FLUG REVUE Januar 1980: Voyager-Mission

US- Raumflugkörper erforschen den größten Planeten

VOYAGER-MISSIONEN

In den siebziger Jahren traten Raumflugmissionen zu den Planeten mehr und mehr in den Vordergrund. Zunächst befaßte man sich mit den der Erde näher liegenden Planeten Mars und Venus, gefolgt von Flügen zu Jupiter, Saturn und darüber hinaus. US-Raumfahrtmitarbeiter Dipl.-Ing. Dutzmann beschreibt im folgenden die Voyager 1- und 2-Missionen, die seit Mitte August und Anfang September 1977 laufen, 1979 den Jupiter erreichten und sich nun auf dem Wege zum Saturn befinden. Unerwartete Überraschungen waren bei diesem Vorhaben wiederum an der Tagesordnung.

In der Planung von Raumflügen zu den Riesenplaneten unseres Sonnensystems - Jupiter und Saturn - muß man sich der enormen Entfernungen bewußt sein. Wie schon vorher bei Mars und Venus hatte man zunächst sogenannte Vorbeiflüge an diesen beiden Planeten angesetzt. Anhand von Flugbahnberechnungen stellte man aber bald fest, daß Jupiter und Saturn zu bestimmten Zeitpunkten in einem äußerst günstigen Verhältnis zueinander stehen, das es gestattet, beide mit dem gleichen Raumflugkörper zu „besuchen". Es handelt sich dabei um die Ausnützung des sogenannten „Schleuder-Prinzips“, wobei die Masse des Jupiter dazu beiträgt, den Flugkörper zu beschleunigen und dann in Richtung zum Saturn „umzulenken“.

Bereits 1972 und 1973 wurden zwei derartige Missionen, nämlich Pioneer 10 und Pioneer 11, gestartet. Pioneer 10 flog im Dezember 1973 am Jupiter vorbei und dann weiter ins Weltall. Die Flugbahn von Pioneer 11 wurde so geändert, daß der Raumflugkörper nicht nur im Dezember 1974 an Jupiter, sondern - unter Anwendung des Schleuder-Prinzips - im September 1979 am Saturn vorbeiflog.

Die nächsten Missionen zu diesen Planeten wurden Voyager 1 und Voyager 2 benannt. Der Start von Voyager 2 erfolgte am 20. August 1977, Voyager 1 wurde am 5. September 1977 gestartet, und zwar mit höherer Geschwindigkeit (143000 km/h). Deswegen überholte er Voyager 2 etwa drei Monate nach dem Start am 15. Dezember 1977. Und obwohl Voyager 1 seinen Raumflug 16 Tage nach Voyager 2 angetreten hatte, erreichte Voyager 1 Jupiter 126 Tage vor Voyager 2.

Die unterschiedlichen Flugbahnen wurden gewählt, um während der zwei Vorbeiflüge die größtmögliche Zahl Jupiter-Monde beobachten zu können. Voyager 1 flog am 5. März 1979 in einer Entfernung von 278000 km am Jupiter vorbei, während Voyager 2 den Planeten am 10. Juli 1979 in einer Entfernung von 643 000 km passierte. Beide sind z. Z. auf einer Flugbahn zum Saturn, den Voyager 1 am 12. November 1980 und Voyager 2 am 27. August 1981 erreichen wird.

Während des Vorbeifluges von Voyager 1 an Jupiter betrug die Entfernung zur Erde 680 Millionen Kilometer, so daß die Radiosendungen 37 Minuten 40 Sekunden brauchten, um die Erde zu erreichen. Beim Vorbeiflug von Voyager 2 betrug die Entfernung 931 Millionen Kilometer und die Empfangsverzögerung 51 Minuten 49 Sekunden.

