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Voyagers Mission: Die Geschichte

Die Grand Tour

Die Ursprünge von Voyager gehen zurück bis Mitte der sechziger Jahre. Zuerst wurde von Michael Minovich vom JPL im Jahre 1962 die Möglichkeit berechnet, dass eine Sonde durch Vorbeiflug an dem Jupiter Geschwindigkeit gewinnen könnte, wodurch zum ersten Mal die äußeren Planeten in die Reichweite rückten. Im Jahre 1965 entdeckte der junge JPL Ingenieur Gary Flando bei Berechnungen, dass die äußeren Planeten Ende der siebziger Jahre in einem Raumsektor standen. Er arbeitete an der Berechnung von Bahnen für Raumsonden, die Jupiter als Sprungbrett nutzen könnten und stellte fest, dass zwischen 1976 und 1978 Saturn, Uranus, Neptun und Pluto über Jupiter erreichbar wären. Mehr noch, es gab die Möglichkeit, mehrere Planeten hintereinander zu besuchen. Möglich waren die Routen Jupiter-Saturn-Uranus-Neptun, Jupiter-Uranus-Neptun und Jupiter-Saturn-Pluto. Dazu gab es noch Routen die nur zwei Planeten passierten, wovon einer Jupiter war, diese wiederholen sich jedoch in einem kürzeren Zeitabstand von maximal 20 Jahren. Die NASA wollte sich diese Gelegenheit nicht entgehen lassen.

Gary Flando berechnete in seiner Veröffentlichung folgende mögliche Routen:

Es gibt zahlreiche mögliche Trajektorien, die hier angegebenen sind die mit den minimalen Startenergien. Sie muss zu der Energie addiert werden die benötigt wird, die Erde zu verlassen. Eine Energie von 110 km²/² im Unendlichen entspricht einer Startgeschwindigkeit von 15,2 km/s aus einer Parkbahn in 200 km Höhe. Voyager startete mit 14,5 km/s, was etwa einer Energie von 90 km²/s² entspricht.

Das Voyager Programm begann Ende der sechziger Jahre, noch unter einem anderen Stern. Schon 1965 gab es Vorschläge die Gelegenheit zu nutzen, verbunden mit einer Verschiebung der planetaren Erkundung weg von Mars und Venus, zu Jupiter bis Neptun.

In der Euphorie der Mondlandung plante man wesentlich größere Sonden, die mit einer Saturn 5 auf den Weg gebracht werden sollten, und anders als Voyager noch an jedem Planeten ein Orbiter zur dauernden Überwachung zurücklassen sollten. Zur gleichen Zeit entwickelte die NASA die Spezifikationen für eine Sonde ins äußere Sonnensystem, genannt TOPS (Thermoelectric Outer Planets Spacecraft). Diese wurde später Grundlage für Voyager. Viele Details von TOPS finden sich später bei Voyager wieder.

Im Jahre 1969 schlug die NASA die "Grand Tour Suite" vor, aus der schließlich das "Outer Planets Grand Tour Project" (OPGTP) wurde. Sie umfasste 4-5 Sonden. Zwei sollten 1976 und 1977 gestartet werden und die Route Jupiter-Saturn-Pluto verfolgen. Im Jahre 1979 sollten dann zwei Sonden zu Jupiter-Uranus-Neptun folgen. Dazu kam eine Erprobungssonde, die nur zu Jupiter fliegen sollte. Die Sonden basierten ebenfalls auf dem "Thermoelectric Outer Planets Spacecraft, genannt TOPS". Dieses Programm hätte etwa in der Basisversion 660 Millionen bis 750 Millionen USD gekostet und wäre somit in etwa so teuer wie das Viking Programm geworden. Ein Alternativflugplan sah den Start von 1975-1979 von jeweils einer Sonde pro Jahr voraus. Zuerst die Jupiter-Saturn Sonden, dann die Jupiter-Uranus-Neptun Sonden. Dies erlaubte Einsparungen beim Bau der Sonden. Trägerrakete war wir bei Voyager eine Titan Centaur, doch wäre für einige Startjahre später eine Version mit 7 Segmentboostern nötig gewesen. (später Titan 3M genannt)

Erweiterte Pläne gab es auch: Den Vorbeiflugsonden sollte eine Atmosphärensonde (1974) zu Jupiter vorangehen und weitere Vorbeiflugsonden sowie zwei weitere Sonden die zu Uranus (1979) fliegen sollten, hätten den Finanzrahmen bis auf 1450 Millionen Dollar ansteigen lassen.

