren Temperaturschwankungen beim Empfänger.

Voyager 2 konnte nicht nur alle primären Missionsziele erfüllen - Sie passierte Jupiter und Saturn und sandte über 30.000 Aufnahmen zurück zur Erde, sondern wurde noch zu Uranus und Neptun geschickt. Beginnend bei Uranus nutzte man die Bordcomputer um der Sonde Fähigkeiten zu vermitteln die sie vorher nicht hatte. Sie drehten die gesamte Sonde um Bewegungsunschärfe bei den Vorbeiflügen zu kompensieren, implementierten einfache Kompressionsalgorithmen und verzichteten auf die Backup-Funktion der Bordrechner um mehr Programme laufen zu lassen.

Heute (März 2009) ist Voyager 2 immer noch aktiv.88 mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde. Ein Signal braucht über 12 Stunden um zur Erde zu gelangen und sie entfernt sich immer noch mit 15.5 km/s. Als Folge wechselte man einen der Kondensatoren in dem Empfänger von Seasat aus, der 1978 startete. Seasat verwandte denselben Empfänger wie Voyager, gefertigt von Motorola. Der Kondensator aus Polyvinyl wurde durch einen keramischen ersetzt. Der Backupempfänger blieb unverändert.

Doch es blieb nicht bei diesem einen Fehler. Am 24 August 1981, Voyager 1 hatte gerade Saturn passiert sollte die Raumsonde an Tethys vorbeifliegen und ein Fotomosaik des Mondes anfertigen. Das erste Bild traf noch auf dem Boden ein. 110 Minuten nach der nächsten Annäherung, zeigten die Kameras nicht mehr dahin wo sie sollten. Sie nahmen nur noch den schwarzen Weltraum auf. Zuerst vermutete man, das Teilchen der Ringe den Arm beschädigt hatten, denn es gab nach der Passage von Saturn 3000 km außerhalb des G Ringes merkwürdige Telemetrie, und auch die Steuerdüsen wurden außerplanmäßig vom Bordcomputer gezündet um die räumliche Orientierung der Sonde einzuhalten.

Die Probleme mit anderen Systemen waren jedoch nur temporär und vergingen wieder. Die Scanplattform konnte aber im Azimut nicht bewegt werden. Sie stoppte durch ein Computersignal, als dieser bemerkte, dass sie nicht korrekt ausgerichtet war in einer Position, in der Sonnenlicht die Experimente beschädigen konnte. Zuerst brachte man die Plattform daher durch Funkbefehl in einen sicheren Modus. Dann rief man den Bandrekorder mit den letzten Bildern und den Daten ab um den Fehler zu finden. Von 6 Bildern eines Thetys Mosaiks zeigte nur eines einen Teil des Mondes. Die höchstauflösenden Enceladus Aufnahmen waren alle schwarz, Bilder der Ringe von der Rückseite und dem Bereich des A- und F-Ringes zeigten nichts und auch die hochauflösenden Photopolarimeter-Messungen nahe des A- und F-Ringes waren verloren gegangen.

Das letzte korrekte Bild gab es, als die Sonde das Ringsystem durchquerte. 3 Tage lang schickte man einen Befehl nach dem anderen zur Sonde. Man versuchte die Scanplattform zuerst langsam, dann schneller zu bewegen. Jede Aktion ergab wegen der langen Signallaufzeit erst nach 3 Stunden eine Rückmeldung. Nach 24 Stunden bewegte sich die Plattform erstmals. Dann versuchte man die Geschwindigkeit zu steigern und das Problem zu verstehen. Dann am 28.8.1981, inzwischen war Voyager 2 schon wieder 3.2 Millionen km vom Saturn entfernt, war auf einem Bild wieder der Saturn zu sehen. Nun betrieb man die schwenkbare Plattform mit langsamer Geschwindigkeit während des restlichen Vorbeiflugs .

Später entdeckte man das man den Arm mit zu oft mit hoher Geschwindigkeit betrieben hatte und so das Schmiermittel ausgelaufen war. Ein Modell des Arms von Voyager auf der Erde wurde daraufhin so programmiert, dass es im Zeitraffertempo genau die gleichen Schwenks machte und bei diesem brach eine Welle nach etwa der gleichen Anzahl an Schwenks. Welche Auswirkungen hatte es auf die Beobachtung? Alle Beobachtungen die nach dem Durchqueren der Ringebene angesetzt waren entfielen. Dies betraf vor allem die hochauflösenden Tethys Mosaike und Bilder des F-Rings und der Ring Unterseite im Gegenlicht. Auch von Enceladus gab es die letzten Bilder aus 110,000 km anstatt 87000 km Entfernung. Aufnahmen der Monde waren aber schon vorher gemacht worden, wenn auch nicht in der höchsten Auflösung. Die Ringaufnahmen waren dagegen nicht ersetzbar. Im Gegenlicht sieht man eine völlig andere Ringstruktur und man erwartete, mehr Details des F-Rings zu erkennen. Bis zum 5.9.1981 betrieb man die Scanplattform mit langsamer Geschwindigkeit, dann wurde ihr Betrieb eingestellt.

