Aus einer Pressemitteilung des Goddard Space Flight Center:
Sie sind fast angekommen.
Es dauerte eineinhalb Jahre, über 90 Bahnmanöver und – wunderbar – viele Gravitationsschübe und nur ein bisschen Treibstoff, um zwei Raumschiffe von ihrer Umlaufbahn um die Erde in ihre neue Heimat um den Mond zu bringen.
Auf ihren Reisen hat die Raumsonde noch nie zuvor versuchte Umlaufbahnen durchlaufen und schöne Schnörkelsprünge von einer Umlaufbahn zur nächsten gemacht. In diesem Sommer werden die beiden ARTEMIS-Raumsonden, die ihr Leben als Teil der aus fünf Raumfahrzeugen bestehenden THEMIS-Mission zur Erforschung der Polarlichter der Erde begannen, stattdessen beginnen, den Mond zu umkreisen. THEMIS ist ein Akronym für Time History of Events and Macroscale Interaction during Substorms spacecraft.
Selbst mit der jahrzehntelangen Erfahrung der NASA in der Orbitalmechanik war diese Reise keine leichte Aufgabe. Die Reise erforderte mehrere Manöver, die noch nie zuvor unternommen worden waren, darunter mehrere Monate, in denen sich jedes Raumschiff auf einer nierenförmigen Bahn auf jeder Seite des Mondes um nichts als einen Gravitationspunkt im Weltraum bewegte, der von keinem physischen Planeten oder Objekt markiert wurde.
„Niemand hat diese Umlaufbahn jemals zuvor ausprobiert, es ist eine Erd-Mond-Libration-Umlaufbahn“, sagt David Folta, Flugdynamikingenieur am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Es ist eine sehr instabile Umlaufbahn, die tägliche Aufmerksamkeit und ständige Anpassungen erfordert.“ .“
Die Reise für ARTEMIS – kurz für Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun – begann 2009, nachdem THEMIS etwa zwei Jahre lang wissenschaftliche Daten über die magnetische Umgebung der Erde, die Polarlichter und wie diese gesammelt hatten werden von der Sonne beeinflusst.
Die Raumsonden sind solarbetrieben, aber die Umlaufbahnen der beiden äußersten THEMIS-Raumsonden waren im Laufe der Zeit verrutscht und würden regelmäßig achtstündiger Dunkelheit ausgesetzt sein. Diese Raumsonden könnten bis zu drei Stunden ohne Sonnenlicht aushalten, aber so viel Dunkelheit würde die Batterien bald vollständig entladen lassen.
Teams der UC-Berkeley und Goddard übernahmen die tägliche Kontrolle der Raumsonde THEMIS. Der leitende Ermittler der Mission, Vassilis Angelopoulos von der UCLA, sprach mit den Teams darüber, die beiden Raumsonden zum Mond zu bringen, um die magnetische Umgebung dort zu untersuchen. Schnelle Modelle einer konventionellen Boost-Technik zeigten jedoch, dass der gesamte verbleibende Kraftstoff einfach während der Fahrt verbraucht würde. Es würde nicht genug übrig bleiben, um den treibstoffhungrigen Prozess der Anpassung von Richtung und Geschwindigkeit tatsächlich zu beginnen, den Mond zu umkreisen.
Also hat Angelopoulos einen neuen, komplexeren mehrjährigen Plan zur Änderung der Umlaufbahn aufgestellt. Der Umzug würde sich hauptsächlich auf die Schwerkraftunterstützung von Mond und Erde stützen, um das Raumfahrzeug an seinen Platz zu bringen. Er brachte seine Idee zu zwei Ingenieuren, die an der Einführung von THEMIS beteiligt waren: David Folta und einem anderen Flugingenieur bei Goddard, Mark Woodard. Das Paar verwendete ihre eigenen Modelle, um dieses neue Design zu validieren, und der Plan ging auf.
Erster Schritt: Erhöhen Sie die Größe der Umlaufbahnen. Die ursprünglichen erdzentrischen Umlaufbahnen reichten kaum bis zur Hälfte des Mondes. Durch die Verwendung kleiner Treibstoffmengen, um Geschwindigkeit und Richtung in genauen Momenten in der Umlaufbahn anzupassen, wurden die Raumfahrzeuge immer weiter in den Weltraum katapultiert. Es waren fünf solcher Anpassungen für ARTEMIS P1 und 27 für ARTEMIS P2 erforderlich.
Nächster Schritt: Machen Sie den Sprung von der Erdumlaufbahn in die knifflige nierenförmige „Lissajous“-Umlaufbahn und umkreisen Sie einen sogenannten Lagrange-Punkt auf jeder Seite des Mondes. Diese Punkte sind die Stellen, an denen sich die Gravitationskräfte zwischen Erde und Mond ausgleichen – der Punkt bietet nicht wirklich eine physikalische Einheit zum Kreisen. ARTEMIS P1 machte am 25. August 2010 den Sprung – in einem schönen Bogen unter und um den Mond – zum Lagrange-Punkt auf der Mondrückseite. Das zweite Raumfahrzeug schaffte am 22. Oktober den Sprung auf die Mondrückseite. Dieser Transfer erforderte eine komplexe Reihe von Manövern, darunter Mondgravitationshilfen, Erdgravitationshilfen und Weltraummanöver. Die Kombination dieser Manöver war erforderlich, um nicht nur den richtigen Punkt in der Nähe des Mondes, sondern auch die richtige Zeit und Geschwindigkeit zu erreichen.