Anfang der siebziger Jahre wurde das OPGTP gestrichen. Es wurde als zu teuer und zu anspruchsvoll befunden. Es war 1971, als die NASA zweitweise erwog, sogar weitere Apollo Raumflüge zu streichen und das Viking Programm wegen Finanzknappheit um 2 Jahre verlegt werden musste. Da hatte OPGTP als Projekt welches erst 1972 in die Realisierung gehen sollte, die schlechtesten Karten. Die letzten Schätzungen gingen von 750 Millionen US-$ für die Sonden und 856-900 Millionen US-$ für die Gesamtmission aus.

Aus diesem Projekt wurde schließlich die Minimallösung Voyager 1+2. Ursprünglich als Erweiterung der Mariner Serie geplant, liefen diese zuerst unter der Bezeichnung Mariner 11 und 12 oder auch Mariner Jupiter-Saturn (MJS). Genehmigt wurde es 1972. Unterschiede zu TOPS waren in zwei Dingen zu finden: Zum einen nur 2 anstatt 4-5 Sonden und die Begrenzung der Lebensdauer auf 4 anstatt 10 Jahre. Die Sonden sollten ursprünglich nur bis zum Saturn fliegen. Offiziell gab es die strikte Weisung, die Sonden nur so auszulegen, das nur dieses Missionsziel erreicht wurde, d.h. alle Systeme mussten auf eine Betriebszeit von 4 Jahren ausgelegt werden. Damit wollte man vor allem die Kosten der Mission auf 250 Millionen USD begrenzen. Eine Vierjahres Mission war 1972 schon ein sehr anspruchsvolles Ziel. In diesem Jahr umkreiste Mariner 9 den Mars und beendete ihre Mission nach weniger als 2 Jahren.

Doch die Wissenschaftler behielten sich die Option offen, zumindest eine Sonde weiter zu senden, falls deren Zustand es erlauben würde. Voyager 2 bekam eine Bahn, die es erlaubte, nach Saturn noch Uranus und Neptun anzufliegen. Die Chance dazu wurde kurz vor dem Saturn Vorbeiflug auf 65 %, das die Sonde noch funktionsbereit bei Uranus und zu 40% bei Neptun angegeben. Da die Voyager Sonden durch die große Antenne und die fehlenden Solarzellen, den Mariner nur wenig ähnlich sahen, entschied man sich schließlich zu dem Namen, den sie auch bekamen.

Auch die Ingenieure begnügten sich nicht mit dem offiziellen Ziel. In der Realität übernahmen die Voyagers von den TOPS was nur ging. Schon entwickelte Elemente, vor allem aber Sicherheitsphilosophien - Mochte sich die NASA mit 4 Jahren Betriebszeit begnügen, gebaut wurden die Sonden klammheimlich das sie erheblich länger durchhielten.

Der Startschuss zu dem Projekt fiel schlussendlich im Mai 1972. Die erste Finanzierung gab es am 1.7.1972. Voyager (damals "Mariner Jupiter -Saturn" MJS) sollte nur noch 360 Millionen USD kosten und aus 2 anstatt 4 Sonden bestehen. Bis zum März 1975 war das Design der Sonden abgeschlossen und es ging an den Bau. Zu diesem Zeitpunkt gab es den letzten Versuch des JPL, weitere Sonden dem NASA Budget abzutrotzen. Man erwog zuerst zwei weitere Sonden zu bauen, die 1979 starten sollten, und nach Jupiter direkt zu Uranus und Neptun fliegen sollten. Die NASA lehnte den Vorschlag ab. Danach schlug man vor, eine weitere Sonde zu bauen, die am 3.11.1979 starten würde, am 10.4.1981 Jupiter und Mitte 1985 Uranus erreichen würde. Eine der beiden Voyagers wäre dann 1978 gestartet, so das man drei Starts in drei Jahren hatte, und so die Kosten sich über einen längeren Zeitraum verteilen würden. Diese zusätzliche Mission würde nur 177 Millionen Dollar mehr kosten, davon 80-100 Millionen alleine für die Überwachung die nun vier Jahre länger laufen würde. (Voyager the Grand Tour of big Science). Gebaut wurde auch neben den beiden Flugexemplaren ein Ingenieursmodell, das mit geringen Kosten auch flugfähig gemacht werden konnte.

