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Die Galileo Mission ist eine der interessantesten Planetenmissionen, sowohl von ihrer Mission her, wie auch von ihrer wechselvollen Geschichte. Um Galileo ausführlich zu würdigen, habe ich den Aufsatz über Galileo in vier einzelene, thematisch getrennte Teile geteilt:
Worauf ich nicht eingehen kann, weil es nicht einen Artikel, sondern ein Buch erfordern würde, sind die wissenschaftlichen Ergebnisse von Galileo.
Galileo war die erste amerikanische Raumsonde, die nach einer berühmten Person entdeckt wurde. Diese kurze Episode de Namensgebung endete schon Ende der achtziger Jahre, als nach Magellan und Cassini die Sonden einen Namen bekamen, der die Mission beschreibt (Mars Observer, NEAR Earth Asteroid Rendezvous). Heute erhalten Raumsonden mehr Namen die an Science-Fiction Serien angelehnt sind (Deep Space 1, Genesis, Deep Impact).
Anders als die Astronomen, welche den Saturnsonden Cassini und Huygens ihren Namen gaben, ist
Galileo auch in der Bevölkerung, die sich nicht mit Astronomie beschäftigt bekannt. Galileo
Galilei wurde im Jahre 1564 geboren. Schon kurz, nachdem er die Lehrtätigkeit für Mathematik an
der Universität Pisa 1589 aufnahm, begann er sich mit den damals geltenden Ansichten von
Aristoteles anzulegen. Er bewies experimentell, dass Körper gleicher Form gleich schnell fallen
und nicht wie Aristoteles schrieb, proportional zu ihrem Gewicht. Ob er dieses Experiment mit
Blei und Holzkugeln gleicher Größe wirklich auf dem schon damals schiefen Turm von Pisa
durchführte oder auf einer schiefen Ebene, ist heute leider nicht mehr zu klären. 1591 wechselte
er nach Padua, da eine Verlängerung des Vertrages in Pisa wegen seiner anti-aristotelischen
Meinung sehr unwahrscheinlich geworden war. Bei einer langweiligen Messe beobachtete er das
Schwingen des Weihrauchbehälters und entdeckte dabei die Pendelgesetze, die zu den Pendeluhren
führten.
Im Jahre 1609 erfuhr er von der Erfindung des Teleskops und baute selbst eines. Das erste konnte im August 1609 vorführen. Es vergrößerte neunfach und brachte ihm eine Anstellung auf Lebenszeit in Padua ein, die er aber ablehnte und stattdessen nach Florenz ging. Im Jahre 1610 entdeckte er dort mit seinem nun 30-fach vergrößernden Teleskop zuerst, dass die Milchstraße aus einzelnen Sternen besteht, dann die 4 großen Monde Jupiters und zuletzt die Venusphasen. Damit hatte er noch mehr Beweise gesammelt, das Aristoteles unrecht hatte und das schon 1543 von Kopernikus veröffentlichte Konzept einer Sonne im Zentrum des Sonnensystems richtig war. Er trat daher öffentlich für die kopernikanische Lehre ein. Er versuchte Geld aufzutreiben, indem er die von ihm entdeckten Jupitermonde Io, Europa, Kallisto und Ganymed die "Mediischen Sterne" nannte, damals regierte in Florenz die Familie der Medici.
Mit seinen radikalen Ansichten und seiner Art Kritiker zu verspotten, machte sich Galilei bald Feinde. Die Ansicht, dass die Erde nicht das Zentrum des Universums sei nahm auch unter anderen Forschern immer mehr zu und die Kirche ging nun gegen diese Lehre vor. Galilei wurde ermahnt diese Ansichten nicht mehr öffentlich zu verbreiten. Als 1623 ein Freund von ihm Papst wurde, der auch Mathematik studierte hatte, hoffte Galilei auf eine Verbesserung. Er erhielt die Erlaubnis über seine Ideen zu schreiben unter Bedingung, das auch die Lehre der Kirche mit angegeben wurde. Galilei legte dies nach seiner Façon aus: In dem 1632 erschienen Werk "Dialogo" werden zwar beide Ansichten von zwei Personen in einem Diskurs unterbreitet. Aber der Vertreter der offiziellen Meinung "Simplicius" (ähnelt nicht von ungefähr dem italienischen Wort für "einfachen Geist") brachte die offizielle Lehrmeinung so dumm heraus, das der Papst dies als eine Verspottung seiner Autorität ansah.
Es kam 1633 zu dem Prozess gegen ihn, in dem er der kopernikanischen Lehre abschwören musste. Trotzdem erhielt er lebenslang Hausarrest. Er konnte in Italien keine Bücher mehr veröffentlichen und lies sein letztes Buch 1638 in die Niederlande schmuggeln und veröffentlichen. Der Prozess gegen Galileo erstickte jede Forschung in der Astronomie in Italien und führte dazu,, das in protestantischen Ländern die nächsten Schritte erfolgten (Kepler in Böhmen, Newton in England). In den letzten Lebensjahren war Galilei, als Spätfolge den unvorsichtigen Sonnenbeobachtens, fast blind. Er starb 1642 bei Florenz.
Im Jahre 1983 wurde nach 350 Jahren der Prozess gegen Galilei von der katholischen Kirche erneut aufgenommen und ebenfalls 350 Jahre nach Galileos Tod wurde er 1992 freigesprochen...
Der Orbiter wiegt ohne Atmosphärensonde 2.223 kg. (Atmosphärensonde 338.9 kg). Dazu kommt noch ein 157 kg
schwerer Adapter zu der IUS Oberstufe,
so dass die Startmasse 2.562 kg beträgt. 962 kg davon entfallen auf den Treibstoff, der eine
Geschwindigkeitsänderung um 1612 m/s erlaubt. Nutzbar davon sind 925 kg. Neu und bislang nur bei Galileo eingesetzt, ist die
Trennung des Orbiters in eine rotierende und nicht rotierende Sektion. Dies stammt noch aus der
Zeit als man zwei verschiedene Konzepte eines rotierenden Orbiters ähnlich den Pioneer Sonden und eines dreiachsenstabilisierten Orbiters ähnlich den
Voyager Sonden zusammenführte.
Die rotierende Sektion ist der obere Teil der Raumsonde mit der Antenne, der Elektronik, den Auslegern für Magnetometern und Radioisotopengeneratoren (RTG). Die untere Sektion (mit Haupttriebwerk und Atmosphärenkapsel) wird durch einen Motor in Gegenrichtung bewegt und rotiert nicht. Der Vorteil dieses Konzeptes ist folgender: Die Rotation der Sonde stabilisiert und Instrumente, welche die Umgebung durch direkte Beobachtung erforschen (Staubdetektion, Partikel- und Feldmessungen) die gesamte Umgebung der Sonde erfassen können. Es gab zwei Rotationsraten: 3.25 und 10.8 Umdrehungen pro Minute. Das Konzept wurde von den von Hughes entwickelten Intelsat IV Kommunikationssatelliten übernommen und galt als riskant weil es erstmals auf einer Planetensonde eingesetzt wurde, mit weitaus stärkeren Anforderungen an eine räumliche Ausrichtung des Instrumentenbaumes.