Unter Verwendung einer Reihe von Erd- und Mondgravitationshilfen – und nur der kleinsten Treibstoffmenge – trat die ARTEMIS-Raumsonde im Winter 2010 in eine Umlaufbahn um die Lagrange-Punkte des Mondes ein. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio
Es wurde Geschichte geschrieben. Zahlreiche Satelliten umkreisen Lagrange-Punkte zwischen Erde und Sonne, aber obwohl diese Umlaufbahn ausgiebig untersucht worden war, war sie noch nie zuvor versucht worden.
Dies war nicht nur eine technische Meisterleistung an sich, sondern die Raumsonde befand sich jetzt auch an einem idealen Ort, um den Magnetismus in einiger Entfernung vom Mond zu untersuchen. In dieser Position konnten sie beobachten, wie der Sonnenwind – bestehend aus ionisiertem Gas, dem sogenannten Plasma – am Mond vorbeiströmt und versucht, das Vakuum auf der anderen Seite zu füllen. Eine Aufgabe, die erschwert wird, da das Plasma durch die Magnetfelder gezwungen wird, bestimmte Bahnen zu durchlaufen.
„Es ist ein wahrer Zoo von Plasmaphänomenen“, sagt David Sibeck, Projektleiter für THEMIS und ARTEMIS bei Goddard. „Der Mond schnitzt einen Hohlraum in den Sonnenwind, und dann können wir zusehen, wie sich dieser füllt. Das ist alles andere als langweilig. Es gibt Mikrophysik und Teilchenphysik und Wellenteilchenwechselwirkung sowie Grenzen und Schichten. Alles Dinge, die wir vorher im Plasma nicht studieren konnten.“
Auch für die Flugingenieure war das Leben alles andere als langweilig. Etwas um einen Punkt in der Umlaufbahn zu halten, der außer dem Gleichgewicht der Schwerkraft wenig zu kennzeichnen hat, ist keine einfache Aufgabe. Das Raumschiff benötigte regelmäßige Korrekturen, um es auf Kurs zu halten, und Folta und Woodard beobachteten es täglich.
„Wir würden jeden Tag gegen 9 Uhr morgens aktualisierte Umlaufbahninformationen erhalten“, sagt Woodard. „Wir haben das durch unsere Software laufen lassen und eine Schätzung erhalten, was unser nächstes Manöver sein sollte. Wir sind mit Berkeley hin und her gegangen und haben gemeinsam ein Manöver validiert, bis wir wussten, dass es funktionieren würde und uns noch eine Woche fliegen ließ.“
Das Team hat aus Erfahrung gelernt. Kleine Anpassungen hatten oft größere Folgen als erwartet. Sie fanden schließlich die optimalen Stellen, an denen Korrekturen weniger Feinabstimmung zu erfordern schienen. Diese Sweet Spots traten immer dann auf, wenn die Raumsonde eine imaginäre Linie überquerte, die Erde und Mond verbindet, obwohl nichts in der Theorie so etwas vorhergesagt hatte.
Die tägliche Wachsamkeit erwies sich als entscheidend. Am 14. Oktober änderten sich die Umlaufbahn und die Fluglage der Raumsonde P1 unerwartet. Der erste Gedanke war, dass das Tracking-System möglicherweise ausgefallen ist, aber das schien nicht das Problem zu sein. Das ARTEMIS-Team stellte jedoch auch fest, dass sich das gesamte Fahrzeug um etwa 0,001 Umdrehungen pro Minute schneller drehte. Auch eines der Instrumente, das elektrische Felder misst, funktionierte nicht mehr. Beste Annahme? Die Kugel am Ende des 82-Fuß-Auslegers dieses Instruments war abgebrochen – vielleicht, weil sie von etwas getroffen wurde. Diese Kugel war nur drei Unzen auf einem Raumschiff mit einem Gewicht von fast 190 Pfund schwer – aber sie passte die Geschwindigkeit von ARTEMIS P1 so weit an, dass sie, wenn sie die Anomalie selbst ein paar Tage später entdeckt hätten, eine unerschwingliche Menge Treibstoff hätte verschwenden müssen, um wieder auf Kurs zu kommen.
Künstlerisches Konzept der Raumsonde ARTEMIS im Orbit um den Mond. Bildnachweis: NASA
So wird ARTEMIS mit noch mehr Treibstoff als ursprünglich veranschlagt zum Mond kommen. Sieben bis zehn Jahre lang wird es genug Treibstoff für Bahnkorrekturen geben und dann noch genug übrig, um die beiden Raumschiffe zum Mond zu bringen.
„Wir sind begeistert von der Arbeit der Missionsplaner“, sagt Sibeck. „Sie werden uns dem Mond viel näher bringen, als wir es uns erhofft hatten. Das ist entscheidend, um qualitativ hochwertige Daten über das Innere des Mondes, seine Oberflächenbeschaffenheit und ob es dort magnetische Taschen gibt.“
Am 9. Januar 2011 sprang ARTEMIS P1 über den Mond und schloss sich ARTEMIS P2 auf der erdnächsten Mondseite an. Nun beginnen die letzten Schritte.
Am 27. Juni wird P1 spiralförmig auf den Mond zu und in die Mondumlaufbahn eintreten. Am 17. Juli folgt P2. P2 bewegt sich in die gleiche Richtung mit dem Mond oder parallel; P1 bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung, retrograd.
„Wir überwachen ARTEMIS jeden Tag und entwickeln jede Woche Manöver. Es war eine Herausforderung, aber wir haben einige großartige Dinge entdeckt“, sagt Folta, der sich nun auf andere NASA-Flüge wie die MAVEN-Mission zum Mars konzentrieren wird, die 2013 starten soll mit diesem letzten Manöver fertig und wir werden wieder nur ARTEMIS-Berater sein.“
Weitere ARTEMIS-Bilder und -Videos ansehen unter diesem Link.
Geschrieben von Karen C. Fox bei GSFC.