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Sakigake und Suisei

Einleitung

Der Besuch des Kometen Halley im Jahre 1986 war für Europa und Japan der Einstieg in die interplanetare Raumfahrt. Während die Giotto Mission der ESA heute noch in der Erinnerung vieler verankert ist, sind die beiden japanischen Raumsonden Sakigake und Suisei heute weitgehend vergessen. Dieser Aufsatz hat diese Sonden zum Thema.

Die Raumsonden

Sakigake RaumsondeSakigake und Suisei waren identische Raumsonden mit Startmassen von 138.1 kg (Sakigake) und 139.5 kg (Suisei). Die Raumsonden unterschieden sich jedoch in der Instrumentierung. Wie in Japan üblich, hatten beide Sonden einen Projektnamen und wurden erst nach dem gelungenen Start offiziell getauft. Vor dem Start liefen die Sonden unter der Bezeichnung MS-T5 und Planet A. Nach dem Start bekamen Sie die Namen Sakigake (Pionier) und Suisei (Komet). Sakigake war als Testexemplar gedacht, weil die My-3 SII Trägerrakete noch nie erprobt wurde. Suisei (Planet A) war das eigentliche Flugexemplar.

Die Sonden waren spin-stabilisierte Zylinder, die in Größe und Masse an die Tiros Wettersatelliten erinnerten. Der Durchmesser betrug 140 cm, die Höhe 70 cm. Mit den beiden Antennen betrug die Gesamthöhe 251 cm. Solarzellen an der Manteloberfläche geben eine Leistung von maximal 100 W ab. Die Spinnstabilisierung ist in zwei Raten einstellbar: Auf 6.3 und 0.2 Umdrehungen pro Minute. Dies war nötig weil die Experimente unterschiedliche Anforderungen an die Rotationsgeschwindigkeit hatten. Dazu diente ein Schwungrad, das beschleunigt und abgebremst wurde. Ein Motor rotiert die zentrale Kommunikationsantenne von 1 m Durchmesser in die entgegengesetzte Richtung, so dass diese nicht mitrotiert. Diese Technik setzten die USA auch bei dem Pioneer Venus Orbiter ein. Die Rotationsachse war senkrecht zur Ekliptik orientiert, so dass die Experimente in die Ekliptik schauten.

Katalytisch zersetztes Hydrazin wird sowohl für die Lagekontrolle wie auch die Veränderung der Bahn benutzt. Zentrales Triebwerk für letztes ist ein 3 Newton Triebwerk. Es standen 10 kg für Kurskorrekturen zur Verfügung. Die Ermittlung der Lage geschieht durch Stern- und Sonnensensoren.

Für die Kommunikation gab es 3 Antennen. Eine parabolische Hochgewinnantenne (HGA) von 80 cm Durchmesser. Sie hatte einen Gewinn von 21.5 dB im Uplink und 22.4 dB im Downlink Strom. Gesendet wurde im S-Band mit einer Sendeleistung von 5 Watt. Für den Betrieb nahe der Erde gab es zwei weitere Antennen die benutzt wurden solange die HGA nicht permanent auf die Erde ausgerichtet war. Eine stabförmige Mittelgewinnantenne die nach unten ragte und eine Niedriggewinnantenne an der gegenüberliegenden Seite. Es gab zwei Datenraten von 2048 und 64 Bit/sec. Bei Halley konnte aufgrund der Entfernung nur die niedrigere der beiden Datenraten genutzt werden. Suisei sandte Daten in 2 und Sakigake in 4 verschiedenen Datenformaten.

Beide Sonden hatten primär technologischen Charakter und sollten Japan das Know-How für den Bau und Betrieb von Raumsonden vermitteln. Daher waren die Sonden relativ einfach aufgebaut und die wissenschaftlichen Ziele nicht sehr hoch gesteckt (z.B. keine nahe Passage von Halley). Es wurden zwei Sonden gebaut, damit zumindest eine Halley erreichen konnte.