Die Voyager-Flugkörper

Die Flugkörper mußten für Missionen entworfen werden, die sich über die bisher weitaus größten Entfernungen im Weltraum erstrecken sollten. Da ein Flug zum Saturn mehr als vier Jahre in Anspruch nimmt, mußten hohe Zuverlässigkeit und weitgehende Redundanz in die Untergruppen des Raumflugkörpers hineinkonstruiert werden.

Der Voyager-Raumflugkörper wiegt 826 kg; davon entfallen 105 kg auf wissenschaftliches Gerät. Das Gehäuse ist zehneckig konstruiert und enthält 10 Abteile für die Elektronik. Vier dieser Abteile sind mit temperaturgeregelten Jalousien versehen. Das Gehäuse weist eine Höhe von 47 cm und eine maximale Breite von 1,78 m auf. Die Mitte des Gehäuses nimmt ein kugelförmiger Treibstoffbehälter ein, der Treibstoff für die Fluglagenkontrolle und Flugbahnkorrekturen enthält. Eine parabolische High-Gain-Antenne (3,66 m Durchmesser) ist oben am Gehäuse montiert. Am oberen Gehäuse-Ring sind zwei Sternsucher angeordnet, ein Sonnenfühler ist in der parabolischen Antenne untergebracht. Sternsucher und Sonnenfühler dienen der Erfassung von Referenzpunkten für die Fluglagenkontrolle. An einem ausfahrbaren Arm sitzen drei thermoelektrische Isotopen-Generatoren: Durch den isotopischen Verfall von Plutonium 238 erzeugte Wärme wird in den Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt. Die üblichen Solarzellen konnten für diese Mission wegen der großen Entfernungen zur Sonne nicht zur Anwendung gelangen. Nach dem Start standen mindestens 423 Watt Leistung zur Verfügung, die nach Erreichen des Saturn auf 365 Watt abfallen werden.

Ein ausfahrbarer Arm von 2,3 m Länge mit wissenschaftlichem Gerät ist um 180 Grad von den Isotopen-Generatoren versetzt angeordnet, um einem Minimum an Strahlung ausgesetzt zu sein. Das Rohrgerüst dieses Armes besteht aus Graphit-Epoxy. Am äußersten Ende dieses Armes ist eine Plattform befestigt, die in zwei Ebenen geschwenkt werden kann. Auf dieser Plattform sind Ultraviolett-Spektrometer, Infrarot-Spektrometer und Radiometer, Photopolarimeter sowie zwei Fernsehkameras - eine mit einer Brennweite von 200 mm, die andere mit einer Brennweite von 1200 mm - montiert.

Die Plattform muß für die verschiedenen Messungen mit hoher Genauigkeit auf das Ziel ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck kann sie mit verschiedenen Drehgeschwindigkeiten geschwenkt werden, und zwar maximal mit 1 Grad/s und minimal mit 0,0052 Grad/s. Die Kamera-Achsen können mit einer Genauigkeit von 0,143 Grad ausgerichtet werden.

Zwei 10 m lange Stabantennen sind im Winkel von 90 Grad zueinander am oberen Gehäuserand angeordnet. Diese Antennen bestehen aus Beryllium-Kupferrohr, das während des Starts als flaches Material aufgerollt ist und beim Ausfahren nach dem Start ein Rohr bildet. Diese Antennen werden zum Erfassen von Radiowellen und Plasmawellen angewandt. An einem dritten ausfahrbaren Arm, der 13 m lang ist, sind zwei Magnetometer für geringe Feldstärken montiert. Der Armselbst wiegt nur 2,3 kg - weniger als das Kabel, das vom Gehäuse zu den Magnetometern führt. Der Arm ist aus Glas-Epoxy gefertigt und wird spiralenartig ausgefahren, um dann ein steifes Gerüst dreieckigen Querschnitts zu bilden.

