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Cassini und ihre Mission: Die Raumsonde und Mission bis zum Saturn

Einleitung

Die Cassini Mission ist die größte und komplexeste bisher entwickelte amerikanische Planetensonde. Um sie, mit der bei Artikeln auf meiner Seite, üblichen Genauigkeit zu beschreiben, habe ich den Artikel in mehrere thematisch gegliederte Unteraufsätze aufgeteilt.

• Dieser Aufsatz informiert über den Aufbau der Cassini Raumsonde, ihre Geschichte und den Missionsverlauf bis zum Saturn.
• Ein zweiter Aufsatz beschäftigt sich nur mit den Instrumenten an Bord von Cassini. Wie sie funktionieren und welche Resultate man sich von ihnen erhofft.
• Ein eigener Artikel hat die europäische Landesonde Huygens zum Thema: Ihren Aufbau und ihre Mission.
• Zuletzt gerieten beim Cassini Start wieder einmal die Radioisotopenelemente in die Schlagzeilen. Ein eigener Aufsatz beschäftigt sich mit der Funktionsweise und den Gefahren die von diesen Stromelementen ausgehen.
• Der fünfte Aufsatz hat die Mission von Cassini beim Saturn zum Thema und wird laufend ergänzt.
• Zuletzt: Ein Programm um die Bilder von Cassini eigenständig auf die Festplatte herunter zu laden: Der Cassini Bilder Downloader

Cassini ist nicht nur die schwerste US-Planetensonde die je gebaut wurde sondern auch die teuerste. (In absoluten Dollar, wenn man die Kaufkraft berücksichtigt waren die 914.5 Millionen US-Dollar die Viking bis zum Ende der Primärmission kostete ungefähr den Kosten von Cassini vergleichbar (etwa 3.4 bis 3.5 Milliarden US-Dollar nach heutiger Kaufkraft). Die Entwicklung kostete 1422 Millionen US-Dollar, die Operationen 710 Millionen US-Dollar, 54 Millionen US-Dollar die Bahnverfolgung, 422 Millionen US-Dollar der Start. Dazu kommen noch 500 Millionen US-Dollar welche die ESA für Huygens aufwendet und 160 Millionen US-Dollar von Italien, welche an Cassini mit beteiligt ist. Zusammen kostet Cassini-Huygens also 3.270 Millionen US-Dollar. Zeitweise arbeiteten bis zu 4300 Personen direkt oder indirekt an den beiden Sonden. Bis zum Betriebsende waren es dann 3,9 Milliarden Dollar.

Der Namensgeber

Cassini entstand in einer Zeit als Raumsonden der NASA den Namen von Entdeckern bekamen wie Galileo oder Magellan. Heute haben Raumsonden mehr Phantasienamen (Stardust, Genesis, Deep Space 1, Odyssey) oder werden nach der Mission benannt (NEAR, CONTOUR, Mars Exploration Rovers). Dies liegt wahrscheinlich daran, dass zwar den Wissenschaftlern klar ist, wer Cassini ist, nicht jedoch der Allgemeinheit, die sich wundert, warum eine amerikanische Raumsonde nach einem Italiener benannt ist...

Giovanni Domenico Cassini ist der Begründer einer Astronomenfamilie in Italien. Er und seine Söhne und Nachfahren waren Direktoren des Pariser Observatoriums. Cassini lebte von 1625 bis 1712 und bestimmte als erster die genaue Rotationsgeschwindigkeit von Mars und Jupiter, verbesserte die Bahnbestimmung der Jupitermonde. und gab Tafeln mit ihren Positionen heraus. Berühmt wurde er aber durch seine Entdeckungen bei Saturn. Er entdeckte die Monde Iapetus, Rhea, Dione und Tethys in den Jahren 1671-1684 und entdeckte eine Teilung in den Ringen, die seitdem den Namen Cassinische Teilung trägt. Damit stand die bisherige Theorie, die davon ausging, dass die Ringe flüssig oder fest waren auf schlechtem Boden und der Weg war frei, die Ringe zusammengesetzt aus Steinbrocken zu sehen. Damals war Astronomie noch etwas schwieriger als heute: Cassini benutzte dazu ein "Luftfernrohr" (ohne geschlossenen Tubus, aber es gab ja auch noch keine Straßenlaternen, die hätten stören können) mit 40 m! Länge. Wie die Beobachtungen mit einem so unhandlichen Instrument verliefen, ist leider nicht überliefert.

Die Raumsonde

Cassini ist die schwerste je gebaute US Raumsonde, lediglich die sowjetischen Missionen Mars 96 und Phobos 1+2 waren schwerer. (Die Sonden Luna 15,16,18,20,23,24 hatten nach NASA Angaben mit 5.600 bis 5.720 kg Startmasse in etwa die gleiche Startmasse, doch kennt man diese nicht genau). Beim Start wiegt Cassini mit der 348 kg schweren Huygens Sonde 5.712 kg, davon sind allerdings 3.132 kg Treibstoff. Der Orbiter wiegt leer 2.125 kg, dazu kommen noch die wissenschaftlichen Instrumente im Gesamtgewicht von 339 kg. Die Sonde ist 6.7 m hoch und ohne Ausleger maximal 4.0 m Breit. Es gibt sieben Ausleger: Einen 11 m langen für die Magnetometer, die sich von der Sonde möglichst weit entfernt befinden müssen um von dieser nicht gestört zu werden und drei mit je 10 m langen Peitschenantennen für das Plasmaexperiment in Form eines Y sowie den 3 Radioisotopengeneratoren.

Cassini besteht aus vier hintereinander geschaltete Sektionen: Das untere Ausrüstungsmodul (es enthält unter anderem die Radionuklidelemente RTG), dem Antriebsmodul mit dem Treibstoff und den beiden Haupttriebwerken, einem oberen Ausrüstungsmodul mit den Experimenten und der Antenne. Der Aufbau von Cassini orientiert sich an früheren Planetensonden ins äußere Planetensystem, so gibt es mehrere Bordcomputer, eingeteilt in verschiedene Subsysteme, einen zentralen 12 eckigen Elektronikteil wie bei Voyager und Galileo. Trotzdem wurden in dieser Sonde zahlreiche Technologien neu entwickelt, die dann in Sonden des Discovery Programms zum Einsatz kamen. So verwenden Pathfinder, Lunar Prospector und Stardust Instrumente und Technologien von Cassini.

