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Ulysses

Einleitung

Ullysus MissionDie Idee für eine Sonde welche die Ekliptik verlässt und die Pole der Sonne erforscht gab es schon recht früh. Die ersten Entwürfe gingen auf das Jahr 1959 zurück. Doch erst Ende der siebziger Jahre rückte das Vorhaben bedingt durch schubkräftigere Raketen und eine präzise Navigation (benötigt für das Swing-By) in die praktische Realisierung.

Ulysses wechselvolle Geschichte

Die ESRO untersuchte ab 1974 gemeinsam mit der NASA zuerst in einer Studie eine gemeinsame Mission über die Sonnenpole. Sie wurde im April 1977 abgeschlossen und kam zu dem Ergebnis, dass man eine gemeinsame Mission durchführen könnte, die im November 1977 als "Out of Ecliptic" (OOE) Projekt dem ESA Wissenschaftsrat vorgeschlagen und im Februar 1978 formell als ESA Projekt übernommen wurde.

Am 29.3.1979 unterzeichneten die NASA und die ESA ein Abkommen, indem sie den Bau zweiter Raumsonden beschlossen, welche die Pole der Sonne untersuchen sollten. Das Programm wurde auf Vorschlag der NASA nun ISPM (International Solar Polar Mission) genannt. Es hatte das Ziel zwei Sonden mit einer dreistufigen IUS Oberstufe zum Jupiter zu schicken. Dieser würde diese in Bahnen umlenken die zu 80° zur Ekliptik geneigt waren. Bei der Sonne angekommen könnten diese Sonden dort die polaren Regionen untersuchen, welche von der Erde aus nicht beobachtbar sind.

Die Instrumentierung wäre bei beiden Sonden zum Teil identisch gewesen. Zum anderen gab es Experimente die es nur auf jeweils einer Sonde gab, so einen koronographen an Bord der US Sonde und Experimente zum Nachweis von Gammastrahlenausbrüchen auf der ESA Sonde. Es wären jeweils die Hälfte der Experimente aus Europa und die andere aus den USA gekommen. Eine Sonde wäre bei der Passage über dem Südpol gewesen, während die andere zur gleichen Zeit am Nordpol war, so dass man sehr gut die Ergebnisse vergleichen könnte. Man könnte so "stereographische" Beobachtungen der beiden Sonnenpole durchführen. Als Starttermin war der Februar 1983 vorgesehen. Schon beim Beginn des Projektes 1977 gab es jedoch Probleme mit der NASA, die nicht sofort den Bau beginnen wollte, da zum einen die Haushaltslage angespannt war und zum anderen der Space Shuttle in der Entwicklung hinterherhinkte. Die ESA wollte 1978 starten, die NASA 1979. So einigte man sich auf einen Start des Programms im Jahre 1979.

Doch kam es im April 1980 schon zur ersten Verschiebung. Es musste der Starttermin durch Probleme bei der Entwicklung des Space Shuttles um 2 Jahre auf den April 1985 verschoben werden. Die ESA musste nun entscheiden wie man damit umgehen sollte. Es gab 3 Möglichkeiten :

  1. Die Entwicklung stoppen und nach 2 Jahren wieder aufzunehmen
  2. Die Entwicklung zu verlangsamen, so dass sie länger dauert
  3. Die Sonde nach Plan fertig zustellen und einzulagern

Plan 1 bedeutete das Risiko das Personal vom Projekt abwanderte und später nicht zur Verfügung stand. Plan 2 bedeutete dagegen eine Kostensteigerung durch den gestreckten Zeitplan, so kam man darauf den Plan 3 zu verwirklichen. Man dachte nun wären die Probleme beseitigt und die NASA könnte durch die 2 Jahre Verzögerung die Raumsonde später beginnen und so ihren Finanzproblemen begegnen. Schon 1 Jahr später änderte sich die Situation erneut.

Als Reagan seine Rolle als Präsident spielte strich der Etat für planetare Missionen zusammen. Vertragswidrig strichen die USA ihre Raumsonde im September 1981 um 250-300 Millionen USD einzusparen. Dies ist nicht der einzige Fall. Auch ein Gegenstück zu Giotto fiel dem Sparzwang zum Opfer. Selbst die zu 90 % fertig gestellte Raumsonde Galileo sollte 1982 gestrichen werden. Gleichzeitig rutschte der Starttermin um weiteres Jahr

Die ESA und NASA hatten ein "Memorandum of Understanding" (MOU) unterzeichnet, jedoch kein internationales Abkommen (Intergovernmental Agreement). Das bedeutet dass sich zwar beide Partner bemühten eine Sonde zu bauen, jedoch keine Verpflichtung daraus entstand und auch keine Schadenansprüche geltend zu machen waren. Die ESA hat daraus gelernt und schließt seitdem keine MOU mehr ab.

Die NASA war bemüht um Schadensbegrenzung und es wurde vereinbart, dass die NASA für die Gegenleistung, dass nach wie vor die Hälfte der Experimente von der NASA gestellt wurde Ausgleich leistete. Die NASA kam für die RTGs und den Start auf und stellte das Deep Space Network zur Kommunikation zur Verfügung. So baute die ESA eine Sonde und die Experimente stammen zur Hälfte aus den USA und zur Hälfte aus Europa.

Im Herbst 1983 war ISPM fertig und wurde nach Tests eingelagert. Die Experimente wurde demontiert und zu den Instituten die sie bauten zurückgeschickt.

Die Sonde wurde nach dem Vorschlag von Prof. Bruno Bertotti von der Universität von Pavia im Jahre 1984 Ulysses nach dem griechischen Held Ulysses aus Dantes "Inferno" benannt.

Im Januar 1986 wurde die Sonde nach mehr als zweijähriger Lagerung ins Kennedy Space Center gebracht. In die Tests und die Integration der Experimente platzte dann die nächste Katastrophe herein: Die Challenger explodierte am 28.1.1986 nach 72 Sekunden Flug. Wieder war der Starttermin von Ulysses ungewiss. Wiederum wurden die Experimente entfernt und zu den Principal Investigators (PI) zurückgesandt, den Leitern eines Teams von Wissenschaftlern welche die Experimente entwickelt hatten.