Der Orbiter wurde vom JPL entwickelt. Die mitgeführte Atmosphärenkapsel vom Ames Forschungszentrum. Insgesamt beinhaltet Galileo 22 Mikroprozessoren, 85.000 Bauelemente und 46 Millionen Transistorfunktionen. Galileo ist ohne Kapsel 4.5 m hoch (mit ausgefahrenen Antennen, mit Antennenmast und Kapsel 6.12 m). Der Galileo Orbiter verfügt über zwölf Instrumente im Gesamtgewicht von 118 kg. Die Atmosphärensonde über weitere 6 im Gesamtgewicht von 30 kg. Über die Atmosphärensonde und ihre Mission informiert ein eigener Artikel. Weitere Informationen über die Instrumente erfahren Sie hier und über die Mission hier.
Wie bei Voyager wollten sich auch hier die Projektverantwortlichen verewigen. Es gab keine Schallplatte, da die Sonde nie das Sonnensystem verlassen sollte, Es gab aber 11 andere Platten an Bord von Galileo. Die Aluminiumplatten, jede 4 x 5 Zoll (10.8 x 12.7 cm) groß, enthielten die Signaturen von 10.000 am Galileo Projekt beteiligten Personen in miniaturisierter Form. Sie waren im Innern der Sonde untergebracht.
Erstmalig wurde bei einer US Planetensonde ein Subsystem von einem
anderen Land gebaut. Das Antriebssystem stammte aus Deutschland von Messerschmidt-Bölkow-Blohm
(MBB). (MBB wurde später von der DASA übernommen, die heute Bestandteil des Konzerns Astrium
ist). Im Austausch dafür flogen zwei deutsche Experimente an Bord von Galileo und der
Atmosphärenkapsel mit. An anderen Experimenten beim Orbiter waren deutsche Wissenschaftler bei
der Entwicklung (HED) oder im Team (SSI) beteiligt.
Warum jedoch gaben die USA ein kritisches System außer Landes? (Dies gab es sonst nur noch einmal bei Cassini wo die HGA von Italien gestellt wird) Die USA verwandten schon früher bei Planetensonden Triebwerke mit ähnlich großem Schub, so bei den Lunar Orbitern, hätten also ein schon entwickeltes Triebwerk nutzen können. Nun, dies hatte mit der Technologie zu tun die MBB ursprünglich für die deutschen Symphonie Nachrichtensatelliten entwickelt hatte. Amerikanische Raumsonden haben (bis heute) getrennte Systeme für die Lageregelung und den Hauptantrieb. Der Hauptantrieb arbeitet meist mit der Kombination Stickstofftetroxid / Hydrazin, während die Lageregelung Hydrazin katalytisch zersetzt. Das hat den Vorteil, das die kleineren Düsen für die Lageregelung einfacher zu bauen sind, und nicht zwei Treibstoffleitungen benötigen. Aber zum einen ist die Energieausbeute aus Hydrazin um 50 % geringer und zum anderen nützt Resttreibstoff im Haupttriebwerk nichts, wenn der Treibstoff für die Lageregelung aufgebraucht ist. Bei den drei letzten Orbitern beim Mars Mariner 9 und Viking 1+2 war dies die Ursache für das Missionsende. Alle drei Sonden hatten aber noch Resttreibstoff für das Haupttriebwerk.
Das deutsche System benutzte dagegen 10 N Lageregelungsdüsen welche den gleichen Treibstoff wie das zentrale 400 N Triebwerk verbrannten. Die ursprüngliche Auslegung des Systems bestand darin dass die Sonde insgesamt (Inklusive alle Änderungen der räumlichen Ausrichtung der Sonde und Drehungen) ihre Geschwindigkeit um 1600 m/s ändern sollte.
Dadurch konnte man einen gemeinsamen Tank nutzen. Der Treibstoff bestand aus 364 kg Monomethylhydrazin (MNH) und 595 kg Stickstofftetroxid (NTO), angereichert mit 1% Stickstoff in zwei je 74.8 cm großen Tanks. Diese Kombination entzündet sich bei Kontakt selbst und kommt wird daher oft eingesetzt. Der Tankdruck wurde durch einen Tank mit 2.8 kg Helium aufrecht erhalten. Die 12 Düsen von je 10 N Schub sitzen an zwei je 2 m langen Auslegern in Gruppen von je 3 Düsen. Sie können maximal 83 Minuten am Stück oder 383 Minuten im Pulsbetrieb arbeiten. Der Ausleger hatte den Vorteil, dass so erheblich leichter Drehbewegungen möglich sind. Aufgrund eines Defekts, den man vor dem Start entdeckte, betrieb man sie jedoch nur im Pulsmodus. (Siehe Missionsbeschreibung). Im Dauerbetrieb hätten sie das Haupttriebwerk bei einem Defekt ersetzen können. Die Tanks wurden nach dem Umbau des Orbiters 1987 um 5 % vergrößert, um mehr Treibstoff mitführen zu können. Dies war durch interplanetare Reise nötig geworden. Vorher lag die Menge bei 932 kg, nun bei 962 kg Treibstoff. Nutzbar waren davon 925 kg,. Das Trockengewicht des Antriebssystems liegt bei 188.1 kg.
Die insgesamt um 2 Prozent über den Erwartungen liegende Leistung der
kleinen Düsen erlaubte eine verlängerte Mission und dem Besuch bei den Planetoiden Ida. Auch das
Haupttriebwerk erfüllte die Erwartungen, zuerst nahm man noch an, die Leistung läge 1.2 % unter
dem Sollwert (Eine Abweichung von 6 % war erlaubt). Dann zeigte der Einschuss in die
Jupiterumlaufbahn, das es nur 0.1 % unter der Sollleistung lag und einen Schub von 391 N aufwies.
Der Orbit wurde so mit höchster Präzision erreicht, was zwei Missionsverlängerungen möglich
machte.
Bis zum Abschluss der größeren Antriebsmanöver, Mitte 1996, sah der Treibstoffverbrauch so aus :
Beim Bau des Orbiters wurde das Auftragsvolumen des Antriebssystems mit 40 Millionen DM (10% der Gesamtkosten) angegeben. Es dürfte aber nicht dabei geblieben sein. Das Antriebsystem wurde sehr oft verändert, weil im Laufe der Entwicklung zahlreiche Änderungen der Oberstufe stattfanden und der Orbiter bei einigen Konfigurationen einige Deep-Space Manöver durchführen sollte um an Venus oder Mars vorbeizufliegen. Die Treibstoffzuladung variierte zwischen 850 kg bei der ersten Konfigurationen und 1.400 kg im Extremfall.
Die Ausrichtung der Düsen des Antriebssystems wurde vom AACS überwacht und gesteuert. Sie betrug 5 mrad bei dem 400 Newton Haupttriebwerk und 9 mrad bei den kleinen 10 Newton Düsen. Das ist eine Ausrichtung auf 0,28 bzw. 0,52 Grad genau.
