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Yinghuo-1

Über den chinesischen Subsatelliten Yinghuo ("Leuchtkäfer") 1 gibt es nur wenige Informationen. Im Jahr 2006 wurde er zur Nutzlast von Phjobos Grunt hinzugenommen. Dies führte zu umfangreichen Änderungen, da er die Triebwerke der darüberlegenden Stufe blockierte bis er ausgesetzt wird und führte schließlich zum finalen Design der MDU von Phobos Grunt, die gravierende Änderungen gegenüber der originalen Fregatoberstufe aufweist. (kein eigenes Steuersystem, mehr Treibstoff, Betriebsdauer von 1 Jahr anstatt wenigen Tagen).

Er wird von Phobos Grunt nach Erreichen des ersten Marsorbits ausgesetzt und verbleibt in dieser hochelliptischen Bahn von 800 bis 79.000 km Entfernung. Er soll dreiachsenstabilisiert sein und über eine 1 m große Parabolantenne mit der Erde kommunizieren.

Eine Betriebszeit von 1 Erdjahr im Orbit wird angestrebt. Es handelt sich um einen sehr einfachen Orbiter, der erst aktiv wird, wenn er von Phobos Grunt ausgesetzt wird. Für China ist er trotzdem ein großer Schritt, der auch riskant ist. So ist die Zuverlässigkeit von 0,65 über die Missionsdauer kein besonders guter Wert. Das bedeutet, es gibt eine 35%-Chance, dass er vor dem Ablauf dieser Frist ausfallen kann.

Als wissenschaftliche Ziele von Yinghuo-1 (meist als YH-1) abgekürzt) sind:

• Untersuchung der Magnetosphäre und der Ionosphäre

• Erforschung des Wasserverlustes der Marsatmosphäre

• Vergleichende Studien der erdähnlichen Planeten und wie die sich die Weltraumumgebung der erdähnlichen Planeten entwickelt hat.

Um diese Fragen zu klären, wird Folgendes untersucht:

• Die (Weltraum-)Umgebung des Mars, deren Charakteristika und die Plasmaverteilung

• Kopplung mit dem Sonnenwind und Energieverteilungsprozesse zwischen Marsionosphäre und Sonnenwind

• Über welchen Mechanismus verlassen Ionen den Mars?

• Untersuchung der Ionosphäre im Marsschatten.

Die Bahn von YH-1 ist für diese Zwecke gut geeignet, weil sie alle wichtigen Teile der Weltraumumgebung des Mars durchquert. So passiert die Sonde nacheinander den Bugschock, die Zone, in der Ionen im Magnetfeld gefangen werden und die Ionosphäre.

Die Marsmagnetosphäre und die Plasmaumgebung sind bis heute noch wenig erforscht. Die ersten US-Raumsonden suchten nach einem und konnten mit den damaligen Instrumenten keines nachweisen. Erst mit Phobos 2 gelang der Nachweis eines sehr geringen Magnetfelds. Ein Magnetfeld schützt einen Planeten vor dem Sonnenwind. Er wird von ihm umgelenkt und kann nur an den Polen bis zur Atmosphäre vordringen, was bei uns die Polarlichter verursacht. Über die Pole gelangen aber auch die Teilchen in die Strahlengürtel, wo sie eingefangen werden. Diese Mechanismen erwartet man nicht beim Mars. Trotzdem ergaben Untersuchungen von Mars Express, dass man um Mars Ionen aus dem Sonnenwind findet, aber auch Ionen, die von der Marsatmosphäre stammen. Dadurch ist die Umgebung des Mars wieder interessant geworden. So scheint es möglich, die Verlustrate der Marsatmosphäre auf diesem Wege zu bestimmen. Noch weitergehende Untersuchungen der Grenzschicht Atmosphäre/Weltraum sind auch wesentliche Ziele des nächsten amerikanischen Orbiters MAVEN.

Die Kamera, von den Wissenschaftlern „Optischer Monitor“ genannt, dient der Aufgabe globale Aufnahmen des Mars und des Marswetters anzufertigen. Das Gesichtsfeld entspricht dem Normalobjektiv einer Kamera. Aus 13.000 km Entfernung ist der Mars bildfüllend.

Das Plasmainstrument soll den Sonnenwind, die Interaktion mit der Marsionosphäre und die Menge der Ionen bestimmen, welche den Mars verlassen (O⁺, O₂⁺, CO₂⁺) und den Mechanismus der Aufheizung der Ionen und wie sie den Mars verlassen untersuchen. Es besteht aus zwei identischen Analysatoren für Ionen, einen Analysator für Elektronen und der gemeinsamen Elektronikbox für alle drei Detektoren.

Alle drei Analysatoren sind elektrostatische Analysatoren. Diese bestehen aus Eingangsplatten in Glockenform, die das Gesichtsfeld eingrenzen. Das dort angelegte elektrische Feld lässt nur Teilchen mit einem bestimmten Eintrittswinkel passieren. Im Inneren liegt an weiteren Metallplatten ein zweites Feld an, dass nur die Passage von Ionen mit einer bestimmten Energie erlaubt. Durch Variation der Spannung des ersten Feldes kann die Einfaltsrichtung kontrolliert werden, durch Variation der zweiten Spannung werden nur Teilchen mit einer vorgegebenen Mindestenergie passieren.