Nach Challenger traute sich die NASA nicht mehr zu 2 Planetensonden in einem Jahr auf die Reise zu schicken (anders als bei Satellitenstarts muss dazu ein Startfenster genau eingehalten werden) und man verhandelte wer als erstes startete. Im Jahre 1987 wurde vereinbart, dass Ulysses 1990 starten würde und Galileo 1989. Mitte 1989 wurde die Sonde erneut aus der Lagerung geholt, die Experimente bis auf die ausfahren Maste integriert und zum Cape verschifft. Dort wurden die ausfahrbaren Masten anmontiert, die Sonde befüllt und getestet.

Ulysses kostete insgesamt 750 Millionen DM, davon entfielen jeweils 300 Millionen auf den Bau der Sonde und den Start mit einem Space Shuttle und der IUS/PAM-D Oberstufe. Die USA stellten dafür, dass sie Hälfte der Experimente aus den USA stammten auch den RTG der Sonde und die Bodenunterstützung mit den 34 m Antennen des Deep Space Networks. Weitere 110 Millionen DM kosteten die Experimente. Der Rest entfiel auf die Missionsdurchführung. Die Verzögerungen im Zeitplan waren Hauptgrund, dafür dass die Kosten für den Bau der Sonde von 132.4 auf 167.5 MAU (Million Accounting Units, eine interne Rechnungseinheit der ESA) anstiegen. 1 MAU entsprach 1.90 DM.

Die Odyssey der Startstufe

Von Anfang an stand fest dass der Space Shuttle die Sonde starten würde. Doch die Oberstufe wechselte einige Male während der Entwicklung.

Datum Anzahl der Sonden Anzahl der Starts Startdatum Kombination
April 1977 2 1 Februar 1983 Vierstufige IUS
April 1980 2 1 Februar 1983 Dreistufige IUS spinstabilisiert
Juni 1980 2 2 April 1985 Dreistufige IUS spinstabilisiert
Juli 1980 2 2 April 1985 Dreistufige IUS dreiachsenstabilsiert
Januar 1981 2 1 April 1985 Centaur/Star 48
September 1981 1 1 Mai 1986 Centaur
Dezember 1981 1 1 Mai 1986 IUS + Injection Module
September 1982 1 1 Mai 1986 Centaur
Juli 1986 1 1 Oktober 1990 IUS / PAM-S

Die ersten Änderungen bis zum Juli 1980 lagen vor allem daran, dass man die genauen Daten und die Performance der IUS nicht kannte. Zuerst wollte man beide Sonden gemeinsam starten indem man 2 IUS Stufen hintereinander schaltete. Die IUS wurde jedoch zu schwer, so dass man auf eine modifizierte IUS auswich, bei der eine Stufe doppelt vorhanden war. Erst sehr spät änderte die USAF das Konzept der IUS von Spinstabilsierung auf Dreiachsenstabilsierung. Die Perfromance reichte nun nicht mehr aus beide Sonden gleichzeitig zu transportieren.

1981 schlug man dann vor die Centaur zu verwenden. Diese Stufe wurde für die Galileo Mission modifiziert. Sie hätte beide Raumfahrzeuge transportieren können. Als die US Raumsonde weg viel schwenkte man wieder zurück zur IUS weil deren Performance nun wieder für einen Start reichte. Schon wenige Monate später gab es eine Richtungsentscheidung der NASA die Centaur für zukünftige Planetenmissionen zu verwenden. Dabei blieb es bis zur Explosion der Challenger, als die Centaur wegen Sicherheitsbedenken verboten wurde. Nun schwenkte man wieder auf eine IUS zurück, die man um eine PAM-S eine Oberstufe mit der normalerweise Satelliten der Delta 3920 Klasse vom Shuttle gestartet wurden ergänzte.

Ullysses Die Raumsonde

Ulysses ist eine 376 kg schwere Raumsonde. Hauptauftragnehmer für den Bau war Dornier. Sie führte ein Konsortium von 20 Firmen an. Eine weitere deutsche Firma MBB (heute Bestandteil von Astrium) baute das Lageregelungssystem An der zentralen Struktur von 2 × 2 × 1 m aus Aluminium in Honigwabenbauweise ist die Hochgewinnantenne aus Aluminium / Kohlefaser verstärktem Kunststoff befestigt. Diese hat 1.65 m Durchmesser und zwei redundanten Sender mit 20 Watt Leistung im X-Band (8408.209 MHz). Zwei weitere Sender mit jeweils 5 Watt Leistung operieren im S-Band (2111.607 MHz/2293.148 MHz) mit einer Rundstrahlantenne von 3 dbi Gewinn.. Wissenschaftliche Daten werden im X-Band gesandt. Telemetrie und Kommandos werden im S-Band gesandt und auch empfangen. Zwei weitere Niedriggewinnantennen erlauben eine Kommunikation wenn die HGA nicht direkt zur Erde zeigt.

Eine Besonderheit unterscheidet Ulysses von anderen Planetensonden: Die S-Band Antenne ist um 1.8° zur Rotationsachse geneigt. Das erzeugt eine Modulation des Uplink Signals. Die Auswertung dieses erlaubt es die genaue Spinachse und Rotationsgeschwindigkeit festzustellen und diese gegebenenfalls zu korrigieren. Dies führt die Sonde autonom durch. Die Sendekeulen der HGA haben eine Breite von 10 Grad (-3 db Niveau) im S-Band und 2 Grad im X-Band.

Ulysses hat 8 Stunden täglich Kontakt zur Erde über eine 34 m Antenne des DSN (Deep Space Network). Die Datenrate zur Erde beträgt je nach Entfernung 64-8192 Bit/sec. Dabei werden Echtzeitdaten mit Daten die in den letzten 16 Stunden aufgezeichnet wurden gemischt. Diese werden von zwei Magnetbandrekordern geliefert, welche die Daten aufzeichnen, wenn es keine Verbindung zur Erde gibt. Jeder Rekorder hat eine Kapazität von 45.8 MBit und kann Daten mit 128, 256 oder 512 Bit/sec speichern und 512,1024,1536,3072 und 7168 Bit/sec auslesen.

