Während die ESA-Raumsonde Hera zur Planetenverteidigung ihre Flugtests durchläuft, wird auch das System, das sie um das anvisierte Doppelasteroidensystem steuern wird, seinen letzten Tests für die Eignung für den Weltraum unterzogen.
Validierung der Einsatzbereitschaft des Leit-, Navigations- und Kontrollsystems der Mission für Annäherungsoperationen in dieser anspruchsvollen Umgebung mit extrem niedriger Schwerkraft durch eine lange Reihe virtueller Manöver, die parallel in Spanien und Deutschland durchgeführt werden.
In der Zentrale des Guidance Navigation and Control (GNC)-Systementwicklers GMV in Madrid wird derzeit eine Nachbildung des Bordcomputers von Hera Annäherungsflügen um ein Asteroidenmodell unterzogen, das mit einer Kamera aufgenommen wurde, um ein Höchstmaß an Realismus zu erreichen, wobei andere Sensoren und Aktoren mithilfe angepasster „Check-out“-Ausrüstung emuliert werden.
Unterdessen finden auf dem Gelände des Raumfahrzeugherstellers OHB in Bremen Tests mit einer Hardware-Nachbildung des Raumfahrzeugs im Originalmaßstab, dem sogenannten Hera Avionics Test Bench, statt.
„Das System für Heras interplanetare Reisephase – die natürlich für die Startvorbereitung am wichtigsten ist – wird nun mithilfe des tatsächlichen Flugmodells des Raumfahrzeugs umfassend getestet“, erklärt ESA-GNC-Ingenieur Jesus Gil Fernandez.
„Diese Phase endet mit der Ankunft des Asteroiden. Dann werden Kamerabilder verwendet, um den Asteroiden von den Hintergrundsternen zu unterscheiden, indem seine allmähliche Bewegung auf aufeinanderfolgenden Bildern erkannt wird. Wir konzentrieren uns jetzt auf GNC für die anschließende Phase der Annäherungsoperationen. Dabei nähert sich die Raumsonde dem Asteroidenpaar zunächst bis auf 30 km und später noch viel näher, bis auf 1 km.“
Außerirdische Umgebung mit extrem geringer Schwerkraft
Nach ihrem Start im Oktober dieses Jahres steuert Hera auf eine ausgesprochen fremde Umgebung zu. Nach einer zweijährigen Reise durch den Weltraum, einschließlich eines Vorbeiflugs am Mars, der für wissenschaftliche Beobachtungen von Deimos genutzt wird, wird sich die Raumsonde mit dem Doppelasteroidensystem Didymos treffen: Der kleine Dimorphos-Mond, etwa so groß wie die Große Pyramide von Gizeh, umkreist den berggroßen Hauptkörper von Didymos etwa 1,2 km entfernt.
Das kombinierte Gravitationsfeld dieser beiden Asteroiden ist zehntausendmal schwächer als das der Erde.
Der exotische Charakter dieses Reiseziels wird noch dadurch verstärkt, dass Dimorphos bereits eine Änderung seiner Umlaufbahn um Didymos erfahren hat, nachdem die Raumsonde DART der NASA im September 2022 auf ihm einschlug. Und dieser Aufprall dürfte den Asteroiden auf dramatische Weise verändert haben.
Wie wird die Hera-Mission der ESA ihren Weg durch den Weltraum finden und dann um das Doppelasteroidensystem Didymos herum navigieren? Die Raumsonde wird sich in drei verschiedenen Modi selbst navigieren, abhängig von ihrer Entfernung zu den Asteroiden. Von weitem wird das Asteroidenpaar als ein heller Punkt unter vielen erscheinen, sich aber im Vergleich zu den unbewegten Hintergrundsternen allmählich bewegen. Der zweite Modus wird Hera aus einer Entfernung von 30 bis 8 km sehen und Didymos in seinem Sichtfeld zentrieren, indem er nach dem Kontrast zwischen dem Rand des annähernd kreisförmigen Asteroiden und der kalten Dunkelheit des Weltraums sucht. Wenn sich die Raumsonde nähert als etwa 8 km, wird Didymos ihr Sichtfeld ausfüllen. Hera wird also dazu übergehen, Oberflächenmerkmale wie Felsbrocken und Krater zu identifizieren und ihre Bewegung zu verfolgen, um die relative Position der Raumsonde selbst zu bestimmen. Bildnachweis: ESA-Science Office
Datenfusion zur Umweltkartierung
Um sicher in der Umgebung von Didymos agieren zu können, verfügt Hera über ein hohes Maß an Autonomie an Bord. Sein Leit-, Navigations- und Kontrollsystem (GNC) ist darauf ausgelegt, Daten aus verschiedenen Quellen zu fusionieren, um ein zusammenhängendes Bild seiner Umgebung zu erstellen, ähnlich wie selbstfahrende Autos.