Die gesamte internationale Beteiligung an Galileo (von der Deutschland den Löwenanteil trägt) betrug 110 Millionen US-Dollar.
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Gesamtgewicht | 1150,1 kg |
| Treibstoff: | 962 kg, nutzbar 925 kg |
| Trockengewicht: | 188,1 kg |
| Triebwerk: | S400-1 + 12 x S10-1 |
| Schub. | 400 N + 12 x 10 N |
| spezifischer Impuls | 303 s = 2972 m/s Haupttriebwerk 286 s = 2805 m/s Lageregelungstriebwerke |
| Masse Triebwerke: | 5,3 kg + 12 x 0,359 kg |
| Brennkammerdruck. | 7 bar |
Galileo hatte ursprünglich eine Hochgewinnantenne (HGA) und eine Niedriggewinnantenne (LGA) neben der HGA. Als man die Sonde zur Venus sandte kam eine zweite LGA hinzu, da die Sonde so orientiert werden musste, dass ein Sonnenschirm unter der HGA die Sonde beschattet und die reguläre LGA so nicht immer zur Erde zeigt.
Die HGA von 4.80 m Durchmesser basiert auf der erstmals bei dem Technologiesatelliten ATS-6 erprobten Technik von entfaltbaren Antennen. Diese wurden (und werden) auch heute noch auf den TDRSS Satelliten eingesetzt. Dort wiegt eine 4.9 m große Antenne nur 24 kg. Dies ist um ein vielfaches leichter als eine massive Struktur. Die Antenne wurde von Harris gefertigt. Galileo nutzt ein leicht verbessertes Design der TDRS Antenne. Die Antenne wiegt 34 kg. Die größere Antenne (gegenüber Voyager) ergab sich aus der Forderung nach derselben Datenrate bei Jupiter, obwohl während der zwei Jahre auch Jupiter hinter der Sonne steht, also in bis zu 930 Mill. km Entfernung. Eine entfaltbare Antenne war aber schon für den Voyager Vorgänger TOPS (Thermolectritc Outer Plantes Spacecraft) vorgesehen, dort mit einer Öffnung von 4,3 m. Als kleiner Nachteil fokussiert die Antenne nicht so stark wie eine starre Antenne, der Antennengewinn ist etwas kleiner. Bei TOPS war die 4,3 m Antenne gleichwertig mit einer 3,8 m großen starren. Auch bei Galileo sieht man dies: Galileo sendet mit minimal 115,2 kbit/s - das ist derselbe Wert den auch Voyager erreichte, die maximal6,4 AE von der Erde entfernt war. das ist auch die Maximalentfernung von Galileo, die 4,7 m große Antenne hat also keinen höheren gewinn als die 3,66 m Antenne von Voyager. Sie wiegt mit 24 kg aber weniger als die Hälfte der Voyagerantenne (44 kg).
Sie besteht aus 18 Rippen die an einem zentralen Antennenmast angebracht sind, und einem Drahtgeflecht, welches die Antenne bildet. Die Rippen bestehen aus leichtgewichtigen Graphit-Epoxid Kunstharz, die Antenne wird von goldbeschichteten Molybdändraht gebildet. Jede Rippe besteht aus mehreren Segmenten die mit Titanstücken enden. an jedem Ende sind zwei Stücke die an der Oberfläche durch Oxidation (Titandioxid) einen Überzug bekamen, der eine gute Haftbasis für den nächsten Überzug aus Molybdändisulfud (Thiolube 460). Das ist ein festes Schmiermittel welches leicht flüssig wird, weil es nur schwache Sulfidbrücken zwischen den Molekülen gibt. Beim Start ist die Antenne zusammengefaltet weil sie sonst nicht in die Shuttle Nutzlastbucht passt. Dies besorgten Stifte aus Incotel (Einer Nickel-Aluminium-Eisen Legierung) welche die Streben in der Startposition fixieren und die beim Entfalten weggedrückt werden.
Es ist die größte jemals auf einer Planetensonde eingesetzte Antenne. Die Antenne wurde durch einen Motor entfaltet, der redundant vorhanden war. Das konnte bei Galileo erst nach der ersten Erdpassage erfolgen, da die Antenne nicht auf einen Betrieb in Venusnähe ausgelegt war. Durch den viermaligen Transport über jeweils 4000 km zwischen Kalifornien und Florida, war Schmiermittel zwischen den Streben ausgelaufen und 3 Rippen der HGA ließen sich nicht entfalten. Sie war bei Galileo daher unbrauchbar. (Siehe Bericht über die Mission)
Die Sender an der HGA Antenne haben eine Leistung von
21,3 Watt und senden
bei 8415 MHz im X Band und 2295 MHz im S-Band. Bei einem halben Öffnungswinkel von einem sechstel
Grad kann man auf der Erde mit einer 34 m Antenne noch 134.400 Bit/sec aus Jupiterentfernung
empfangen. (Gewinn 50 dbi im X Band und 38 dbi im S Band). Die LGA Antenne dient dagegen für
Notfälle, wenn die Sonde in einen Safe Modus gerät und die HGA nicht genau auf die Erde
ausgerichtet ist. Ihr halber Öffnungswinkel beträgt 120 Grad, wodurch bei derselben Sendeleistung
nur 8 Bit aus Jupiterentfernung zur Erde übertragen werden können. (Gewinn 7 dbi im S Band). Dies
lag auch daran, das die LGA mit 15 Watt nur im S Band bei 2295 und 2296.4 MHz sandte und empfing,
wodurch der Antennenwinkel so breit wurde (Im X Band wäre er 4 mal kleiner gewesen = 16 fach
höhere Datenrate).
| Parameter | S-Band | X-Band |
|---|---|---|
| Sendeleistung Niedrige Leistung | 38 dbm | 41 dbm |
| Sendeleistung hohe Leistung | 43 dbm | 32 dbm |
| HGA Gewinn Senden | 37.8 dbi | 49.9 dbi |
| HGA Gewinn empfangen | 37.0 dbi | 48.3 dbi |
| LGA Gewinn Senden | 6.8 dbi | nicht verfügbar |
| LGA Gewinn empfangen | 37.0 | nicht verfügbar |
| Empfänger Schwelle (dbm) | -153 | -148 |
| Modulationsbereich(Grad) | 20 bis 100 | 20 bis 100 |
dbm : Dezibels in Bezug zu einem isotropen Strahler. dbm: Dezibel referenziert zu 1 mW.
Inklusive der Verluste der Verstärker betrug der Spitzenstromverbrauch beim Benutzen aller Sender (zum Senden von Daten und zum Senden des Trägerwelle für Vermessung des Dopplereffektes auf den Niedriggewinnantennen 160 Watt. Dies war zumindest einmal gegeben, wenn die Sonde Io passieren sollte, da dieser Mond nur einmal passiert wurde und man so diese einmalige Gelegenheit ausnutzen musste.