Ulysses rotiert in 4.7 mal pro Minute um die Achse quer durch die Antennenmitte. Zur Kontrolle dieser Rotation und zur Veränderung des Kurses hat Ulysses 2 Sets von je 4 Kurskorrekturdüsen. Jede liefert 2 N Schub. Betrieben werden diese mit Hydrazin, das katalytisch zersetzt wird. 33 kg werden unter 22 Bar Druck in einem zentralen Tank gelagert. Der Druck nimmt bei leereren Tanks ab und so auch die Schubkraft der Düsen. 0.6 N bei 5 Bar Tankdruck werden zu Missionsende erwartet. Die Orientierung der Sonde im Raum wird durch Sonnensensoren und die Vermessung der X-Band Signalstärke ermittelt.

Die gesamte Sonde ist durch ein mehrlagiges Kapton Gewebe isoliert. Dies wird durch eine 20 lagige Folienschicht aus Indium-Zinn ergänzt welche die Sonde golden einfärbt. Die Temperaturkontrolle geschieht durch zwei Systeme. Um die Energieaufnahme zu minimieren ist die Sonde isoliert. Die goldene Folie reflektiert die meiste Strahlung. Überschüssige Strahlung nahe der Sonne strahlen polierte Flächen auf der HGA gegenüberliegenden Seite ab. Diese Seite wird nie dem Sonnenlicht ausgesetzt. Intern werden wichtige Systeme wie die Düsen und der Treibstofftank geheizt, wobei es zwei Systeme gibt. Eines welches immer aktiv ist und ein zweites das hinzugeschaltet wird, sobald die Entfernung von der Sonne 1.3 AE übersteigt. Dazu wird ein Teil des Stromes der RTG benutzt.

Ulysses arbeitet als Sonde 24 Stunden pro Tag und sammelt kontinuierlich Daten. Besteht keine Funkverbindung zur Erde, so werden diese auf zwei redundanten 45 MBit fassenden Bandrekorder abgelegt. Diese können 44 Tage Messungen bei einer Datenrate von 256 Bit/sec zwischenspeichern. Um die mechanische Beanspruchung des Bandrekorders zu verringern ist an jeden ein 32 KBit Zwischenspeicher gekoppelt. Ein Recorder wird erst gestartet wenn der Puffer voll ist.

Kommandos von der Erde können mit Datenraten von mindestens 16 Bit/sec empfangen werden. Es ist möglich sie sofort auszuführen oder blockweise oder versehen mit einem Zeitindex von 32 Sekunden bis 24 Tagen. Zum Senden zur Erde gibt es 5 Telemetrie Kanäle die ich in dem Format (Analog/Digital 1Bit,8 Bit,16 Bit, Daten mit Zeitindex) unterscheiden. Der Bordcomputer arbeitet mit einem Echtzeitbetriebssystem im Round Robin Verfahren. Es gibt eine Tabelle mit Einträgen welche Kommandos alle 125 ms (die Größe einer Zeitscheibe) ausgeführt wird. Die Tabelle hat 256 Einträge, so dass sich ein Ablauf maximal nach 32 Sekunden wiederholt. Pro Zeitscheibe können maximal 3 Programme aktiv sein.

Stromversorgung

Schnitt druch einen RTGUlysses ist die 25.ste US/ESA Mission die RTG als Stromquelle einsetzt. RTG ist die Abkürzung für Radioisotopic Thermoelectric Generator. Jeder besteht aus 72 Pellets mit Plutoniumoxid von je 2.5 × 2.5 cm Größe angeordnet in 4 Blöcken von je 18 Einheiten. Die Masse des RTG beträgt 55 kg, wovon 11 kg auf das Plutonium entfällt. Strom wird gewonnen, indem ein Silizium-Germanium Thermoelement Strom abgibt, wenn es einem Temperaturunterschied ausgesetzt wird. Der Temperaturunterschied entsteht durch die Zerfallswärme, die beim Zerfall des Plutonium 238 in Uran 234 frei wird.

Dieser beträgt bei den RTG von Ulysses 700 Kelvin. Jeder RTG produziert 285 W zu Missionsbeginn.Zum Ende der Nominalmission 1995 rechnete man mit 254 Watt. Ende 2001 waren es noch 221 Watt. Die Spannung beträgt in allen Systemen 28 V. Die Abgabe nimmt ab, da das verwendete Plutonium-238 mit einer Halbwertszeit von 87.7 Jahren zerfällt, aber auch weil die Effizienz der Thermoelemente mit geringerer thermischer Energie abnimmt. Mehr über die RTG Problematik und Funktionsweise am Beispiel von Cassini in diesem Aufsatz.

Der RTG ist durch mehrfache Schichten aus Iridium, Graphit und kohlefaserverstärktem Kunststoff geschützt und sollen auch einer Explosion des Space Shuttles ohne Beschädigung überstehen können. Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons verwenden dieselben GPHS RTG (General Purpose Heat Source). Jeder dieser RTG hat eine Anfangsleistung von 285 W bei 4400 W thermischer Leistung. Die Missionen unterscheiden sich nur in der Anzahl der RTG (Ulysses und New Horizons: 1, Galileo: 2, Cassini: 3).

Der Start

Start von UllyssesUrsprünglich sollte der Start von Ulysses im Februar 1983 vom Space Shuttle aus mit einer dreistufigen IUS Oberstufe erfolgen. Doch die NASA entwickelte eine Version der Centaur Oberstufe für den Shuttle. Diese Centaur G war breiter und verfügte über mehr Treibstoff als die Centaur D, die auf der Atlas ihren Dienst tat. So wurde Ulysses auf diese Oberstufe umgesetzt. Verzögerungen im Startplan den Shuttles zwangen eine Verschiebung des Starts auf mindestens 1986. So wurde Ulysses 1984 eingelagert. In dieser Lagerung sollte sie länger bleiben, als geplant.