Zur Nachrichtenverbindung dienen ein S-Band- und ein X-Band-Sender mit je zwei redundanten Erregern und Verstärkern. Nur ein Erreger/Verstärker-Paar ist jeweilig in Betrieb. Zwei redundante Empfänger dienen zum Befehlsempfang und zur Entfernungsermittlung. Nur ein Empfänger ist jeweils in Betrieb. Der S-Band-Sender kann mit zwei Leistungsstufen (9,4 Watt oder 28,3 Watt) betrieben werden, während der X-Band-Sender mit 12 Watt oder 21,3 Watt arbeitet. Im S-Band kann sowohl die „Low Gain“- als auch die „High Gain“-Antenne angewandt werden. Im X-Band dagegen wird nur die „High Gain“-Antenne verwendet. Ein Datenspeicher kann bis zu 100 Fernsehaufnahmen speichern.

Zur Fluglagenkontrolle sind 12 Hydrazin-Raketentriebwerke von je 0,09 kg Schub vorgesehen. Vier Triebwerke gleicher Art stehen für Flugbahnkorrekturen zur Verfügung. Es wird Treibstoff für Geschwindigkeitsänderungen von insgesamt 685 km/h mitgeführt. Mittels des Sonnenfühlers wird die Hochachse (Achse der parabolischen Antenne) zur Sonne ausgerichtet. Dann wird der Flugkörper um diese Achse gedreht, bis die Sternsucher den Stern Canopus erfassen. Die Helligkeit des Sternes wird durch Telemetrie zur Erde gesandt, um die Wahl des richtigen Sternes bestätigen zu können.

Um ein genaueres Ausrichten der Antenne zur Erde zu ermöglichen, kann ihre Hochachse bis zu 20 Grad zur Achse des Sonnenfühlers versetzt werden. Dies ist die normale Fluglagenkontrolle. Wenn aber Flugbahnkorrekturen erfolgen oder wissenschaftlich interessante Objekte angepeilt werden, kann eine beliebige Orientierung durch eine Drei - Kreisel-Trägheitsreferenz eingehalten werden.

Während bei Raumflugkörpern, die sich auf Flugbahnen zwischen der Erde und. der Sonne befinden, die Kühlung ein Problem für die Temperaturüberwachung darstellt, muß auf Flugbahnen zu den „äußeren“ Planeten für die Heizung von Bordgerät gesorgt werden. Um den Wärmeverlust zu mindern, gelangt schwarzes Isoliermaterial zur Anwendung. Radio-Isotopen-Heizkörper von je einem Watt Leistung sind an den Magnetometern und den Sonnenfühlern angeordnet, und elektrische Heizkörper sind an anderer Stelle im Gerät verteilt.

Die Jupiter-Mission

Die Aufgabe der Jupiter-Mission bestand darin, weitere Einzelheiten über diesen Planeten zu ermitteln und erstmalig seine Monde näher zu betrachten. Während des 18 Monate dauernden Anfluges von Voyager 1 zum Jupiter war die Hauptaufgabe, nämlich Fernsehaufnahmen zu machen, zeitweilig in Frage gestellt. Als am 23. Februar 1978 eine Kalibrier-Übung angesetzt wurde, klemmten die Zahnräder des Antriebes der Plattform, auf welcher die Fernsehkameras montiert sind. Während der folgenden drei Monate kam man zur Schlußfolgerung, daß sich ein weicher Fremdkörper zwischen den Zähnen festgesetzt hatte. Durch wiederholte Betätigung des Antriebes wurde der Fremdkörper anscheinend zerquetscht und der Antrieb wieder freigegeben.

