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Voyagers: Die Sonde

Der Aufbau der Voyager Sonden

Beide Voyagersonden waren identisch aufgebaut und instrumentiert. Voyager 1 erhielt eine zusätzliche Abschirmung aus Titan um die Elektronik, weil sie sich Jupiter stärker näherte, Voyager 2 den RTG, der mehr Leistung abgab, da ihre Mission bis zu Neptun führen konnte, sonst gab es keine Unterschiede zwischen den Sonden. Voyager verwandten erstmals eine integrierte Feststoffoberstufe, die den Antrieb übernahm, während die Raumsonde die räumliche Lage während des Betriebs stabilisierte. Nach dem Ausbrennen wurde die Oberstufe durch Sprengbolzen abgetrennt.

Grundlegend für den Aufbau der Sonden ist eine weitgehend redundante Auslegung durch doppelte Auslegung wichtiger Systeme um eine Betriebsdauer von mindestens 5 Jahren zu gewährleisten. Dies umfasst Sonnensensoren, Computer, Sender etc. So fiel 1992 der Hauptcomputer von Voyager 1 aus und seitdem arbeitet die Sonde mit dem Reserve Rechner. Diese doppelte Auslegung half Voyager 2 auch bei den Vorbeiflügen bei Uranus und Neptun - man programmierte die Reservegeräte für Aufgaben um, die beim Start nie vorgesehen waren! Mehr über die Rechner der Voyager Sonden in dem Aufsatz über Computer in der Raumfahrt. Die Auslegung für 5 Jahre garantierte Missionszeit war für die damalige Zeit eine enorme Herausforderung. Viking war inklusive der Flugzeit auf 28 Monate ausgelegt. Dabei hatten die Voyager Rechner nach ersten Schätzungen etwa zehnmal mehr Arbeit als der Bordcomputer von Viking während der Vorbeiflüge zu bewältigen.

Die gesamte Elektronik befindet sich in einem zehneckigen Ring um den zentralen Hydrazintank. Vier Abteile sind mit Louvern (Jalousien) zur Temperaturregelung versehen. Jedes Abteil hat eine Breite von 43 cm. Der maximale Durchmesser des Rings beträgt 178 cm.

Bordcomputer

Meine Recherche zu den drei Rechnersystemen von Voyager führte zu so vielen Infos, das diese den rahmen dieses Artikels sprengen. Daher folgt hier nur eine kurze Beschreibung der Rechner und in diesem Artikel eine genaue Beschreibung der Rechner.

Vor Voyager setzte man Computer im heutigen Sinne, also frei programmierbare Systeme erst bei den Viking Sonden ein. Anders als Viking ging es nun aber um eine vierjährige Primärmission, die noch dazu durch den Strahlungsgürtel Jupiters führte, die den Pioneer 10+11 Sonden so zugesetzt hatte. Doch es war das Budget begrenzt, und so entschied man sich für die Adaption bestehender Viking Technologie. Da Voyager eine Vorbeiflugsonde ist, und so erheblich mehr zu erledigen hat als die Viking Orbiter, entschloss man sich, die Aufgaben auf drei Computersysteme, die jeweils redundant sind, aufzuteilen. Sie unterteilen sich nach Funktionen in:

• CCS: Communication & Command System: Verantwortlich für die Kommunikation mit der Erde und Ausführung von Befehlen zur Steuerung der Sonde und der Beobachtungen. Enthält weiterhin Algorithmen zum Abfangen von Fehlern und bringen der Sonde in diesem Fall in einen sicheren Modus.
• AACS: Attitude and Articulation Control System: Dieses war für die punktgenaue Ausrichtung der Kameras und anderen Instrumente auf der Scanplattform zuständig. Weiterhin musste die Bahn und Ausrichtung der Sonde durch kleine Schubdüsen kontrolliert werden.
• FDS: Flight Data Subsystem: Die Voyager Raumsonden sandten bis zu 115.200 Baud zur Erde. Gleichzeitig konnten bis zu 11 Experimente Daten liefern, die auf Band gespeichert wurde oder zur Erde gesandt (mit Kompression und CRC Codes). Das machte ein weiteres Computersystem notwendig. Es nahm die Daten von Experimenten entgegen, speicherte Sie zwischen und formatierte Sie für eine Übertragung zur Erde.