Die Explosion der Challenger am 28.1.1986 kippte den ganzen Startplan des Shuttles. Aus Sicherheitsgründen dürfte nun auch die Centaur G nicht mehr eingesetzt werden. Für Ulysses bedeutete dies zweierlei : Zum einen musste wiederum der Adapter für die Stufe angepasst werden, zum anderen war der Start in weite Ferne gerückt.

Man verwendete nun die Kombination der IUS Oberstufe mit der von der Delta Rakete bekannten PAM-S Oberstufe. Die dreistufige IUS wäre zu schwer für den Space Shuttle gewesen, nachdem dieser Übergewicht hatte und auch die Sicherheitsmaßnahmen nach dem Verlust der Challenger die Nutzlast weiter senkten.

PAM-D/IUS AussetzenAb September 1988 starteten wieder Shuttles, doch nun hatten sie einiges nachzuholen. 4 militärische Satelliten waren auszusetzen. Für den Shuttle selber wurden 2 Kommunikationssatelliten des Typs TDRSS benötigt, welche als Relay zur Erde dienten. Dazu kamen einige hochkarätige wissenschaftliche Nutzlasten, die auf den Start warteten, wie Galileo, das Hubble Weltraum Teleskop und Magellan.

Man einigte sich mit der ESA darauf Ulysses relativ spät zu starten, denn diese sollte ja die Sonne beobachten, wodurch es praktisch jedes Jahr ein Startfenster gab. Ulysses wurde daher als dritte und letzte Planetensonde vom Shuttle gestartet. Schon die nächste Planetensonde der USA, der Mars Observer startete wieder mit einer Titan Rakete. Auch für die Oberstufenkombination IUS/PAM-D war es der einzige und letzte Einsatz.

So fand am 6.10.1990 mit eintägiger Verspätung der Start von Ulysses statt. In der 36.sten Shuttle Mission starte die Discovery zuerst einen 288 × 289 km hohen Orbit, 28° zum Äquator geneigt. Sechs Stunden nach dem Start wurde die Raumsonde mit der Oberstufenkombination IUS/PAM-D ausgesetzt. Eine Stunde später zündeten die drei Stufen nacheinander. Die erste Stufe der IUS brannte für 150 sec., die zweite für 105 Sekunden und die PAM-D weitere 88 Sekunden. Dadurch erhielt Ulysses die höchste Geschwindigkeit, die je ein Himmelskörper erreichte der die Erde verließ: 15.4 km/sec. Den Weg zum Mond für den die Apollo Astronauten 3.Tage brauchten brachte Sie in 8 Stunden hinter sich. Selbst die Pioneer und Voyager Raumsonden passierten die Erde "nur" mit 14.3 km/sec. Von den 19973 kg Startmasse der Oberstufen mit den Sonden entfielen nur 376 kg auf Ulysses. Den Rekord für die höchste Geschwindigkeit beim Start von der Erde hatte bis 2006 bestand, als New Horizons noch schneller die Erde verließ.

Die IUS Stufe verfügte über ihren eigenen Computer, der die Sonde mit Stufe ausrichtete und erst die Stufe zündete, als die korrekte Position erreicht war. Nach den 150 Sekunden Brennzeit der ersten Stufe gab es eine Phase von 125 Sekunden in denen die Stufe durch Hydrazindüsen stabilisiert antriebslos flog. Nach dem Ausbrennen der zweiten Stufe zündeten sofort zwei Feststoffantriebe der PAM-S Stufe (0.3 Sekunden nach Abtrennung). Nach 3 Sekunden hatten sie die PAM-S auf 70 Umdrehungen pro Minute beschleunigt. Anders als die IUS ist die PAM-D eine Stufe ohne eigenen Computer und Korrekturtriebwerke. Die schnelle Rotation stabilisierte sie. 91 Sekunden nach Ausbrennen der zweiten IUS Stufe wird auch die PAM-S gezündet. Nach Ausbrennen werden zwei Massen abgetrennt. Sie nehmen einen großen Teil des Drehimpulses auf. Danach rotiert die Sonde nur noch mit 7 Umdrehungen pro Sekunde. Die Abtrennung der PAM-S erfolgt erst 503 Sekunden nach dem Ausbrennen, damit diese keine Restenergie mehr aufweist und mit der Sonde kollidieren kann. An 4 Punkten werden Sprengbolzen gezündet, welche die Sonde um 50 cm/s beschleunigen und so von der PAM-S entfernen

Name Vollmasse Leermasse Brennzeit Geschwindigkeitsänderung
SRM1 10841 kg 1134 kg 150 Sekunden 2363 m/s
SRM2 3979 kg 1170 kg 105 Sekunden 1669 m/s
PAM-S 2182 kg 220 kg 87 Sekunden 4172 m/s
Ulysses 376 kg 8204 m/s

Die Experimente

Position der InstrumenteUlysses ist eine Sonde zur Untersuchung der Teilchen und Wellen der Sonne, nicht wie SOHO eine, die Bilder der Sonne macht. (Dies wurde in einem wissenschaftlichen Artikel über Ulysses bedauert, denn so ist Ulysses von der Öffentlichkeit kaum beachtet worden). Ein weiteres Ziel ist die Untersuchung von Jupiter gewesen, denn dieselben Teilcheninstrumente können natürlich die imposanten Strahlungsgürtel des Jupiters sehr gut untersuchen.

Ulysses hat 10 aktive und zwei passive Experiment im Gesamtgewicht von 55 kg an Bord. Drei der Instrumente stammen aus Deutschland. Die Experimente stammen aus Europa und den USA. Für die Mitnahme der US Experimente war der Start kostenlos.