Die Experimente

Susi trug nur ein zwei Experimente, eine UV Kamera (UVI) und ein Experiment zur Messung des Sonnenwinds (SOW) mit einem Gewicht von 9.5 kg an Bord. Sakigake hatte drei Experimente: Ein Plasma Experiment, ein Magnetometer und ein Experiment zur Messung von Plasmawellen in einem Gesamtgewicht von 15.1 kg an Bord. Limitierend für die Experimente war nicht das Gewicht, sondern der verfügbare Strom: Suisei hatte 10 Watt und Sakigake 9.4 Watt für Experimente zur Verfügung. Beide Sonden waren für eine Untersuchung des interplanetaren Raums ausgelegt. einziges spezifisches Instrument zur Untersuchung von Kometen war die UV Kamera UVI.

UVSUltraviolet Imager (UVI)

Dieses Experiment an Bord von Suisei hatte die Aufgabe Aufnahmen der Koma des Kometen Halley im UV zu machen. Dabei wurde die Lyman Alpha Linie, in der atomarer Wasserstoff leuchtet, (bei 121.6 nm) als Wellenlänge gewählt. Das Experiment bestand aus einem Teleskop, einem UV Filter und einer mit der Rotation der Sonde synchronisierten Kamera mit CCD als Detektoren. Eine UVII Photokathode mit KBr als empfindlicher Schicht verstärkte das Signal, dass dann auf den CCD geleitet wurde. Dies war nötig, da die UV Empfindlichkeit von CCD relativ schlecht ist.

Für die Aufnahmen musste die Raumsonde auf 0.2 Umdrehungen pro Minute verlangsamt werden. Dann wurde das Bild auf dem CCD zeilenweise generiert und mit der Rotationsgeschwindigkeit der Sonde synchronisiert wurden die CCD Zeilen verschoben. Das digitale Bild wurde dann im Bordcomputer abgelegt. Jedes war nur 122 x 153 Pixel groß bei 8 Bit pro Pixel. Das Anfertigen einer Scanzeile dauerte 5 Minuten, maximal 20 Bilder pro Tag waren möglich.

Bei einer fokalen Länge des Refraktor Teleskops von 100 mm betrug das Gesichtsfeld 2.5 x 2.5 Grad. Ein 45 Grad Winkel sorgte dafür, dass die Kamera nicht zur Seite, sondern nach vorne zeigte. Er konnte nach der Passage gedreht werden, so dass die Kamera nach hinten zum Kometen schaute. Das Experiment wog 7.5 kg und verbrauchte 8.9 Watt an Strom

Solar Wind Experiment (SOW)

Dieses Experiment von Suisei sollte die Plasmatemperatur des Sonnenwindes und die Geschwindigkeit des Sonnenwindes im interplanetaren Raum und nahe Halley bestimmen. Dazu wurde eine Faraday Cup von 90 mm Durchmesser als Detektor verwendet. Damit in diese Falle nur bestimmte Teilchen gelangten gab es zwei Gitter vor und hinter der Falle. An diese wurde eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von 400 Hz angelegt, die zwischen 0 und x Volt schwankte. Die angelegte Spannung x konnte zwischen 40 und 1.5 keV gewählt werden. Dadurch wurden Teilchen mit einer Spannung zwischen 0 und x V detektiert. Zwei weitere Gitter waren geerdet und auf -100 V gelegt um Spannungslecks und durch Licht induzierte Spannungen nicht zu detektieren.

Das Instrument empfing Sonnenwind ±60 Grad um die Spinachse der Sonde. Eine Messung erfolgte 256 mal pro Umdrehung, so dass die Auflösung in der Spinnachse 1.4 Grad betrug. Die Empfindlichkeit lag bei 2 x 10-12 A bis 1 x 10-8 A.

Das Experiment wog 2 kg und hatte einen Stromverbrauch von 1.1 Watt.