Kommunikation

Die Voyager Sonden haben als auffälligsten Teil eine 3.66 Meter durchmessende. parabolische, Kommunikationsantenne (HGA = High Gain Antenna). Mit dieser verläuft die gesamte Kommunikation zur Erde. Eingebaut sind je 2 Sender in S-und X-Band. (2295 MHz beziehungsweise 8418 MHz). Dazu kommt noch eine Niedriggewinn (LGA Antenne). Ein Backup dieser Antenne wurde bei Magellan eingesetzt. Die Kombination von großer Antenne und Benutzung des X-Bandes erlaubte es mit einer sehr hoher Datenübertragungsrate zu operieren. Mariner 10 stellte vor Voyager den Rekord mit 117.2 KBit/sec aus maximal 219 Millionen km Entfernung. Voyager sandte mit 115.2 KBit/sec aus 930 Millionen km Entfernung. Die Daten wurden im X-Band gesendet, das S-Band wurde für Kommandos von der Erde (2114 MHz, mit 40-160 Bit/sec) und kleinere Datenraten zwischen den Fly-Bys genutzt. Die Parabolantenne bestand aus dem damals neuen Graphit-Epoxid Verbundmaterial um Gewicht zu sparen. Die tragende Struktur bestand aus Aluminium, die Antennenfläche aus dem Verbundwerkstoff. 

Die Sender waren 9.4 / 28.3 Watt (S-Band) und 12 / 23 Watt (X-Band) stark, die Stromaufnahme durch die Wandlungsverluste waren aber beträchtlich höher und lagen beim X-Band Sender z.B. bei 53 Watt bei 23 Watt Sendeleistung. Nur jeweils ein Sender war in Betrieb. Die HGA kann um bis zu 20 Grad zur Achse des Sonnensensors verschoben werden. Nach 80 Tagen Flug ist die Erde niemals mehr als diese 20 Grad von der Sonne entfernt und die gesamte Kommunikation erfolgt nur noch über die HGA.

Die Bodenstation sandte ein Carriersignal mit einer Frequenz von 2114,667 MHz zu Voyager 1 und 2113,3125 MHz zu Voyager 2. Dieses kann auch Telemetrie (Kommando) enthalten, die dann aufmoduliert sind. Die Raumsonden nehmen dieses Trägersignal als Referenz und multiplizieren es mit dem Faktor 240/221 für die Downlinkfrequenz im S-Band und 880/221 für die Downlinkfrequenz im X-Band. So werden Downlinkfrequenzen von 2295 und 2296,48 MHz (S-Band) und 8416 / 8420.43 MHz erhalten.

Technische Daten wurden mit 40..1200 Bit/s, wissenschaftliche mit 2500-115200 Bit/sec übertragen. Der S-Band Sender wurde nur für wissenschaftliche Anwendungen nur sporadisch eingesetzt, z.B. um bei Planetenbegegnungen die Atmosphäre zu durchleuchten, ansonsten war er für Telemetrie (Daten von den internen Sensoren der Sonde reserviert).  Die beiden Sender der Sonde haben ein Gesamtgewicht von 44 kg. Kommandos zur Sonde wurden nur im S-Band gesandt. Daneben gab es einen weiteren S-Band Empfänger mit einer Niedriggewinnantenne als Backup.