Das Antriebsmodul besteht aus zwei 445 N Triebwerken, von denen aber nur eines eingesetzt wird. Das erscheint zuerst unverständlich, zumal der Schub für eine Raumsonde dieser Größe sehr klein ist. Da die Raumsonde sich aber im Bereich eines Riesenplaneten befindet und sich bei diesem die Geschwindigkeit nur langsam ändert (anders als bei einem Venus oder Mars Vorbeiflug) benutzt man nur ein Triebwerk. Das zweite ist als Reserve gedacht und wird vom Bordcomputer automatisch gestartet, wenn es Probleme mit dem ersten gibt. Diese Redundanzauslegung ist bei Planetensonden einzigartig und unterstreicht die Bedeutung der Saturn Mission. Sollte der Einschuss in den Saturnorbit am 1.7.2004 nicht klappen, so wären 3 Milliarden US Dollar in den Sand gesetzt worden. Daher hat man die Triebwerke doppelt ausgelegt. Beide Triebwerke sind durch Aktoren schwenkbar. Von der Redundanz musste man niemals Gebrauch machen.

Treibstoff ist die bewährte Kombination Stickstofftetroxid mit Monomethylhydrazin. Cassini hat davon 3.132 kg an Bord. Dies sind 1.130 kg Stickstofftetroxid und 1.870 kg Monomethylhydrazin (MMH) für Kurskorrekturen und 132 kg  (reines Hydrazin)  sind für Änderungen der Ausrichtungen vorgesehen.  Ein Start mit einer Titan IV (nicht IVB) war auch untersucht worden falls es Probleme mit der Titan IVB gegeben hätte die erst 7 Monate vor Cassini ihren Erstflug hatte. in diesem Fall hätte man die Treibstoffmenge auf 2.260 kg begrenzen müssen. Dies hätte eine verkürzte Saturnmission bedeutet bei der nur 21 Titanvorbeiflüge möglich gewesen wären. Das Haupttriebwerk hat einen Schub von 445 N bei einem spezifischen Impuls von 3021 m/s (308 s).

Für kleinere Lageregelungen (unter 1 m/s Geschwindigkeit) wie auch als Ergänzung zu den Reaktionsschwungrädern gibt es 16 kleinere Triebwerke von je 0.5 N Schub, welche Hydrazin katalytisch zersetzen. Die Tanks beider Systeme sind getrennt. Der Hydrazintank für die Lageregelung umfasst nur 132 kg. So hat Cassini zwei Tanks (Stickstofftetroxid und Monomethylhydrazin) für das Haupttriebwerk und einen zweiten Hydrazintank für die Lagekontrolldüsen. Die Lagekontrolldüsen sind jeweils in 4 Gruppen von je 4 Düsen angeordnet. Verbunden mit dem ganzen System sind elektrische Heizungen, da sonst die Treibstoffe in den Leitungen ausfrieren könnten. Unter Druck gesetzt werden alle drei Treibstofftanks durch einen Heliumtank mit 9 kg Helium. Kurz vor der Saturnankunft beträgt die Masse von Cassini noch 4.641 kg, vor dem Absetzen der Huygens Sonde nach Einbremsen in den Orbit und Anheben 3.307 kg, danach 2.987 kg. Zum Ende der nominellen Mission im Juli 2008 wird erwartet, dass Cassini noch eine Masse von etwa 2.450 kg aufweisen wird. Der Treibstoffverbrauch beträgt während der ersten vier Jahre im Orbit also zirka 540 kg. Bei einer Trockenmasse von 2.180 kg verfügt die Sonde dann noch über eine Treibstoffreserve von 270 kg. Danach verbrauchte die Sonde weniger Treibstoff sodass eine Mission bis zum September 2017 möglich war - 13 anstatt 4 Jahre. Am Schluss waren noch 28 kg Treibstoff übrig.

Das untere Ausrüstungsdeck enthält als wichtigste Gruppe die RTGs. Dies sind Thermoelemente, welche aus der Wärme des Alphazerfalls von Plutonium 238 Energie gewinnen. Drei RTGs haben ein Gewicht von 168 kg und liefern beim Start 875 Watt an Strom bei einer Spannung von 30 V. Bis zum Missionsende Mitte 2008 wird die Leistung auf 692 W abgefallen sein. Die RTGs befinden sich im 120 Grad Winkel um die Sonde angeordnet. Mehr über die RTGs von Cassini in einem eigenen Aufsatz. Die Sonde braucht 675 Watt für den Betrieb ohne Einschränkungen (Betrieb mehrerer Instrumente der optischen Plattform gleichzeitig zu den nicht ausgerichteten Instrumenten). Der Leistungsabfall der RTG verlief weitaus langsamer als geplant. So konnte Cassini im August 2010 noch über eine Leistung von 670 Watt verfügen. Zum Ende der verlängerten Mission im September 2017 soll sie auf 605 Watt abgefallen sein. Das elektrische Bordsystem enthält 192 Schalter, mit denen Teile des elektrischen Systems an das Busnetz an- und abgekoppelt werden können. Dabei wird darauf geachtet dass die Spannung nicht unter das 30 V Level (in Wirklichkeit -15 und +15 V) fällt. So wird üblicherweise eine Leistung von 60 Watt reserviert, die nicht abgefragt wird und die verhindert das es eine Unterspannung im Stromnetz gibt. Durch kosmische Strahlen gab es in den ersten 13 Betriebsjahren 32 An/Abschaltungen eines Schalters. Auch um diese Ereignisse abzufangen wird Reserveleistung benötigt. Nicht benötigte Leistung über diese Reserve kann durch einen Radiator als Wärme in den Weltraum abgestrahlt werden.