In der Folge wurden 86 Modelle des Schwenkarmes gebaut um das Problem zu untersuchen und herauszufinden wie schnell man den Arm zukünftig noch bewegen kann. Das Problem bestand wahrscheinlich schon früher, denn schon am 23.2.1978 stockte die Voyager 2 Scanplattform bei Azimut Schwenks, wie sie es dann auch beim Saturn tat. Auch in den letzten Tagen zeigte die Telekameras nicht ganz genau dahin wo sie hinschauen sollte. Das sie just zum unglücklichsten Zeitpunkt ausfiel, hatte mit den vielen Schwenks zu tun, die man während der Saturnbegegnung innerhalb kürzester Zeit machen musste, um die Ringe und Monde zu erfassen. Bei Uranus und Neptun dürfte die Schwenkplattform nun nicht mehr mit der hohen Geschwindigkeit betrieben werden. Die mittlere Geschwindigkeit von 0.8 Grad/s wurde auf wenige Einsätze, rund um die nächste Annäherung bei Mondaufnahmen beschränkt.  Ansonsten arbeitete sie nur mit der niedrigsten Geschwindigkeit von 0.33 Grad/s.

Skylab

Skylab beschädigt im OrbitSkylab begann als Apollo-Application Programm. Dieser Ausdruck trifft recht gut, was der Zweck von Skylab war: Für die bestellte Apollo Hardware, die nach 3 gestrichenen bemannten Flügen und einigen weggefallenen unbemannten Erprbungsflügen noch übrig war eine sinnvolle  Verwendung zu finden.

Skylab war eine wirklich sinnvolle Verwendung. Aus der dritten Stufe einer Saturn V wurde ein Raumlabor gebaut, mut so viel Platz und Komfort für die Besatzung, wie erst 30 Jahre später wieder bei der ISS erreicht werden sollte. Es gab zahlreiche Experimente an Bord, wobei vor allem die Sonnenforschung von Skylab profitieren sollte. 3 Besatzungen sollten die Station anfliegen undd sukzessive mehr Zeit auf ihr verbringen. Die Vorräte an Bord waren für ein halbes Jahr Gesamtaufenthalt ausgelegt.

Für die Trägerrakete Saturn V war es der erste Einsatz ohne dritte Stufe und der erste mit einer Nicht-Apollo Nutzlast. Am 14.5.1973 startete Skylab-1 - so hieß die Station als Mission - mit der letzten Saturn V. Nach dem Start fehlte im Orbit die Rückmeldung über das Ausfahren der Solarzellen des Orbitalworkshops (OWS), dafür gab es eine über das Ausfahren des Mikrometeoritenschilds und die Temperaturen an Bord steigen rapide an - Innerhalb von wenigen Stunden auf 90 °C an der Wand und später bis zu 54 Grad im inneren der Station. Eine spätere Analyse zeigte, dass in der 60 sten Sekunde nach dem Start, als die Rakete die Schallgrenze durchbrach, das Problem begann. Innerhalb von 3 Sekunden entrollte sich vorzeitig der Mikrometeoritenschutzschild. Dabei nahm er einige Halterungen des Sonnenflügels mit. Nach dem Ausbrennen der zweiten Stufe, durchtrennten deren Absprungraketen dann eines der Solarpanels, während das andere durch ein verbogenes Aluminiumblech geschützt wurde. Die wahrscheinlichste Ursache waren die Vibrationen der Saturn, die zu stark für die Befestigungen waren.

Skylab hatte nun nur noch 35-40 % der vorgesehen Stromversorgung und es war zu heiß in ihr. Die erste bemannte Mission - Skylab 2 sollte ursprünglich am nächsten Tag starten. Der Start wurde nun auf unbestimmte Zeit verschoben. Nach dem Positionieren in einer Lage, die möglichst wenig Oberfläche der Station der Sonne aussetzen waren die Innentemperaturen immer noch bei noch bei 42 °C. Nun suchte man zuerst einmal nach Lösungsmöglichkeiten. Zeitweise stand sogar die Aufgabe der Station zur Diskussion. Als Folge gab es weitere Probleme. Mehrmals musste man die Atmosphäre an Bord komplette austauschen, da die Wand bis zu 90°C heiß wurde und so die Isolierschicht aus Polyurethan giftige Gase freisetzte. Die Stromversorgung lag einige Hundert Watt unter der minimalen Anforderungen. Zeitweise erwog man das Reserveexemplar zu starten. 