Nachdem Voyager 1 ohne Zwischenfälle den 360 Millionen km breiten Asteroiden-Gürtel zwischen dem Orbit von Mars und Jupiter durchflogen hatte, kreuzte der Flugkörper am 10. Februar 1979 den Orbit von Sinope, dem entferntesten Jupiter-Mond. Am 18. Februar 1979 wurden die Monde Callisto, Ganymed, Europa, Io und Almathea fotografiert. Am 5. März flog Voyager 1 dann in einer Entfernung von 278000 km an Jupiter vorbei. Dabei wurden ausgezeichnete Aufnahmen der Wolkenbildung und des roten Fleckes angefertigt sowie wissenschaftliche Messungen durchgeführt. Interessant war die Feststellung, daß sich der rote Fleck täglich um 2,6 Grad nach Westen verlagert, während ovale Gebilde, die in der Umgebung des Fleckes sichtbar sind, sich täglich um 3,5 Grad ostwärts verlagern. Dem roten Fleck wurde natürlich besondere Aufmerksamkeit gewidmet: Er zeigt eine spiralenförmige Wolkenbildung. Ein heller Fleck innerhalb des roten Fleckes rotiert in 60 Tagen 10mal um den Mittelpunkt des roten Fleckes.

Etwa bei 32 Grad nördlicher Breite umgab den Planeten ein mit Wirbeln durchzogener Wolkenstreifen. Die Wirbel bewegten sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/h westwärts. Die Messungen der Jupiter-Atmosphäre deuten darauf hin, daß Sie hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht. An weiteren Bestandteilen wurden Ammoniak, Deuterium, Methan, Azetylen, Äthan und Wasserdampf ermittelt. Die Atmosphäre der nördlichen Hemisphäre von Jupiter ist ferner wärmer als diejenige der südlichen Hemisphäre. Innerhalb der Jupiter-Atmosphäre wurden heftige Blitze beobachtet, die sich auch als elektromagnetische Störungen bemerkbar machten.

Die Frequenz dieser elektromagnetischen Störungen ist die gleiche, mit der die im magnetischen Feld „gefangene“ Elektronen um Feldlinien rotieren. Durch Wechselwirkung zwischen den Elektronen und den durch Blitze erzeugten elektromagnetischen Störungen werden Elektronen aus ihrer Bahn zum Jupiter hingeschleudert. Durch diesen Vorgang wird der Atmosphäre Energie zugeführt, die etwa zehnmal größer ist als die durch Sonneneinstrahlung erzeugte Energie. Magnetometer-Messungen wiesen darauf hin, daß die magnetische Achse von Jupiter um 9,6 Grad zur Rotationsachse versetzt ist. Jupiter hat einen enormen magnetischen Schweif, der sich von der der Sonne abgewandten Seite auf 300 bis 400 Jupiter-Radien in den Raum hinaus erstreckt.

Ähnlich wie bei der Erde wurden auch beim Jupiter in der Magnetosphäre über den Polen Auroras oder „Nordlicht“-Erscheinungen beobachtet. Überraschend war die Entdeckung eines sehr schwachen Ringes, der Jupiter in der Äquatorialebene umspannt. Dieser Ring war sogar mit den stärksten Teleskopen von der Erde aus nicht sichtbar. Der äußerste Rand des Ringes - etwa 128 000 km vom Mittelpunkt des Jupiter entfernt - ist etwa 6 400 km breit und etwa 30 km dick. Bis zur Wolkendecke von Jupiter hinab scheint weitere Materie in der Ringebene verteilt zu sein.

Ebenfalls am 5. März flog Voyager l in einer Entfernung von nur 19 000 km an Io und in einer Entfernung von 112 000 km an Ganymed vorbei. Am nächsten Tage folgte dann der Vorbeiflug an Callisto in einer Entfernung von 124000 km. An Europa kam der Flugkörper nur bis auf 732000 km heran. Kurz nach dem Vorbeiflug an Io verschwand Voyager l für mehr als zwei Stunden hinter dem Jupiter. Während dieser Zeit wurden Okkultations-Experimente vorgenommen, um anhand von Änderungen des Radioempfanges Rückschlüsse auf die vertikale Beschaffenheit der Atmosphäre von Jupiter ziehen zu können.