Im oberen Ausrüstungsteil befindet sich die Elektronik und wichtige Systeme in einem 12 eckigen Kasten direkt unter der Hauptantenne. Der Elektronikteil enthält den Bordcomputer (CDA: Command and Data Subsystem) von Cassini. Er basiert auf dem bewährten 16 Bit Prozessor MIL-STD 1750A, der sich auch an vielen anderen Planetensonden befindet wie Mars Observer, Mars Global Surveyor, NEAR, Rosetta, Mars Express und Venus Express. Der Speicher beträgt 512 KWorte RAM und 8 KWorte PROM. ( 1 Wort = 16 Bit = 2 Bytes). Der Computer ist von der Softwareseite der bis dahin am höchsten entwickelte bei Planetensonden und beinhaltet sehr viele Routinen mit denen die Sonde autonom arbeiten kann sowie bei Problemen selbst entscheiden kann. Die Software besteht aus 48.000 Zeilen ADA Code. Allerdings spiegeln Speicherkapazität und Verarbeitungsgeschwindigkeit (1 MIPS) die lange Entwicklungszeit der Sonde wieder. Die Auswahl der Hardware findet recht früh statt und so repräsentiert Cassinis Bordcomputer den technischen Stand Mitte bis Ende der achtziger Jahre (in etwa so schnell wie ein 8086/80286). Im gleichen Jahr startete der Pathfinder mit einem zwanzigmal schnelleren Rechner und 128 mal mehr Speicher. Das CDS ist fähig bis zu 430 KBit/sec von den Instrumenten zu verarbeiten und auf den Datenrecorder (SSR: Solid State Recorder) zu schreiben. Es befindet sich in der Elektronikbucht 8. Neben dem Zentralrechner gibt es auch viele Mikroprozessoren in den Experimenten. Insgesamt enthält Cassini 58 Mikroprozessoren.

Da Cassini fest montierte Instrumente hat und so nicht gleichzeitig senden und beobachten kann befinden sich an Bord zwei "Recorder" aus RAM Chips. (Die NASA Bezeichnung "Sold State Recorder SSR" sagt leider gar nichts über die Technologie aus.) Sie sind USB Speichersticks oder Speicherkarten für Digitalkameras zu vergleichen, bestehen aus RAM Bausteinen, verhalten sich aber für den Bordcomputer wie ein Massenspeicher. Bei Entwicklungsbeginn waren Flash-Bausteine als Datenspeicher noch unüblich und da die Raumsonde eine konstante Stromversorgung durch die Radionuklidbatterie hat, ist der Hauptnachteil des RAM, nämlich das es den Speicherinhalt verliert wenn die Stromversorgung ausfällt nicht von Bedeutung.

Jeder Rekorder besteht aus strahlungsgehärteten 16 MBit RAM Chips und hat eine Kapazität von 2 Gigabit (256 MByte). (Genauer gesagt 2,3 GByte, da es noch Prüfbits gibt, diese nehmen jedoch keine Daten auf). Man erwartet 15 Jahre nach dem Start (Primärmission und eine 4 Jährige Verlängerung) noch eine nutzbare Kapazität von 1,8 GBit (Ist ein Bit durch einen Einschlag eines kosmischen Teilchens defekt, so wird wie bei einer Festplatte gleich der ganze Sektor als defekt gekennzeichnet). Die SSR können gleichzeitig schreiben und lesen und haben eine höhere Datenrate als alle Instrumente zusammen an Daten liefern. Sie dienen auch dem Puffern von Programmen für das CDS und der Aufzeichnung von Telemetriedaten. Die SSR sind in Bucht 9 untergebracht.

Verbunden sind die Computer mit dem SSR und den Experimenten mit einem MIL-STD 1553 Bus.

Das Lageregelungssystem besteht sowohl aus Sensoren um die Position festzustellen, wie auch Aktoren um diese zu ändern. Sensoren sind 2 Sonnensensoren und Star Tracker, die Sterne verfolgen. Aus einem Katalog von 3500 Sternen pickt der Computer die vier bis fünf  hellsten Sterne im Gesichtsfeld der Kamera und vergleicht sie mit dem Bild. 15 Grad beträgt dies bei jeder Kamera. Als interne Referenz dienen 3 Gyroskope, welche bei Lageänderungen einen Strom abgeben und ein Beschleunigungsmesser in der Z Achse. Kontrolliert wird die Lage durch 4 Reaktionsschwungräder (3 werden benötigt, eines ist redundant, schwenkbar parallel zu einem der anderen 3) und die kleinen 0.5 N Triebwerke. Jedes Schwungrad hat einen Durchmesser von 40.1 cm und eine Dicke von 15 cm. Wird es in Rotation versetzt so bewegt sich die Raumsonde nach dem Gesetz Actio = Reactio in die Entgegengesetzte Richtung. So kann man Cassini drehen. Das Lageregelungssystem (Attitude and Articulation Control Subsystem AACS) hat einen eigenen Bordcomputer ebenfalls mit dem 1750A Prozessor, 512 KWorte RAM und 8 KWorte ROM. Er wertet z.B. die Daten der Startrackerkameras aus.  Darüber hinaus richtet es die Raumsonde präzise auf Beobachtungsziele und die HGA zur Erde aus. Die Ausrichtungsgenauigkeit des Lageregelungssystems für großer Zeiträume beträgt 2 mrad. Für 1000 Sekunden werden auch 0.1 mrad erreicht. Das AACS ist in Bucht 1+10 untergebracht.

Ein eigenes Subsystem bilden auch die Kabel an Bord. Kein Wunder. Cassini durchziehen 12 km Kabel. Es gibt 22.000 Kabel oder Steckverbindungen. Das Temperaturkontrollsystem arbeitet weitgehend passiv, da Strom knapp an Bord ist. An Stellen wo konstante Wärme nötig ist gibt es 82 Radioisotopenheizer, kleine Elemente von 40 g Gewicht die eine kleine Menge von Plutoniumoxid enthalten und 1 W Wärmeleistung abgeben. Den größten Teil der Energie wird aber passiv durch eine entsprechende Isolierung bewerkstelligt. Für kritische System gibt es weiterhin elektrische Heizungen. Außen ist Cassini mit reflektierender Folie überzogen, da das Temperaturkontrollsystem für Distanzen von mehr als 2.7 facher Erdentfernung von der Sonne ausgelegt ist. Die Folien reflektieren den Großteil der einfallenden Sonnenstrahlung.