Man erarbeitete ein zweistufiges Konzept: Die erste Mannschaft sollte ein die Situation klären und ein einfaches Segel von 6 x 6 m Größe mit Teleskopstangen, ähnlich einer Angelrute entfalten. Das Hauptproblem war es das Packet so zu falten, dass es in die 22 x 22 cm große Luftschleuse des OWS passte. Die zweite Besatzung sollte dann ein größeres Segel im All montieren bestehend aus 1.5 m langen Stangen die mit Karabinerverschlüssen verbunden waren. Bestehend aus 11 Stangen war jedes der beiden Doppelstangensegel 16.5 m lang. Zusammen mit einer Mylarfolie von 20 kg Masse, bestrichen in einer UV beständigen Farbe wog das gesamte Packet 50 kg. Die Ersatzmannschaft probierte zuerst das in einem Wassertank miteinem Syklab Modell das Entfalten aus und als die Prozedur klappte dürfte die erste Besatzung  Die Reparatur wurde in Houston in einem Wassertank bei einem Modell der Station erprobt und funktionierte dort.

Die erste Besatzung startete 10 Tage später als vorgesehen am 25.5.1973. Kommandant war Pete Conrad, Paul Weitz war Pilot und Joe Kerwin war Wissenschaftsastronaut. Nach dem einmaligen Einsatz von Harrison Schmidt als ausgebildetem Geologen bei Apollo 17 war es das erste mal bei der NASA, dass es einen Wissenschaftsastronauten gab, bei dem eine akademische Vorbildung wichtiger als Erfahrungen als Testpilot waren. Sowohl für Kerwin wie auch Weitz war es die erste (und auch einzige Mission ins All). Pete Conrad war schon zweimal mit Gemini und einmal im Apollo Program gestartet. Auch für ihn war es der letzte Flug.

Als man bei Skylab ankam stellte sich heraus, dass eine Solarzellenfläche des Workshops komplett abgerissen war, anstatt wie man vorher annahm, nur nicht entfaltet. Zuerst erwog man das zweite Solarpanel durch einen Außenbordeinsatz zu entfalten. Doch erschien dies wegen der Gefahr für den Astronauten wegen der Relativbewegung der Raumschiffe und der Verletzungsgefahr des Astronauten als zu riskant. Das Solarpanel hätte ihn beim Entfalten wegschleudern können oder noch schlimmer scharfe Kanten hätten seinen Anzug beschädigen können. Das Ankoppeln an Skylab klappte erst im sechsten Anlauf, weil es Probleme mit den elektrischen Anschlüssen gab. Schließlich musste man den Anschluss ausbauen und Kabel zwischen Station und Apollo Raumschiff von Hand verknüpfen, indem man die Isolierung entfernte und die Kabelenden verzwirbelte. Als dann noch einer der 18 Akkus an Bord von Skylab ausfiel, erwog man die Mission auf 17 Tage zu verkürzen.

Am Boden gingen die Tests weiter, nun unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein Solarpanel noch entfaltet werden musste. Erst am 7.6.1973, nach 13 Tagen an Bord wagte man sich an das Entfalten des provisorischen Schutzes. Das Entfalten des provisorischen Schutzes klappte, bedeckte aber nur 75 % der Wand, trotzdem sanken die Temperaturen auf 26 Grad innerhalb von 2 Tagen. Nun war zwar die Station bewohnbar, aber zu wenig Strom für die Experimente verfügbar und alle Stationssysteme verfügbar.  Nun gab es die ersten Probleme innerhalb der Mannschaft. Conrad wollte den Flugdirektor auf einer nicht öffentlichen, abhörsicheren Leitung sprechen - ein Vorgang den es vorher nie gab und der für Notsituationen vorgesehen war (nicht einmal bei Apollo 13 wollten die Astronauten diese Möglichkeit nutzen). Der genaue Grund wurde nie veröffentlicht, doch zahlreiche Beobachter der Mission sind der Ansicht, das Conrad darauf bestand medizinische Untersuchungen durchzuführen und Kerwin, der als Arzt sie durchführen sollte, dies aber wegen der Hitze ablehnte. Nach diesem Gespräch war die Situation geklärt und es gab keinerlei weitere Probleme. Allerdings flog keiner der Besatzung jemals wieder, wie dies auch bei anderen "rebellierenden" Besatzungen wie denen von Apollo 7 und Skylab 4 der Fall war.

Am 13.ten Tag stiegen dann Conrad und Weitz erneut aus. Zuerst setzten sie eine 7.5 m lange Blechschere aus Einzelteilen zusammen. Dann durchschnitt Conrad die Aluminiumlasche die das Sonnensegel vor der Entfaltung geschützt hatte. Das klappte, aber es entfaltete sich nicht. Conrad stemmte sich nun gegen den Flügel und das Dämpfergestänge brach und der Flügel entfaltete - und Conrad wurde in den Weltraum hinaus gestoßen. Er schwebte an einer Leine und Weitz konnte ihn so in die Luke hineinziehen. Skylab hatte nun 3 kW mehr elektrische Leistung - und die Besatzung kam nun auch in den "Luxus" einer warmen Dusche und warmen Mahlzeiten, die vorher nicht möglich waren, weil einfach die Solarzellen des ATM nicht genug Energie lieferten. Mit 75 % der Sollleistung (7 kW Leistung) hatte die Station genug Strom für das vorgesehene Messprogramm. Nach dem Sinken der Temperaturen sank auch der Stresspegel und die Besatzung landete nach 28 Tagen, der geplanten Länge (doppelt so lange wie vorher der bislang längste Flug einer amerikanischen Besatzung dauerte).