Die Daten wurden im X-Band gesandt, weil durch die höhere Frequenz der  Öffnungswinkel kleiner war und man so auf der Erde mehr Leistung pro Bit empfängt. Der "Half-Power" Winkel betrug 0.6 Grad im X-Band und 2.3 Grad im S-Band. Zeigt die Antenne also 0.6 Grad neben die Erde, so sinkt die Empfangsleistung im X-Band auf die Hälfte ab, während sie im S-Band nur geringfügig absinkt. Dafür beträgt der Antennengewinn im S-Band nur 35 db, im X-Band sind es 48 db. Die Niedriggewinnantennen (LGA) mit einem Öffnungswinkel von 60 Grad werden nur für den Empfang von Kommandos in Notsituationen und kurz nach dem Start eingesetzt wenn die Raumsonde noch nahe der Erde ist. 80 Tage nach dem Start erfolgt die gesamte Kommunikation über die HGA. Die LGA haben einen Gewinn von 5 db.

Ohne den X-Band Sender wäre die Datenmenge bei den Vorbeiflügen sehr gering gewesen, doch waren sie noch sehr neu und man schätzte die Gefahren des Datenverlustes durch Fehlorientierung recht hoch ein. Die S-Band Sender waren daher ein wichtiges Backupsystem. Damit man nur mit dem S-Band Sender auch die Mission durchführen konnte, baute man neben dem Golay Code Codierer auch einen Reed-Solomon Codierer ein. Der Golay Code hat pro Datenbit ein Bit mit Zusatzinformationen die es erlauben Übertragungsfehler zu korrigieren. Der Reed Solomon Code (der auch in den CD eingesetzt wird) braucht auf 5 Datenbits nur ein Zusatzbit. Allerdings war die Hardware dafür nicht redundant vorhanden und wurde erst eingesetzt als man ohne sie bei Uranus zu wenige Bilder erhalten hätte. Dabei war er effizienter: Es reduzierte den Bitfehler von 5 x 10^-3 auf 1 x 10^-6.

Es gab 42 Datenmodi die sich in den transportierten Daten (Daten der internen Systeme , Cruise wissenschaftliche Daten, Vorbeiflugdaten mit und ohne Sondendaten) und der Datenrate unterschieden. Verfügbare Datenraten waren 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560, 3600, 7200, 19200, 29866²/₃, 44800, 67200, 89600 und 115200 Bit/s. Empfangen wurden Kommandos mit einer Datenrate von 16 Bit/s.

Für die Vermessung von Signalverschiebungen durch den Dopplereffekt, z.B. um die Masse von Monden zu bestimmen wenn die Sonde an ihnen vorbeiflog gibt es auch einen ultrastabilen Oszillator (USO) dieser erzeugte ein Signal dessen Frequenz über kurze Zeiträume stabil mit einer Frequenz von 12 x 10^-12 MHz war und langzeitstabil mit einer Frequenz von 2 x 10^-6 MHz.

Obgleich die Datenrate erheblich größer war, sanken die Übertragungsfehler verglichen mit früheren Missionen. Vergleicht man Bilder von Mariner 9+10 und Viking mit denen von Voyager, so zeigt sich, dass es zum einen weniger fehlerhafte Pixels gab (die sich meist in hellen oder dunkeln Pixeln äußern) und es auch weniger Fehler beim Übertragen der Datenblöcke gab (die sich meist in fehlenden Zeilen) gab.

Das gesamte Kommunikationssystem von Voyager nahm drei der Buchten ein und war in Bucht 1,9 und 10 untergebracht. Es wiegt 109,4 kg, davon entfallen alleine 53 kg auf die Hauptantenne und ihre Befestigung. Es war hochredundant ausgelegt. So gab es nicht nur je zwei TWTA (Wanderfeldröhrenverstärker) sondern auch noch einen Festkörperverstärker (solid-State Amplifer SSA) um eine Betriebszeit im X-Band von über 50.000 Stunden zu erhalten.

Erstmals war bei Voyager auch das Sendesystem ein eigenes Experiment, heute als Radios-Science bezeichnet, das auch erstmals in der Liste der Experimente auftauchte. Dazu musste es nur um einen Ultrastabilen Oszillator ergänzt werden, ein Bauteil das eine durch einen schwingenden Quarzkristall abgegebene Frequenz verstärkte und als Trägerwellen sandte. Die Vermessung der Frequenzverschiebung beim Empfang informierte über die Geschwindigkeit der Sonde relativ zur Bodenstation und damit die Beschleunigung durch die Gravitation der Himmelskörper an denen die Sonde vorbeiflog.