Die Ausrichtung der HGA wurde durch das AACS kontrolliert. Es gab zwei Modi: Im Cruise Modus, während der meisten Zeit betrug diese 1.7 mrad. Für kurze Zeit gab es einen All-Spin Modus zur Kalibration von einigen Instrumenten. Dann betrug sie 2.5 mrad. Die RRH Empfangsantenne zum Empfang der Probendaten wurde auf 35 mrad genau ausgerichtet.
Ursprünglich gab es 25 Modi um Daten zu übertragen, die sich in der Datenrate und den Daten unterschieden. Die niedrigste Datenrate der HGA lag bei 7.68 KBit/sec mit weiteren Stufen von 12, 16.8, 28.8, 67.2, 80.64, 115.2, 134.4, 403.2 und 806.4 KBit/sec. Die letzte Datenrate erlaubte es die Kamera und den Bandrekorder mit maximaler Ausleserate zu betreiben. Nach dem Verlust der HGA kamen zwei weitere Modi mit 40 und 10 Bit/sec hinzu. Die Datenraten wurden von einem Haupttakt mit 806.4 KHz durch Division abgeleitet.
Es gab zwei Klassen von Datenqualität die sich in dem Fehler unterscheiden. "Hohe Qualität" für Daten der wissenschaftlichen Instrumente, mit Ausnahme der Bilder mit einem Fehler von weniger als einem Bit pro 20.000 gesendeten Bits. Der zweite Modus "Niedrige Qualität" war für die Bilder bestimmt, die eine sehr hohe Datenrate erforderten. Hier tolerierte man ein fehlerhaftes Bit pro 200 gesendeten Bits. Die Daten der wissenschaftlichen Instrumenten wurden mit einem Golay Code versehen, der Fehler erkannte und korrigierte.
Für die Vermessung des Dopplereffektes beim Passieren der Monde gab es einen ultrastabilen Oszillator, der eine reine Trägerwelle mit einer Frequenzgenauigkeit von 5 pro 1 Billion aussendete. Für die Vermessung von Gravitationswellen gab es einen X-Band zu S-Band Konverter / Empfänger.
Durch Verwendung der 70 m Antennen auf der Erde konnte man die Datenrate bei Nutzung der LGA auf 40 Bit/sec steigern und die DSN Station in Canberra, Australien war Galileo in der besten Position für den Empfang. Dort wurden rauscharme Empfänger installiert und eine 34 m und 64 m Antenne parallel geschaltet. Dies erlaubte nach dem Ausfall der HGA eine Sendeleistung von 160 Bit/sec über die LGA während 9 Stunden pro Tag. Es findet sich in den Galileo Bildern, die auch einen Telemetrie Rekord haben allerdings keinen Hinweis dass man diesen Modus je benutzt hat. Dies erklärt auch, dass wesentlich weniger Bilder übertrugen wurden als die NASA noch als Schätzung vor dem Beginn der Jupitermission angab. Die Uplink Datenrate zur Sonde betrug bei Verwendung der LGA und eines 20 kW Senders auf einer 34 m Antenne des DSN 32 Bit/sec. Wesentliche Teile des Kommunikationssystems stammen noch von Voyager so Transponder, Verstärker, Telemetrie Modulator und Kommando Encoder.
|
Telemetrieformat Nummer |
Abkürzung |
Downlink-Datenrate |
Telemetrieformat Nummer |
Abkürzung |
Downlink-Datenrate |
|---|---|---|---|---|---|
|
0 |
LPB |
7.68 Kbps |
16 |
HPW |
115.2 Kbps |
|
1 |
EHR |
1.2 K bps |
17 |
HIM |
115.2 Kbps |
|
2 |
BPB |
16.8 Kbps |
18 |
HCM |
115.2 Kbps |
|
3 |
MPB |
28.8 Kbps |
19 |
LRS |
7.68 Kbps |
|
4 |
XPW |
67.2 Kbps |
20 |
MPW |
28.8 Kbps |
|
5 |
XCM |
67.2 Kbps |
21 |
PW8 |
806.4 Kbps |
|
6 |
XED |
67.2 Kbps |
22 |
IM8 |
806.4 Kbps |
|
7 |
XPB |
80.64 Kbps |
23 |
AI8 |
806.4 Kbps |
|
8 |
XPN |
80.64 Kbps |
24 |
PW4 |
403.2 Kbps |
|
9 |
XRW |
115.2 Kbps |
25 |
IM4 |
403.2 Kbps |
|
10 |
HPB |
134.4 Kbps |
26 |
--- |
--- |
|
11 |
HPJ |
134.4 Kbps |
27 |
--- |
--- |
|
12 |
HPW |
134.4 Kbps |
28 |
--- |
--- |
|
13 |
HCJ |
134.4 Kbps |
29 |
ESS |
40 bps |
|
14 |
MPP |
28.8 Kbps |
30 |
ELS |
10 bps |
|
15 |
MPR |
28.8 Kbps |
Es ist übrigens falsch, dass man bei Cassini wegen dem Ausfall der HGA bei Galileo eine massive Antenne einsetzt. Zum einen werden diese Antennen immer häufiger auf Kommunikationssatelliten eingesetzt, weil sie platz- und gewichtssparend sind, zum anderen stellt Italien bei Cassini die HGA und deren Design stand schon, als der Vorfall mit der HGA von Galileo passierte. Vielmehr ist es so, dass es zum einen heute möglich fast genauso leichte Antennen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen herzustellen ohne sie entfalten zu müssen und die Raketen haben auch mehr Raum um sie unterzubringen.
Für den Empfang der Probendaten verfügte der Orbiter auch über eine kleine Parabolantenne mit Empfängern und Verstärkern, um die Signale der Atmosphären Sonde im L-Band bei 1387 und 1387.1 MHz zu empfangen. Dies war eine 1.1 m große Parabolantenne an einem Ausleger der entdrallten Sektion. Sie war ausgelegt ein Signal von mindestens 26 dbi Stärke zu erfassen und zu verfolgen. Die nominale Stärke beträgt 31 dbi. Innerhalb von 50 Sekunden hat sie das Probensignal mit einer Wahrscheinlichkeit von 0.995 erfasst. Die Wahrscheinlichkeit für ein einrasten auf eine falsche Quelle beträgt 0.00005. Diese Antenne wiegt zusammen mit der Empfangselektronik und den Empfängern 23.2 kg.
Die Antenne mit einem Öffnungswinkel von 13 Grad wurde auf das Einschlagsgebiet der Probe ausgerichtet und tastete in 16 Sekunden das gesamte 70 kHz breite Sendeband der Atmosphärensonde ab. Innerhalb von 8 Sekunden sollte es ein Signal erfasst und sich auf dessen Frequenz eingelockt haben, man rechnete mit maximal 2-3 Suchzyklen um das Signal zu erfassen. Die Hardware bestehend aus Empfänger und Frequenzoszillator war redundant vorhanden. Die Antennenschüssel nur einmal. Sie konnte erst nach dem Absprengender Atmosphärenkapsel 150 Tage vor der Ankunft entfaltet werden. Der Ausleger diente dazu, dass die RRH sogar über Galileo hinweg schauen konnte, falls dies notwendig sein sollte. Ein Sender war wegen ihrer Funktion Empfangsantenne leider nicht vorhanden - schade, den ihr Öffnungswinkel war 10 mal kleiner als die der LGA, wodurch eine entsprechend höhere Datenrate möglich gewesen wäre, hätte die Antenne nur über einen Sender verfügt.