Die Haupantenne (HGA) mit 4.0 m Durchmesser stammt von der italienischen Raumfahrtorganisation ASI. Sie hat mehrere Sender und Empfänger und mehrere Funktionen. Neben dem Senden von Telemetrie und Daten im X-Band sendet es auch Radiometrische Daten im S-Band, empfängt Daten von Huygens im S-Band und sendet und empfängt Daten des Radars im Ku-Band.

Für die Kommunikation zur Erde gibt es einen X-Band Sender und Empfänger (Senden bei 8.43 GHz, Empfangen bei 7.2 GHz). Die Empfangsdatenrate beträgt je nach Entfernung von der Erde 250, 500 oder 1000 Bit/sec. Bei Jupiter sendet Cassini mit 249 KBit/sec (maximale Datenrate: 248-850 Bit/s), bei Saturn mit bis zu 165.9 KBit/sec zu den 70 m Antennen des DSN und etwa mit einem Viertel der Datenrate zu den 34 m Antennen. Die niedrigste Datenrate sollte 14.22 KBit/sec betragen, konnte aber dank besserer Empfänger auf der Erde auf 22.12 KBit/sec angehoben werden. Geplant waren während der Primärmission pro Tag 4 Gigabit zu den 70 m Antennen und 1 GBit wenn die 34-m-Antennen zum Einsatz kommen. Ein Pass dauert jeweils 12 Stunden. Es wird ein Reed-Solomon Code eingesetzt. Bei Telemetriedaten entfallen von 1896 gesendeten Bits 1638 Bits auf die Daten, der Rest auf Informationen zur Fehlererkennung und Beseitigung.

Auf dem Sender/Empfänger der HGA ist auch eine Niedriggewinnantenne (LGA) montiert. Eine zweite befindet sich an der Seite von Cassini. Diese arbeiten ebenfalls im X-Band und Empfangen und Senden Kommandos von der Erde. Bei Galileo verläuft die gesamte Kommunikation durch einen Ausfall der HGA über diese Antennen. Die LGA haben Öffnungswinkel von 12 und 120 Grad.LGA2 dient zum Senden von Kommandos zu Huygens und zum Empfang von Telemetrie mit niedriger Datenrate. LGA1 für eine Notverbindung zur Erde.

Die Sender an Bord haben Wanderfeldröhrenverstärker mit einer Leistung von 20 W zu Missionsbeginn und 19 W bei Saturn. Für Radio Science Einsätze kann das Sendesystem auch das von der Erde gelieferte Sendesignal mit dem Faktor 880  / 749 multiplizieren und zurücksenden. Für Notfälle gibt es noch einen Modus mit niedriger Datenrate, der eine von zwei im 180 Grad Winkel zueinander montierten Niedriggewinnantennen nutzt und dann nur 5 Bit/sec sendet. Eine dritte Niedriggewinnantenne an der Seite wurde für den Empfang der Huygens Daten genutzt.

Die Elektronik für die Sender ist in Bucht 5+5 untergebracht. Die Antennen wiegen 118,26 kg, davon 100,2 kg die HGA. Das Hauptsendesystem im X-Band wiegt 47,41 kg. Das Sendesystem im S- und Ku Band weitere 15 kg.

Daneben wird die HGA auch als Experiment genutzt. Ein Ka Band Sender (32,02 GHz) dient zur Durchleuchtung der Atmosphäre und Ringe. Das Radar nutzt einen 13,78 GHz Ku Band Sender und Empfänger um SAR Aufnahmen zu machen. Die S Band Sender des RSS Experimentes haben eine Leistung von 10 W und senden bei 2298 MHz. Mehr dazu im Artikel über Cassinis Experimente. S Band, Ka Band und Ku Band Sender werden nicht zur Kommunikation genutzt. In der frühen Phase der Mission zeigt die HGA dauerhaft zur Sonne um die Sonde zu beschatten. Dann erfolgt die Kommunikation nur über die LGA. Dies wird erst aufgegeben, wenn die Sonde 2.7 mal weiter als die Erde von der Sonne entfernt ist. In dieser Distanz (Die Hälfte des Weges Sonne-Jupiter im Asteroidengürtel) hat die Intensität soweit abgenommen, dass Cassini nicht mehr durch die Sonne beschädigt werden kann.

An Bord von Cassini gibt es zahlreiche mechanische Systeme die vor allem nach dem Start aktiv werden. Dann werden für einige Experimente Ausleger ausgefahren, Schutzdeckel abgesprengt, aber auch die Radioisotopenelemente ausgefahren oder die Reaktionsschwungräder aus einer Halterung befreit. Dazu dienen Motoren, Klammern und Sprengsätze. An Bord von Cassini befindet sich auch eine DVD mit den über das Web gesammelten Signaturen von 616,420 Personen aus 81 Ländern. Diese sind digitalisiert worden und als Bild auf der DVD gespeichert.

Die gravierendste Einschränkung für den Messbetrieb von Cassini ist das feste Anbringen der Instrumente an der Seite von Cassini. Dieses Vorgehen findet man sonst nur bei Orbitern, die ihre Instrumente so auf die Planetenoberfläche ausrichten. Sowohl Voyager wie auch Galileo hatten für Instrumente mit kleinem Gesichtsfeld eine Beobachtungsplattform, die unabhängig von der Sonde bewegt werden konnte. Das hat zwei Auswirkungen für die Sonde. Zum einen kann die Sonde nicht gleichzeitig zur Erde senden und Beobachtungen machen, zum anderen müssen die Observationen abgestimmt sein. Cassini kann nur ein Ziel beobachten, eventuell mit mehreren Instrumenten gleichzeitig, aber zugleich Saturn und die Ringe zu beobachten, das ist nicht möglich. Gleichzeitig muss die Sonde sehr präzise manövriert werden, denn sie soll ja bei einem nahen Mondvorbeiflug keine verschmierten Bilder machen, sondern der Bewegung über die Oberfläche muss die ganze 5 t schwere Sonde nachgeführt werden. Die folgende Tabelle informiert Sie über die einzelnen Subsysteme an Bord der Sonde.

