Deep Space 1

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Deep Space 1 (NASA)
Deep Space 1 wird für Tests vorbereitet
Nahaufnahme des NSTAR-Ionenantriebs der Raumsonde

US-amerikanische Raumsonde Deep Space 1 (oder kurz DS1) wurde am 24. Oktober 1998 zum Test neuer Technik und Programme gestartet und operierte bis sie am 18. Dezember 2001 deaktiviert wurde. DS1 war die erste Mission im Rahmen des sogenannten New Millennium Programs zur Erprobung neuer Raumfahrttechniken. Die Mission ermöglichte zusätzlich die wissenschaftliche Beobachtung eines Asteroiden sowie eines Kometen.

Den Namen der Sonde wählte die NASA aufgrund der getesteten Technologien für Missionen in den tiefen Raum, nicht in Anlehnung an die Star-Trek-Serie Deep Space Nine. Die Mission hatte als primäres Ziel den Test von einem Dutzend neuer Technologien, teilweise in experimentellem Stadium. Man wollte Erfahrungen mit der Zuverlässigkeit der Technologie sammmeln, bevor sie in einer teuren wissenschaftlichen Mission eingesetzt werden sollte. Generell fielen die Missionsziele in zwei Kategorien: zunächst Technologien, die Raumfahrzeuge kleiner oder leichter und preiswerter machen, dann Technologien, die Raumfahrzeuge autonomer machen und somit Personal und Nutzungszeit von großen Antennanlagen und Bodenstationen einsparen.[1] Aus verschiedenen Gründen wurde auf redundante Systeme weitgehend verzichtet, allerdings konnten manche Systeme Funktionen von anderen Systemen übernehmen. Gegenüber den Tests war die Generierung von wissenschaftlichen Ergebnissen nur ein Nebenprodukt.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Sondenkörper hat die Abmessungen 1,1 x 1,1 x 1,5 m, mit den Anbauten und Folien 2,1 x 1,7 x 2,5 m. Wenn die Solarmodule ausgefahren sind, ergibt sich eine Spannweite von 11,8 m. Das Startgewicht war 490 kg, wovon 31 kg Hydrazin für die Lageregelung und 82 kg Xenon für den Ionenantrieb waren. Die Solarmodule hatten eine Leistung von 2400 Watt.[2]

Hauptprozessor war der IBM RAD6000[3], auf dem das Echtzeitbetriebssystem VxWorks zum Einsatz kam.

In der Sonde wurden 12 neue Technologien eingebaut und getestet. Die übrigen Komponenten waren preiswerte Standardteile, manche übriggebliebenen Teile von anderen Missionen wurden eingebaut.

Ionenantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das wichtigste Ziel der Mission war der Einsatz des Ionenantriebs unter realen Bedingungen. Der Xenon-Ionenantrieb hat einen Durchmesser von 30 cm und hätte bei voller Schubleistung maximal 2500 Watt an elektrischer Leistung benötigt, 500 W bei minimaler Leistung. Da die Solarmodule nicht so viel Leistung erbringen konnten und zusätzliche Leistung für den Betrieb der übrigen Systeme gebraucht wurde, wurde der Ionenantrieb nicht bei Maximalleistung getestet.[4]

Beim Test des Ionenantriebs wurden die Prognosen aus den Tests im Labor überprüft, in Leistung, Dauerbetrieb, Abnutzung und Wirkungsgrad. Abgesehen von den Schwierigkeiten am Anfang der Mission arbeitete der Antrieb erwartungsgemäß und bewies seine Tauglichkeit.

Solarmodule[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die neuartigen Solarmodule ware mit Solarkonzentrator ausgestattet.Die Module haben 720 Fresnel-Linsen aus Silizium, die Licht auf 3600 hocheffiziente Solarzellen aus Indium-Gallium Phosphid, Galliumarsenid und Germanium werfen. Sie haben 2400 Watt Leistung bei 100 Volt Spannung, wobei die Leistung mit zunehmender Alterung und Abstand zur Sonne abnimmt. Sie haben circa 15-20% mehr Leistung als bisherige Solarmodule gleicher Größe.[5] Da der Ionenantrieb viel Energie braucht, musste zuerst die Leistung der neuartigen Solarmodule unter verschiedenen Bedingungen überprüft werden. Getestet wurde auch der Alterungsprozess unter der Weltraumstrahlung.

