Orbit Insertion

Einschwenken in die Venus-Umlaufbahn

 

Eine prachtvolle Raumsonde: der mit isolierender Goldfolie umkleidete "Venus Express" in einer künstlerischen Darstellung vor den dicken Giftwolken unseres Nachbarplaneten Venus. Tatsächlich fegt "Venus Express" seit April 2006 über die Venus-Pole dahin - aber wie ist die Sonde von der Erde aus in die Umlaufbahn manövriert worden? (Die blauweiß gestreiften Flügel sind die besonders kurzen Sonnensegel - nötig wegen der großen Nähe zur Sonne -, der kleine weiße Löffel oben auf dem Kasten ist eine 30cm-Hochleistungsantenne.)
Foto: ESA - D. Ducros

 

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Venus Express -die Erforschung der Atmosphäre

Venus-Forschung und kein Ende

Venus Transit 2004

 

22-04-2006

Last Update 25-04-2012

 

Wie kriegt man eine Sonde in die Umlaufbahn?

„Orbit Insertion“ ist jedes Mal anders – hier am Beispiel von „Venus Express“

 

Von Christel Heybrock 

 

Es klingt immer so einfach: Eine Raumsonde, oft ein Kasten von der Größe eines mittleren Möbelstücks, wird mit irgendeiner tollen Rakete „in die Luft“ geschossen und kommt nach einer Weile beim Mars, Saturn oder Jupiter an. Dort gibt es zwei Möglichkeiten: entweder fliegt der Kasten planmäßig an dem Planeten vorbei, nimmt Messdaten auf, die zur Erde gefunkt werden, und verliert sich anschließend in den Weiten des Alls (so die Pioneer-, die Voyager-Sonden, in ein paar Jahren auch die Anfang 2006 gestartete Pluto-Sonde „New Horizons“). Oder aber der Kasten fliegt in einer vorher festgelegten Höhe um den Planeten herum, nimmt Messdaten auf, die zwischengespeichert und zur Erde gefunkt werden, und gibt irgendwann seinen Geist auf. Sei es, dass er abgeschaltet wird, weil auf der Erde kein Geld mehr da ist zur Missionsverlängerung (extended mission), sei es, dass die Instrumente altersschwach geworden sind oder der ganze Kasten („Bus“ sagen die Experten dazu) auf den Planeten abstürzt und zerschellt – die Jupiter-Sonde Galileo hatte ein solches Schicksal. Nur zerschellen konnte sie auf dem Gasriesen nicht, sie wurde einfach von ihm geschluckt, nachdem sie schon zuvor in der lebensfeindlich „strahlenden“ Umgebung erheblich gelitten hatte.

 

Technisch gesehen wird mit einem Vorbeiflug anstelle der Umrundung oder gar der weichen Landung auf einem fernen Himmelskörper eine relativ einfache Lösung gewählt, die Sonde muss nur so gesteuert werden, dass sie ihrem Zielplaneten nicht zu nah kommt. Gerät sie nämlich in sein Schwerefeld, kann sie abstürzen, bevor sie ihre Arbeit getan hat. Allerdings bietet der sichere Vorbeiflug (fly by) auch die relativ geringste wissenschaftliche Ausbeute und wird daher meist als Erstmission eingesetzt - man will herausfinden, ob eine genauere Beobachtung sich lohnt (das tut es eigentlich immer, nur das Geld reicht oft nicht). Besser ist es, wenn sich der besuchte Planet eine ganze Weile auf seiner Sonnenumlaufbahn beobachten lässt, wenn also die Sonde in eine Umlaufbahn gebracht und zum künstlichen Mond gemacht wird. (Soll freilich die Oberflächenbeschaffenheit an bestimmten Stellen, die beim fly by oder beim Umrunden viel versprechend schienen, näher untersucht werden, kommt man um einen Lander nicht herum. Der darf beim Aufprall natürlich nicht beschädigt werden – die NASA hat bei diesem Manöver mehrere Mars-Missionen eingebüßt.)