Conrad, der auch mit Apollo 12 auf dem Mond war, bezeichnete Skylab 2 als die weitaus schwierigere Mission von beiden. Zum einen weil es darum ging die Station zu retten und bewohnbar zu machen - 14 Tage lang war nicht sicher ob die Besatzung nicht vorzeitig abbrechen sollte. Zum anderen weil der Arbeitsalltag auf der Station mit den durchgeplanten Tagen viel mehr Disziplin erforderte als zwei kurze Spaziergänge auf dem Mond.

Die zweite bemannte Mission sollte die Reparaturen abschließen. Sie startete am 28.7.1973, nur 36 Tage nach der Landung von Skylab 2. Der wichtigste Punkt war die Entfaltung des Schutzschildes. Er sollte zum einen mehr von der Station abdecken, zum andern die unter UV Licht alternde Fläche des Parasolschutzschildes ersetzen. Alan Bean montierte die Stangen bis sie eine Länge von 16.5 m hatten und packten sie zu einem V zusammen. Anders als bei der ersten Mission klappte das Herausschieben und entfalten aus der Luftschleuse problemlos. Schließlich hatte Alan Bean 100 Stunden lang auf der Erde im Wassertank das Vorgehen erprobt und die Ingenieure genug Zeit gehabt die Konstruktion zu perfektionieren Am 5.8.1973 war er entfaltet, die Temperaturen sanken weiter und die Station war endgültig gerettet. Nach 59 Tagen kehrte sie zur Erde zurück.

Die letzte Besatzung konnte nun ihre Aufenthaltsdauer ausdehnen. Man entschied sich für 84 Tage - ein Kompromiss zwischen dem Wunsch nach mehr Erfahrungen über lange Raumzeitaufenthalte und dem medizinischen Risiko derer. Sie musste an der Station nichts mehr reparieren.

Die NASA schloss dann das Kapitel Skylab ab. Dabei gab es durchaus noch Potential. Skylab wurde mit Vorräten an Wasser, Luft, Lebensmitteln und Lagekorrekturgas gestartet. Eine Versorgungen oder das Ergänzen war nicht vorgesehen. Eine weitere Besatzung hätte die Station für mindestens 20 weitere Tage bewohnen können (der Wasservorrat, der am kritischsten war reichte sogar noch für rund 40 Tage). Ebenso gab es ein baugleiches Modell, zwei Saturn V und drei Saturn !B Raketen, mit denen nochmals so viele Manntage im All möglich gewesen wären.

Doch die NASA arbeitete schon an ihrem nächsten Projekt, dem Space Shuttle. Skylab kam dann einige Jahre später nochmals in die Schlagzeilen. Da das Space Shuttle nur Kurzzeitmissionen durchführen konnte schlugen Techniker vor Skylab zu reaktivieren. Dazu musste aber seine Umlaufbahn angehoben werden. Ohne Triebwerke um die Bahn anzuheben sank Skylab laufend ab. Die Lebensdauer im Orbit war für 7-10 Jahre geschätzt, doch ansteigende Sonnenaktivität führte zum Ausdehnen der oberen Atmosphäre und Skylab verlor rasch an Höhe, bevor ein Rettungssystem überhaupt erst gebaut werden konnte verglühte die Station am 11.7.1979 über Australien.

Hipparcos

HipparcosHipparcos war ein Spezialsatellit für die Astronometrie. Die Astrometrie beschäftigt sich mit den Positionen der Sterne, also sozusagen mit der Erstellung von genauen Karten des Himmels. Seine Aufgabe war die sehr genaue Positionsbestimmung (Verbesserung um den Faktor 10-100) von Sternen. 100.000 Sterne sollten vermessen werden. Die besondere Herausforderung war die extreme Ausrichtungsstabilität von 1 Bogensekunden, eine sehr hohe thermische Stabilität, d.h. der Satellit dürfte sich nicht stark erwärmen oder auskühlen, um dies zu erreichen und die hohe Datenübertragungsrate in Echtzeit.

Das Meßprinzip war einfach: Es wurde der Winkel zwischen den Sternen gemessen während sich Hipparcos langsam drehte. Der Satellit war der Form eines hexagonalen Prismas von 3 m Höhe und 1.8 m Durchmesser. Er wog 1140 kg beim Start, wovon 215 kg auf die Nutzlast entfielen. 10 Düsen, die Hydrazin katalytisch ersetzten, stabilisierten die Rotation des Satelliten, der mit 11.25 Umdrehungen/Tag rotierte. Drei Solarpanels von 119 x 169 cm Größe lieferten 380 Watt Strom. 110 Watt brauchte die Nutzlast. Zwei Batterien von je 10 Ah dienten als Puffer für die Phase im Erdschatten. Eine omnidirektionale Antenne im S-Band sandte mit 2.5 Watt Sendeleistung kontinuierlich 24 KBit/sec zur Erde - insgesamt 1000 GBit während der Mission.