Auch dieser Vorschlag wurde abgelehnt. Allerdings bekam man nun das offizielle Okay, für eine der beiden Sonden eine Route zu erarbeiten, die einen Vorbeiflug an Uranus und Neptun nach einer erfolgreichen Saturnmission erlaubte.

Vor den Voyagers sollten dabei die beiden Pioneer Sonden prüfen ob der Asteroidengürtel passierbar ist. Ihre Daten vom Jupiter waren wertvoll, denn sie zeigten das extreme Strahlungsniveau auf und erlaubten es die Sondenelektronik vor diesem Bombardement zu schützen. Ohne die Pioners hätten die Voyager wahrscheinlich den Strahlungsgürtel von Jupiter nicht überlebt.

Eine zweite Sonde, Mariner 10 sollte das Swing-By erproben. Zwar war man sich beim JPL recht sicher, dass es prinzipiell funktionieren würde. Doch würde auch der Treibstoff ausreichen, um Ungenauigkeiten der Bahn auszugleichen ? (Eine Abweichung der Bahn bei Uranus um 10 km bedeutete einen Flugfehler von 50000 km bei Neptun). Mariner 10 zeigte, dass man eine Raumsonde bis auf 10-20 km genau auf Kurs halten konnte und damit reichten die Treibstoffvorräte von Voyager für die Mission. Vor dem Start wurden die Sonden in "Voyager" umbenannt. Man hoffte bis zum Start noch eine weitere Sonde im Jahre 1979 starten zu können, die über Jupiter zu Uranus und Neptun fliegen würde. Wie bei den meisten Raumsonden auch wird ein weiteres Exemplar gebaut für Tests auf der Erde, dass man später hätte starten könnte. Es kam nicht mehr dazu, doch Voyager Hardware flog später auf den Missionen Magellan, Stardust und Cassini mit.

Die folgende Tabelle informiert über einige der Startfenster die für die Grand Tour zur Verfügung standen und die man für die OPGTP Sonden nutzen wollte.

Die Technik des Swing-By

Die Grundlage für den Erfolg der Mission war, dass ein Planet eine Raumsonde bei Ihrer Passage in eine andere Bahn umlenkt. Dies ist dadurch zu verstehen, dass die Sonde vom Gravitationsfeld des Planeten angezogen wird, und dabei Geschwindigkeit gewinnt. Beim Verlassen des Planeten verliert sie diese Geschwindigkeit wieder, da sie gegen das Gravitationsfeld des Planeten vorkommen muss. Überträgt man dies auf die Sportart Tennis, so entspricht dies einem Ball, der vom Schläger abprallt, ohne dass dieser bewegt wird. Vom Planeten aus gesehen verlässt die Raumsonde ihn mit derselben Geschwindigkeit mit der sie auf ihn traf. Die Bahn um den Planeten entspricht dabei einem Hyperbelstück.

Jedoch bewegt sich der Planet auch selber. Dadurch hat die Sonde bei der Annäherung eine andere Geschwindigkeit als beim Abflug, denn es addiert oder subtrahiert (je nach Einflug gegen oder mit der Bahnrichtung des Planeten) die Geschwindigkeit mit der sich der Planet um die Sonne bewegt. Dadurch wird die Sonde beim Vorbeiflug entweder beschleunigt oder abgebremst. Auf den Tennis übertragen bedeutet dies, dass man sich mit dem Schläger auf den Ball zu bewegt oder fortbewegt.

Weiterhin versucht der Planet die Raumsonde zu sich zu ziehen. Dadurch krümmt er ihre Bahn und verändert die Richtung. Genau diesen Effekt benutzte man, um die Bahn beim Vorbeiflug an den Planeten so zu verändern, dass die Sonde den nächsten Planeten erreichen konnte. Kleinere Korrekturen an der Bahn kann eine Raumsonde mit ihren Steuerdüsen noch kompensieren, größere Korrekturen sind jedoch nicht möglich. Daher ist für diese Technik ein hohes Maß an Zuverlässigkeit an die Navigation Bedingung. Mehr als 10000 Flugbahnen wurden untersucht, um die ideale Route für die Voyager Raumsonden zu finden.

