Voyager Weltraumsonde

Voyager Weltraumsonde

Author D.Selzer-McKenzie

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Voyager 2 ist eine Raumsonde der NASA zur Erforschung des äußeren Planetensystems im Rahmen des Voyager-Programms. Sie wurde am 20. August 1977 vom Launch Complex 41 auf Cape Canaveral mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. Ihre identisch aufgebaute Schwestersonde Voyager 1 startete 16 Tage später auf einer anderen Flugbahn.

 

Die Mission von Voyager 2 gilt als einer der größten Erfolge der NASA und der Raumfahrt allgemein, da die Sonde ihre geplante Lebenserwartung weit übertroffen hat und noch heute regelmäßig Daten zur Erde sendet.[1] Außerdem ist sie das (nach ihrer Schwestersonde und Pioneer 10) am drittweitesten von der Erde entfernte von Menschen gebaute Objekt. Am 9. Januar 2016 ist Voyager 2 ca. 110,05 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt, das sind etwa 16,46 Milliarden Kilometer.[2]

 

 

Die Wurzeln des Voyager-Programms reichen bis in die Mitte der 1960er Jahre zurück. Es gab Berechnungen für Flugbahnen für Sonden, die die günstigen Stellungen der äußeren Planeten Ende der 1970er ausnutzen könnten. Anfang der 1970er Jahre wurde der Bau der Voyager 1 und 2 beschlossen. Da sie erst als Erweiterung der Mariner-Serie geplant waren, wurden sie erst als „Mariner 11“ und 12 bezeichnet. Diese Bezeichnung wurde später aufgrund der großen strukturellen Unterschiede der Sonden fallengelassen. Bis zum März 1975 war die Konzeptphase abgeschlossen, und der Bau der Sonden begann.

Missionsziele

Modell der Voyager-Sonde

 

Die Voyager-Sonden hatten keinen besonderen Forschungsschwerpunkt, da es im Vorfeld erst wenige Erkenntnisse über die äußeren Planeten gab, die hätten ausgebaut werden können. Daher sind die Missionsziele relativ weit gefasst:

 

    Untersuchung der Atmosphäre von Jupiter und Saturn im Hinblick auf Zirkulation, Struktur und Zusammensetzung

    Analyse der Geomorphologie, Geologie und Zusammensetzung der Monde

    Genauere Bestimmung der Masse, Größe und Form aller Planeten, Monde und Ringe

    Untersuchung diverser Magnetfelder im Hinblick auf ihre Feldstruktur

    Analyse der Zusammensetzung und Verteilung von geladenen Teilchen und Plasma

    Besonders genaue Untersuchungen der Monde Io und Titan

 

Die Sonde und ihre wissenschaftlichen Instrumente

→ Hauptartikel: Voyager-Sonden

Aufbau einer Voyager-Sonde

 

Voyager 2 ist eine mehrere Meter große und ca. 800 kg schwere Raumsonde. Sie besteht im Wesentlichen aus einer zentralen, ringförmigen Aluminium-Zelle (Durchmesser ca. 1,80 m), die im Querschnitt zehneckig ist und einen Großteil der Elektronik beherbergt, einer Parabolantenne (Durchmesser ca. 3,6 m) und einem 2,5 m langen Ausleger, der den Großteil der wissenschaftlichen Instrumente trägt. Die Energie wird von drei Radionuklidbatterien erzeugt. Voyager 2 und Voyager 1 sind baugleich.

Ablauf der Mission

Flugbahn der Voyager-Sonden

Start und Flug

Start von Voyager 2

 

Voyager 2 wurde am 20. August 1977 vom Startkomplex 41 der Cape Canaveral AFS mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. 16 Tage später startete auch ihre Schwestersonde Voyager 1, mit einer leicht unterschiedlichen Flugbahn. Da Voyager 1 eine etwas höhere Startgeschwindigkeit aufwies (15,0 km/s gegenüber 14,5 km/s), wurde Voyager 2 am 15. Dezember in einer Entfernung von 1,75 AE von ihrer Schwestersonde überholt.

 

Die Flugzeit bis zum Jupiter betrug etwa 20 Monate.

Technische Probleme

 