Die Mission

Die Idee für die Mission gab es schon länger, doch der Startschuss fiel 1983 als das Programm noch unter der Bezeichnung SOTP (Saturn-Orbiter Titan-Probe) als eines der vier Projekte der NASA Studie "Planetary Exploration through the year 2000" vorgestellt wurde. Schon 1982 gab es seitens Daniel Gautier und Ip Wang einen Vorschlag für eine Titan Landesonden an die ESA, die dann in das Projekt aufgenommen wurde. Die anderen Projekte der Studie waren der Mars Observer, die Venus Sonde VOIR, die gekürzt als Magellan umgesetzt wurde und eine Kometenlandesonde namens CRAFT, die 1992 eingestellt wurde und die zur Entwicklung von Rosetta führte. Man hoffte Geld zu sparen indem man die Sonden weitgehend standardisierte und einen gemeinsamen Sondenbus namens "Mariner Mark II" verwendete, in Anlehnung, an den sehr ähnlichen Aufbau der Mariner Sonden, trotz unterschiedlicher Ziele. CRAFT sollte diesen Bus auch verwenden, wurde jedoch aus Mangel an Finanzmitteln eingestellt. Auch stellte sich das Konzept eines gemeinsamen Busses als nicht realisierbar heraus, weil die Anforderungen zu unterschiedlich waren.

Im Jahre 1985 wurde das Projekt offiziell befürwortet. Ein Jahr später war das Konzept fertig, das eine europäische Landekapsel und eine Beteiligung Italiens an der Orbiterhardware und zahlreicher europäischer Nationen an den Instrumenten beinhaltete. Man bezeichnete nun den Saturn Orbiter als Cassini und die Landesonde als Huygens.

Italien erklärte sich bereit die HGA und Teile des RADAR Experimentes zu bauen. Die starke europäische Beteiligung konnte mehrmals die Mission auch retten, da die NASA diese nicht mehr ohne Gesichtsverlust einstellen konnte. Die ersten Mittel für das Projekte gab es 1989. Man konnte sich mit der Mission Zeit lassen, denn Jupiter war erst 1996 wieder in der richtigen Position für den Start, zudem gab es zu Projektbeginn keine Trägerrakete, welche Cassini befördern konnte. Diese musste erst noch entwickelt werden. Im Jahre 1990 gab es nicht nur die ersten Finanzmittel sondern wurden für Huygens und Cassini auch die Nutzlasten selektiert. Huygens war schon vorher 1988 von der ESA als Mission bestätigt worden, was es schwer machte Cassini zu streichen.

Als 1992 CRAFT eingestellt wurde, war auch der Mariner Mark II Bus an der Kippe. Die europäische Beteiligung erlaubtes es nicht Cassini ohne schweren Imageverlust einzustellen. Es wurde allerdings gespart und so wurde eine bewegliche Plattform für die Instrumente, wie sie der Mariner Mark II Orbiter gehabt hätte, nicht gebaut. Dies ist eine gravierende Einschränkung bei der Beobachtung. So wird Cassini zum Beispiel sehr wenige Aufnahmen der Ringmonde anfertigen, da diese sich nahe Saturn befinden und zu diesem Zeitpunkt entweder ein Datentransfer oder eine Ringbeobachtung stattfindet. Es dauert aber eine halbe Stunde um Cassini um 180 Grad zu drehen. Beobachtungen müssen also sehr genau geplant und abgestimmt werden.

1992 ab es die erste Tourplanung, die noch 63 Orbits und 33 Titanvorbeiflüge vorsah. (zwölf auf der saturnzugewandten Seite und 21 auf der abgewandten Seite).  Gezielte Vorbeiflüge sollte es nur 4 geben an Enceladus, Dione Rhea und Iapetus. Zusätzlich zwölf Vorbeiflüge im Abständen von weniger als 50,000 km. 10 Erdbedeckungen durch Saturn und und 5 Sonnenbedeckungen waren vorgesehen. Im Jahre 1995 wurde die Software fertig gestellt mit denen jedes einzelne Wissenschaftsteam seine eigene "Idealtour" planen konnte. Mehr Flexibilität kam dazu, weil man entdeckte, dass Titan die Bahn um 180 Grad drehen konnte, wodurch man den saturnnächsten Punkt zum Beispiel. Von der Sonnenzugewandten Seite auf die andere Seite schieben konnte. Dies war interessant für Instrumente die das Plasma um Saturn erforschten aber auch die Fotographien der Monde, da alle bis auf Phoebe und Hyperion gebunden rotieren, d.h. immer die gleiche Seite dem Saturn zuwenden. Danach musste man sich zusammensetzen und die Tour so festlegen dass alle Beteiligten zufrieden waren. Teams welche die Ringe beobachten wollten waren an Bahnen mit Inklinationen von 20-50 Grad interessiert, da man dann von oben oder unten auf die Ringe blickt und es Sternbedeckungen gibt. MAPS wollte die Bahn systematisch um den ganzen Saturn rotieren lassen und erarbeitete eine Tour mit zwei 180 Grad Transfers und 51 Titan Vorbeiflügen. Die Teams von Cornell und Berlin wollten natürlich möglichst viele Vorbeiflüge an den kleinen Monden.