Dabei galt es nicht nur die drei Planeten in möglichst kurzer Zeit zu erreichen, sondern die Voyager Sonden sollten auch als erste die Monde der Planeten untersuchen. Dabei wurde die Mission so gewählt, dass jede Sonde bestimmte Monde nah anflog, während die andere Sonde andere Monde detaillierter untersuchte. Das Programm war ursprünglich so gewählt, dass die beiden Raumsonden nur Jupiter und Saturn anfliegen sollten. Diese Planeten wurden so passiert, dass Voyager 1+2 alle größeren Monde kartieren konnten. Bei Jupiter gelang dies besonders gut, doch auch bei Saturn gibt es zumindest grobe Karten der gesamten Oberfläche aller größeren Monde.

Auch die Lebensdauer der Sonden war mit fünf Jahren für dieses Ziel ausgelegt. Obgleich dies im Rückblick kurzfristig erscheint, muss man bedenken, dass bis dahin keine Planetenmission auf einen derartig lange Zeitraum ausgelegt wurde. Die Flüge zu Uranus und Neptun waren lediglich als Option geplant, sofern die Raumsonde noch in gutem Zustand war. Beim Start war es durchaus nicht sicher, dass es dazu kommen würde. Mehr zu Swing-By in dem Aufsatz über die Berechnung planetarer Bahnen auf dieser Website.

Die Trägerrakete

Schon während man an den Raumsonden des TOPS Projektes plante war eine modifizierte Titan Trägerrakete als Träger ins Auge gefasst worden. Diese Trägerrakete wurde auch für die beiden deutschen Helios Sonden und die beiden Viking Sonden benötigt. Die Titan 3E, so hieß die Version später, war eine normale Titan 3D mit einer Centaur D-1T Oberstufe,

Die Titan 3D war die Standard Titan für Erdorbit Missionen, wie sie das US Verteidigungsministerium für ihre schweren Aufklärungssatelliten des Typs KH-9 einsetzte. Sie erhielt als Oberstufe die Centaur D-1T, eine Modifikation der Centaur der Atlas. Geändert wurden vor allem die Anschlüsse zur Core 2 Stufe der Titan. Auffälligstes Merkmal war eine sehr große Nutzlasthülle von 4.28 m Durchmesser und 14.64 m Länge von 2976 kg Gewicht. Sie umhüllte die Centaur mit der Nutzlast und diente gleichzeitig als Isolierung, da man anders als bei der Atlas keine abwerfbaren Isolationselemente bei der Centaur hatte. Sowohl Titan wie auch die Centaur hatten eigene Bordcomputer und Telemetrie. Die Titan verwandte eine einfache Radiolenkung, während die Centaur eine Inertialplattform mit einem Bordcomputer einsetzte, der adaptiv sich Unregelmäßigkeiten anpasste. Das sollte beim Start von Voyager 1 noch von Vorteil sein.

Trotz dieser Zusatzstufe konnte die Raumsonde so Jupiter nicht erreichen. Man konzipierte daher die Raumsonde als ein System mit einer integrierten Oberstufe. Verwendet wurde die Oberstufe Burner 2 mit dem Triebwerk TM-364-4. Die Stabilisierung im Raum während des Betriebs wurde durch die Voyager Raumsonde und ihrem 3 Achsensystem durchgeführt. Nach Ausbrennen der Stufe wurde diese durch Sprengbolzen abgetrennt.

Trajektorien

Obwohl die Voyager Raumsonden wesentlich kleiner als die des OPGTP Projektes waren, war die stärkste Trägerrakete der USA nötig. Es war die Titan 3E Centaur, die nur sieben Mal für planetare Missionen eingesetzt wurde (Siehe auch meine Titan Seite). Doch auch die Titan 3E benötigte eine weitere (fünfte) Stufe um die Sonden auf die nötige Endgeschwindigkeit zu befördern, so wurde eine TE-364/4 Oberstufe mit festen Treibstoff an die Raumsonde montiert, die weitere 1120 kg wog (davon 1039 kg Treibstoff). Es gelang bei Voyager den Preis der Sonden sehr genau einzuhalten. Die Voyager Sonden kosteten 353.6 Millionen USD. Genehmigt waren 360 Millionen. Dazu kamen noch die Trägerraketen, der Start und die Operation über mehrere Jahre. Bei Saturn waren so Kosten von 500 Millionen USD angefallen und nach dem Neptun Vorbeiflug 865 Millionen USD (Dies umfasste auch die Umrüstung des DSN von 64 auf 70 m Antennen). Der volle Betrieb beider Sonden (Kosten durch das Deep Space Network DSN und die wissenschaftlichen Teams) kostete pro Jahr zirka 30 Millionen Dollar. Seit 1990 ist dieser aber stark heruntergefahren worden.