Autonome Navigation (AutoNav)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zuvor wurden Raumfahrzeuge vom Boden aus gesteuert, indem vom Boden aus Radiosignale verfolgt und daraus Position und Kurs berechnet werden, gelegentlich werden Aufnahmen vom Zielobjekt gemacht, um genauer die Position zu bestimmen. Kommandos vom Boden aus zünden dann die Triebwerke für die Feinkorrektur. AutoNav übernahm nun diese Rolle des Bodenteams. Konventionelle Raumfahrzeuge mit chemischem Antrieb werden nur in der Startphase stark beschleunigt. Die meiste Zeit vergeht mit einer antriebslosen Flugbahn, die einem ballistischen Objekt entspricht, unterbrochen nur von kurzen Stößen der Hydrazin-Lagekontrolldüsen oder von einzelnen Einsätzen des Hauptantriebs für wenige Minuten oder Sekunden. Deep Space 1 hingegen wird über über Tage und Wochen angetrieben, verändert somit ständig die Flugbahn und braucht daher eine andere Art der Navigation.

AutoNav konnte selbstständig die Orientierung der Sonde im Raum erkennen, die Sonde ausrichten und den Ionenantrieb steuern. Es erkannte den Abstand zur Sonne und die Menge an Leistung, die für den Antrieb zur Verfügung steht.

Beim Start waren die Bahnen von 250 Asteroiden und die Positionen von 250.000 Sternen im Computer gespeichert. AutoNav kannte die Bahnen von Asteroiden und die Positionen der Fixsterne und konnte anhand der Parallaxe die eigene Position bestimmen. Anfangs wurden drei mal in der Woche Aufnahmen von vier bis fünf Asteroiden gemacht, später dann ein mal in der Woche von sieben Asteroiden. Die Befehle des AutoNav Systems werden dann umgesetzt durch gezielt dosierten Einsatz des Ionenantriebs oder durch die Hydrazintriebwerke. Für die korrekte Funktion von AutoNav war man auf gute Aufnahmen angewiesen, jedoch wurde die Kamera von unerwartetem Streulicht beeinträchtigt, was auch auf Funktion von AutoNav Auswirkungen hatte.

Remote Agent[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Remote Agent war eine Art Autopilot für einen vorbestimmten Kurs, er konnte einen komplexen vorgegebener Plan für die Experimente abarbeiten ohne Befehle oder Überwachung von der Bodenstation zu benötigen. Der Remote Agent setzte dabei die Zielvorgaben für AutoNav. Die Software erlaubte dem Raumfahrzeug eigenständige Entscheidungen zu treffen, Komponenten oder Backupsysteme automatisch aus- oder anzuschalten, wobei vom Boden her nur allgemeine Vorgaben gemacht wurden. Das Bodenteam verlässt sich darauf, dass der Agent selbst einen Weg findet und entsprechende Entscheidungen trifft, um diese Vorgaben zu erfüllen, auch für den Fall, dass Systeme ausfallen oder ungeplante Ereignisse stattfinden.

Die Software enthiel auch einen Fahrplan, der festlegt, was zu einer bestimmten Zeit oder bei einem bestimmten Ereignis zu tun ist. Die Entscheidungen wurden getroffen anhand des Systemzustands, den Beschränkungen, denen eine Mission unterliegt und den allgemeinen Missionsvorgaben. Entsprechend gibt das System eine Reihe von Befehlen an das entsprechende Teilsystem. Es wird dabei überwacht, wie die Systeme auf die Befehle reagieren und wiederholt sie oder gibt veränderte Befehle, falls das Ergebnis anders ist, als vorhergesehen. Der Remote Agent war nicht während der gesamten Mission in Betrieb und Softwareupdates wurde auch noch während der Mission hochgeladen.