Struktur, Instrumentenplattform

Die Sonde besaß eine mehrschichtige Isolation und RHU Elemente /Radioisotope Heater Units) mit Plutonium wurden zur Heizung verwendet. Der zehneckige hohle zentrale Elektronikteil hat 1.78 m Durchmesser und 47 cm Höhe. Er enthält unter anderem die Elektronik inklusive der 6 Bordcomputer und des Bandspeichers. Er wiegt nur 29,5 kg und besteht aus Aluminium. Vier der Buchten mit der Stromverteilung/Stromwandlung, den Verstärkern für die Sender, dem HYPACE und Bandrekorder hatten an der Seite Louver, das sind Jalousien die durch Bimetallfedern geöffnet und geschlossen werden können. Sie gewährleisten das überschüssige Wärme abgegeben wird und diese Sektionen bei Raumtemperatur arbeiten. Kleinere Lover finden sich bei der Elektronik von zahlreichen Instrumenten. Die RHU haben jeweils eine Abgabe von 1 Watt und befinden sich an verschiedenen Stellen, so den Magnetometern und den Sonnensensoren. Es befinden sich keine in der Nähe der Partikelinstrumente um diese nicht zu stören. Die meisten Instrumente und Teile der Sonde können elektrisch geheizt werden. Diese Heizelemente sind so beschaltet, dass die automatisch deaktiviert werden, wenn das Instrument in Betrieb geht und die Elektronik eigene Abwärme produziert. Der Rest der Sonde, mit Ausnahme der Antenne ist in eine mehrlagige Isolierung aus mit Aluminium überzogener Mylarfolie als thermische Isolation, Teflonfolie als Mikrometeoritenschutz und außen aus einem schwarzen Kaptongewebe überzogen, dass die Sonnenwärme maximal aufnimmt und so ein Auskühlen reduziert.

Die Raumsonde wurde über Sensoren auf die Sonne (in der Hauptantenne) und auf den Stern Kanopus ausgerichtet. Dadurch konnte die Plattform mit den Experimenten genau auf einem Punkt ausgerichtet werden. Bei den ersten Jupitersonden Pioneer 10+11 war dies noch nicht der Fall, weshalb diese schlechtere Bilder liefern.

An einer Plattform befinden sich alle Experimente, die auf einen gemeinsamen Punkt an einem Planeten oder Mond ausgerichtet werden sollen. Es sind dies die Experimente ISS, IRIS und PPS. Die Scanplattform ist dabei in der Horizontalen und Vertikalen schwenkbar über einfache Zahnräder. 9000 Umdrehungen sind für eine Rotation der Plattform nötig. Beim Voyager 2 Vorbeiflug an Neptun erreichte die Plattform den Stand von über 555 Drehungen. Andere Experimente sind fest an dem Mast oder an der Sonde befestigt. Ein Mindestabstand von 6.4 m von der Stromversorgung ist bei allen Experimenten gegeben. (Wegen der Strahlung der Plutonium 239 Thermoelemente). Zwei weitere Ausleger aus Gaphit-Epoxid Harz für das Magnetometer (Länge 13 m) und die Peitschenantennen aus Beryllium-Kupfer (Länge 10 m), ragen an der Unterseite der Sonde weg.

Die Instrumentenplattform kann mit einer Genauigkeit von 0.1 Grad genau ausgerichtet werden, die Schrittmotoren haben einen Fehler von 0.03 Grad. Sie verfügt über drei Geschwindigkeiten in der Bewegung von 1 Grad/s, 0.3 und 0.08 Grad/s.  Sie ist schwenkbar um 360 Grad im Azimut und 210 Grad im Zenit. Sie wiegt 107 kg.