Startfenster gab es in den Jahren 1976-1979. In dieser Zeit konnte eine Sonde alle äußere Planeten erreichen. Die optimale, kürzeste Bahn hätte es bei einem Start im September 1978 gegeben. Man entschloss sich für einen Start 1977, da man so eine zweite Chance gehabt hätte, falls eine oder zwei Sonden das 1977 er Startfenster verpasst hätten. Dazu bot das 1977 Startfenster die besten Beobachtungsmöglichkeiten für die Galileischen Monde. Das 1976 Startfenster wäre für eine Jupiter-Saturn-Pluto Sonde günstig gewesen, das 1979 er Startfenster für eine Jupiter-Pluto oder Jupiter-Uranus-Neptun Sonde.

Untersucht wurden 10000 mögliche Flugbahnen, davon geplanten 100-110 in die engere Wahl. Diese wurden dann untersucht nach verschiedenen Kriterien wie Startfenster, Treibstoffverbrauch bei Mittkurskorrekturen, wissenschaftlicher Zielsetzung, Annäherung an Jupiter oder die Saturnringe.

Es gab folgende Forderungen an den Flugplan:

• Neben den beiden Planeten sollte es nahe Vorbeiflüge an Io und Titan geben. Zwei Monde, die man als sehr interessant einstufte
• Beide Sonden sollten möglichst alle größere Monde gut beobachten können
• Sofern möglich, sollte man sich nicht eine erweiterte Mission zu Uranus und Neptun verbauen. (Optional)

Formell wurden schließlich folgende Ziele aufgestellt:

• Passage der magnetischen Verbindung zwischen Io und Jupiter, verbunden mit einer Passage in einer Distanz kleiner als 40.000 km
• Passage eines anderen galileischen Mondes in einer Distanz von weniger als 50.000 km
• Bedeckung der Raumsonde durch Jupiter sowohl in Bezug auf die Sonne wie Erde (Aufnahmen der Nachtseite, Durchleuchtung der Atmosphäre mit der Radio Science Experiment)
• Vorbeiflug an Titan in weniger als 50.000 km  Entfernung mit Bedeckung von Sonne und Erde durch Titan
• Annäherung an mehrere Satelliten im Bereich von 100.000 km
• Bedeckung der Raumsonde durch Saturn sowohl in Bezug auf die Sonne wie Erde
• Bedeckung der Raumsonde durch die Saturnringe sowohl in Bezug auf die Sonne wie Erde

Dies führte dazu, dass Voyager 1 die Rolle bekam die primären Missionsziele zu erfüllen (Io Vorbeiflug, Titanvorbeiflug, erste Passage an beiden Planeten) und Voyager 2 als Backup fungierte, welches die Kür erledigte (nahe Passagen an den anderen Monden) und man für Voyager 2 noch die Möglichkeit hatte sie zu Uranus weiter zu senden. Die Genehmigung dafür bekam man erst im März 1977, wenige Monate vor dem Start. Bedingung dafür war, das Voyager 1 die Mission abgeschlossen hatte und Voyager 2 keinerlei Ausfälle bis 1981 hatte, dem Zeitpunkt als man die entscheidende Kurskorrektur durchführen musste. Im März 1977 bekamen nun auch die Sonden ihren späteren Namen: Vorher war in allen Dokumenten von Mariner-77 oder Mariner-Jupiter-Saturn die Rede gewesen.