Erst im März 1999, als Cassini schon ihren ersten Venusvorbeiflug hatte wurde die T-18 Tour als endgültige Bahn festgelegt. Bis Juli 2005 gab es 4 weitere größere und 14 kleinere Änderungen. Die T18 Tour sieht 74 Saturnorbits mit 45 Titanvorbeiflügen, 8 gezielten Vorbeiflügen an den kleineren Monden und 30 ungezielten innerhalb von 100.000 km. Ein 180 Grad Transfer ist vorgesehen und zum Ende der Tour befindet sich Saturn in einer stark geneigten Bahn. Der letzte Punkt ist zwar gut für die Ringbeobachtungen und Plasmauntersuchungen jenseits des Äquators. Die Mondbeobachtungen sind fast alle vorher, die meisten 2005. Wenn die Mission verlängert wird so ist diese hohe Inklination von Nachteil, da man geraume Zeit braucht um sie wieder abzubauen.

Ursprünglich sollte Cassini am 8. April 1996 starten. Sie hätte im Februar 1997 und Januar 1998 mit ihrem eigenen Triebwerk eine Kurskorrektur durchgeführt, welche sie am 13. Juni 1998 wieder zur Erde führt. Der Vorbeiflug in 300 km führt die Sonde dann zu Jupiter. Jupiter wäre am 1.2.2000 in 3.72 Millionen km Entfernung passiert worden. (3 mal näher als beim späteren Flugplan)

Da Jupiter zu diesem Zeitpunkt günstiger zu Saturn steht hätte die Sonde Saturn schon im Oktober 2002 erreicht, also nach 32 Monaten. (Beim Start 1997 liegen dagegen 42 Monate zwischen Jupitervorbeiflug und Ankunft am Saturn). Am 14.3.1997 hätte man den 73 km großen Planetoiden "66 Maja" in 3900 km Entfernung passieren können. Geplant war eine 4 Jahres Tour mit 36 Orbits und 30 Titan Vorbeiflügen. Geplant waren aber nur 4 Vorbeiflüge an Eismonden (2 an Iapetus und je einer an Dione und Enceladus). 26 Begegnungen unter 100.000 km Entfernung wären aber während der Tour möglich gewesen.

Damals ging man von einer Startmasse von 5127.4 kg aus (Orbiter ohne Treibstoffe: 1550 kg, Huygens 192 kg, Treibstoffe 3133 kg). Diese hätte noch eine normale Titan 4 auf die nötige Startgeschwindigkeit von 12.3 km/s beschleunigen können. 1996 war das optimale Startdatum für die nächsten 20 Jahre. Das Bild links zeigt eine Abbildung der Sonde in dieser Phase, deutlich zu erkennen sind noch die Ausleger für Instrumente die später eingespart wurden.

Doch gab es wie bei anderen Projekten dieser Größenordnung Verspätungen. Die Startrakete, das neue Modell Titan 4B absolvierte erst am 23.2.1997 ihren Erstflug und für die Kombination Titan 4B Centaur war es sogar der erste Flug. Daher wich man auf einen späteren Start aus, der allerdings drei Vorbeiflüge an Venus und Erde nötig machte. Diese neue Tour machte allerdings auch zwei Deep Space Manöver unnötig und reduzierte so den Treibstoffanteil von 61 auf  53 %.

Das "Startfenster", das ist der Zeitraum, in dem die beteiligten Planeten so günstig stehen, dass die berechnete Flugbahn eingeschlagen werden kann, öffnete sich am 6. Oktober 1997. Von diesem Tag bis zum 15. November wäre ein Start möglich gewesen. 5½ Wochen vor dem geplanten Starttermin trat ein Problem auf, das die Mission beinahe gefährdet hätte. Eine falsch eingestellte Kühlanlage verschmutzte die Huygens Sonde so stark, dass Cassini und Huygens von der Startrampe wieder zurück in die Montagehalle gebracht werden mussten, Huygens entfernt, geöffnet, gereinigt und wieder angebracht wurde, und das gesamte Gespann wieder zurück auf die Raketenspitze gesetzt wurde. Dieser Umstand bedingte eine Startverzögerung von einer Woche, statt dem 6. Oktober war jetzt der 13. als Starttermin geplant. Ein Computerproblem schließlich erzwang eine nochmalige Startverzögerung um zwei Tage, und am 15. Oktober 1997 um 04:43 Uhr Ortszeit erfolgte die Zündung der Triebwerke der Titan 4B Rakete und brachte Cassini auf einen perfekten Kurs in Richtung Venus. Es war der zweite Einsatz dieser stärksten Version der Titan Trägerrakete, die sich von der normalen Titan 4 durch stärkere Feststoffbooster unterscheidet. Es war auch der letzte Einsatz einer Titan als Träger für eine Planetensonde, denn diese Rakete wird nicht mehr gebaut. Der Start war mit 451.7 Millionen US-Dollar alleine schon teurer als zwei Planetensonden des Discovery Programms zusammen kosten dürfen. Der 15. Oktober war übrigens von der Flugbahn her einer der günstigsten Starttage, so dass die Verzögerung letztlich sogar eine Treibstoffersparnis zur Folge hatte.

Es gab natürlich Backup Pläne, falls man das Startfenster verpasst hätte. Ein Start im Dezember 1997 hätte eine Venus Passage im Juni 1998, zwei Erdvorbeiflüge im November 1999 und Juli 2002 umfasst. Jupiter wäre nicht passiert worden und die Sonde hätte Saturn im Oktober 2006 erreicht.

Die zweite Backup Flugbahn gab es für einen Start im März 1999. Venus wäre im Juni 2000 passiert worden, die Erde im August 2001 und August 2004.Saturn wäre erst im Dezember 2008 erreicht worden.

Trotz der stärksten US Trägerrakete war es unmöglich Cassini direkt zum Saturn oder auch nur zum Jupiter zu senden. Die Geschwindigkeit die notwendig war, um Saturn direkt zu erreichen, betrug 15.1 km/s. Mit dem Jupiter Vorbeiflug wären 14.1 km/s benötigt worden. Maximal hätte die Titan 4B die Sonde auf 12.4 km/s beschleunigen können. Cassini war also zu schwer für eine direkte Bahn. Für Reisen ins äußere Sonnensystem, die nicht direkt erfolgen, müssen drei Vorbeiflüge an der Venus und/oder unserer Erde erfolgen. Bei jedem dieser Vorbeiflüge gewinnt eine Raumsonde typischerweise etwa 3-4 km/s Geschwindigkeit. (Die gesamte gewonnene Geschwindigkeit ist höher als die bei einem direkten Start von der Erde aus, weil die Bahn eine andere ist und von der Venus zu Jupiter führt).