Stromversorgung

Die Stromversorgung geschieht über 3 Radioisotopenbatterien mit einem Gewicht von je 39 kg, die den Zerfall von Plutonium 238 (Halbwertszeit 87.7 Jahre) nutzen um aus der Wärme über ein Thermoelement Strom zu gewinnen. Die Multihundred-Watt (MHW) RTG wurden extra für Voyager entwickelt und sind bei keiner anderen Mission eingesetzt worden. (Sie sollten sich zu einem Standard entwickeln, doch kam es anders). Sie hatten dreimal mehr Leistung als die für Viking und Pioneer 10+11 eingesetzten SNAP-19 Elemente. Für Voyagers lange Mission wurden neue Kontakte entwickelt, die nicht so starke Material Veränderungen durch die Hitze zeigten. Die Forschungen gingen schon auf TOPS zurück und verbesserten die Zeit ab der die Leistung stark absank drastisch. Vorher hatte man 10000 Stunden erreicht, also nicht einmal 2 Jahre. Entsprechend verloren z.B. die SNAP-19 Elemente nach vier Jahren viel mehr Leistung.

Jedes Element ist mehrfach isoliert und gekapselt und von einem Berylliumschild zur Minimierung der Strahlung umgeben. Es enthält das Plutonium in Form von keramischen Plutoniumoxid, welches nicht eingeatmet werden kann (Nur so ist Plutonium 238 als Alphastrahler für den Menschen gefährlich). Der gesamte Generator besteht aus 3 RTG mit je 24 Einzelpellets umgeben von je 312 Silizium-Germanium Thermoelementen, welche die Zerfallswärme von bis zu 1273 K in Energie umwandeln. An der Außenseite der Thermonuklidgeneratoren waren diese beim Start noch 573 K (300 °C) warm. Jeder Generator wiegt 39 kg und enthält 4.5 kg Plutonium 238.

Aus einer Anfangsleistung von 7200 Watt Wärme wurden beim Start (je nach Quelle) 471-485 Watt Strom gewonnen. Mindestens 420 Watt sind für den Betrieb aller Experimente nötig, sinkt die Leistung unter 245 Watt, so ist die Sonde nicht mehr funktionsfähig. Soviel Strom braucht die Sonde alleine für ihre internen Systeme, vor allem für die Heizung. So muss der Treibstofftank beheizt werden, sonst würde das Hydrazin zu Eis gefrieren. Mit Reserven kalkulierte man mit einer Leistung von 423 Watt nach dem Start die bei Saturn auf 384 Watt abfallen sollte.

Der Wechselstrom wurde aus einer Gleichspannung von 30 V mit einer Wechselspannungsfrequenz von 2.4 kHz erzeugt durch zwei (redundante) Zerhacker an Bord. Jedes der drei RTG Elemente hat eine Länge von 50.8 cm und einen Durchmesser von 40.6 cm. 17 Jahre nach der Fertigung wurde ein RTG der übrig war, im Jahre 2000 in einer Vakuum Testkammer geprüft, ob dieser noch dicht ist. Dies war der Fall.

Obgleich RTG wegen des dort enthaltenen Plutoniums keine sehr preiswerten Stromlieferanten sind, waren sie damals noch vergleichsweise billig. Die RTG von Voyager kosteten 17.736 Millionen US-$ (mit Entwicklungskosten 23.6 Millionen US-$) und damit etwa 5 % der Gesamtmission. Bei New Horizons, der letzten Raumsonde die RTG einsetzte, sind es dagegen 12.4 % der Missionskosten, obgleich die Menge des Plutoniums nur ein Drittel von Voyagers RTG betrug. Grund dafür ist das das Pu-238 in den RTG verwendet wird, als Nebenprodukt gewonnen wird, wenn Pu-239 erbrütet wird, welches man für Atomwaffen benötigt. Und davon wurden früher einfach mehr produziert.

Das System ist so ausgelegt, dass man sich eine Reserve von 12 Watt für Verluste oder Spannungsschwankungen einkalkuliert. Überschüssige Energie wurde durch einen beheizbaren Schild in den Weltraum abgestrahlt. Es gab keine Batterie, aber eine Bank von Kondensatoren die kurzzeitige Spitzen abfingen, wenn z.B. die Verstärker eingeschaltet wurden.