Einige Monate nach dem Start stellte man fest, dass sich die Sensorplattform von Voyager 2 nicht ausfahren ließ. Nach vielen Versuchen gelang dies doch. Bei der Analyse des Fehlers spielte die Tatsache eine Rolle, dass man nach dem Start 207 Tage lang nicht mehr mit der Sonde kommuniziert hatte. Die Ursache dafür war wiederum eine Überlastung des Bodenteams, da zur gleichen Zeit das Galileo-Projekt vorbereitet wurde, wodurch viele Ressourcen aus dem Voyager-Programm abgezogen wurden. Das CCS der Sonde hatte die ausbleibenden Signale als Fehlfunktion des Primärsenders interpretiert und am 2. April 1978 auf den Reservesender umgeschaltet. Bei diesem war allerdings ein Bauteil zur automatischen Anpassung der Sende- und Empfangsfrequenz defekt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Erde und Raumsonde schwankte, je nachdem wo sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne gerade befand, was zu einem Dopplereffekt führte. Da das defekte Bauteil die Frequenzverschiebungen nicht mehr kompensierte, brach die Funkverbindung sehr häufig ab. Man sendete also am 6. April einen Befehl, der den Primärsender wieder aktivierte. Dieser war aber mittlerweile vollständig ausgefallen und so musste man den teildefekten Reservesender wieder in Betrieb nehmen. Man löste das Problem des Dopplereffektes, indem man ihn vorausberechnete und die Übertragungsfrequenz dann manuell einstellte. Da Voyagers Empfänger nur eine Bandbreite von 96 Hz aufwies, konnten geringste Abweichungen in der Frequenzerzeugung zu einem Verbindungsabbruch führen. Schon eine Erwärmung der Sonde von 0,25 K konnte eine kritische Abweichung hervorrufen, weswegen der Temperaturkontrolle noch höhere Priorität beigemessen wurde.

 

Am 23. Februar 1978 stellte man während eines Tests der Scanplattform fest, dass ein Zahnrad klemmte und eine korrekte Ausrichtung verhinderte. Während der folgenden drei Monate kam man zu dem Schluss, dass sich ein weicher Fremdkörper, wahrscheinlich ein Stück Isolationsfolie, zwischen den Zahnrädern befand. Durch mehrmaliges Aktivieren der Elektromotoren konnte dieser schließlich zerrieben und die Scanplattform wieder einsatzfähig gemacht werden.

Jupiter

 

Als Voyager 2 am 25. April 1979 im Jupitersystem ankam, löste sie ihre Schwestersonde Voyager 1 bei der Erkundung des Planeten beinahe nahtlos ab. Die Flugbahn von Voyager 2 war so gewählt, dass sie einige Monde von jener Seite untersuchen konnte, welche Voyager 1 verborgen geblieben war. Auch die neu entdeckten Ringe und die Nachtseite von Jupiter sollten genauer untersucht werden. Erkundet wurden die Monde Amalthea, Io, Europa, Kallisto und Ganymed, alle noch vor der Jupiterpassage. Dabei konnten auch Messungen mittels des PPS-Instruments durchgeführt werden, das bei Voyager 1 ausgefallen war. Während der zweitägigen Primärphase in der Nähe der Monde und beim Jupiter erhielt die Sonde durchgängig Unterstützung durch die 64-m-Antennen des Deep Space Networks, wodurch die maximale Datenrate von 115 kbit/s erreicht werden konnte. Am 9. Juli kam die Sonde Jupiter mit rund 570.000 km am nähesten.[3] Als Voyager 2 am 5. August das Jupitersystem verließ, hatte sie 13.350 Bilder zur Erde gesendet und den Planeten in einer Distanz von 643.000 km passiert. Durch das Swing-by-Manöver wurde die Sonde auf 16 km/s beschleunigt und befand sich nun auf dem Kurs zu Saturn.

 

    Jupiter in Echtfarben

 

    Detailaufnahme von Jupiter

 

    Jupiters Ringe in Falschfarben

 

    Ein Vulkanausbruch auf Io

 

    Der Mond Kallisto

 

    Der Mond Ganymed

 

    Nahaufnahme von Europa

 

Saturn

 

Die Erkundung von Saturn zeigte die sehr hohen Windgeschwindigkeiten des Saturn, insbesondere in Äquatornähe, wo Voyager 2 Geschwindigkeiten von bis zu 500 Meter pro Sekunde messen konnte. Diese wehen hauptsächlich in östlicher Richtung, werden mit zunehmenden Breitengraden langsamer und ab 35° Nord/Süd dreht die Richtung auf West. Voyager 2 konnte auch eine sehr starke Symmetrie der Windverhältnisse zwischen dem nördlichen und südlichen Teil Saturns feststellen, was einige Wissenschaftler als Hinweis auf Strömungen durch das Planeteninnere werteten.

 

Die Sonde konnte aufgrund ihrer Flugbahn auch die obere Atmosphäre des Planeten mittels des RSS-Instruments untersuchen. An der Oberfläche wurde eine minimale Temperatur von 82 K (−191 °C) bei einem Druck von 70 mBar gemessen. Bei der größtmöglich messbaren Tiefe herrschte eine Temperatur von 143 K (−130 °C) bei einem Druck von 1200 Millibar. Es wurden auch Polarlicht-ähnliche Phänomene nördlich des 65. Breitengrades entdeckt und im UV-Bereich in den mittleren Breitengraden. Letzteres tritt nur bei Sonneneinstrahlung auf und gibt immer noch Rätsel auf, da die geladenen Teilchen der Sonne zumindest auf der Erde nur in den Polarregionen auftreten und nicht in mittleren Breitengraden.