Die Ionen treffen dann auf einen Detektor, der auch ihre Geschwindigkeit misst. Dazu gibt es zwei Flächen mit angeschlossenen Detektoren. Ein Ion trifft auf die erste Fläche („START“) durchschlägt diese, produziert einen Impuls im Detektor und erzeugt eine Lawine von Elektronen. Danach trifft sie auf die zweite „STOP“ Fläche und erzeugt im Detektor einen neuen Impuls. Dasselbe passiert mit den Sekundärelektronen, die weitere Informationen über die Energie des Teilchens liefern.

Jeder Sensor kann Teilchen aus einer Hemisphäre erfassen, daher gibt es zwei Sensoren an gegenüberliegenden Wänden der Raumsonde.

Der Detektor legt nacheinander die 96 Eingangsspannungen an die innere Wand und dann acht Spannungen an die äußere Wand und misst dann alle 32,15 ms die eintreffenden Ionen und bestimmt die Anzahl in Gruppen bis 32 AU. Ein Zyklus über alle Energiebereiche und Sektoren dauert so 24 Sekunden.

Der Analysator für Elektronen ist ähnlich aufgebaut. Elektronen sollten sich vor allem in der Ebene der Ekliptik befinden. Daher gibt es nur einen Detektor, der zur Ekliptik ausgerichtet ist. Sein Gesichtsfeld ist daher auch kleiner. Bei Elektronen wird zudem nicht die Flugzeit gemessen. Es gibt nur einen Detektor, der die Elektronenzahl und Energie misst. Der Elektronendetektor durchläuft das gleiche Schrittprogramm, nur das es hier nur 32 Levels für die Energie (Spannungen innen) sind und daher eine Messung schon in 8 s fertig ist.

Das Fluxgate-Magnetometer misst das Magnetfeld des Mars. Es besteht aus zwei Sensoren, welche das Magnetfeld in allen drei Raumachsen bestimmen. Sie befinden sich beide auf einem Solarpanel, damit sie möglichst wenig durch magnetische und elektrische Felder gestört werden. Um diese weiter zu minimieren, sind die beiden Detektoren 45 cm voneinander entfernt. Das erlaubt es, durch Differenzmessung das eigene Magnetfeld der Raumsonde aus den Messungen herauszurechnen.

Das viertes Experiment ist der USO (ultrastabile Oszillator), der Bestandteil des Kommunikationssystems ist. Mit ihm soll das Marsgravitationsfeld untersucht werden. China hat für die VLBI-Messungen in den letzten Jahren ein eigenes Netzwerk aus großen Antennen aufgebaut, das durchaus beeindruckend ist:

Die maximale Distanz zwischen den Antennen beträgt 3249 km, die minimale 1115 km. Dies ist nicht so viel wie die ESA oder NASA mit ihren Antennen auf drei Kontinenten erreichen. Doch immerhin kann mit diesem Netzwerk die Position von YingHuo auf einen Kilometer genau bestimmt werden. Das Netzwerk wurde von China mit der Mondsonde Chang E'-1 erprobt. Eine Herausforderung ist, dass China keinen Sender hat, der leistungsfähig genug wäre, damit YH-1 sein Signal aufnehmen und erneut abstrahlen kann. Damit ist nur eine einfache Dopplermessung möglich. YH-1 soll daher nur ein stabiles Trägersignal aussenden. Dafür hat er den USO an Bord, der ein Trägersignal mit einer Frequenz aussendet, die möglichst konstant ist.

 

USO
Sendefrequenz:	8,4 GHz
Frequenzstabilität:	kurzzeitige Abweichungen 10-12 der Frequenz, langfristige 10-11 der Frequenz.

Der Satelliten-Satelliten Radioempfänger bildet zusammen mit dem entsprechenden Sender an Bord von Phobos Grunt ein Experiment. Phobos Grunt sendet mit einem Sender mit 6 Watt Sendeleistung Radiowellen aus. Yinghuo misst die Abschwächung der Signale durch Ionen, wenn die Marsatmosphäre sich zwischen den beiden Raumsonden befindet. Diese Bedeckungsexperimente liefern so Daten über die Ionosphäre zwischen 50 und 300 km Höhe.

Das VLBI-Netzwerk dient primär diesen Messungen. Die Messdaten von Yinghuo-1 werden vor allem durch die russische 64-m-Antenne in Kalieyakin empfangen. Als zweite Option werden Deep Space Antennen der ESA genannt und dann erst folgen chinesische Anlagen. Für den Uplink, also das Senden von Kommandos, ist China bis 2012 sogar ganz auf Russland und die ESA angewiesen. Dann soll eine Antenne in Ostchina mit einer 64 m großen „Schüssel“ fertiggestellt sein.

Mit dem Fehlstart von Phobos Grunt am 8.11.2011 wird aus dieser anspruchsvollen Mission nun nichts mehr werden.

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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