Plasma Experiment (ESP)

Dieses Experiment der Raumsonde Sakigake bestimmte die dreidimensionale Verteilung des Sonnenwindes ± 30 Grad um die Ekliptik. Dazu wurde ein Elektrostatischer Analysator verwendet. Ionen und Elektronen traten durch einen röhrenförmigen Kollminator ein und wurden durch den elektrostatischen Analysator um 270 Grad umgelenkt und durch die angelegte Spannung nach Ladung und Masse aufgetrennt. Nach Passage des Analysators wurden die Elektronen durch eine angelegte Spannung von 250 V und Ionen durch eine Spannung von 2500-3500 V beschleunigt. Detektoren waren Microchannel Plates (MCP). Ionen und Elektronen wurden getrennt durch zwei verschiedene Detektoren erfasst. Es gab 5 Sektionen von je 12 Grad Breite. Das Detektorsignal wurde verstärkt und dann die Anzahl der Ereignisse in 19 Bit Zählern gemerkt. Der Inhalt dieser wurde auf 8 Bit komprimiert und an den Bordcomputer übertragen. Die Auflösung des Instrumentes betrug 5.625 Grad in der Spinachse und 22.5 Grad quer dazu. Für hochauflösende Messungen wurde öfters gescannt und das Instrument in 24 Schritten quer zur Achse bewegt. Mit 96 Einzelmessungen kam man so auf eine räumliche Auflösung von 1.40625 x 5.625 Grad.

Im Datenmodus bei 2048 Bit/sec wurde die dreidimensionale Verteilung von Ionen und Elektronen alle 5 Sekunden bestimmt. Beim Datenmodus mit 64 Bit/sec war es nur möglich die zweidimensionale Verteilung (nur zählen der Ereignisse, nicht notieren des Detektors) alle 512 Sekunden zu ermitteln. Es gab 4 Messmodi die sich in der räumlichen Auflösung und der Messgrenze unterscheiden. Erfasst wurden Ionen und Elektronen mit Energien von 0.03 - 15.8 keV. Das Experiment wog 4.7 kg und hatte einen Stromverbrauch von 4.9 Watt.

Siolar Wind ExperimentMagnetometer (IMF)

Das Fluxgate Magnetometer an Bord von Sakigake maß das interplanetare Magnetfeld und in der Umgebung von Halley. Es bestand aus drei Ringkernmagneten in allen 3 Raumachsen und konnte Magnetfelder von mindestens 1 nT Stärke mit einer Auflösung von 1 nT detektieren. Das Magnetometer befand sich an einem 2 m langen Mast der 1 Tag nach dem Start entfaltet wurde. Die Distanz war nötig um Störungen durch das eigenmagnetfeld der Sonde zu vermeiden.

Es gab zwei Messbereich von ±64 und ±128 nT. Für beide Messbereiche gab es zwei Digitalisierungsformate von 8 und 12 Bit (Auflösungen von 0.03125 -1.0 nT, je nach Modus und Bitbreite). Zusammen mit den beiden Telemetrieraten ergaben sich so insgesamt 16 Datenmodi die sich in Messbereich, Auflösung und Messfrequenz von 1/32 bis 4 Sekunden unterschieden. Bei Halley waren nur Messungen alle 1-4 Sekunden möglich. Das Magnetometer wog 5.4 kg und hatte einen Stromverbrauch von 2.8 Watt.

Plasma Wave Probe (PWP)

Das letzte Experiment an Bord von Sakigake untersuchte die vom Plasma ausgesandten elektromagnetischen Wellen. Empfänger war einerseits eine 10 m lange Dipolantenne aus 2 Antennen von je 5 m Länge zum Empfangen von Radiowellen zwischen 70 Hz bis 196 KHz. Zum anderen gab es eine Suchkeule zum Detektieren der Magnetischen Komponenten des Plasmafelds, bestehend aus einem 5 mm durchmessenden Ferritkern umhüllt mit 100.000 Drahtwindungen. Die Signale wurden verstärkt durch einen Verstärker mit einer Empfindlichkeit von 5 pT für das magnetische Feld und 0.1 µV für das elektrische Feld.