Es wurden zuerst 103 Bahnen gefunden die diesen Nebenbedingungen genügten. Sie ergaben 2624 Kombinationen für beide Sonden. Sie variierten in den Ankunftsdaten bei Jupiter um einige Tagen, hatten ein Startfenster von mindestens 11 Tagen Dauer. Die Ankunft der Sonden läge zwischen November 1980 bis September 1982. Nun wandte man weitere Kriterien an. So sollte mindestens ein Monat zwischen der Ankunft der Sonden bei Jupiter und fünf Monate bei Saturn liegen um die Missionskontrolle nicht zu überlasten. Andererseits war ein zu großer abstand zwischen den beiden Vorbeiflügen nicht erwünscht, weil dies die Missionskosten nach oben treiben würde. Schließlich wurden 24 Paare selektiert die dann um 12 weitere ergänzt wurden die fast die Kriterien erfüllten. Von diesen wurden 4 von den Experimentalteams als "uninteressant" ausselektiert. Im zweiten Schritt wurden nun 32 Trajektorien genauer untersucht, wobei nun die Experimentatoren ihre Präferenzen äußern konnten. Jedes Wissenschaftsteam vergab einen Index für jede Trajektorie, welcher zwischen 0 und 1 lag und wiedergab wie die Präferenz war. Die Durchschnitte dieser Indexe lag dann zwischen 0,101 und 0,800 für die Kandidaten.

Es zeigten sich enorme Unterschiede. Einige Teams waren extrem konservativ und wollten auf Nummer sicher gehen, dass ihre Experimente auch noch bei Uranus betrieben werden könnten. Trajektoriepaar Nr. 25 hatte z.B. Rang Nr. 1 beim PRA und CRS Team, aber nur Rang 28,5 beim ISS Team. Auch die Bewertungen waren sehr unterschiedlich. Beim IRIS Team hatte die schlechteste Trajektorie einen Index von 0,75 und beim PRA einen von 0,101. So wurden die Bewertungen auf den gleichen Bereich normiert um sie vergleichen zu können. Die beiden besten waren Dann Bahn Nr. 31 (0,822) und 29 (0,797). Das gab ein Problem mit dem RSS Team, denn das hatte 24 der 32 Trajektorien als "am wenigsten bevorzugt" eingestuft und darunter waren Nummer 29 und 31.

Am 22+23-10.1973 trafen dann erstmals die für die Experimente verantwortlichen zusammen mit Vertretern des JPL zusammen um die Bahnen zu selektieren. Es zeigte sich das 31/290 trotz des höchsten Gesamtrankings nicht genommen werden konnte. Für ISS war 29 nicht tragbar aber 31 und 26. Für CRS war diese Kombination auch akzeptabel. Das RSS Team war für 26 anstatt 31, da es eine Ringbedeckung gab. So wurde Nr. 26 als Paar genommen, 26 war ursprünglich nur auf Platz 3.

Die Flugbahnen waren so abgestimmt, das Voyager 2 (die am 20.8.1977 als erste startete) 4 Monate nach Voyager 1 (gestartet am 5.9.1977) bei Jupiter ankam, so das deren Messprogramm begann, als das von Voyager 1 endete. Da Voyager 2 auf einer langsameren Bahn flog, ergab sich auch der Widerspruch in der Namengebung, den Voyager 2 wurde ja vor ihrer Schwestersonde gestartet. Voyager 1 musste den Jupiter vor dem 4.4.1979 erreichen um Io nahe passieren zu können. Eine Io Passage wird mit einer Annäherung auf 4.6 bis 6 Jupiterradien erkauft. Andererseits musste Voyager 2 Jupiter nach dem 15.6.1979 erreichen. Eine frühere Passage hätte keinen Flug zum Uranus zugelassen. Vor dem 15.6.1979 hätte eine Raumsonde die Saturnringe passieren müssen um von Saturn zu Uranus umgelenkt zu werden. Dazu musste die Sonde sich moderat Jupiter nähern (auf 8-10 Jupiterradien), damit sie nicht so stark beschleunigt wird und so Saturn etwas weiter gewandert war, und man sich ihm nicht so stark nähern muss, damit er die Sonde weiter zu Uranus katapultiert. Voyager 2 hätte bei einem Ausfall von Voyager 1 nach der Jupiterpassage auch noch bis auf 15000 km an Titan heran gelenkt werden können, allerdings wäre dann eine Uranuspassage nicht mehr möglich gewesen, da die Sonde die Ringebene schon bei Titan 18 Stunden vor der nächsten Begegnung gekreuzt hätte und so auf eine Bahn aus der Ekliptik heraus gelandet wäre.

Die folgende Tabelle informiert über die geplanten Bahnen der Sonden vor dem Start.