 

Hier soll die Rede davon sein, wie man einen mit hoch empfindlicher Elektronik bestückten „Bus“ in den sicheren Orbit um einen Planeten kriegt – ein Manöver, das bei jeder Mission anders geplant werden muss. So bediente sich die NASA beispielsweise bei ihrem Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) des „aerobreaking“. Das ist eine feine Sache: Ist die Sonde vom Schwerefeld des Planeten erfasst worden, die Umlaufbahn aber noch zu hoch für die Daten, die man ermitteln möchte, kann man sie vorsichtig immer wieder in die Atmosphäre des Planeten eintauchen lassen, um sie abzubremsen und die Flughöhe zu reduzieren (eigentlich ist es eine Fallhöhe...). Der MRO stippte über 500mal in die ohnehin dünne Marsatmosphäre, um in seine Position zu kommen – mit „aerobreaking“ wird eine Menge Treibstoff gespart, den die Sonde andernfalls mitschleppen müsste und der vor allem beim Start auf Kosten der Nutzlast, also der Instrumenten-Ausrüstung gehen würde.

 

Aber mit „aerobreaking“ kommt man nicht jedem Planeten bei. Die ESA-Sonde „Venus Express“ musste mehrere Zentner Treibstoff mitbringen, um in ihren Orbit gesteuert zu werden, und das ging so. Der Start auf einer russischen Sojusrakete am 9. November 2005 schleuderte „Venus Express“ wie alle Raumsonden aus der Erdgravitation heraus. „Venus Express“ sauste mit einer Geschwindigkeit von 29.000 Stundenkilometern in fünf Monaten rund 400 Millionen Kilometer durchs All. Nach dem Start war der Zustand der Instrumente überprüft und für ordnungsgemäß befunden worden, auf der Reise blieb die Sonde inaktiv und wurde nur für Kurskorrekturen „geweckt“; die beiden Hochleistungsantennen waren aber eingeschaltet. Am 17. Februar 2006, noch während der „Cruise Phase“ (der "Kreuzfahrt" durchs All), wurde das schuhkartongroße Haupttriebwerk testweise für 3 Sekunden gezündet, wobei die Geschwindigkeit um 3 Sekundenmeter herunterging.

 

Der Reiseweg von "Venus Express": Die blaue Bahn führt von der Erde aus (ganz links) weiter ins innere Sonnensystem. Die gelbe Linie innen ist der Orbit der Venus (gelbes Kügelchen vorn Mitte), der von der Sonde in der ersten Märzwoche 2006 geschnitten wurde - nach einer Reise von mehr als 250 Millionen Kilometern. "Venus Express" flog also von "innen" auf die Venus zu.
Foto: ESA - C. Carreau

 

Die Venus-Umlaufbahn wurde von der Sonde Anfang März geschnitten, Anfang April näherte sie sich dem Planeten „von innen“ her. Am 4. April wurde auch das Sendegerät der Niederleistungsantenne eingeschaltet. Am 11. April 2006 musste die Sonde vom Schwerefeld der Venus eingefangen werden, und zwar so, dass sie weder einen Kick bekam, der sie wegschleudern würde, noch so, dass sie auf dem Planeten aufschlagen würde. Eine schöne, sichere Umlaufbahn musste erreicht werden, festgelegt war für die wissenschaftliche Mission ein 24stündiger Umlauf vom Nord- über den Südpol, und das zwei volle Venustage lang, nämlich 486 Erdentage (ein Venusjahr ist mit 225 Erdentagen absurderweise kürzer als ein Venustag mit 243 Erdentagen, weil der Planet extrem langsam rotiert).

 

Vier Tage vor der Ankunft wurde auf den Bordcomputer eine automatische Befehlssequenz hochgeladen, die den Vorgang der Orbit Insertion erst möglich machte. Die Sonde musste in Flugrichtung gedreht werden: Es galt, sie am 11. April genau zwischen 8.03 und 8.33 Uhr um 1,31 Sekundenkilometer abzubremsen (das entsprach einer Reduktion von 4716 Stundenkilometern), damit sie nicht übers Ziel hinausschoss. Dafür wurde das an der Unterseite befindliche Haupttriebwerk für 50 Minuten gegen die Flugrichtung gezündet (von 9.17 bis 10.07 Uhr), der Großteil des mitgebrachten Treibstoffs von insgesamt 570 Kilo wurde dabei verbraucht.