Für einige Instrumente gibt es 3 Ausleger. An einem 5.6 m langen Mast sind die Magnetometer angebracht, um von den Teilen der Sonde, die magnetische Metalle beinhalten nicht gestört zu werden. Dieser Ausleger besteht einem 3 mm starken rostfreien Stahlkabel. Für die hochempfindlichen Messungen des interplanetaren Magnetfeldes herab bis zu Stärken von 0.1 nT (Erdmagnetfeld am Boden: 30000-60000 nT !) ist Ulysses die magnetisch "reinste" Sonde die bisher gestartet wurde, d.h. die sonde selbst hat nur ein sehr geringes Eigenmagnetfeld, welches die Messungen stören könnte.

Ein zweiter Ausleger von 7.5 m Länge verläuft entlang der Spinnachse und enthält eine Antenne vom URAP Experiment. Der letzte 72 m lange Ausleger ist lange Dipolantenne des URAP Experiments. Sie besteht aus einer in einer Rolle aufgerollten 5 mm breiten und 0.04 mm dicken Folie aus Beryllium-Kupfer. An jedem Antennenausleger hängt eine Box aus Polyurethan die Schwingungen beim Entfalten und Positionsänderungen dämpfen soll. Sie kann die stärksten zu erwartenden Schwingungen innerhalb von 3.5 Stunden zum Erliegen bringen.

Die anderen Instrumente sind direkt an der Sonde angebracht.

Solar Wind Plasma Experiment (SWOOPS)

Dieses Experiment untersucht den Sonnenwind. Dabei soll die Veränderung über die Breitengrade, die radialen Komponenten und die Interaktion mit der Magnetosphäre Jupiters untersucht werden. Das Instrument besteht aus zwei Detektoren für Elektronen und Ionen, gekoppelt an Elektronenmultiplieren.

Ionen werden von 35.7-257 keV/Ladung und Elektronen von 1-903 eV gemessen. Die Detektoren decken einen Winkel von 146 bzw. 80 Grad ab. Der Elektronendetektor wiegt 2.6 kg und braucht 2.6 W Strom und liefert einen Datenstrom von 48 Bit/sec. Der Ionendetektor wiegt 4.1 kg. Es hat einen mittleren Stromverbrauch von 2.9 W und einen maximalen von 7 Watt. Seine Datenrate beträgt 112 Bit/sec.

Unified Radio and Plasma Wave Instrument (URAP)

Dieses Instrument nimmt Radio und Plasmawellen auf. Das Instrument besteht aus 3 Antennen. Einer 70 m Dipolantenne, einer Monopolantenne an der Spinnachse und einem Paar gekreuzter Antennen. Vier Empfänger sind an die Antennen gekoppelt. Der erste empfängt Signale von 1.25 kHz bis 1 MHz in den Intervallen 1.25-48.2 kHz und 52-940 kHz. Ein Empfänger für Plasmawellen von im Bereich von 0.57-35 kHz misst diese in 32 Unterbereichen, Für die Erfassung kurzzeitiger Ereignisse gibt es einen einem Schnellwandler im Bereich 10-60 kHz in 4 programmierbaren Zeitintervallen zur Erfassung schnell vorbeigehender Wellen. Der letzte Empfänger misst die Wellenform von Wellen von 0-500 Hz. Das gesamte Instrument wiegt 7.3 kg und verbraucht 9.9-10.4 W Strom. Der Datenstrom beträgt 232 Bit/sec.

Dust Experiment (DUST)

Instrumente von UlyssesDieser Staubdetektor misst kosmischen Staub im Bereich von 5x10-19 bis 6x10-10 g. Es ist ein Plasmaimpakt Detektor, der Masse, Geschwindigkeit, Einschlagsrichtung und Ladung der einschlagenden Staubpartikel misst. Das Instrument wiegt 3.8 kg und verbraucht 2.2 W Strom. Da Staubteilchen sehr selten sind, beträgt sein Datenstrom nur 8 Bit/sec. Dieses Instrument stammt aus Deutschland. (Max-Planck-Institut für Kernphysik). Ein ähnliches Instrument ist auch an Bord von Galileo installiert, wodurch vergleichende Messungen möglich sind.

Magnetometer (MAG)

Das Magnetometer an Bord misst die Stärke, Ausrichtung und Fluktuation des interplanetaren Magnetfeldes sowie des Magnetfeldes von Jupiter. Besonderer Augenmerk wurde auf Fluktuation unterhalb 0.01 Hz gelegt. Es werden zwei Detektoren verwendet: Ein triaxiales Fluxgate Magnetometer und ein Vektor Helium-Magnetometer. Die Magnetometer befinden sich an einem separaten 5.6 m langen Mast. Es wiegt 4.75 kg und verbraucht 5.4 W Strom. Die Datenrate beträgt 80 Bit/sec.

Coronal Sounding Experiment (SCE)

Dieses Experiment nutzt die Sender der Sonde um die Korona der Sonne zu Untersuchen. Befindet sich Ulysses von der Erde aus nahe bei der Sonne, so durchdringen die Signale die Korona und werden dabei verändert. Dazu wurden beide Sender der Sonde im S und X Band benutzt. Die Veränderung der Trägerwelle lässt Rückschlüsse über Temperaturen, Dichte, Strömungen und Geschwindigkeiten von Plasma in der Korona zu. Dieses Experiment benutzt die Hauptantenne ist also kein eigenständiges Experiment. Es wurde nur während der ersten Sonnenpassage eingesetzt.

Interstellar Neutral-Gas Experiment (GAS)

Dieses Experiment sollte das interstellare Helium Gas untersuchen. Es misst die Temperatur, Geschwindigkeit und Dichte von Helium Gas, welches aus dem interstellaren Medium stammt. Zwei Detektoren erfassten Helium und Ultraviolett Photonen (Gesichtsfeld 4.9° / 7.4°). Geladene Teilchen und die Hintergrundstrahlung wurden ausgeblendet. Elektronenmultiplier verstärkten das primäre Signal, das von dem Target, einer Lithiumfluorid Oberfläche freigesetzt wird,

Detektiert konnten Heliumkerne mit Energien oberhalb von 30 eV, entsprechend einer Geschwindigkeit von mehr als 27 km/s relativ zum Raumschiff. Durch die Rotation des Raumschiffes kann über die Zeit eine Karte der Verteilung des Heliums erstellt werden. Das Instrument wiegt 1.6 kg und hat einen Stromverbrauch von 0.8 Watt. Es bildet mit EPAC ein Gemeinschaftsexperiment. GAS wurde vom Max Planck Institut für Aeronomie entwickelt.