Dieser Flugplan stimmt mit den realen Trajektorien bei Jupiter noch überein. Doch bei Saturn gibt es bei Voyager 2 schon Unterschiede von 20000 bis 30000 km zu den Planungen. Voyager 1 näherte sich auch Saturn viel näher. Für Voyager 2 wurde dann eine neue Trajektorie ausgedacht, da es bei der ursprünglichen Trajektorie keine Bedeckungsexperimente gab, und man mittels des Photopolarimeters die Ringzahl bestimmen wollte.

Vorbereitung zum Start

Gebaut wurden neben den beiden Flugexemplaren ein weiteres. Es diente um Methoden der Inspektion, Ersetzen und Reparatur zu untersuchen. Dieses wurde im März 1977 zum Cape verschifft um damit die Prüfungen des Startablaufes und der Komptabilität zur Trägerrakete zu testen. Dieses Exemplar VGR77-1 steht heute noch dort ausgestellt. Die beiden Flugexemplare VGR77-2/3 verließen das JPL am 21.4.1977 und am 18.5.1977. Es gab bei den Startvorbereitungen Probleme. Man fand Kurzschlüsse in den integrierten Schaltungen. Reserveexemplare der Verstärker versagten im Labor, aber die Exemplare an Bord der Raumsonden schienen einwandfrei zu sein (Ein Irrtum, wie sich später bei Voyager 2 herausstellte). VGR77-2, die Raumsonde die man noch zu Uranus schicken wollte bekam den Radioisotopen Generator von VGR77-3, der eine höhere Startleistung aufwies. Dazu gab es noch weitere Modelle um das elektrische System, die Strukturelle Integrität und Thermalhaushalt zu testen und es gab von den Instrumenten und wichtigen Komponenten Backupsysteme die auch auf der Erde für Tests benutzt wurden um die Möglichkeiten der Sonden auszuloten.

Beim Start gab man die Kosten des Programms wie folgt an:  (zwei unterschiedliche Quellen)

Voyager 2 flog als erste Sonde am 20.8.1977. Noch während des Aufstiegs gab es einen Fehler im AACS Computer, welcher die Zündung der Burner 2 überwachte. Die Raumsonde schaltete automatisch auf den Reservecomputer um, der dann auch den Einschuss in die interplanetare Bahn durchführte. Es gab als man dies untersuchte, eine Änderung in den Speicherbänken der Navigationsdaten. Der Instrumentenausleger wollte zuerst nicht ausfahren. Der Computer nahm schlicht und einfach den Befehl nicht an. Andere Probleme kamen und gingen oder wurden von automatischen Systemen an Bord automatisch gelöst. Zum ersten mal hatten die Operateure am Boden das Gefühl, was es heißt eine Raumsonde mit eigener Intelligenz zu haben - nur gehorchte sie ihnen nicht immer.... Das Problematischste war jedoch der Instrumentenausleger. Man stellte schließlich fest, dass er in der korrekten Position war, jedoch nicht eingerastet. Das AACS System meldete ihn als "nicht eingerastet", worauf die NASA die Kamera aktivierte und Sternenfelder mit langer Belichtungszeit fotografierte und die Aufnahmen verglich mit der Erwartungshaltung. Nach dem Start erreichte Voyager 2 eine Bahn die vom Zielpunkt um 280.000 km abwich und die sie 44 Stunden zu spät zu Jupiter bringen würde. Eine kleine Bahnkorrektur im Oktober machte die Raumsonde um 13 m/s schneller und beseitigte diese Abweichung. Schon im November kreuzte die Raumsonde die Marsbahn.

Dies führte dazu, dass man bei Voyager 1 zusätzliche Federn in den Entfaltmechanismus einbaute, um den Ausleger einrasten zu lassen. Der Voyager 1 Start wurde deswegen um 4 Tage auf den 5.9.1977 verschoben. Ein späterer Start hätte gravierende Auswirkungen auf die Ankunftszeit bei Jupiter gehabt. Der Start von Voyager 1 scheiterte fast. Beim Start schaltete die Core-2 Stufe der Titan zu früh ab und erreichte dadurch eine um 165 m/s zu geringe Geschwindigkeit. Ursache  war eine Mischung die zu reich an UDMH war, dass dadurch vorzeitig verbraucht war. Die Centaur kompensierte die fehlende Geschwindigkeit und brannte dadurch länger. Sie schaltete schließlich 3.4 Sekunden, bevor ihr selbst der Treibstoff ausging, ab. (Restmenge 104 kg). Dafür gab es keine Probleme mit dem Ausfahren des Auslegers von Voyager 1. Voyager 1 erreichte mit 14517 m/s die bislang höchste Geschwindigkeit einer Sonde in äußere Sonnensystem. (Flight Global S.2770/1977)