 

Für 50 Minten wurde "Venus Express" am 11. April 2006 zum Feuerspucker: Mit dieser riskantesten Phase seit dem Start wurde die Geschwindigkeit der Sonde relativ zur Venus reduziert, damit die Sonde von der Schwerkraft des Planeten eimgefangen werden konnte.
Foto: ESA - AOES Medialab

 

Das vom Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt perfekt ausgeführte Manöver (für „Venus Express“ wurde dort ein eigenes Mission Control Centre unter Leitung von Andrea Accomazzo eingerichtet) brachte die Sonde tatsächlich in einen sicheren Umlauf, der aber noch nicht die gewünschten Maße hatte: Zwar konnte „Venus Express“ im „Capture Orbit“ (Einfang- oder Initial-Orbit) in 250 Kilometer Höhe über den Nordpol fegen, aber anschließend entfernte sie sich bis zu 350.000 Kilometer über dem Südpol, viel zu weit weg und auf einer viel zu zeitraubenden Bahn – der erste Orbit dauerte ganze neun Tage statt des geplanten einen einzigen. Also mussten durch Zündung unter anderem der vier kleinen Lageregelungsdüsen (thruster) in den Tagen danach Korrekturen vorgenommen werden, die „Venus Express“ auf eine elliptische Bahn zwischen 250 und nur noch 66.000 Kilometer brachten.

 

Was den Vorgang der Orbit Insertion so riskant macht, ist die Koordination von hochpräzisen Zeit- und Energiesteuerungen sowie die Tatsache, dass die beiden durchs All sausenden Körper sich nicht einfach in einer geraden Linie bewegen. „Venus Express“ musste am 11. April sekundengenau auf Funkbefehle von der 120 Millionen Kilometer entfernten Erde reagieren. Dafür ist sie mit zwei Hochleistungs- und zwei Niedrigleistungsantennen ausgerüstet. Die ESA (European Space Agency) als Veranstalterin der Mission verfügt zwar über eine 35-Meter-Antennenschüssel auf ihrer Bodenstation im spanischen Cebreros, die während der nominellen Mission die Daten der Sonde empfängt. Während der Orbit Insertion musste jedoch die doppelt so große Antenne des Deep Space Network der NASA bei Madrid aushelfen, weil wegen der Drehung der Sonde die Hochleistungsantennen von der Erde weg zeigten und nicht benutzt werden konnten. Die Lowgain-Antenne sandte dafür über die ganze Dauer der Insertion ein schwaches Signal zur NASA-Station - und für zehn Minuten riss während der Haupttriebswerkszündung der Funkverkehr zur Sonde sogar völlig ab: als sie sich zeitweise „hinter“ der Venus befand, von der Erde aus gesehen. In solchen Augenblicken halten sogar hartgesottene Experten mal den Atem an.

 

Die Sektkorken knallten in Darmstadt, als am 11. April um 11.13 Uhr das erste Signal der kleineren Highgain-Antenne von „Venus Express“ wieder in Cebreros empfangen wurde: „Venus Express“ fuhr planmäßig von allein hoch und richtete die Solarflügel zur Sonne aus. Am 12. und 13. April wurde die Sonde voll aktiviert und auch die große Highgain-Antenne wieder in Richtung Erde gebracht. In den neun Tagen des Initial-Orbits und den ersten Umläufen danach mussten sieben weitere Triebwerkszündungen, darunter am 20. und 23. April noch je einmal das Haupttriebwerk, für die Senkung des Apozentrums auf 66.000 Kilometer sowie den 24stündigen Orbit sorgen. Schon aus dem neuntägigen Initial-Orbit kamen großartige Fotos der bisher unbekannten Venus-Südpolregion. Ab 22. April war die Sonde zwar in Betrieb, aber noch nicht mit der nominellen Wissenschaftsmission befasst. Die begann am 4. Juni, nachdem bis 7. Mai die endgültige Umlaufposition erreicht und bis 13. Mai alle Instrumente eingeschaltet und durchgecheckt wurden. Inzwischen folgt dem Abenteuer der geglückten Orbit Insertion das Abenteuer der Venus-Erkundung, aber das ist eine andere Geschichte.

 

Info:

E-Mail: andrea.accomazzo@esa.int

http://www.dlr.de/venus

http://www.esa.int/SPECIALS/Venus_Express/

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