Antriebssystem

Mit zu Voyager gehörte eine Variante der Burner 2 Oberstufe mit dem Feststoffantrieb TE-364-4. Sie war mit acht Streben an einer Umhüllungsstruktur angebracht, die einen Durchmesser von 0,9 m und eine Länge von 1,0 m hatte. Sie übertrug die Lasten auf die Sonde. An ihr wurde auch der Adapter zur Centaur befestigt.

Die Burner 2 Stufe zündete nach Ausbrennen der Centaur und brannte 43 s lang mit 68 kN Schub. Sie verbannte in dieser Zeit ihren Treibstoff von 1060 kg und beschleunigte die Raumsonde um weitere 2080 m/s. Das Antriebsmodul hat eine eigene Stromversorgung aus 22 Silberzink-Batterien. Sie liefern einen Strom von 1200 As bei einer Spannung von 22 bis 40 V, je nach Belastung. Die Batterien müssen nur für 12 Minuten lang Leistung abgeben. Sie werden 4 s vor Brennschluss der Centaur gestartet indem Elektrolyt injiziert wird und sind 2 s später betriebsbereit. Schon 18 s später erfolgt die Zündung der Feststoffrakete. 11Minuten nach dem Ausbrennen wurden die Leitungen zu den Hydrazintriebwerken geschlossen und das Antriebsmodul abgesprengt

Kurskorrektur / Lageregelung

Voyager hat in der Mitte der Sonde einen Tank mit 105 kg Hydrazin. Er besteht aus Titan und hat einen Durchmesser von 0,71 m. In dem Tank befindet sich getrennt durch eine Gummimembran Helium als Druckgas und Hydrazin. Das Helium drückt mit der Gummimembran das Hydrazin zu den Öffnungen der Triebwerke und fördert so den Treibstoff. Innen ist er mit Teflon beschichtet.

Die Kursänderungen geschehen über 16 kleine Lageregelungsdüsen mit je 0.89 N Schub. Das Hydrazin wird katalytisch in Stickstoff, Ammoniak und Wasserstoff zersetzt. Erstmals wurde Hydrazin als einziger Treibstoff für Kurskorrekturen und Lageregelungsänderungen eingesetzt. Bisherige Sonden hatten dazu getrennte Systeme, bei denen die Lageänderung meistens mit Stickstoffkontrollgas geschah und der Antrieb mit Hydrazin oder Hydrazin/NTO geschah. Hydrazin für beide Systeme bedeutete zum einen eine Gewichtsersparnis wie auch die Reduktion der Treibstoffmenge. Zudem konnte man den beheizten zentralen Tank für einen viel geringeren Druck als bei Stickstoffdruckgas ausgelegen. Benötigt wurden 8 Triebwerke, jedes Triebwerk war redundant ausgelegt. (Je zwei zur Drehung in X,Y und Z Achse und zwei zur Beschleunigung/Abbremsung der Sonde).

Insgesamt besteht die Möglichkeit den Kurs um maximal 143 m/s zu korrigieren, wobei die Vorräte mehr als ausreichend sind (einschließlich nicht nutzbarer Reste wird Treibstoff für 201 m/s mitgeführt). Man hatte die Menge schon reduziert, nachdem Pioneer 10+11 noch ihre Geschwindigkeit um 200 m/s ändern konnten und man feststellte, dass dies mehr als ausreichend war. Vor Missionsbeginn ging man bei Voyager 1 von einer Kurskorrektur um 100 m/s bis nach dem Jupitervorbeiflug und bei Voyager 2 von 60 m/s aus. Allerdings basierten diese Berechnungen darauf, dass man die Position von Voyager auf 200 km genau würde feststellen können. In der Praxis gelang es aber die Position auf 20 km genau festzustellen und entsprechend geringer fielen die Korrekturen aus.