Das Hauptinstrument war ein Schmidt-Teleskop von 29 cm Durchmesser und 140 cm Fokuslänge. Es warf das Bild von zwei Feldern von je 0.9 x 0.9 Grad Kantenlänge, 58 Grad voneinander entfernt auf 2 Detektoren von je 2.5 x 2.5 cm Größe. in jedem befanden sich 2688 Schlitze von je 3.2 mm Länge. Darunter gab es Detektoren die das Licht 1200 mal pro Sekunde maßen. Ein Stern passierte das Feld in etwa 20 Sekunden und wurde 80 mal während der Mission erfasst. Über den Lichtverlauf beim Passieren des Detektors konnte man die Position auf 0.0001 Bogensekunden genau erfassen. Die Star Tracker Kameras die zum Ausrichten des Satelliten dienten erlaubten auch Messungen, wobei hier die Genauigkeit bei 0.015 Bogensekunden lag. Zudem bestimmten sie die Helligkeit der Sterne auf 0.01 Größenklassen genau. Dies konnte das Hauptinstrument nicht leisten.

Der Satellit war für eine Betriebszeit von 30 Monaten ausgelegt und wurde am 8.8.1989 mit einer Ariane 44LP in einen 200 x 35986 km hohen Übergangsorbit eingeschossen. Im Apogäum sollte dann der Feststoffantrieb zünden und ihn in eine geostationäre Umlaufbahn befördern. Doch dies gelang nicht. Der Satellit verblieb in einer Bahn die man zuerst für unbrauchbar hielt. Zum einen ändert sich hier die Geschwindigkeit dauernd und die Ausrichtung des Satelliten im Raum, und zum zweiten passiert er bei jedem 10 Stunden Umlauf die Strahlungsgürtel der Erde zweimal, wodurch man eine baldige Beschädigung der empfindlichen Detektoren und anderer Bordsysteme annahm. Weiterhin gab es nun nicht eine dauernde Funkverbindung zur Bodenstation. Dazu wurden vom August bis November drei weitere Bodenstationen in Kourou, Perth und Goldstone hinzugenommen um eine 24 Stunden Verbindung zu erreichen. Weiterhin kamen nun längere Zeiten hinzu in denen der Satellit im Erdschatten lag. Im Laufe des Jahres war mindestens einmal der größte Teil des Orbits im Erdschatten.

Man entschloss sich als Notprogramm erst mal den Satelliten so lange zu betrieben wie es möglich war, rechnete aber nicht mit einer langen Betriebszeit und auch mit deutlich ungenaueren Messungen. Zuerst zündete man die Korrekturtriebwerke um die Bahn auf 526 x 35.900 km anzuheben, so dass der Satellit nicht bald in der Erdatmosphäre verglüht. Der größte Teil des Treibstoffs wurde dazu benötigt, da der Satellit mit Feststoffantrieb nun fast doppelt so schwer war wie wenn dieser im Apogäum ausgebrannt gewesen wäre. 26 der 32 kg Hydrazin zur Lagekontrolle wurden dazu verbraucht. Hier forcierte man das Messprogramm, da man annahm, der Satellit würde vorzeitig ausfallen. Stattdessen arbeitete Hipparcos bis zum 15.8.1993. Dann fiel die Elektronik durch Strahlungsschäden aus. Die operationelle Phase dauerte vom November 1989 bis zum März 1993, also länger als die ursprüngliche Lebensdauer von zweieinhalb Jahren. So konnten die Positionen von insgesamt 118.218 Sterne genau (auf 0.001 Bogensekunden) und 1058.332 weniger genau bestimmt werden. Sowohl die Genauigkeit, wie auch die Anzahl der Objekte übertrafen die Planvorgaben deutlich.

SOHO

SOHOSOHO (SOlar Heliospheric Observatory) ist eine ESA/NASA Raumsonde zur Beobachtung der Sonne. Der Start erfolgte am 2.12.1995 von Rampe 36 am Kennedy Space Center. Es war der erste Start der Atlas IIAS Trägerrakete. Nach einer Reise von 4 Monaten kam SOHO im Librationspunkt L1 an, den er auf einer komplizierten Bahn in einem Raumbereich von 200.000 × 650.000 × 120.000 km (x,y,z Koordinate) umrundet. Ein Umlauf dauert etwa 6 Monate. SOHO befindet sich von der Erde aus gesehen immer 1.5 Millionen km entfernt auf der Verbindungslinie Sonne-Erde. Er kann so auch vor Sonnenstürmen (Teilchenschauer) warnen, aber wegen der hohen Geschwindigkeit der Teilchen von 300-600 km/s nur mit einer Vorwarnzeit von zirka 1 Stunde. Schon bald zeigte sich das SOHO eine besondere Position hatte : Er konnte zahlreiche Kometen entdecken welche die Sonne sehr nahe passierten oder sogar auf ihr aufschlugen. Von der Erde aus waren diese wegen der Helligkeit der Sonne nicht sichtbar.