Galileo wurde von einem Autor einmal als das "fliegende Rechenzentrum"
beschrieben. Der Grund liegt in der enormen Anzahl an Mikroprozessoren (22
Stück) die zusammen arbeiten müssen. Schon Voyager hatte drei Bordcomputer die jeweils redundant
ausgelegt waren. Einen für die Lageregelung und räumliche Ausrichtung (AACS), einen für die Raumsondensteuerung (CCS) und
einen für die Datenverarbeitung der Experimente (FDS). Galileo hat wie Magellan und Cassini die ersten beiden Systeme. Die Datenverarbeitung für
die Experimente übernahmen zum größten Teil auch kleine Computer direkt bei den Instrumenten, die
auf dem RCA 1802 basierten. Dies war eine Neuerung von Galileo. Vorher waren die Instrumente
"dumm", d.h. der Hauptcomputer musste sie steuern und ihre Daten abholen. Galileos Experimente
hatten zumindest eine bescheidene Intelligenz die dazu ausreichte die Experimente zu steuern.
Dies war die Geburt der heute üblichen DPU (Data Processing Units). Heutige DPU leisten erheblich
mehr und speichern die Daten ab bis sie der Bordcomputer abholt und bereiten Sie auf indem sie
diese komprimieren oder eine Fourier Transformation durchführen.
Auch wenn die Hardware differierte diente das Computersystem von Voyager als Vorlage. Wie bei diesem gab es nicht einen Bordcomputer sondern mehrere die jeweils unterschiedliche Aufgaben hatten und sie waren jeweils redundant vorhanden.
Das Herz des Galileo Orbiters ist das CDS (Command and Data Subsystem). Es ist für die Ausführung von Kommandos von der Erde zuständig, speichert Daten auf Band und liest sie von dort und hat auch Fehlerabfang Routinen, die bei einem Problem die Sonde in einen sicheren Modus bringen, in dem zwar keine Arbeit möglich ist, aber die Raumsonde vor Beschädigungen geschützt ist. Zudem verläuft der gesamte Datenverkehr von und zur Erde über das CDS. Bei Galileo entschied man sich erstmals für eine Raumsonde einen kommerziell erhältlichen Mikroprozessor zu verwenden. Allerdings fand die Auswahl 1977 statt und damals gab es nicht nur wesentlich weniger Prozessoren auf dem Markt, auch ihre Leistung war bescheidener als heute. Man stellte fest, dass es unter allen Prozessoren auf dem Markt nur einen gab, der für Galileo geeignet war. Es war der 1974 erschiene 8-Bit-Prozessor RCA 1802. Auf der Erde wurde er selten eingesetzt, es gab ein Videospiel, dass ihn nutzte, sowie Computerkits um Assembler zu lernen,
Der RCA 1802 wurde genommen, weil er der strahlentoleranteste verfügbare Prozessor
war, da er auf einer Technologie namens "Saphir auf Silizium" als strahlengehärtete Version
verfügbar war. Er arbeitete mit 10 V Spannung und war unempfindlicher gegen Überspannungen als
andere Prozessoren die mit 5 V Spannung arbeiteten. Weiterhin konnte er bei Temperaturen von -55
bis +135 Grad Celsius arbeiten. Er war allerdings "nobodys choice", d.h. man hatte praktisch
keine Wahl zu dem Zeitpunkt, als die Spezifikationen von Galileo festgelegt wurden. Es gab bei den
wenigen, 1977 verfügbaren Mikroprozessoren, keine Alternative zum RCA 1802.
Das Problem war, das dieser Prozessor sehr langsam war. Die Taktfrequenz betrug nur 1,6 MHz und die Ausführung einer Instruktion zwischen 5 und 10 Mikrosekunden. Der Prozessor schaffte also maximal 200.000 Instruktionen pro Sekunde. So war zuerst niemand so richtig glücklich mit der Wahl. Man umging das Problem, indem Galileos Computer massiv parallel waren, man also die Last auf mehrere Prozessoren verteilte.
Der Prozessor selbst hatte ein sehr ungewöhnliches Design, es war wohl ein früher RISC Chip. Die hervorragenden Eigenschaften waren extreme Einfachheit und große Flexibilität. Der Prozessor hatte 16 je 16 Bit breite Register, die als 32 je 8 Bit breite Register angesprochen werden konnten. Der gesamte Zugriff auf den Speicher ging über den Akkumulator: Jeweils ein Register enthielt die Adresse des Speichers, von der aus Daten in den Akkumulator D gelesen wurde. Auch das Register welches den Programmcounter stellte, konnte aus den 16 Registern durch Zuweisung der Nummer in das 4 Bit P Register frei gewählt werden. Das Design, so erläuterte ein Experte, "erinnert mehr an einen Prozessor mit 32 Bytes RAM und 65536 I/O Ports". Alle Instruktionen waren 8 Bit Breit: 4 Bit für den Opcode (Nur 16 Befehle!) und 4 Bit für ein Register. E gab keine Unterstützung für Unterroutinen, bedingte Sprünge und Stack. Man konnte dies aber emulieren, indem man z.B. dem Programmcounter neue Werte zuwies. Die Unterstützungslogik wurde in Bausteinen der CMOS 4000 Serie realisiert.
Das CDS besteht nicht aus einem Computer, sondern wegen der Langsamkeit des 1802 Prozessors aus deren drei. Dieses System ist nochmals doppelt ausgelegt (aus Redundanzgründen), so das an Bord von Galileo 6 Mikroprozessoren die Steuerung haben. (Plus einem siebten als Reserve). Die Aufteilung ist folgendermaßen: Es gibt zuerst einmal 2 HLM (High-Level Modules) Diese steuern wichtige Funktionen des Raumfahrzeuges wie Datenbustransfer und Fehlererkennung und Schutz. Jedes HLM hat bei Galileo 32 KByte CMOS Speicher und einen 1802 Prozessor mit einem Buscontroller. Ein HLM führte Realzeitkommandos aus, der zweite gespeicherte Kommandos. Ein dritter diente als Reserve. Jeder HLM konnte einem von zwei Bussen zugeschaltet werden. Der verwendete Speicherbaustein war ein Harris HM 6504, das ist ein 4 Kbit x 1 statischer CMOS-Speicher der 1977 erschien also Stand der Technik war als Galileo in die Designphase ging.
An jedem der beiden Busse hingen je zwei LLM (Low Level Module). Ein LLM
führte spezialisierte Aufgaben aus. Eines befand sich in der dreiachsenstabilisierten Sektion und
ein zweites in der Despun Sektion. Das erste kontrollierte den Status der Raumsonde, das zweite
überwachte die Atmosphärenprobe und hielt Verbindung mit der IUS Oberstufe.