Ein gemeinsamer Empfänger für magnetische und elektrische Wellen durchlief nacheinander den Frequenzbereich von 4 kHz bis 200 KHz in 128 Schritten von je 2 KHz Breite. Die Intensität in jedem 2 KHz Bereich wurde durch einen 32 Kanal Spektrumanalysator gemessen. (Je 16 Kanäle für die Suchkeule und die Dipolantenne). Jeder Kanal hatte eine Breite von 15 % der Zentralfrequenz. Das Signal wurde digitalisiert in 12 Bit Worten, wobei der Wandler logarithmisch wandelte, also empfindlicher für schwache Signale war. Das Plasmawellen Experiment wog 5.2 W und hatte einen Stromverbrauch von 1.7 Watt.

Die Mission

My 3SII Trägerakete vor dem StartBeide Sonden starteten mit demselben Modell der My Serie, der Trägerakete My 3SII. Für Sakigake und Suisei waren es die ersten beiden Einsätze dieses Modells. Sakigake startete am 8.1.1985, Suisei am 18.8.1985. Der Grund, warum die Suisei 7 Monate nach Sakigake startete, lag an der japanischen Fischindustrie. Diese hat in Japan sehr großen Einfluss und fischt mit Kilometer langen Treibnetzen das Meer rund um Japan leer. Beim Aufstieg nach dem Start vom Raumfahrtzentrum Tanegashima fallen die ausgebrannten Feststoffbooster der Raketen in das Meer. Dabei können diese die Treibnetze beschädigen. Es gibt daher ein Abkommen der japanischen Weltraumorganisation ISAS, welche die Raketen startet, mit der Fischereiindustrie, dass Starts nur in den Monaten Januar / Februar und August / September möglich sind.

Daneben erlaubte der zeitliche Unterschied eine Nachbesserung der My 3SII Trägerrakete, falls der Start von Sakigake gescheiter wäre. Beide Sonden wurden ohne Verwendung einer Parkbahn direkt in eine Interplanetare Bahn gebracht, eine Vorgehensweise die energetisch ungünstiger und riskanter ist, als die Verwendung einer Parkbahn. Dies war aber durch die Verwendung von reinen Feststoffraketen (ohne die Fähigkeit der Wiederzündung) notwendig.

Nach dem Start wurde die Drehung der Sonde zuerst mit ihren Korrekturdüsen von 120 auf 30 Umdrehungen pro Sekunde reduziert. Die weitere Reduktion geschah dann durch das Schwungrad auf 6.3 Umdrehungen pro Sekunde.

Einen Tag nach dem Start entfaltete Sakigake das Magnetometer und einen Monat später die 10 m lange Dipolantenne. Einen Monat lang wurden die Systeme der Raumsonde getestet und dann begannen die wissenschaftlichen Messungen. Sakigake machte nach dem Start am 10.1.1985 und 14.2.1985 zwei Kurskorrekturen, die sie auf 7.6 Millionen km an Halley heranführte. Der Vorbeiflug fand am 11.3.1986 in der relativ großen Distanz von 6.99 Millionen km zu Komet Halley statt. Ihre Messungen vervollständigten das Bild um Halley, doch die Experimente maßen zum einen mehr Parameter des interplanetaren Feldes und zum anderen kam die Sonde nicht richtig nahe an Halley heran.

Suisei begann schon am 6.11.1985 mit UV Messungen und machte 6 Bilder pro Tag. Halley war zu diesem Zeitpunkt noch 0.85 AE von der Sonde entfernt. 8 Stunden pro Tag gab es Funkkontakt und die Bilder wurden übertragen. Dabei rotierte die Sonde mit 6.3 Umdrehungen pro Sekunde. Danach (die Sonde war nun außerhalb des Empfangsbereichs der 64 m Bodenstation in Usuda, 160 km von Tokio entfernt) wurde die Rotation auf 0.2 Umdrehungen pro Minute gesenkt. Dies dauerte 5-10 Minuten. es schloss sich die Aufnahme von 6 Bildern an, die in einem 1 MBit Magnetblasenspeicher abgelegt wurden. Danach wurde die Sonde über 30 Minuten wieder "hochgespinnt" auf 6.3 Umdrehungen pro Minute. Während der 8 Stunden wurde der Speicher bei 64 Bit/sec in 4 Stunden ausgelesen. Es schlossen sich dann 4 Stunden Messungen des Sonnenwundexperimentes an.