Nach einer Kommissionsphase von 1 Monat nahmen die Instrumente ihre Arbeit auf. Dies geschah am 14.2.1996, sechs Wochen vor dem geplanten Zeitpunkt. Die 2 jährige Primärmission endete dann im April 1998. Bis dahin hatte SOHO über 2 Millionen Bilder zur Erde gefunkt. Wegen des Erfolgs von SOHO wurde die Mission jedoch verlängert. Kurz nach Ende der Primärmission verlor SOHO am 25.6.1998 die Lagekontrolle, als sie die Sonne aus dem Blickfeld verlor und diese neu anpeilen wollte. Nach 4 Stunden wurde dann auch der Kontakt zu SOHO verloren.

SOHO rotierte um eine Achse bei der die Solarpanel mit der Kante zur Sonne schauten und daher keinen Strom erhielten. So kühlte die Sonde aus und hatte nicht genug Strom um die Erde anzufunken. Auf der Erde schuf man im europäischen Kontrollzentrum ein Notfallteam und benutzte die großen Antennen des DSN und eine 64 m Antenne von Perth um SOHO anzufunken. Am 23.7.1998 konnte man SOHO mit Radar orten. Von der Erde aus konnte man ohne Funkkontakt nichts tun, aber durch die jahreszeitliche Veränderung des Orbits zeigten nun die Solarpanel etwas zur Sonne und SOHO bekam genug Strom, dass man am 3.8.1998 über Perth eine erste Funkverbindung zustanden kam. Es waren allerdings nur kurze Impulse von 2-10 Sekunden Dauer. So erprobte man ohne Rückmeldung blind verschiedene Befehlssequenzen welche die Sonde korrekt ausrichten sollten und eine davon funktionierte und am 8.8.1998 hatte man wieder einen dauerhaften Funkkontakt zu SOHO. Nun musste die Sonde wieder aufgewärmt werden, es war sogar das Hydrazin zu Eis gefroren. Dies geschah ab dem 12.8.1998. Befürchtungen, wonach Systeme der Sonde oder die Instrumente durch die Kälte dauerhaft beschädigt sein konnten bewahrheiteten sich zum Glück weitgehend nicht. Am 16.9.1998 war SOHO wieder auf die Sonne ausgerichtet. Am 5.10 nahm SUMER als erstes Instrument seinen Regelbetrieb wieder auf, am 4.11.1998 waren alle 12 Instrumente wieder aktiv.

Das Einfrieren bewirkte jedoch einen Ausfall von 2 der 3 Gyros an Bord. Als am 21.12.1998 der letzte Gyro ausfiel, arbeitete man eine alternative Ausrichtungsstrategie durch Software aus, welche die fehlerhaften Gyrodaten ignoriert und seit dem 2.2.1999 ist SOHO das einzige dreiachsenstabilisierte Raumfahrzeug, das ohne Gyros arbeitet. Die Gyros dienen dazu die Raumsonde zu drehen.

Nach 5 Jahren weiteren, problemlosem Betrieb gab es am 27.6.2003 das nächste Problem. Die Hochgewinnantenne konnte nicht mehr genau auf die Erde ausgerichtet werden. SOHO umkreist auf einer lang gestreckten Ellipse den L1 Punkt und muss daher die Antenne dauernd der Erde nachführen. Es zeigte sich, dass nun der Motor ab einem bestimmten Winkel der Ausrichtung nicht mehr nachkam. Schon am 30.6.2003 hatte man eine Ausweichstrategie entwickelt. Man nutzte nun die Mittelgewinnantenne und setzte auch den Bandrekorder stärker ein und verwendet auf der Erde eine 34 m Antenne zum Empfang anstatt einer 26 m Antenne. Damit ist der Datenempfang weitgehend gewährleistet. Lediglich alle drei Monate gibt es eine kurze Zeitspanne von 2-3 Wochen in denen nur ein Teil der Daten empfangen werden kann. Dies ist vorgegeben durch die elliptische Umlaufbahn rund um den Halopunkt an deren extremen Enden die Erde außerhalb der Sendekeule der Mittelgewinnantenne ist.

Die Mission ist trotz der Probleme bis Ende 2009 verlängert worden. Die Sonde hat mittlerweile mehr als einen Sonnenzyklus (11 Jahre) die Sonne beobachtet, was vergleichende Untersuchungen zwischen Phasen hoher Sonnenaktivität und niedriger Sonnenaktivität erlaubt. Am 2.12.2005 konnte die ESA feiern: 10 Jahre nach dem Start von SOHO hatte die Raumsonde nicht nur ihre geplante Lebenszeit weit übertroffen, sondern ist auch dreimal gerettet worden.