„Die wichtigste Datenquelle wird die Asteroid Framing Camera sein, deren Bilder sowohl für wissenschaftliche Zwecke als auch für die Navigation verwendet werden“, fügt Jesus hinzu. „Diese Bilder werden mit anderen Daten kombiniert, um eine zuverlässige Schätzung der Position zu erhalten, insbesondere mit dem PALT-H-Laserhöhenmesser der Mission, der Laserimpulse auf die Oberfläche des Asteroiden sendet, sowie mit Trägheitssensoren. Dieses GNC-System ist zunächst für die manuelle Bedienung vom Boden aus konzipiert, aber sobald Heras CubeSats eingesetzt sind, wird eine autonome Navigation erforderlich sein, um die Kernziele der Mission zu erfüllen.“
Während der Annäherungsoperationen wird Hera Didymos als allgemeinen Bezugspunkt im Bild behalten und den Kontrast zwischen den Rändern des Asteroiden und dem ihn umgebenden tiefen Raum erfassen. Die erfasste Form wird mit einem vorhergesagten sphärischen Modell verglichen. Später, wenn die Raumsonde Didymos auf weniger als etwa 10 km und Dimorphos auf mehr als 2 km näher kommt, wird aufgrund der komplexen und unsicheren Form des kleineren Asteroiden eine Bildverarbeitungstechnik namens „Helligkeitszentrum“ verwendet, die sich auf die durchschnittliche Position sonnenbeleuchteter Pixel konzentriert.
Hyperbolische Bögen zur Positionsbeibehaltung
Die Schwerkraft der beiden Asteroiden ist zu gering, als dass die Raumsonde im herkömmlichen Sinn in die Umlaufbahn gelangen könnte. Stattdessen wird Hera (unter Verwendung einer Technik des ESA-Kometenjägers Rosetta) in „hyperbolischen Bögen“ fliegen – ähnlich einer Reihe abwechselnder Vorbeiflüge, die alle drei bis vier Tage durch regelmäßige Triebwerkszündungen umgekehrt werden. Bei einer normalen Mission würden derart viele wiederholte Geschwindigkeitsänderungen die Treibstofftanks bald erschöpfen, aber die Schwerkraft um Didymos ist so gering, dass Hera nur mit einer typischen Relativgeschwindigkeit von etwa 12 cm pro Sekunde fliegen wird.
„Heras hyperbolische Bögen sind so ausgelegt, dass die Raumsonde bei einem kleinen Fehler beim Zünden eines Triebwerks trotzdem einen sicheren Abstand zu den Asteroiden einhält“, fügt Jesus hinzu. „Die niedrigen Geschwindigkeiten bedeuten jedoch, dass die Bahnmanöver, die Hera sehr nahe an die Asteroiden bringen, sehr genau ausgeführt werden müssen, da sonst immer noch ein Kollisionsrisiko bestehen könnte. Daher verfügt das GNC über ein autonomes System zur Flugbahnkorrektur sowie ein autonomes System zur Abschätzung des Kollisionsrisikos, das bei Bedarf Kollisionsvermeidungsmanöver durchführen kann.“
Verfolgung von Oberflächenmerkmalen
Heras autonomes Fahren wird erst richtig zur Geltung kommen, wenn sich die Raumsonde später im Verlauf ihrer Mission den Asteroiden nähert, erklärt Jesus: „Sobald wir näher als 2 km kommen, wird Dimorphos das Sichtfeld der Kamera ausfüllen. Dann kommt der anspruchsvollste Navigationsmodus von allen, der auf der autonomen Verfolgung von Oberflächenmerkmalen ohne absolute Referenz basiert. Dabei geht es darum, dieselben Merkmale – wie Felsbrocken und Krater – in aufeinanderfolgenden Bildern abzubilden, um ein Gefühl für Heras Höhe und Flugbahn in Bezug auf die Oberfläche zu bekommen.“
Mithilfe der Merkmalsidentifizierung und -kartierung lässt sich auch die Masse von Dimorphos ermitteln, obwohl diese Methode vom Boden aus und nicht an Bord der Raumsonde durchgeführt wird.
Die Missionskontrolleure werden das „Wackeln“ messen, das der kleine Mond seinem Muttermond gegenüber verursacht, relativ zum gemeinsamen Schwerpunkt des gesamten Didymos-Systems. Dies wird erreicht, indem kleine Abweichungen im Metermaßstab in der Rotation fester Orientierungspunkte um diesen Schwerpunkt im Laufe der Zeit identifiziert werden.
Die GNC-Tests einiger Modi in dieser letzten Versuchsphase werden nach dem Start fortgesetzt, um das Raumschiff auf seine Ankunft in Didymos im Oktober 2026 vorzubereiten.