Ullyses vor dem StartGravitational Wave Experiment (GWE)

Das Gravitationswellenexperiment nutzt den hochgenauen Radiosender der Sonde um Gravitationswellen aufzuspüren. Diese sollten in der bis zu 900 Millionen km langen Funkstrecke Frequenzverschiebungen von 0.0001-0.01 Hz verursachen, die man aufspüren kann. Man konnte innerhalb der Messgenauigkeit jedoch keine Gravitationswellen detektieren.

Energetic PArticles Composition instrument (EPAC)

Das Experiment um die Zusammensetzung energiereicher geladener Partikel zu untersuchen, besteht aus 4 identischen Detektoren. Jeder hat einen Öffnungswinkel von 35°. Sie sind zu 22.5, 67.5, 112.5 und 157.5 Grad zur Achse des Raumsonde geneigt. Zusammen mit der Rotation der Sonde ergibt dies eine 80 % Abdeckung des Himmels. Die Detektoren erfassten mehrere Klassen von Teilchen: Protonen im Bereich von 0.5-1.5 MeV, Ionen im Bereich von 0.1-0.5 MeV/Nukleon und schwere Elemente (O, He, S, Fe etc.) von 0.4-4 MeV pro Nukleon. Die Elemente konnten bis zu Eisen (Atommasse 56) getrennt erkannt werden. Ein Niedrigenergiekanal detektiert Elektronen von 0.1-0.4 MeV und >0.3 MeV. Das Instrument teilt mit dem GAS Experimente die Datenkanäle. Es wiegt 2.69 kg und verbraucht 3.4 Watt an Strom. EPAC/Gas lieferten zusammen 160 Bit/sec an Daten. Dieses Instrument stammt auch aus Deutschland vom Max Planck Institut für Aeronomie.

Solar X-ray and Cosmic Gamma-Ray Burst Instrument (GRB)

Dieses Experiment dient dem Aufspüren von Röntgenstrahlen und Gammaausbrüchen der Sonne. Wenn Elektronen stark beschleunigt werden strahlen Sie Röntgenstrahlen ab. Dies geschieht bei solaren Ausbrüchen (Flares) und auch Elektronen in Jupiters Magnetosphäre strahlen Röntgenstrahlen ab. Das Experiment besteht aus 2 Cäsiumjodid Kristallen gekoppelt an Photomultiplier (Messung von Energien von 15-150 keV) und zwei Siliziumdetektoren, die einer Americum 241 Quelle ausgesetzt sind (Messung von 5-15 keV). Das Instrument wiegt 2.0 kg, verbraucht 2.6 W an Strom und liefert 40 Bit/sec.

Cosmic Ray and Solar Particle Instrument (COSPIN)

Dieses Instrument untersucht die Masse und das Spektrum solarer und kosmischer Partikel. Es ist empfindlich im Bereich von 0.5 MeV-600 MeV/Nukleon. Es besteht aus 6 einzelnen Detektoren. Der Hochenergiekanal detektiert Teilchen > 10 MeV/Nukleon. Der Niedrigenergiekanal erfasst Teilchen <1 MeV/Nukleon. Drei weitere Detektoren lassen eine Rückberechnung der Richtung zu, aus der die Partikel kamen. Ein weiterer Detektor ist ausgelegt für die Elemente He, C, N und O. Er ist auch noch empfindlich wenn die anderen Detektoren in der Nähe Jupiters gesättigt sind. Zum Nachweis von Elektronen gibt es einen Detektor mit Tscherenkow Teleskopen. Er ist im Bereich von 4-2000 MeV empfindlich. COSPIN ist mit 14.6 W Stromverbrauch und 14.6 kg Masse das schwerste Instrument. Es liefert 160 Bit/sec an Daten.

Low-Energy Ion and Electron Experiment (HISCALE)

Dieses Instrument misst Elektronen niedriger Energie, wie sie z.B. bei solaren Flares freigesetzt werden. Es besteht aus zwei Sensorköpfen mit 5 Detektoren für Ionen (0.05-5 MeV) und Elektronen (30-300 keV). Dieses Instrument wiegt 5.78 kg und verbraucht 4.0 Watt an Strom. Der Datenstrom beträgt 160 Bit/sec.

Solar Wind Ion Composition Instrument (SWICS)

Dieses Instrument untersucht die Geschwindigkeit, Zusammensetzung und Temperatur des Sonnenwindes. Es misst Windgeschwindigkeit von 145-1350 km/sec und Energie von 110 eV -110 keV/Ladung. Gemessen werden Ionen von H+ bis Fe8+. Dazu durchlaufen die Ionen zwei Analysatoren mit einer zwischengeschalteten 30 keV Beschleunigungskammer. Durch die gemessene Geschwindigkeitsänderung kann die Energie der Teilchen bestimmt werden. Das Instrument wiegt 5.6 kg und hat einen durchschnittlichen Verbrauch von 3.6 Watt und einen maximalen von 4.7. Watt. Es liefert einen Datenstrom von 88 Bit/sec. Dieses Instrument stammt aus Deutschland.

Die Bahn

InstrumenteNach dem Start wurde am 7.10.1990 die Rotation der Sonde auf 4.7 Umdrehungen pro Minute eingestellt und am 19.10 wurde beginnend mit EPAC die Instrumente in Betrieb genommen. Nun flog Ulysses direkt zum Jupiter. Am 2.2.1992 detektierte es den Bugschock der Magnetosphäre in 113 Jupiterradien Entfernung - Weiter als zu den Zeiten Pioneer (100 Radien) und Voyagers (60 Radien).