SOHO konnte nach 10 Jahren eines (weitgehend von der Öffentlichkeit ignorierten Betriebs) folgende Bilanz aufweisen:

Dabei ist SOHO noch in guter Verfassung. Von den 252 Kilogramm Hydrazin zur Lagereglung sind noch 118 übrig und die Sonnenzellen haben nur um 18.04 % an Leistung verloren. Damit kann die Raumsonde zumindest was den verfügbaren Strom und Treibstoff angeht noch sehr lange betrieben werden. Zuletzt wurde die Mission bis Dezember 2009 verlängert.

Huygens

HuygensHuygens war eine Titan Landesonde, welche über den Orbiter Cassini Daten vom Abstieg auf den Saturnmond Titan zur Erde senden sollte. Nach dem gemeinsamen Start am 15.10.1997 von Cassini und Huygens mit einer Titan 4B verlief die Reise von Huygens zuerst ereignislos, während Cassini eine Reihe von Manövern, Vorbeiflügen an Venus und Erde und ab Oktober 2000 auch Beobachtungen von Jupiter durchführte. Huygens wurde lediglich alle 6 Monate durchgecheckt.

Im Februar 2000 stellte man bei einer der Routineüberprüfungen von Huygens, die zweimal im Jahr stattfinden, fest, das der Empfänger für die Daten von Huygens an Bord von Cassini einen folgenschweren Fehler hat. Bei dem Senden von simulierten Daten von der Erde aus an den Empfänger an Bord von Cassini kamen nur etwa 10 % der Daten an. Durch Fehlfunktion eines integrierten Schaltkreises hat dieser eine zu geringe Bandbreite. Cassini bewegt sich relativ zu Huygens auf einer Bahn an Titan vorbei und diese Geschwindigkeit führt zu einer Doppelverschiebung des Signals. Dadurch liegt das Signal das Cassini empfängt außerhalb des Bereichs den der Empfänger nutzen kann. Man hatte das Programm für den Empfang leider fest in einem festprogrammierten Baustein, einem PROM abgelegt und konnte es so nicht mehr im Nachhinein ändern. So lauschte der Empfänger für die Daten Huygens an einem falschen Empfangsbereich. In gewisser Weise hatte man es also mit einem sehr ähnlichen Fehler wie bei Voyager 2 zu tun, nur war der Empfangsbereich etwas größer. Trotzdem würde dies bedeuten, dass bei der geplanten Mission Cassini einen großteil der Daten nicht würde empfangen können.

Der Empfänger kam von der ESA, die danach ziemlich ratlos war. Gefertigt wurde er von der italienischen Firma Alenia Spatizio. Diese wollte den Empfänger besonders stromsparend auslegen und hat dadurch den Empfangsbereich begrenzt, leider ohne die Dopplerverschiebung zu berücksichtigen. Der Empfangsbereich war festverdrahtet und nicht durch ein Programm veränderbar. Die einzige Maßnahme die es gab, war es die relative Geschwindigkeit beider Sonden zu ändern. Man erarbeitete bis Juli 2001 einen Rettungsplan.

Nach dem ursprünglichen Plan hätte Cassini Titan in 1200 km Höhe passiert. Durch Verschieben des nächsten Punktes auf 65000 km Entfernung ist die Relativgeschwindigkeit von Cassini erheblich geringer, allerdings verbraucht Cassini dadurch etwas mehr Treibstoff beim Einbremsen in den Orbit so dass, der Resttreibstoffvorrat nach Ende der Primärmission um 1/3 - ¼ geringer ist.

Start Cassini-huygensDies hat allerdings auch den Zeitplan verändert. Nach dem Einschwenken in eine Umlaufbahn um den Saturn am 1.7.2004, sollte die Sonde am 27.11.2004 beim ersten nahen Vorbeiflug auf Titan landen, Dieser Zeitpunkt ist nun auf den 14.1.2005 gerutscht. Dadurch ergab sich aber die Möglichkeit die ersten beiden Vorbeiflüge zur Titan Erkundung zu nutzen. Vor allem der zweite Vorbeiflug am Titan am 13.12.1004 war wichtig, da bei diesem Cassini die Landestelle von Huygens einsehen kann. Cassini hat dazu die Bahn des ersten Orbits verändert. Anstatt 148 Tagen hat diese nur eine Umlaufszeit von 116 Tagen. Dies braucht mehr Treibstoff erlaubt es aber den Flugplan nach dem 14.1.2005 an den alten anzupassen. Nach den ersten Beobachtungen von Iapetus hat man die Distanz für einen Vorbeiflug an Iapetus am 31.12.2004 verdoppelt, weil sich zeigte, dass man dessen Bahn nicht genau genug kannte und weil man seine Masse auch nicht gut kennt wollte man vermeiden, dass er die Bahn von Huygens verändert.