Dazu kamen noch acht größere Düsen die sich auf dem Antriebsmodul mit der Feststoffrakete befanden. Sie waren nur aktiv während diese arbeitete. Vier hatten einen Schub von 445 N und waren im Rechten Winkel zur Längsachse und dem Schubvektor des Feststoffantriebs orientiert. Sie waren für die korrekte Ausrichtung des Schubvektors im Raum verantwortlich. Vier weitere mit 22,2 N Schub waren für die Kontrolle der Rollachse verantwortlich.

Voyager 2 hatte vor dem Uranus Vorbeiflug noch mehr als den halben (62 kg) Tank voll. Vor der Jahrtausendwende waren es 34 kg bei Voyager 2 und 32 kg bei Voyager 1. Neben Kurskorrekturen wurden bei Uranus und Neptun die Steuerdüsen auch genutzt um die Sonde langsam zu schwenken und somit einem Mond nachzuführen der sich bewegt, um verwackelungsfreie Bilder zu erhalten. Neben den kleinen Düsen gibt es auch 4 große Düsen von je 22.2 N Schub für die Regelung um die Rollachse.

Beide Sonden besitzen Sonnen- und Sternsensoren. Bei Voyager 2 war der Sternsensor auf Canopus ausgerichtet. Bei Voyager 1 benutzte man in bestimmten Abschnitten der Mission auch Rigel. Bei diesen Sensoren handelt es sich um Photodioden und Photomultiplier, welche das Licht in Strom umwandeln, wandert der Stern aus dem Gesichtsfeld so sinkt der Strom langsam auf 0 und das AACS zündet die Düsen um die Sonde wieder korrekt auszurichten. Der Sonnensensor konnte elektronisch "gebiast" werden, da er sich in der Mitte der HGA befand. So zeigte diese nicht direkt zur Sonne, sondern zur Erde. Das war nötig nach dem Start, weil dann die Ausrichtung auf die Sonne sie weg von der Erde weisen würde. Nach 80 Tagen nach dem Start war sie ständig auf die Sonne ausgerichtet.

Für kurze Perioden (über einige Stunden) gibt es neben diesem Modus einen in dem rotierende Gyroskope als Referenzplattform genutzt werden, Dies sind schnell rotierende Räder, welche bei der Beschleunigung und Abbremsung einen Impuls abgeben und dadurch zur einer Rotation der Sonde führen. Derartige Rotationen sind für die Kalibrierung des Magnetometers nötig. Sie weisen jedoch einen systematischen Fehler auf und können daher nicht dauerhaft eingesetzt werden. Drei Gyros wurden entlang der Raumachsen eingesetzt. Zwei sind maximal zusammen aktiv. Sie haben zwei Modi. Den einen mit hoher Rotationsrate benötigte man nur während der Zündung des Feststofftriebwerks. danach arbeiteten sie mit geringer Rotationsgeschwindigkeit. Die Abbildung links informiert über die Genauigkeit der Messungen der Lage und Ausrichtung der Sonde.

Das AACS schwenkte auch die gesamte Sonde wenn dies nötig war. Es gab dazu zwei Modi mit Rotationsraten von 0.18 und 0.3 Grad pro Sekunde. Dies erfolgte durch Zünden der Düsen in eine Richtung und erneutes Zünden gegen die Rotationsrichtung wenn die neue Lage erreicht wurde.

Sounds of Earth

Ein kleines Gimmick erregte vor dem Start die meiste Aufmerksamkeit: Eine vergoldete, 30 cm große Schallplatte, samt Bauanleitung für einen Schallplattenspieler. Die Platte ging auf einen Vorschlag von Carl Sagan zurück, der schon die Pioneer 10+11 Sonden mit einer Plakette ausstattete. Die Platte enthielt Geräusche, Grüße und Musik von der Erde. Sie enthielt Grüße in 55 Sprachen von Sumerisch bis zu einer Begrüßung durch den damaligen UN Generalsekretär Kurt Waldheim, darunter auch in Deutsch. Dazu kamen 35 Natur und menschliche Geräusche (Plätschern, Erdbeben, Gorilla Geschrei, Donner, Wind, Wellenschlag, Hundegebell, Froschgequake, Vogelzwitschern, aber auch Morsecode, Traktoren, Düsenflieger, Zug). Am meisten Aufwand machte es übrigens den Kuss aufzunehmen. Verwendet wurde schließlich ein Wangenkuss von Timothy Ferris (Produzent der Platte) und Ann Druyan (NASA Verantwortliche für das Auftreiben der Geräusche). Die NASA machte zur Auflage, dass es ein "erkennbar heterosexueller" Kuss ist. Wie die die Außerirdischen diesen aber von einem homosexuellen Kuss unterscheiden sollen, bleibt wohl Geheimnis der NASA.