Beacon Monitor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Beacon Monitor Operations Experiment war eine einfache Kommunikationsmethode zwischen Sonde und Bodenstation. Die Sonde arbeitet dabei als "Leuchtfeuer" und gibt nur ein einziges Signal aus. Die bisherigen Missionen verließen sich auf regelmäßige Übermittlung von Telemetriedaten. Dieses erfordert jeweils den häufigen und kostenintensiven Einsatz des DSN sowie Personal zur Auswertung der Daten im Mission Controll Zentrum. Die Sonde ist mit genügend Intelligenz ausgestattet, so dass sie selbst über ihren Zustand informiert ist und enstscheiden kann, ob Eingreifen von der Bodenstation aus erforderlich ist. Der Beacon Monitor gibt nur vier verschiedene einfache Signale aus, die der Bodenstation generelle Auskunft über den Zustand der Sonde geben. Das einfache Signal ist nicht codiert und zum Empfang reichen einfache Antennen von 3 bis 10 Metern Durchmesser, so dass der Einsatz des DSN nicht gebraucht wird. Ein "grünes" Signal zeigt, dass alles normal verläuft, ein "oranges" Signal zeigt, dass etwas Unvorhergesehenes festgestellt wurde, aber die Sonde das Problem gelöst hat und alle Werte akzeptabel sind, oder dass Kontakt innerhalb von vier Wochen nötig ist. Ein "gelbes" Signal zeigt, dass die Sonde Daten senden will oder dass eine bestehende Entwicklung über längere Zeit in der Zukunft zu einem Problem führen kann, oder dass Kontakt innerhalb von einer Woche nötig ist. Ein "roter" Ton zeigt hingegen ein schwerwiegendes Problem an, das die Elektronik nicht regeln kann und schnelles Eingreifen von der Bodenstation erforderlich ist. Der Beacon Monitor kontrollierte nicht die Mission und war nicht die gesamte Zeit in Betrieb, sondern wurde nur testweise betrieben.

Miniature Integrated Camera Spectrometer (MICAS)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ist eines von den wissenschaftlichen Apparaturen. Dieses zwölf Kilogramm schwere Instrument kann mehrere Aufgaben zugleich erfüllen: Es arbeitet als Kamera, als UV-Bildspektrometer und als Infrarot Bildspektrometer. MICAS liefert auch Bilder für das AutoNav. Es verfügt über zwei schwarz-weiß Kameras, ein UV- und ein IR-Bildspektrometer, die alle gemeinsam ein 10 Zentimeter Teleskop benutzen. Von den beiden Kameras im sichtbaren Bereich ist eine eine Pixelkamera, die andere ist eine Vorrichtung, die mit Ladung arbeitet. Die Spektrometer müssen einzelne Punkte des Zielobjekts abtasten, um Daten zu erhalten. MICAS kann mit dem UV-Spektrometer im Sonnensystem verteilten Wasserstoff erkennen. In der Praxis verhinderte Streulicht in der Kamera, dass wissenschaftlich brauchbare Daten gewonnen wurden.

Plasma Experiment for Planetary Exploration (PEPE)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Plasma Experiment for Planetary Exploration (PEPE) ist ein sechs Kilogramm schweres Mehrzweckinstrument zur Untersuchung von Plasma und geladenen Teilchen.Plasma Experiment for Planetary Exploration (PEPE). Das Gerät kann Elektronen und Ionen erkennen. Es wurde auch getestet, wie sich der Ionenantrieb auf die Messergebnisse auswirkt. Es arbeitet wie mehrere physikalische Beobachtungsgeräte, daneben untersucht es die Auswirkungen des Ionenantriebs auf die Oberfläche der Sonde und auf die Instrumente und untersucht, wie der Ionenantrieb mit dem Sonnenwind interagiert. Es kann außerdem wissenschaftlich interessante Daten aus dem Flyby am Asteroiden gewinnen.

Small Deep-Space Transponder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der drei Kilogramm schwere Small Deep-Space Transponder soll die Telekommunikationshardware verbessern. Er enthält einen Kommandodetektor, eine Telemetriemodulation, einen Tongenerator für den "Leuchtfeuer"-Modus sowie Kontrollfunktionen. Er kann im X-Band senden und empfangen, sowie im Ka-Band senden. Geringes Gewicht und Abmessungen sind möglich durch Verwendung von integrierten Mikrowellen-Chips aus Einkristall-Galliumarsenid, dichte Anordnung und Verwendung anwendungsspezifischer Silizium-ICs.

Ka-Band Solid-State Power Amplifier[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieser sehr kleine und leichte Verstärker erlaubt aufgrund der höheren Frequenz im Ka-Band höhere Datenraten.[6] Das Ka-Band erlaubt dieselbe Datenrate mit einer kleineren Antenne, ist jedoch anfälliger gegen Wettereinflüsse. Der Sender wurde nicht nur zur Kommunikation eingesetzt, sondern auch für allgemeine Experimente zur Kommunikation im Ka-Band. Zur Zeit der Mission war vom DSN nur Goldstone mit entsprechender Technik ausgestattet, so dass alle Experimente mit der Station in Goldstone ausgeführt wurden.

Low-Power Electronics[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es handelte sich dabei um extrem energiesparende Mikroelektronik und unempfindlich gegen Strahlung. Das Experiment arbeitete mit niedrigen Spannungen, besaß eine Logik für wenig Aktivität, eine energiesparende Architektur und ein Strom-Management. Getestet wurde ein Ringoszillator, Transistoren und ein Vervielfacher mit minmalem Stromverbrauch.