Jedes LLM Sektion hatte einen RCA 1802 Prozessor mit 16 KByte Speicher. Das in der stabilisierten Sektion hatte Zugriff auf 16 KByte Bulk Memory (BUM), in dem Kommandos von der Erde zwischengespeichert wurden und 8 KByte Data Bulk Memory (DBUM). DBUM wurde von den Instrumenten zum Ablegen der Daten benutzt. Sie hatten DMA Zugriff auf diesen Speicher. Die BUM und DBUM dienten auch zum Transfer von Daten zwischen den LLM und HLM.
In der zweiten Buskette wiederholte sich diese Konstellation. Diese war als Backup gedacht. So bestand das gesamte CDS aus 6 RCA 1802 Mikroprozessoren (2 HLM, je 2 Busse mit je 2 LLM) mit insgesamt 176 KByte Speicher + 32 KByte Reserve in dem dritten HLM. Von den 32 KByte Speicher jedes HLM waren 12 KByte als schreibgeschützt für Programme gekennzeichnet. Der Speicher im CDM war der größte in der Raumsonde. Im Februar 1995 wurde eine neue Software zur Sonde übertragen um in ihm die wichtigsten Daten der Atmosphärensonde (etwa 40 Minuten) ablegen zu können, falls der Bandrekorder ausfallen sollte.
Das Busystem hatte einen Takt von 403,2 kHz, die Hälfte des Prozessortaktes von 806,4 kHz. Für Interrupts gab es ein Echtzeituhr die an den Prozessor 15-mal pro Sekunde einen Interrupt sandte.
Man fand keinen adäquaten Compiler für die schon in anderen Projekten eingesetzte Sprache HAL für den 1802, so dass die gesamte Software mit "strukturierten Makros" in Assembler erstellt wurde, die Namen wie "IF", "DO" oder "ASSIGN" hatten. Die Software des CDS ist interruptgesteuert und hat zwei Prioritäten: Vordergrundprozesse werden 15 mal pro Sekunde ausgeführt, Hintergrundprozesse alle 1.5 Sekunden. Diese Einteilung ist jedoch Geschichte, denn der Ausfall der HGA machte eine völlige Neuprogrammierung der Sonde notwendig. Im Mai und Juni 1996 wurde eine neue Software auf das System aufgespielt, welche von der Einteilung in einzelne Stränge abrückte. Nun hatte jeder der 7 Prozessoren eine eigene Aufgabe zu erledigen. Darunter die Kompression verlustlos (Faktor 2.54) oder verlustbehaftet nach dem DCT Verfahren (Faktor 3-31). Die Plasmadaten mussten sogar um den Faktor 80 komprimiert werden. Neben den 7 Prozessoren im CDS gab es noch 11 weitere RCA 1802 in den Experimenten an Bord.
Trotz einige Ausfälle während der erweiterten Missionen hat das CDS ein vielfaches (etwa das 8 fache) der Strahlendosis ausgehalten für das es ausgelegt war (150 krad, etwa die 3000 fache für einen Menschen tödliche Dosis). Trotzdem hat die Sonde, selbst noch als sie am 28.9.2003 gezielt auf Jupiter gelenkt wurde, Daten gefunkt, obgleich die Strahlung hier noch stärker war, als jemals zuvor während der Mission.
An das CDS angeschlossen war auch der Bandrekorder, der ursprünglich
nur in Aktion treten sollte, wenn die Sonde sehr viele Daten auf einmal verarbeiten musste oder
keine Funkverbindung zur Erde hatte. Hergestellt wurde der Bandrekorder von Odetics in Anaheim.
Es ist ein 4 Spuren Magnetbandrekorder mit einer Gesamtkapazität von 914,489,344 Bits (109
MByte), das entspricht der Datenmenge von 178 Bildern. Auf den Rekorder kann man mit bis zu
787.600 Bit/Sekunde schreiben und mit unterschiedlichen Datenraten lesen. Die
Aufzeichnung eines Bildes dauert unter idealen Umständen 6,5 s.
Das Band besteht aus einem 560 m langen, 6 mm breiten Mylarfilm. Der Rekorder ist in etwa so groß wie ein Laib Brot.
Am 11.10.1995, kurz vor Erreichen des Orbits, stoppte der Rekorder nicht, als er zurückspulen sollte und man konnte ihn erst nach 15 Stunden abschalten. Ursache war Klebstoff vom Bandanfang, welche die Bandführung verklebt hatte. Man benutzte fortan als "Workaround" die betroffene Stelle nicht mehr und nutzte nur noch 84% der Kapazität. Geschrieben wird unkomprimiert auf den Bandrekorder, der Inhalt dann vor der Übertragen auf ein Achtel komprimiert. Danach gab es keine Probleme mit der Rekorder, obgleich er durch den Antennenausfall weitaus häufiger als die spezifizierten 20.000 Start/Stopp Zyklen lief. Erst am 8.11.2002 fiel der Rekorder erneut aus, als er den einzigen Vorbeiflug am Mond Amalthea machte. Die hohe Strahlenbelastung hatte eine LED geschädigt, welche die Bewegung des Bandes kontrollierte. Man konnte den Rekorder dann zuerst nur Minuten lang bewegen, nach 83 Stunden des Probierens und Problemlösens dann bis zu einer Stunde lang. Er wurde nun aber nicht mehr benutzt, zumal dies der letzte Vorbeiflug war und beim nächsten Umlauf die Sonde auf Jupiter aufprallen würde.
Das zweite Computersystem an Bord von Galileo ist für die Lageregelung (Orientierung der Sonde im Raum), Ausrichtung der Instrumentenplattform und die Zündung der Triebwerke zuständig. Es umfasst neben den Computern auch Sensoren um die Lage festzustellen: Zwei Sternenscannern, Sonnensensoren, Gyroskopen welche Änderungen der Ausrichtung der Sonde anzeigen, zwei Beschleunigungsmessern welche Beschleunigungen registrieren. Das Wobbeln der Sonde (Schlingern um die Drehachse) wird durch Verändern des Winkels des RTG Booms kontrolliert.
Das AACS besteht zwei redundanten Applied Technologies Advanced Computer (ATAC). Es ist ein 16 Bit Computer hergestellt von Itek bestehend aus vier 4 Bit AMD 2900 Bitslice Prozessoren. Der ATAC war erheblich schneller als das CDS. Seine Zykluszeit betrug nur 0.250 anstatt 5 Mikrosekunden,. Er war in etwas so schnell wie der kommerzielle 16 Bit Minicomputer PDP 11/23. (Die Fliesskommaeinheit des PD 11/34 bestand ebenfalls aus den AMD 2900 Prozessoren). Allerdings war der Speicher viel langsamer und hatte eine Zykluszeit von 2 Mikrosekunden. so war für jeden Speicherzugriff 7 Wartenzyklen nötig, so das der ATAC nur 143000 Instruktionen/sec schaffte. Mit einem adäquaten Speicher hätte der ATAC-16 eine Leistung von >1 MIPS erreicht, also genauso schnell wie Cassinis Bordcomputer 15 Jahre später! Ein weiterer Vorteil war seine Fliesskommafähigkeit und die Möglichkeit eigene Instruktionen in Mikrocode zu generieren. 4 neue Instruktionen sparten so 1500 Instruktionen im Code ein.