Dazu kamen 27 Musikstücke in Ausschnitten): Eine Fuge von Bach, Blues von Louis Armstrong, Flötenmusik aus Japan, ein bulgarisches Hirtenlied, Gesang von Navaho Indianern oder das Initationslied zairischer Pygmäenmädchen. Geplant war die Platte mit "Here comes the Sun" von den Beatles beginnen zu lassen. Die vier Beatles waren auch einverstanden, doch ließen sich die Urheberrechte nicht klären. Zuletzt gab es 16 analoge Bilder. Diese wurden als S/W Bilder mit 512 Pixels pro Zeile in die Rillen geprägt. 512 Zeilen von je 8 ms Länge ergaben ein Bild. Ein Bild einer schwangeren Frau mit einem Mann fiel der Zensur zum Opfer. Eine Seite der Schallplatte war bespielt, die andere enthielt die Bauanleitung eingraviert in die Metallplatte.

Da die Sonden das Sonnensystem verlassen, bestand eine kleine Chance das außerirdische Intelligenz die Sonden einmal bergen wird und so flog die Schallplatte mit. Es handelte sich vor allem um eine Publicity Aktion und bei den Ingenieuren, die um jedes Gramm bei der Sonde feilschen mussten, war die Mitnahme der 2 kg schwere Platte nicht unumstritten. Auch heute gibt es wieder solche Aktionen, so z. B. vor dem Start der New Horizons Sonde "Send your Name to Pluto". Da eine mitgeführte DVD oder ein ROM Baustein mit Millionen von Namen aber wesentlich weniger wiegen, als Voyagers Platte, ist dies heute kein Thema mehr. Zudem fehlt die Bauanleitung für den DVD Spieler bei den heutigen Sonden.

Damit die Außerirdischen auch feststellen können, wann Voyager startete, gibt es eine 2 cm große Zone auf der Platte, die reines Uran-238 enthält. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von 4.51 Milliarden Jahren in Blei, so dass man aus dem bestimmten Verhältnis von Blei zu Uran bestimmen kann, wann die Sonde auf die Reise ging. Das geht etwa bis zu 4 Halbwertszeiten ganz gut, also bis in zirka 18 Milliarden Jahren. (Zum Vergleich: Das Universum ist nach den derzeitigen Erkenntnissen 13.73 Milliarden Jahre alt). Shirts mit der aufgedruckten Schallplatte waren der Hit als die Voyager 1977 startete. Die Platte muss mit 16²/₃ Umdrehungen pro Minute abgespielt werden. Eine Grammophonnadel zum Abspielen liegt ebenfalls bei. Die 30.48 cm große Platte aus Kupfer befindet sich in einer Hülle aus Aluminium, welche sie vor Mikrometeoriten schützen soll. Die gesamte Abspieldauer beträgt 90 Minuten.

Neben dieser Schallplatte gab es auch 6 andere Platten an Bord von Voyager. Die Aluminiumplatten jede 4 x 5 Zoll (10.8 x 12.7 cm) groß enthielten die Signaturen von 5400 am Voyager Projekt beteiligten Personen in miniaturisierter Form. Sie waren im Innern der Sonde untergebracht.

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

NSSC Informationen Voyager 1

NSSC Informationen Voyager 2

Voyager Atlas of Saturn NASA SP-474

Voyager Mission Description

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...

Voyagers Telecommunication Subsystem

Artikel verfasst 2001, letzte Änderung am 26.3.2023

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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