Multifunktionale Struktur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die multifunktionale Struktur ist ein weiterer Schritt zur Gewichteinsparung, zu weniger Komponenten und mehr Zuverlässigkeit. Bisher waren strukturelle Funktionen, Wärmefunktion und elektronische Funktionen getrennt entwickelt und in verschiedenen Teilen untergebracht. Alle Teile wurden dann mit großen Steckverbindern und Kabelbäumen zur Stromversorgung und Datenübermittlung verbunden. Die multifunktionelle Struktur verbindet Temperaturregelung und Elektronik und ersetzt zugleich eines der Panel des Sondenkörpers. Es hat Kupfer-Polyimid-Folie auf der einen Seite und eingebaute Wärmetransportvorrichtungen. Die Oberfläche dient zur Wärmeabstrahlung und die Verkabelung wird mit der Polyimid-Folie geschaffen. Flexible Verbindungen zwischen den Folien ermöglichen Stromversorgung und Datenverteilung.

Power Activation and Switching Modul[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieses Modul besteht aus acht sehr kleinen elektrischen Schaltern, die in redundanten Paaren angeordnet sind, somit können vier elektrische Verbraucher überwacht werden. Die Schalter registrieren Spannung und Strom und können den Strom begrenzen.

Als Zielobjekt war zunächst der Asteroid (9969) Braille ausgewählt worden. An der Mission war Deutschland beteiligt.

Verlauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Deep Space 1 startete am 24. Oktober 1998 auf einer Delta-II 7326-Trägerrakete. Die Trägerrakete war die erste dieser Bauart. Als zusätzliche Nutzlast hatte sie SEDSAT-1 an Bord. Bereits beim Start wurden drei neue Technologien eingesetzt.[7]
  • Am 10. November wurde der Ionenantrieb erstmals getestet, dabei schaltete sich der Antrieb nach 4,5 Minuten wieder ab und konnte zunächst nicht wieder gestartet werden.[8] Am 24. November gelang es den Ionenantrieb wieder zu starten. Als Ursache für das Problem wird ein temporärer Kurzschluss vermutet.[9]
  • Am 12. November arbeitete der Star Tracker fehlerhaft. Es handelt sich dabei um ein Standardmodell.[10] Ein Problem für die Arbeit der AutoNav Software war unerwartetes Streulicht in der MICAS Kamera, was die Auswertung der Bilder erschwerte. Ein Softwareupdate ermöglichte den Weiterbetrieb. AutoNav konnte die Position auf 2000 Kilometer genau bestimmen.
  • Anfang Februar 1999 wurde die Software des Onboard-Computers erneuert um alle Tests durchzuführen, die ersten Ergebnisse der Tests ausnützen zu können und Programmierfehler zu beseitigen.[11]
  • Am 15. März 1999 wurde nach einem längeren antriebslosen Flug der Ionenantrieb wieder aufgenommen. Für jeweils sechseinhalb Tage arbeitete der Antrieb, für einen halben Tag in der Woche erfüllte die Sonde andere Aufgaben und richtete die Antenne zur Erde.
  • Im Mai 1999 wurde der Remote Agent getestet, dabei wurden dem Remote Agent vom Bodenteam verschiedene Probleme simuliert. Eins der ersten Probleme war, dass sich die Kamera nicht abschalten ließ. Der Remote Agent gab mehrere Befehle zum Abschalten und entwickelte dann einen alternativen Plan.[12] Der Remote Agent drehte die Sonde so, dass Bilder von Asteroiden gemacht werden konnte und drehte dann die Sonde in Flugrichtung und startete den Ionenantrieb. Während der anschließenden Antriebsphase stoppte der Remote Agent und ebenso der Antrieb unerwartet durch einen Softwarefehler. Die übrigen simulierten Systemfehler wurden richtig erkannt und eine passende Lösung gefunden.[13]
  • Anfang Juni bekam die Sonde ein Softwareupdate. Für das Hochladen von 4 Megabyte Daten wurden drei Tage vom DSN gebraucht anschließend wurde der Computer heruntergefahren und neu gestartet.[14]
  • Am 14. Juni 1999 machte AutoNav die erste vollständig selbstständige Kurskorrektur. Es gab keinen vorgegebenen Plan, das System musste komplett von vorne anfangen. Bei der Kalkulation der korrekten Schubrichtung wäredie Sonne der Kamera und dem Star Tracker zu nahe gekommen. Das System teilte daher die Richtung in zwei Brennphasen in verschiedene Richtungen auf, die zusammen die gewünschte Richtung ergeben. Dieses Verfahren heißt vectoring burn.[15] Im Missionsverlauf zeigte sich immer wieder, dass die Grenzen der Kamera ein limitierender Faktor für AutoNav war.[16]
  • Ende Juli, wenige Tage vor der Begegnung wurde der Ziel-Asteroid 1992 KD umbenannt in (9969) Braille. Der Asteroid ist jedoch so klein und dunkel, dass er mit der Kamera auch drei Tage vor dem Flyby noch nicht sichtbar war und AutoNav konnte ihn auf den Aufnahmen nicht entdecken. Als schließlich die Entdeckung mit Hilfe des Bodenteams auf Aufnahmen gelang, war der Asteroid mehr als 400 km von der vorherberechneten Stelle entfernt. Sofort wurde die Sonde auf den neuen Kurs gesetzt.
  • Etwas mehr als einen halben Tag vor dem Flyby ging DS1 durch einen Softwarefehler in Save-Mode. Das Bodenteam arbeitete fieberhaft an der Fehlerbehebung und versetzte die Sonde wieder in Flugmodus. Der Flyby geschah am 29. Juli 1999 mit einer Geschwindigkeit von 15,5 km/s in nur 26 km Abstand, geplant waren 15 km, dennoch war es zu der Zeit der dichteste Vorbeiflug einer Sonde an einem Objekt. Zur Zeit der Begegnung war Deep Space 1 1,25 AU oder 188 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.[17] Aufgrund mehrere Probleme konnte AutoNav den Asteroiden nicht finden und die Kamera konnte nicht genau genug ausgerichtet werden. Es gelang jedoch Infrarotaufnahmen zu machen und auch der Plasmadetektor lieferte Daten. 15 Minuten nach Flyby drehte sich die Sonde und machte noch eine Aufnahme aus der Entfernung auf der der Asteroid sichtbar ist.
  • Die Sonde brauchte einen Tag, um alle Daten zur Erde zu funken. Die spektrographische Auswertung zeigt ein Profil, das dem Basalt von Vesta entspricht.
  • Anfang August verlängerte Nasa die Mission und das geplante neue Ziel war (4015) Wilson-Harrington.[18]
  • Da noch Reaktionsmasse im Ionenantrieb vorhanden war, flog die Sonde am 22. September 2001 am Kometen 19P/Borrelly in etwa 2200 km Abstand vorbei. Diesmal konnten auch zahlreiche Bilder gewonnen werden.
  • Am 18. Dezember 2001 wurde Deep Space 1 abgeschaltet.