Während die Jupitersonde Galileo einmal an der Venus und zweimal an der Erde vorbeigeführt wurde, nutzte Cassini zwei Venus Vorbeiflüge (am 26 April 1998 und 24 Juni 1999) und ein Erde Swing-By (am 18 August 1999) aus. Im Sommer 1999 standen dabei die beiden Planeten so günstig, dass Cassini/ Huygens sie direkt hintereinander, ohne eine extra Umrundung der Sonne, anfliegen konnte. Durch diese Konstellation, die nur alle 19 Monate auftritt, konnte die Reisezeit zum Saturn um etwa zwei Jahre verkürzt werden.

So wurde Cassini zuerst zur Venus geschickt, die sie am 26.4.1998 in 287 km Abstand passierte. Am 3.12.1998 bewirkte eine Kurskorrektur um 452 m/s eine Rückkehr zur Venus am 24.6.1999. Mit 90 Minuten Brennzeit dauerte dieses Deep Space Manöver genauso lange wie später das Einschwenken in den Saturn Orbit (SOI) und war dafür die Generalprobe.

Der Geschwindigkeitsgewinn war so groß, dass Cassini schon nach 54 Tagen bei der Erde ankam und am 18.8.1999 in 1166 km Höhe passierte. Nun hatte Cassini genügend Schwung aufgenommen um zu Saturn zu fliegen. Während dieser ersten Phase der Mission schaut die HGA dauernd zur Sonne, die große Antenne soll damit die Sonnenstrahlung von der Sonde fernhalten und ein Überhitzen vermeiden. Da es trotz Milliardenkosten für die Sonde keine Mittel für einen wissenschaftlichen Betrieb bei der Venus gab, passierte die wohl am besten ausgestattete Sonde die jemals an der Venus Vorbeiflug, diese, ohne eine Untersuchung zu machen. Auch bei der Erde gab es keine Untersuchungen aus dem gleichen Grund. Allerdings konnte der Mond bei der Passage abgelichtet werden. Da dies jedoch nahe der Erde erfolgte zeigt er die gleiche Phase, wie wenn er von der Erde aus fotografiert wird. Auch das RADAR wurde probeweise aktiviert und zeigte einen Abschnitt Südamerikas. Seit dem 1.12.1999 ist Cassini soweit von der Sonne entfernt, dass die Sonde gedreht werden kann und nun die HGA auf die Erde zeigt.

Am 23.1.2000 gab es eine Annäherung an den Planetoiden (2685) Masursky auf 1.496.000 km. Der Planetoid war aber so klein, dass er in Cassinis NAC Kamera nur als ein Punkt erschien. (Bild links). Anders als bei Galileo liegt kein Planetoid auf dem Weg zu Cassini.

Die folgende Tabelle gibt Auskunft über alle wesentlichen Manöver von Cassini bis zum Einschwenken in den Saturn Orbit

Im Februar 2000 wurde bei einem Routinecheck, der alle 6 Monate durchgeführt wird, festgestellt, dass der von der ESA gelieferte Empfänger für die Daten von Huygens an Bord von Cassini einen Defekt aufweist. Man sandte simulierte Daten zu Cassini und diese gingen zu 90 Prozent verloren. 5 Monate rätselte man bevor man die Ursache finden konnte.

Bei der (ursprünglichen) Passage von Cassini an Titan in 1200 km Höhe bewegt sich Cassini (von Huygens aus gesehen) mit einer Geschwindigkeit von 21000 km/h relativ zu Huygens. Dies bewirkt eine Verschiebung des Signals in einen anderen Frequenzbereich durch den Dopplereffekt. Diese Verschiebung muss der Empfänger an Bord von Cassini ausgleichen können, d.h. er muss empfindlich für einen breiten Frequenzbereich sein oder auf den zu erwartenden Frequenzbereich justiert sein. Dies konnte der ausgelieferte Empfänger nicht leisten. Er ist nur in einem engen Band um die Zentralwellenlänge empfindlich. Bei der geplanten Tour würde Cassini so keine Daten von Huygens empfangen können. Nun musste man die geplante Tour abändern. Man erarbeitete bis Juli 2001 einen Rettungsplan, bei dem man die Vorbeiflugdistanz von Cassini erhöhte und so die Relativgeschwindigkeit absenkte. In den folgenden zwei Jahren passte man dann die Planung der Saturnmission von Cassini an um diesen neuen Plan umzusetzen.

Wissenschaftlich aktiv wurde die Sonde erst bei Jupiter. Jupiter war nicht nötig um den Saturn zu erreichen, den Schwung dazu konnte die Sonde schon bei den drei Vorbeiflügen an der Erde und Venus holen. Doch alle 19.88 Jahre befinden sich die Planeten in der richtigen Position um sie nacheinander zu passieren. Die letzte Gelegenheit hatte dazu Voyager im Jahre 1977. Als Cassini den Jupiter erreichte dürfte sie sich ihm nicht zu stark nähern. Jupiter sollte zwar die Sonde beschleunigen um so die Reise zu Saturn zu verkürzen, aber nicht zu viel, denn diese Geschwindigkeit musste die Sonde bei der Einbremsung in den Orbit wieder durch ihr Triebwerk abbauen. So dürfte sich Cassini nur bis auf 10 Millionen km an Jupiter nähern. Das ist nahe genug für detaillierte Untersuchungen von Jupiter, der ab einer Entfernung von 23.3 Millionen km das Blickfeld der Telekamera ausfüllt, aber zu wenig um die vier großen Monde des Jupiters zu erfassen, die sich maximal 2 Millionen km von Jupiter entfernen.