Während des Vorbeifluges an Io, der zwischen dem Jupitermond und dem Planeten verlief, sollte Voyager 1 durch die sogenannte „Flussröhre“ fliegen, eine Zone, in der hochgeladene Partikelchen im magnetischen Feld des Jupiter zu Io hinströmen. Diese Wechselwirkung zwischen den magnetischen Feldern von Io und Jupiter entwickelt fortlaufend 1012 Watt und eine induzierte Stromstärke von 4 bis 6 Millionen Ampere. Unerwartet hohe Stromstärken hatten jedoch die „Flussröhre“ um etwa 7000 km verlagert, so daß Voyager 1 in dieser Entfernung an der „Flussröhre“ vorbeiflog. Dennoch gelang es, wertvolle Messungen vorzunehmen. Zur Zeit wird die Möglichkeit erwogen, daß die enorme Energie, die als Folge der genannten Wechselwirkung erzeugt wird, zur Erhitzung des Mondes Io beiträgt.

Die weitaus größte Überraschung aber bot die Entdeckung von aktiven Vulkanen auf Io. Es wird z. Z. angenommen, daß die Oberfläche von Io dadurch dauernden Veränderungen vulkanischen Ursprungs ausgesetzt ist, wodurch erklärt werden kann, daß keine Aufschlagskrater auf Io sichtbar sind. Die meisten Vulkane wurden in einem Band von 30 Grad beiderseits des Äquators festgestellt. Innerhalb einer gegebenen Zeitspanne wurden acht bis neun Ausbrüche beobachtet. Dabei wurde Materie bis zu einer Höhe von 160 bis 300 km mit Geschwindigkeiten von mehr als 1800 km/h emporgeschleudert. Die Vulkanausbrüche stellen meist einen ununterbrochenen Strom dar.

Außer den Vulkanen wurden auch Gas-Ausströmungen aus Rissen oder Spalten beobachtet, und zwar hauptsächlich in der Gegend des südlichen Poles. Diese Ausströmungen, die als bläuliche Schwaden sichtbar waren, wurden spektroskopisch als SO2 (Schwefeldioxyd) erkannt. Warme Gegenden auf Io wiesen eine Temperatur zwischen 280 und 300 Grad K auf.

Während des Fluges durch den Strahlungsgürtel zwischen Io und Jupiter wurden Strahlungsmessungen vorgenommen. Dabei wurde eine eigenartige Zusammensetzung der Partikelchen ermittelt. Hauptsächlich wurde ionisierter Sauerstoff festgestellt - aber ohne den geringsten Nachweis an ionisiertem Kohlenstoff, den man ursprünglich vermutet hatte. Schwefel wurde mit 75 Prozent des Sauerstoffvorkommens ermittelt, während im allgemeinen im Sonnensystem das Vorkommen an Schwefel nur etwa 2-Prozent beträgt. Das gleiche trifft für Natrium zu, welches mit 4 Prozent im Vergleich zum Sauerstoff gemessen wurde. (Im Gegensatz dazu ist Natrium im Sonnensystem nur mit 2 Prozent vertreten.) Die Erklärung dafür ist in den Vulkanen des Io zu finden, die laufend Schwefel emporschleudern, der dann innerhalb des magnetischen Feldes „gefangen“ wird. Interessant ist, daß Pioneer 10 im Jahre 1973 keinen Schwefel feststellte.

Während des Fluges durch den Strahlungsgürtel von Jupiter war Voyager 1 einer Strahlungsdosis ausgesetzt, die dem Hundertfachen einer dem Menschen tödlichen Dosis entspricht. Die Elektronendichte im Plasma des Strahlungsgürtels betrug 4500 Elektronen/cm3.

Die durch genauere Durchmesserbestimmung ermittelten Dichten von Ganymed und Callisto weisen darauf hin, daß ein Teil der Masse dieser Monde aus Eis bestehen muß. Beide Monde sind mit Aufschlagkratern übersät und sehen in vieler Hinsicht unserem Mond ähnlich. Ältere und jüngere Krater können deutlich unterschieden werden.