Bei Voyager 2 war nur eine Kurskorrektur nach dem Start notwendig (am 13.10.1977) und bei Voyager 1 waren es zwei (am 11 und 13. September 1977). Sie lag nach dem Start um 420.000 km falsch und hätte ohne die Korrektur Jupiter um 28 Stunden zu spät erreicht. Beide Korrekturen zusammen benötigten 20% weniger Treibstoff als veranschlagt und erhöhten die Sondengeschwindigkeit um 15,3 m/s. Erstmals nach dem Start wurde offiziell bekanntgegeben, dass man versuchen würde Uranus und Neptun zu erreichen. Im Dezember 1977, nach Kreuzen der Marsbahn überholte Voyager 1 ihre Schwester.

Voyager - der Kino Star

Zwischen dem Jupiter und Saturnvorbeiflug avancierte Voyager zum Kinostar. In dem ersten Star Trek Film spielte die Hauptrolle ein Maschinenwesen, "Vger" das von einer fremden Zivilisation um die Raumsonde "Voyager 6" gebaut wurde. Dazu wurde ein 1:1 Modell der Raumsonde verwendet. Es war das erste (und bisher einzige) Mal, das eine Raumsonde als Hauptdarsteller in einem Kinofilm fungierte. Verwendet wurden auch Aufnahmen des Jupitersystems für die Szene als die Enterprise die Erde verließ.

Leider wurde es nichts aus der Serie, die der Star Trek Film andeute ("Voyager 6", in Analogie zu der Serie der Mariner oder Pioneer Sonden).

Das Buch zu den Sonden

Nach vielen Jahren – mit den Voyagersonden fing mein Interesse an Raumfahrt an – habe ich mich 2022 zum 45-sten Jubiläum des Starts aufgerafft, doch ein Buch über die Sonden zu schreiben. Anfangs meinte ich, den doch sehr ausführlichen Artikeln auf der Website nicht mehr viel hinzufügen zu können, aber beim Stöbern in den NASA-Archiven und den Voyager-Messengern, von denen auch 100 erschienen, ist es doch ein ziemlich umfangreiches Buch geworden.

Auf 600 Seiten findet sich so ziemlich alles, was man zu den Sonden wissen muss, vielleicht sogar einiges was man nicht wissen muss. Es ist damit etwa dreimal umfangreicher als die Webaufsätze, besser gegliedert, mit mehr Bildern und ich hoffe auch leichter zu lesen.

Hier der Link zur Verlagsseite, wer online bestellt, dem rate ich bei BOD, meinem Verlag, zu bestellen, da dann die Marge für mich etwas größer ist. Dank Buchpreisbindung wird es woanders auch nicht billiger sein und der Versand ist kostenlos. Aber es gibt das Buch auch bei Amazon. Das Buch kostet als Printausgabe 49,99 Euro, als E-Book 29,99 Euro.

Links  / Referenzen

NSSC Informationen Voyager 1

NSSC Informationen Voyager 2

Voyager Atlas of Saturn NASA SP-474

 Voyager Mission Description

Gary Flandros Berechnungen über Grand Tour Bahnen

Rainer Klingholz: Marathon im All

Henry C. Dethloff Ronald A. Schorn: Voyagers Grand Tour

Die Voyager Homepage des JPL informiert über die Mission und die Ergebnisse.
Die Projekt Voyager Homepage geht auf die Raumsonde selbst mehr ein und vor allem über die aktuellen und geplanten Aktivitäten. Dort finden Sie auch den Inhalt der Schallplatte die Voyager den Aliens bringt..

NASA Technical Memorandum 33-706: Trajectorie Selection for the Mariner Jupiter/Saturn 1977 Project

Artikel verfasst: 1.4.2004

Artikel zuletzt modifiziert: 19.12.2022

Bücher vom Autor über Raumsonden

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.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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