Der erste Titanvorbeiflug am 2.7.2004, noch in 354000 km Entfernung war die letzte Gelegenheit noch den Abstieg von Huygens anzupassen. Man sondierte bei diesem Vorbeiflug vor allem die Atmosphäre bis in 400 km Höhe. Die Messdaten passten gut zu den Modellen auf denen Huygens Abstieg beruhte.

Während Cassini nun jeden Tag Bilder von Saturn und Messergebnisse zur Erde liefert, blieb Huygens eine passive Sonde. Sie wird nun nur öfters durchgecheckt, als während des Fluges zum Saturn. Am 19.9.2004 gab es eine wichtige Untersuchung: Sind die Lithiumsulfoxid Batterien über die 7 Jahre dauernde Reise gealtert und haben an Leistung verloren? Der Test ergab, dass alle Batterien gesund und funktionsfähig sind.

Der erste Vorbeiflug von Cassini an Iapetus am 22.10.2004 zeigte allerdings, dass man die Bahn des Mondes nicht so gut kannte, wie erwartet. Seine Position lag um mehr als ein halbes Grad neben der berechneten, was dazu führte, dass die Telekamera von Cassini mit ihrem Blickfeld von 0.35 Grad zeitweise nur den Himmel fotografierte. Da man auch die Masse von Iapetus nur schätzen konnte (Keine Raumsonde näherte sich bislang ihm mehr als auf 1 Million km) änderte man den Flugplan für den ersten nahen Vorbeiflug an Iapetus. Am 31.12.2004 passieren Cassini und Huygens (dann schon getrennt) im Tandem Iapetus. Damit dieser Huygens Bahn nicht mehr von Iapetus beeinflusst wurde die Vorbeiflugdistanz von 62300 auf 121100 km für Huygens angehoben. Cassini nähert sich auf 117500 km anstatt 55200 km. Somit ist durch die höhere Distanz die Bahnbeeinflussung sehr klein und ein sicherer Eintritt in die Titanatmosphäre gewährleistet.

Es war ein langer Tag für Europas Raumfahrt und alle Raumfahrtinteressierten als am 14.1.2005 Huygens dann landete. Alle folgenden Daten sind auf Erdempfangszeit umgerechnet. Um 11:13 MEZ sollte Huygens in die Atmosphäre eintreten. Nach der Abtrennung des Hitzeschutzschildes um 11:18 sollte Huygens zu senden beginnen. Um 11:25 empfing das Radioteleskop bei Jordell Bank das erste Signal von Huygens. . Man konnte zwar keine Daten aus diesem schwachen Signal extrahieren, aber durch die Dopplerverschiebung die Geschwindigkeit bestimmen und danach klappte das Entfalten der Schirme. Nun hieß es nur weiter horchen und horchen und horchen. Als sich Cassini um 14:47 wegdrehte sandte Huygens noch immer: Die Sonde hatte nach 2 Stunden die Oberfläche erreicht und nicht nur 30 Minuten überlebt, sondern die ganze Kommunikationssession (hätte man Cassini noch etwas weiter an Saturn vorbeilenken sollen um noch mehr Zeit zu bekommen ?) Die Wissenschaftler waren begeistert: "Wir haben die Batterien für maximal 6 Stunden Betriebsdauer ausgelegt, doch niemand von uns hätte gedacht, dass die Sonde so lange auf Titan überlebt". Auf der Erde empfing man noch um 16:55 Signale von Huygens, dass war 5 Stunden 48 Minuten nach T0 ! Damit war schon bevor die Daten über Cassini auf der Erde eintrafen klar, dass die anspruchsvollste Atmosphärenmission bislang: Die Landung auf einem Himmelskörper, der 7 mal weiter von der Sonne entfernt ist als der Mars, so kalt, das irdische Luft größtenteils zu Flüssigkeit kondensieren würde und noch völlig unbekannt ist geklappt hat. Dies war ein großer Tag für die ESA und die Weltraumfahrt auf der ganzen Erde.

Es zeigte sich, dass die Landung ein voller Erfolg war, obwohl es auch hier nochmals einen Defekt gab: Es wurde nur ein Empfangskanal auf Cassini durch Funkkommando aktiviert. Huygens sandte die meisten Daten redundant auf beiden Kanälen, schließlich gab es keine Möglichkeit diese erneut zu gewinnen. Eine Ausnahme waren die Bilder der Kamera DISR, welche beim Abstieg die Oberfläche aufnahm. Hier gingen rund 350 Bilder verloren. Die Bewegung der Sonde an den Fallschirmen bewirkte zudem einen Drift, den man bei den Computerprogrammen erst einbauen musste um Fotomosaike zu erstellen. So kamen Amateure, welche die Bilder mit Photoshop überlagerten in den Genuss die ersten Mosaike er Titanoberfläche zu veröffentlichen.


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

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