Die gesamte Oberfläche von Europa ist von Rissen durchzogen. Die Dichte dieses Jupitermondes weist ebenfalls auf einen großen Wassergehalt hin. Nur wenige Aufschlagskrater sind sichtbar, was auf weitgehende und andauernde Oberflächenveränderung hindeutet.

Der Mond Almathea strahlt mehr Wärme aus, als er von der Sonne empfängt. Messungen mit dem Infrarot-Spektrometer zeigten Temperaturen von 180 Grad K, während Sonneneinstrahlungnur zu 170 Grad K führen kann. Man nimmt an, daß das „Bombardement“ durch Partikelchen hoher Energie aus dem Strahlungsgürtel des Jupiter zur Temperaturerhöhung beiträgt.

Als Voyager 1 Jupiter hinter sich ließ, war Voyager 2 etwa vier Monate hinter Voyager 1 zurückgeblieben. Aufgrund der Entdeckungen von Voyager 1 wurde die Flugbahn von Voyäger 2 geändert, um
* den neu entdeckten Ring aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten,
* Vulkantätigkeit auf Io weiter zu erforschen und
* die Nachtseite. von Jupiter näher zu untersuchen.

Auch Voyager2 hatte unter technischen Schwierigkeiten zu leiden, die zeitweilig die Mission in Frage stellten. Am 5. April 1978 versagte der Hauptempfänger, und der Computer schaltete automatisch auf den redundanten Empfänger um. Da im Falle eines Versagens des zweiten Empfängers keine Befehle mehr übermittelt werden können, wurde ein Notprogramm für den Vorbeiflug am Jupiter im Computer gespeichert. Dieses Programm hätte automatisch die wichtigsten Funktionen während des Vorbeifluges übernommen. Glücklicherweise war dies aber nicht notwendig, da der Empfänger gut funktionierte.

Am 25. April 1979 wurde mit der Beobachtung von Jupiter angefangen. Man fand, daß während der kurzen Zeit seit dem Voyager 1-Vorbeiflug bereits sichtbare Veränderungen in der Atmosphäre von Jupiter feststellbar waren. Auffällig war eine Umkehr der atmosphärischen Strömung im Gebiet des roten Fleckes.

Am 9. Juli flog Voyager 2 in einer Entfernung von 650 000 km am Jupiter vorbei, und zwar an der südlichen Hemisphäre. Während Voyager 1 die Monde nach dem Vorbeiflug beobachtete, erfolgte dies bei Voyager 2 vor dem Vorbeiflug. Dadurch konnten Ganymed und Callisto von der entgegengesetzten Seite beobachtet werden. An Europa kam Voyager 2 bis auf 204000 km heran, was bedeutend bessere Aufnahmen als bei Voyager 1 ergab.

An Callisto flog Voyager 2 in 240000 km, an Ganymed in nur 50000 km und an Almathea in 550000 km Entfernung vorbei. An Io kam Voyager 2 nicht so nahe heran wie Voyager 1, aber trotzdem wurden wieder Vulkanausbrüche beobachtet. Einer der von Voyager 1 beobachteten aktiven Vulkane hatte jedoch z. Z. des Vorbeifluges von Voyager2 seine Tätigkeit eingestellt, während bei den anderen nach wie vor Ausbrüche zu verzeichnen waren. Im allgemeinen trug Voyager 2 dazu bei, daß die wissenschaftliche Ausbeute von Voyager 1 mehr als verdoppelt wurde.

Beide Raumflugkörper sind jetzt auf dem Weg zum Saturn, und falls die Geräte in 12 bis 18 Monaten noch gut funktionieren, sollte man nach Erreichen des Saturn auf weitere Überraschungen gefaßt sein. Text: Dipl.-Ing. Rolf Dutzmann

Letzte Änderung: 4. Januar 2005

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