Der AMD 2901 war ein mit 9.5 MHz getakteter 4-Bit-Slice Prozessor mit 123
Instruktionen. Das bedeutet, das der Prozessor eine komplette 4 Bit ALU hatte, die alle
Rechenoperationen, auch Fliesskommaberechnungen durchführen konnte. Mit 4 Bits fängt man nichts an,
doch man kann einfach mehrere dieser Prozessoren verbinden. Der ATAC verband 4 Einheiten und war
so ein 16 Bit Prozessor (4 x 4 Bit = 16 Bit). Die Fliesskommarecheneinheit der PDP 11/34
nutzte sogar 16 Stück
und erzeugte so einen 64 Bit Prozessor. Da jede Recheneinheit aber nur mit 4 Bits rechnet, konnte
man den Prozessor für die damalige Zeit (1975) mit sehr hohen Taktfrequenzen betreiben.
Jeder der beiden AACS Computer verfügte über zweimal jeweils 1 KWort (16 Bit) ROM und 31 KWorte RAM. Jeweils ein Block konnte in die unteren 32 K des Adressraumes und einer in die oberen 32 K des Adressraumes eingeblendet werden. Der untere Block ist der Code, der gerade ausgeführt wird. Der obere Block kann verändert werden, wird aber nicht ausgeführt. Programmiert wurde der ATAC in Assembler und HAL/S, der Sprache in der auch die Flugsoftware für den Space Shuttle entstand.
Auch der ATAC arbeitet mit einem Echtzeitbetriebssystem, Galileo Real-time AACS Operating System (GRACOS) dessen Takt sich vom CDS ableitet und ein Vielfaches oder Bruchteil von 66.66 ms ist. (15 Zeitscheiben pro Sekunde). Typische Zeitschlitze waren 133.33, 66.66 und 6.66 ms. Alle Computer der Sonde und Experimente zusammen haben nur eine Speicherkapazität von 320 KByte RAM und 41 KByte ROM. In ihnen stecken insgesamt 19 Mikroprozessoren. Der ATAC-16 war für seine Zeit ein sehr moderner Computer und verwundert es nicht, wenn auch Magellan diesen Computer als Bordrechner einsetzte.
Auch das AACS wurde im Frühjahr 1996 neu programmiert um die Datenübertragung der Sonde zu maximieren. Es hatte die Aufgabe die Plasmawellen- und Bilddaten um den Faktor 80 zu komprimieren.
Angeschlossen an das AACS waren seine Sensoren und Aktoren:
Die Rotation der Sonde liegt normalerweise zwischen 2.8 und 3.5
Umdrehungen pro Minute. Für das Abtrennen der Atmosphärensonde, vor Zündungen des Haupttriebwerks
und das Befreien der Antenne wurde diese auf 10.5 Umdrehungen erhöht. Dies ist auch die höchste
Rate welche die Software des AACS zulässt. Bei höheren Geschwindigkeiten als 13.5 Umdrehungen pro
Sekunde nimmt der 11 m lange Ausleger für die Magnetometer Schaden. Die höhere
Rotationsrate bei dem Betrieb des Haupttriebwerks stabilisiert die Sonde.
Strom wurde über 48 bewegliche Kontakte mit rotierenden Bürsten zwischen den beiden Sektionen übertragen. Datenkabel liefen an 23 Sektionen zusammen. Jeweils mit einer Verbindung zu der rotierenden und nicht rotierenden Sektion. Sie endeten jeweils in Spulen ohne sich zu berühren. Strom in einer Spule induzierte Strom in der verbundenen Spule und so wurden Impulse übermittelt.
In der rotierenden Sektion befand sich die Elektronikbucht und die meisten der Kabelverbindungen des Orbiters. Insgesamt 7.62 km Kabel mit 700 Verbindungsstellen wurden verlegt. Manche Verbindungsstecker hatten bis zu 50 Kontakte. 15 Personen arbeiteten alleine über 1 Jahr nur um die Kabel zu verlegen und zu verbinden. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Isolation gewidmet um elektrische Entladungen zu vermeiden. Voyager litt unter einigen dieser Entladungen. Als Schutz wurden alle Kabel mit Isolationsmaterial, vor allem Kapton-Folie, aber auch Teflon ummantelt.
Es gab Ausleger für das Magnetometer (11 m lang), die RTG (5 m lang) und die Instrumentenplattform. Der 11 m lange Magnetometerausleger war beim Start zusammengefaltet in einem nur 0.6 m langen und 0.2 m breiten Gehäuse.
Die Scanplattform erlaubt es die Instrumente SSI (Kamera), NIMS (abbildendes IR Spektrometer), UVS (UV Spektrometer) und PPR (Photopolarimeter / Radiometer) auf ein Ziel auszurichten. Sie hatte eine frei wählbare Rotationsrate parallel zur Achse von 0 bis 17.5 mrad/s. Konnte einen 360 Grad Schwenk also in 6 Minuten durchführen. Die Schrittweite betrug minimal 10 Mikrorad/s. Die Drehrate senkrecht dazu betrug maximal 3 mrad/s. Die Instrumentenplattform konnte auf 3.4 mrad genau ausgerichtet werden.
Die anderen Experimente (EUV: Extrem UV Spektrometer, PLS (Plasmaexperiment) HEP (Nachweis hochenergetischer Teilchen), HIC (Nachweis schwerer Ionen), DDS (Staubdetektor), MAG (Magnetometer) und PWS (Plasmawellensubsystem) befinden sich auf der rotierenden Sektion.
Das Konzept der rotierenden Sektion erwies sich im Nachhinein als umständlicher und teurer als eine Dreiachsenstabilisierung. Man hat zwar ein ähnliches Konzept schon bei Kommunikationssatelliten seit Jahrzehnten angewendet, doch deren Antennen haben keine so hohen Ansprüche an die Ausrichtungsgenauigkeit und müssen auch nicht einem beweglichen Objekt nachgeführt werden.
Über der Sonde gab es 10-20 Lagen aus aluminisierter Mylarfolie und Dacrongewebe. Neben dem Schutz vor Mikrometeoriten war es die primäre Aufgabe dieser Hülle als Entladungsschutz zu fungieren. Die Folien waren so mit "Masse" verbunden, da elektrische Teilchen nirgends mehr eine Spannung von 10 V erzeugen konnten. Jede der Schichten war 6.3 µm dick. Das Vakuum zwischen den Schichten bewirkte die Isolation. Sie hielten Mikrometeoriten bis 0.8 mm Durchmesser auf.