Ergebnisse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Deep Space 1 war in technischer Hinsicht ein voller Erfolg, der Ionenantrieb bewährte sich. Auch in wissenschaftlicher Hinsicht konnte Deep Space 1 einiges für sich verbuchen, darunter die erste Messung eines Asteroiden-Magnetfeldes bei Braille.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Deep Space 1 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. NASA (Hrsg.): Deep Space 1, Launch, Press Kit October 1998. S. 3 (nasa.gov [PDF]).
  2. NASA (Hrsg.): Deep Space 1, Launch, Press Kit October 1998. S. 7 (nasa.gov [PDF]).
  3. Deep Space 1 (DS-1) (de) www.bernd-leitenberger.de. Abgerufen am 16. Juli 2012.
  4. NASA (Hrsg.): Deep Space 1, Launch, Press Kit October 1998. S. 24 (nasa.gov [PDF]).
  5. NASA (Hrsg.): Deep Space 1, Launch, Press Kit October 1998. S. 26 (nasa.gov [PDF]).
  6. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 9. Dezember 1998. Abgerufen am 25. Mai 2017.
  7. Dr. Marc Rayman's Mission Log 24. Oktober. Abgerufen am 25. Mai 2017.
  8. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 10. November 1998. Abgerufen am 25. Mai 2017.
  9. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 24. November 1998. Abgerufen am 25. Mai 2017.
  10. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 12. November. Abgerufen am 25. Mai 2017.
  11. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 13. Februar 1999. Abgerufen am 25. Mai 2017.
  12. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 19. Mai 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.
  13. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 23. Mai 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.
  14. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 12. Juni 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.
  15. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 20. Juni 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.
  16. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 11. Juli 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.
  17. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 29. Juli 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.
  18. Dr. Marc Rayman's Mission Log, 8. August 1999. Abgerufen am 28. Mai 2017.