Auch Jupiter galt zuerst nicht als Teil der primären Tour. Doch intervenierten die Wissenschaftler, dass neben der wissenschaftlichen Bedeutung der Untersuchung diese auch eine ideale Gelegenheit ist die Instrumente neu zu eichen und die Saturnbeobachtungen so zu verbessern. So bekam man die Mittel für die Beobachtung von Jupiter. Gleichzeitig ergab sich auch eine einmalige Gelegenheit: Jupiters Umgebung (Die Magnetosphäre und Strahlungsgürtel, Plasmawellen etc.) konnten von Cassini und Galileo simultan aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht werden.

Am 1.10.2000 machte die Telekamera die ersten Aufnahmen. Cassini holte nun für fünf Monate das nach, was eigentlich Galileo während ihrer Mission machen sollte: Den Jupiter systematisch beobachten. Aufgrund einer nicht aufklappbaren Antenne konnte Galileo jedoch nur mit kleiner Datenrate senden, so dass man sich auf wenige Bilder, vor allem von den Monden beschränken musste. Neben der Erfassung Jupiters mit der ISS Kamera gibt es auch Beobachtungen der Monde, vor allem wenn sich diese im Schatten befinden. Hier kann die verbesserte Kamera Bilder liefern die Galileo nicht anfertigen kann. Dazu kommt die Untersuchung von Jupiters Umgebung, seiner Strahlungsgürtel, seines Magnetfeldes und seiner staubigen Umgebung.

Die erste von 26.287 Aufnahmen der ISS Kamera wurde aus einer Distanz von 84.3 Millionen km Entfernung gemacht. Sie war schon besser als die besten Aufnahmen von der Erde aus, aber schlechter als die von Hubble. Erst einen Monat vor der nächsten Begegnung übertraf die Kamera auch die Auflösung von Hubble. Die Kamera konnte andere Vorzüge ausspielen: Eine Reihe von Filtern waren selektiv in Spektralbereichen von Spurengasen in Saturns Atmosphäre wie dem Absorptionsband von Methan. Diese kommen auch bei Jupiter vor, und ergaben so prächtige Bilder auf denen man die Verteilung dieser Gase studieren konnte.

Am 17.12.12000 kam es jedoch zu einem Zwischenfall. Als eines der drei Schwungräder, mit denen die Lage der Sonde verändert wird von 50 auf 308 Umdrehungen pro Minute beschleunigt wurde, maß man erhöhte Temperaturen an den Lagern. Sofort aktivierte der Bordcomputer einen Notmodus, da dies auf erhöhte Reibung bei den Lagern hindeutete. Er korrigiere nun die Ausrichtung der Sonde mit den Lagekontrolldüsen. Doch diese Vorgehensweise kostet viel wertvollen Treibstoff. So wurde vom Boden aus der wissenschaftliche Betrieb der Instrumentenplattform vom 19.12.2000 bis 27.12.2000 eingestellt. Nur Experimente die keine besondere Ausrichtung erforderten, wie die Magnetfeldsensoren waren weiterhin aktiv. Während dieser Zeit gab es nur wenige Daten. Es zeigte sich dass die Schmierung beim Hochfahren des Rades Nummer 3 sich ungleichmäßig verteilte, dann aber nach dem Hochlaufen sich verteilte und es keine überhöhte Reibung gab. Es stand also dem wissenschaftlichen Betrieb nichts mehr im Wege.

Kurz zuvor konnte Cassini das erste Bild des größten äußeren Mondes Himalia anfertigen. Weil der Mond klein ist (170 km Durchmesser) und sich 4.4 Millionen km von der Sonde entfernt befand, zeigte es aber keine Details. Es ließ nur eine Größenbestimmung des beleuchten Teils auf 120 × 150 km zu. Kurz nach Wiederaufnahme der Beobachtungen gab es auch das beste bislang von Jupiter angefertigte Foto, das den Planeten als ganzen zeigt. Cassini machte in drei Spektralkanälen jeweils neun Bilder, die zusammen ein Fotomosaik von 58 km Auflösung ergaben. Nach dem Vorbeiflug nahm die Phase, der beleuchtete Teil von Jupiter rasch ab, da sich Cassini nun hinter Jupiter befand. Die Fotos nach dem Vorbeiflug sind daher nicht so spektakulär. Die erhoffte Zusammenarbeit von Galileo und Cassini bei der Untersuchung der Monde war nur teilweise erfolgreich. Zum einen war Cassini während der Annäherung durch das Problem mit dem Reaktionsschwungrad nicht fähig die Monde zu beobachten, zum anderen fiel auch Galileo aus und hatte 28 von 38 Io Bildern völlig überbelichtet. Man konnte jedoch einen Vulkanausbruch auf Io beobachten, der Galileo entging.

MIMI erlaubte dagegen schon einen Ausblick auf die Saturnmission: Erstmals konnte man das Magnetfeld Jupiters dreidimensional aufgrund von Messdaten darstellen. Am 22.3.2001 trafen die letzten Bilder von Jupiter ein und Cassini war nun auf dem Weg zum Saturn. Bis zum 6.2.2004, als die Sonde die visuelle Saturnbeobachtung aufnahm gab es nur zwei Aufnahmen von Saturn. Am 7.2.2002 begann in 6.4 AE Entfernung von der Sonne die wissenschaftliche Phase des Weges zu Saturn. Aktiviert wurden Experimente welche auch den interplanetaren Raum untersuchen, wie der Staubdetektor CDA oder das Magnetometer.

Über die Mission beim Saturn informiert Sie ein eigener Aufsatz.

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Links

Planetary.org : Viele Hintergrundinfos zu Cassini und Saturn

DLR Cassini Seiten (Deutsche Übersetzung der NASA Seiten)

NASA Cassini Website

Cassini RAW Images

http://descanso.jpl.nasa.gov/DPSummary/Descanso3--Cassini2.pdf

Alle Bilder: Copyright Courtesy NASA/JPL-Caltech.

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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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