Darüber war die Sonde zuerst nur in schwarzes Kaptongewebe gehüllt, dessen äußere Schichten mit Kohlenstoff eingefärbt waren, da bei Jupiter die Sonnenstrahlung sehr gering ist. Diese 3 Lagen Schicht bestand aus einer 25.4 µm dicken Polyester Schicht, eingefärbt mit Kohlenstoff auf 12.7 µm Kaptongewebe auf 25.4 µm aluminisiertem Kaptongewebe zur Ableitung von elektrischen Ladungen. Die maximal 0.5 cm dicke Schicht aus bis zu 20 Lagen, isoliert genauso gut wie eine 10 cm dicke Fiberglasschicht.
Für die Venuspassage kamen an einige Stellen einige Lagen aluminiumbeschichteter Mylarfolie hinzu, welche die Sonde golden einfärbten und Strahlung reflektierten. Weiterhin gab es einen Sonnenschirm am Basis der HGA und auch der HGA Mast bekam einen kleinen Sonnenschirm. Wie Cassini schaute die HGA dann auf die Sonne, so dass der Schirm die Sonde beschattete.
Die Verkabelung umfasste wegen der hohen Anzahl an einzelnen Systemen und Instrumenten 7500m Länge und es gab über 700 Verbindungsstücke. Jeder einzelner musste einzeln isoliert und geschützt vor elektrischer Entladung werden. Galileo befand sich zwei Jahre lang im Orbit um Jupiter und sollte nicht wegen elektrischen Entladungen ausfallen. Voyager war nur einige Tage in der Umgebung von Jupiter und hatte einige Ausfälle wegen Kurzschlussentladungen zu beklagen. Dem Raum exponierte Kabel waren mit Fiberglas vor Mikrometeoriten geschützt. Eine 15 Mann starke Technikercrew arbeitete in 60 Stunden Schichten um dies zu erreichen, da die Beschichtung sich als sehr aufwendig und zeitintensiv erwiesen hatte. Das Installieren der Kabel dauerte 4 Monate in der Entdrallten Sektion und 6 Monate in der rotierenden Sektion.
Galileo ist die 24.ste US Mission die RTG als Stromquelle einsetzt. RTG ist die
Abkürzung für Radioisotopic Thermoelectric
Generator.
Galileo ist das erste Raumfahrzeug welche die GPHS RTG einsetzte (GPHS : General Purpose Heat Source).
Die Sonde hat 2 RTG an Bord. Jeder besteht aus 72 Pellets mit Plutoniumoxid von je 2.5 × 2.5 cm Größe angeordnet in 4 Blöcken von je 18 Einheiten. Die Masse jedes der beiden RTG beträgt 55 kg, wovon 11 kg auf das Plutonium entfällt. Strom wird gewonnen, indem ein Silizium-Germanium Thermoelement Strom abgibt, wenn es einem Temperaturunterschied ausgesetzt wird. Der Temperaturunterschied entsteht durch die Zerfallswärme, die beim Zerfall des Plutonium 238 in Uran 234 frei wird.
Dieser beträgt bei den RTG von Galileo 700 Kelvin. Jeder RTG produziert 570 W zu Missionsbeginn, 479 W bei Jupiterankunft, da das verwendete Plutonium-238 mit einer Halbwertszeit von 87.7 Jahren zerfällt. Ursprüngliche Planungen sahen 486 Watt zu Missionsende vor, jedoch ging diese Planung auch von einer Flugzeit von 2.25 und nicht 5.5 Jahren aus. Für den Betrieb aller Experimente werden 430 W an Strom benötigt. Bürgerinitiativen wollten den Start von Galileo wegen der RTG an Bord verhindern. Doch die Klage wurde abgelehnt. Mehr über die RTG Problematik und Funktionsweise am Beispiel von Cassini in diesem Aufsatz.
Weiterhin gibt es 70 jeweils 40 g schwere Radioisotopen Heizelemente (RHU), die 70 W an Wärme abgeben und so Galileo warm halten. Auch diese enthalten kleine Mengen (jeweils 2.68 g) an Plutoniumoxid. Die Atmosphärensonde verfügt über weitere 34 Elemente.
RTG und RHU sind durch mehrfache Schichten aus Iridium, Graphit und kohlefaserverstärktem Kunststoff geschützt und sollten auch einer Explosion des Space Shuttles ohne Beschädigung überstehen können. Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons verwenden dieselben GPHS RTG. Jeder dieser RTG hat eine Anfangsleistung von 285 W bei 4400 W thermischer Leistung. Die Missionen unterscheiden sich nur in der Anzahl der RTG (Ulysses und New Horizons: 1, Galileo: 2, Cassini: 3). Inzwischen wurden sie durch die moderneren MRTG abgelöst.
Eine Stromverteilung und Wandlungseinheit reguliert die Bordspannung. Es gibt zwei Spannungen: 30 V Gleichspannung und 50 V Wechselspannung mit einer Frequenz von 2.4 kHz. Überschüssige Leistung wird als Wärme an den Weltraum abgegeben.
Die zahlreichen Veränderungen bei der Sonde vor allem wegen verschiedener Konfigurationen für den Start hinterließen ihre Spuren in der Massebilanz. Hier eine Aufstellung der projektierten Daten und der gestarteten Sonde:
| 1979 | 1986 | 1989 | |
|---|---|---|---|
| Orbiter leer | 680 kg | 925 kg | 734 kg |
| Antrieb | 1033 kg | 1145 kg | 1150 kg |
| Treibstoffe | 919 kg | 932 kg | 962 kg |
| Probe | 245 kg | 320 kg | 339 kg |
| Adapter zur IUS | 72 kg | 160 kg | 157 kg |
| Startmasse | 2035 kg | 2550 kg | 2380 kg |
Das Antriebsystem hat eine so große Leermasse, weil es nach Umplanungen bis zu 1400 kg Treibstoff aufnehmen sollte. Das Maximalgewicht das der Orbiter (ohne Probe) erreichte war 2660 kg. Dies war für einen Start mit einer IUS im 1984 geplant wobei der Treibstoff diente bei einem Marsvorbeiflug zu beschleunigen und so die schwache Leistung der IUS auszugleichen. Dabei schwand die Triebstoffreserve laufend. Ursprünglich sollten 850 kg Treibstoff für eine Geschwindigkeitsänderung um 2150 m/s reichen. Als Galileo startete reichten 962 kg nur noch für 1612 m/s.
Der Galileo Orbiter war die zweitteuerste US Planetensonde, und auch von seiner Instrumentierung wird er nur von Cassini übertroffen. Die Komplexität des Computersystems ist sogar unerreicht. Trotzdem hat diese Sonde einer viel tausendfachen Strahlenbelastung widerstanden, die für einen Menschen tödlich gewesen wäre und normale Elektronik der damaligen (und heutigen Zeit) zerstört hätte. Galileo zeigte auch die Flexibilität einer Sonde, denn ein Großteil der wissenschaftlichen Ziele konnte auch nach dem Ausfall der HGA durch geschickte Umprogrammierung der Sonde erfüllt werden.
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19810003141.pdf
Artikel erstellt 1999, zuletzt geändert am 21.3.2017
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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