Am 8.2.1992 passierte Ulysses Jupiter in 378400 km Höhe über den Wolken. Ulysses nutzte Jupiter zu einem Bahnmanöver, allerdings anders als alle anderen Sonden vorher. Bisherige Sonden hatten Geschwindigkeit aufgenommen, aber die Neigung der Bahn nicht geändert. Ulysses dagegen nahm kaum Geschwindigkeit auf (der sonnennächste Punkt wanderte lediglich von 1 AE auf 1.35 AE), aber änderte die Neigung der Bahn auf 82°. Ohne Jupiter, alleine durch die PAM/IUS Oberstufe wären nur 23° möglich gewesen. Die neue Bahn hat eine Umlaufsdauer von 6.2 Jahren, wobei Ulysses innerhalb von 600 Tagen beim sonnennächsten Punkt den Süd- und Nordpol der Sonne passiert. Der sonnennächste Punkt liegt bei 1.35 AE, also zwischen der Erde und Marsbahn und der sonnenfernste Punkt bei 5.4 AE, etwas innerhalb der Jupiterbahn.

Eine AE ist die Entfernung der Erde von der Sonne oder 149597600 km.

Im Februar 1992 standen Erde, Sonne und Ulysses so, dass man das Gravitationswellenexperiment durchführen konnte. Obgleich man keine von der Sonne ausgehenden Wellen feststellen konnte, war es möglich die Unsicherheit über deren maximale Größe um den Faktor 20 zu verringern.

Im November 1994 erreichte Ulysses ihren südlichsten Punkt und im September 1995 ihren nördlichen Punkt. Ulysses verblieb 234 Tage in Breiten über 70° mit einem Maximum von 80.2°. Ursprünglich sollte die Mission dann enden. Doch der sehr gute Erhaltungszustand der Sonde führte zur Verlängerung der Mission um einen Umlauf. Dies war relativ preiswert : Dies kostete lediglich 25 Millionen DM, bei Gesamtkosten von 750 Millionen DM für die Mission. So gab es eine zweite Passage der Pole im November 2000 / Oktober 2001. Diese entfielen allerdings auf eine Zeit der aktiven Sonne, so das Vergleiche möglich waren. Die Mission wurde zunächst bis September 2004 verlängert, da im Februar 2004 sich Ulysses wieder Jupiter nähert. Diesmal allerdings nur auf 120 Millionen km. Ulysses steht dann 75 Grad über Jupiter, so dass man Radiowellen aus der Aurora detektieren will. Um möglichst viele Instrumente zu betrieben hat man bei der Jupiterpassage 2004 die Tape-Rekorder abgeschaltet und verfolgt Ulysses 24 h am Tag mit dem DSN.

Allerdings reicht seit 2002 der Strom der RTGs nicht mehr aus, alle Instrumente gleichzeitig zu betreiben, so dass man diese nach Bedarf nutzt. Im Februar 2004 wurde die Mission von der ESA erneut um 4 Jahre bis zum März 2008 verlängert, da die Raumsonde in exzellentem Zustand ist und Daten über 97 % der Zeit empfangen werden konnte. Dies dürfte eine dritte Passage der Sonne von Dezember 2006 - März 2008 ermöglichen. Vor allem gibt es zu diesem Zeitpunkt eine ganze Flotte von Raumfahrzeugen welche die Ulysses Messungen ergänzen: SOHO im Orbit um die Sonne, Cluster und ACE in Erdumlaufbahnen und Cassini bei Saturn. Bis dahin sollten auch die NASA Satelliten STEREO und Solar Dynamics Observatory gestartet sein. Durch den Verbund von Raumfahrzeugen mit unterschiedlichsten Instrumenten in 4 verschiedenen Bereichen des Sonnensystems hofft man noch mehr über die Sonne zu erfahren.

Datenerfassung

Ulysses wird 8 h pro Tag von den 34 m Antennen des DSN angefunkt. Zu dieser Zeit werden Realzeitdaten mit gespeicherten Daten zusammen zur Erde gesandt. Wenn die Daten gespeichert werden, so liefern alle Instrumente nur die halbe nominale Datenrate, zusammen 512 Bit/sec. Diese Daten werden auf Band gespeichert. Beim Senden werden diese Daten mit 1024 Bit zurückgespielt, d.h. 16 h gespeicherte Daten werden in 8 h gesendet. Gleichzeitig werden die Realzeitdaten mit voller Datenrate (1024 Bit/sec) gewonnen und dazugefügt. Die gesamte Datenrate beträgt so 2048 Bit/sec. Es gibt von diesem Schema auch Abwandlungen bis zu max. 8 KBit/sec wenn die 70 m Antennen zur Verfügung stehen.

Ergebnisse

Kometenpassage von UlyssesBei Jupiter wurde festgestellt, das sich der Torus, der Jupiter und Io verbindet, erstaunlich verändert hat seit Voyager Jupiter erreichte. Er ist geringer geworden und nicht mehr so homogen. Es konnten sehr viele Einschläge von Staubpartikeln nachgewiesen werden, die 3 Jahre später von einem identischen Detektor an Bord von Galileo (der ebenfalls aus Deutschland stammte) ebenfalls nachgewiesen wurden. Besonders erstaunlich war, dass die Strahlungsgürtel nur bis zu einer Breite von 40 Grad reichten, auf der Erde sind es 70 Grad.

Bei der ersten Sonnenpassage lernte man viel über die Sonne hinzu. Vor allem das Magnetfeld war in den höheren Breiten starken Schwankungen unterworfen. Es gab in den höheren Breiten keinen magnetischen Pol! Damit gekoppelt war ein Anstieg der kosmischen Strahlen, die so leichter austreten konnten.

Der Sonnenwind hatte die minimale Geschwindigkeit von 400 km/s am Äquator. In Breiten von 20-30° war die Geschwindigkeit am höchsten mit 750 km/s um zu den Polen wieder abzunehmen. 1999 flog Ulysses durch den Schweif den der Komet Hyakutake im Jahre 1996 hinterlassen hatte. Es war die entfernteste Observation eines Kometen, denn damals war Ulysses schon 3.8 AE von der Erde entfernt. Damit war auch der Schweif des Kometen mindestens 3.8 AE, also 570 Millionen km lang.