Bahn der SondenEine Kurskorrektur am 14.11.1985 führte sie näher an den Kometen heran als ihre Schwestersonde. Am 8.3.1986 näherte sich die Raumsonde bis auf 152400 km an den Kern von Halley auf der sonnenzugewandten Seite. Die Sonde wurde dabei nur zweimal von Staub getroffen. Beide Partikel hatten etwa 1 mm Durchmesser. Zum Vergleich: Die europäische Raumsonde Giotto, die sich bis auf 600 km an den Kometen näherte wurde von 12000 Teilchen getroffen. Die Messungen wurden fortgeführt bis Mitte April 1986, als Halley schon wieder 1.39 AE von der Sonne entfernt war.

Damit hatten die Raumsonden ihre primäre Mission erfüllt. Die japanische Weltraumorganisation ISAS wollte beide Raumsonden zu neuen Zielen führen, ähnlich wie dies die Europäer mit Giotto vorhatten. Allerdings waren die Sonden auf ungünstigeren Bahnen als Giotto, welche sich automatisch nach 5 Jahren wieder der Erde nähert.

Bei Sakigake konnte der Vorbeiflug erst am 8.1.1992, sieben Jahre nach dem Start stattfinden. Die Sonde passierte die Erde in 88.977 km Entfernung. Dies war aber zu weit entfernt um den Kurs gravierend zu ändern, erlaubte aber die Untersuchung des Geotails der Erde. Zwei weitere Vorbeiflüge am 14.6.1993 in 40 Erdradien (254.840 km) und 28.10.1994 in 86 Erdradien (547.900 km) Entfernung, erlaubten weitere Messungen, beeinflussten die Bahn aber nicht mehr.

Danach hatte man kaum noch Hydrazin für die Kurskorrektur und musste Pläne aufgeben, die Sonde zu weiteren Zielen zu schicken. Sakigake sollte den Kometen P/Honda-Mrkos-Pajdusakova am 3.2.1996 in 10000 km Entfernung und den Kometen P/Giacobini-Zinner am 29.11.1998 in 14 Millionen km Entfernung zu passieren. Durch Verlust der Lageregelung driftete die Antennenausrichtung von der Erde weg. Am 15.11.1995 konnte man keine Telemetrie mehr aus dem Signal von Sakigake mehr extrahieren. Die Raumsonde war zu diesem Zeitpunkt 106 Millionen km von der Erde entfernt. Ein schwaches Signal war noch bis zum 17.1.1999 zu empfangen, dann verstummte die Sonde endgültig.

Zwischen dem 5 und 10 April 1987 zündete Suisei 15 mal ihr 3 Newton Triebwerk und beschleunigte dabei um 65 m/s, um sich so am 20.8.1992 bis auf 60000 km an die Erde zu nähern und dabei Schwung aufzunehmen für eine Begegnung mit dem Kometen P/Giacobini-Zinner am 24.11.1998. Noch später war eine Begegnung (in einer Distanz von mehreren Millionen km Entfernung) mit dem Kometen P/Tempel-Tuttle am 27.2.1999 geplant.

Dabei verbrauchte die Raumsonde aber so viel Hydrazin, dass die Lageregelung aufgrund Mangels an nutzbarem Hydrazin schon am 22.1.1991 versagte und der Funkkontakt verloren ging. Bahnanalysen zeigten, das die Sonde am 20.8.1992 die Erde in 900.000 km Entfernung passiert haben musste.

Damit hatten die Japaner Pech mit den erweiteten Missionen ihrer Sonden, beide Sonden erfüllten jedoch ihren primären Zweck als Technologische Mission und komplettierten die Messungen der internationalen Halley Beobachtungen im Jahre 1986.

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