Durch Solare Masseauswürfe wurden die Kometenschweife von McNaught-Hartley (C/1991 T1) und SOHO (C/2000 S5) ebenfalls in den Flugpfad von Ulysses umgelenkt, so dass Ulysses auch diese untersuchen konnte.

Im Jahre 2000/2001 kam es zur zweiten Passage, die eine Sonne auf dem Höhepunkt ihres 11 jährigen Aktivitätszyklus zeigte. Nun war der Sonnenwind schwächer, selten größer als 600 km/h, dafür sehr variabel, während er 1994/95 konstant war.

Zweite Jupiterpassage 2004Wichtig ist auch, dass Ulysses nur eines von 3 Raumfahrzeugen sein sollte, die Phänomene im interplanetaren Raum untersuchen. Es wäre bis 1995 von Galileo und ab 1997 von Cassini/Huygens ergänzt worden. Das Verständnis durch die Beobachtung an zwei Orten gleichzeitig wäre dadurch größer gewesen. Leider fiel bei Galileo die Hauptantenne aus, so dass diese Sonde kaum Daten lieferte und bei Cassini fehlten die Finanzmittel um die Experimente während der 6 Jahre langen Reise zum Saturn zu betreiben.

Doch gibt es Überraschungen. Im Jahre 1998 war die Sonne aktiv und es gab einen Sonnensturm. Dieser wurde von Ulysses detektiert. Monate später auch von Voyager 1+2, obwohl diese inzwischen sich jenseits der Bahn von Pluto befinden. Ein Jahr später empfingen die Plasma Antennen von Voyager Radiostrahlungen: Sie stammte von dem Sonnensturm, als er auf den interstellaren Raum traf und abgebremst wurde. Daraus konnten die Wissenschaftler errechnen, dass diese Grenze in 22 Mrd. km Entfernung liegt. Sie zu erreichen und zu erforschen ist die letzte Aufgabe von Voyager.

Beginnend ab 2002 reichte der Strom der RTG nicht mehr aus, alle Instrumente zu betreiben. Sie wurden nun nacheinander aktiviert und zwischendurch auch die Sender abgeschaltet um Strom zu sparen.

Im Jahre 2005 wurde die Situation für Ulysses bedrohlich. Um 74 Millionen USD für die Bush Initiative zum Mond einzusparen erwägt die NASA die Abschaltung von Missionen die ihre geplante Lebenszeit weit überschritten haben wie WIRE, Ulysses und Voyager. Gegen diese Planung gab es natürlich massive Proteste, denn die Einsparungen stehen in keinem Verhältnis zum Wissenschaftlichen Wert der Missionen. Andererseits schafft die NASA es trotz Aufwendungen von 1400 Millionen USD nicht die Space Shuttles sicher zu machen und braucht 1381 Millionen USD jedes Jahr für eine Raumstation die nicht fertig gestellt wird. Bei Ulysses könnte die ESA inzwischen selbst Bodensupport leisten. Schließlich hat sie seit 2005 zwei 35 m Antennen in Spanien und Australien, doch auch der ESA Etat ist durch die Verzögerungen bei der ISS und den Fehlstart der Ariane 5 ECA nicht gerade mit vielen freien Mitteln gesegnet.

Bei einem Meeting am 13-14.11.2005 kamen die NASA und ESA zu der gemeinsamen Vereinbarung die Mission bis März 2008 zu verlängern. Für diese Zeit hat die NASA ein Budget für Ulysses fest eingeplant. Dann muss man erneut entscheiden. Es bleibt zu hoffen, das Ulysses auch eine dritte Sonnepassage absolviert. Sie wird dann über 17 Jahre lang aktiv sein.

Am 17.11.2006 begann mit der Passage des Sonnen Südpoles die dritte und wahrscheinlich letzte Passage von Ulysses. Der Nordpol wird 2007 passiert werden. Kurz vor der Verlängerung der Mission kam es dann zu einem folgenschweren Vorfall. Die sinkende Leistung des Radioisotopengenerators führte dazu, dass man mit dem verfügbaren Strom haushalten muss. Ein Problem mit welchem Ulysses konfrontiert ist, wenn sie sich wieder weiter von der Sonne entfernt ist, dass die Sonde auskühlt und verschiedene Systeme geheizt werden müssen. Ein wichtiges System ist der Hydrazintank, das ausfriert, wenn die Temperatur 2°C unterschreitet. Der Strom reicht nicht aus um den Tank zu heizen und gleichzeitig die Sender zu betreiben. Also entschloss man sich im Januar 2008 schweren Herzens den X-Band Sender zeitweise abzuschalten und das Hydrazin zu heizen. Wenn Daten übertragen werden sollten, wollte man ihn wieder in Betrieb nehmen. Doch dies geschah nicht. Der X-Band Sender blieb stumm. Gleichzeitig sah man keinerlei Erwärmung des Hydrazins oder mehr verfügbare Leistung für die Instrumente. Offensichtlich ist eine Stromverteilungschaltung ausgefallen. So wird bald das Hydrazin ausfrieren und die Sonde ist nun auch nicht mehr fähig größere Datenmengen zu übertragen. Da dies mit dem Ende der letzten Verlängerung der Mission bis Ende März 2008 zusammenfällt erschien es es sehr wahrscheinlich, dass man danach die Sonde abschalten wird.

So kündigte die ESA im Januar 2008 an die Mission im Juli 2008 zu beenden. Im selben Monat passierte die Sonde den Nordpol der Sonne und entfernte sich von ihr. Die eigentliche Messkampagne wurde am 30.3.2008 abgeschlossen. Doch hielt die Sonde länger durch. Am 10.6.2009 war sie länger in Betrieb als IUE, bis dahin dienstältestes ESA Raumfahrzeug. Nur zwanzig Tage später am 30.6.2009 wurde die Mission offiziell beendet. Es wurden Kommandos zur Raumsonde gesandt, die sie abschalteten und den Sender deaktivierten.

Dank an Mats Rosengren vom ESOC für viele Informationen zu Ulysses.


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

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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.

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