Was ist schwieriger, als einen einzelnen Satelliten in der Erdumlaufbahn zu fliegen? Fliegen zu zweit – direkt nebeneinander, in einer Nähe, die normalerweise Kollisionsvermeidungsmanöver auslösen würde.
Dies ist der Plan für die Doppelsatellitenmission Proba-3 der ESA, die am Mittwoch, dem 4. Dezember, in Indien starten wird. Beim aktiven Formationsflug halten die beiden ihre Position in einem Abstand von etwa 150 Metern zueinander, und zwar mit einer Präzision, die der Dicke eines durchschnittlichen Fingernagels entspricht. Wie werden sie es also schaffen?
Präzise Darstellung des Erfolgs im Formationsflug
„Die ESA hat schon früher Formationsflugmissionen geflogen, aber die Distanzen, die damit verbunden waren, wurden im zweistelligen Kilometerbereich oder mehr gemessen“, erklärt Damien Galano, Proba-3-Missionsmanager. „Proba-3 ist etwas ganz anderes, weil unsere Satelliten im aktiven Formationsflug nur eineinhalb Fußballfelder voneinander entfernt fliegen werden und ihre relativen Positionen sechs Stunden lang auf den Millimeter genau beibehalten werden.“
„Und wir werden unseren Erfolg nicht nur mit Telemetrie unter Beweis stellen, sondern durch etwas, das jeder instinktiv interpretieren kann. Indem wir uns an der Sonne ausrichten, wirft ein Raumschiff einen präzise kontrollierten Schatten auf ein anderes, um die strahlende Scheibe der Sonne vollständig zu bedecken, sodass …“ Die millionenfach schwächere Sonnenkorona wird für eine dauerhafte Beobachtung sichtbar. Das wird entweder funktionieren oder nicht: Das ist die Herausforderung, die wir uns gestellt haben.
Hohe Umlaufbahn für den Missionserfolg
Der Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung besteht darin, ein Umfeld zu wählen, in dem Erfolg machbar ist. Eine normale niedrige Erdumlaufbahn wurde aufgrund aller Einflüsse, die sich auf das Paar auswirken würden, schnell ausgeschlossen: die stärkere Anziehungskraft der Schwerkraft plus Störungen aufgrund der unvollkommenen Form der Erde und des Luftwiderstands an der Spitze ihrer Atmosphäre sowie des reflektierten Lichts der Erde.
„Frühe Simulationen zeigten, dass wir so viele Positionierungsanpassungen an unseren Triebwerken vornehmen müssten, dass unser Treibstoff schnell erschöpft wäre; die Mission wäre in etwa einer halben Stunde beendet gewesen!“ erinnert sich Frederic Teston von der ESA, der die Proba-Missionsfamilie beaufsichtigt hat. Stattdessen musste das Paar dorthin gehen, wo die Störungen minimal sind und die Anziehungskraft der Schwerkraft viel geringer ist – was bedeutet, dass weniger Treibstoff benötigt wird, um die Position zu ändern.
Ein idealer Standort wäre in der Nähe eines der Sonne-Erde-Lagrange-Punkte gewesen, die unseren Planeten umgeben, wo die Gravitationsfelder aufgehoben werden, aber es wäre zu kostspielig gewesen, sie mit einer solchen Budgetmission zu erreichen. Stattdessen wurde eine stark elliptische – oder längliche – Umlaufbahn gewählt, die in einer Höhe von 600 km beginnt und während jeder Umlaufbahn von 19 Stunden und 36 Minuten bis zu 60.500 km erreicht.
Stellen Sie es sich wie eine Achterbahnschleife vor: Am unteren Ende der Umlaufbahn bewegen sich die Raumsonden viel schneller, verlangsamen sich jedoch, je höher sie steigen, von 10 km/s auf 1 km/s – und verbringen aufgrund dieser verringerten Geschwindigkeit mehr Zeit am „Apogäum“ der Umlaufbahn als am Boden. Im unteren Teil der Umlaufbahn fliegen die beiden frei auf sicheren Bahnen – sind jedoch bereit zu reagieren, wenn die Gefahr einer Kollision besteht. Wenn sie sich dann dem Apogäum nähern, wird ihnen das Signal gegeben, mit der aktiven Formation zu beginnen, was etwa zwei Stunden dauert.
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Fahrerloses Raumschiff
Eine menschliche Aufsicht über den Formationsflug von Proba-3 wäre unpraktisch, nicht zuletzt wegen der Entfernungen, die damit verbunden sind – jedes Funksignal würde eine Fünftelsekunde brauchen, um die Spitze ihrer Umlaufbahn zu erreichen, eine unangenehm lange Pause, wenn es um Umlaufgeschwindigkeiten geht.
Stattdessen richtet sich das Satellitenpaar völlig autonom nach der Sonne aus, ähnlich wie fahrerlose Autos auf der Erde. Einem vergleichbaren Ansatz folgend reicht kein einzelnes Positionierungssystem allein aus, um die erforderliche Präzision zu erreichen. Stattdessen kombiniert die Mission eine Reihe absoluter und relativer Positionierungstechnologien, die von GPS-Empfängern und Funkverbindungen über optische Kameras und LEDs bis hin zu einer Laserverbindung und schließlich Schattenpositionssensoren reichen.
Reihenfolge der Positionierungsaktionen
Zunächst zeichnen Startracker – computerverbundene Kameras, die die Konstellationen um sie herum erkennen – die „Lage“ jedes Raumfahrzeugs oder die aktuelle Ausrichtungsrichtung im Weltraum auf. Für den unteren Teil ihrer Umlaufbahn berechnen Navigationsempfänger an Bord beider Raumsonden relative Positionen mit einem hohen Maß an Genauigkeit, obwohl GPS-Signale operativ nur unterhalb der 20.200 km Höhe der GPS-Satellitenkonstellation verwendet werden. Das Proba-3-Paar tauscht außerdem kontinuierlich Entfernungsinformationen und andere Daten über Funkverbindungen zwischen Satelliten aus.
Um einen aktiven Formationsflug zu erreichen, ist mehr erforderlich, beginnend mit dem visionbasierten Sensorsystem von Proba-3. Eine Weitwinkelkamera wird verwendet, um ein LED-Muster auf dem anderen Satelliten zu verfolgen und relativ grobe „erste Einblicke“-Informationen über die Entfernung der Satelliten voneinander sowie ergänzende Informationen über ihre Fluglage zu liefern. Ergänzt wird dies durch eine Schmalwinkelkamera, die ein zweites, viel kleineres LED-Muster erfasst und so relative Positionsinformationen im Maßstab von etwa einem Zentimeter liefert.
Testen des visionbasierten Sensorsystems von Proba-3, hier im Infrarotbild abgebildet, um die Lichter in Gelb anzuzeigen. Eine Weitwinkelkamera wird verwendet, um ein LED-Muster auf dem anderen Satelliten zu verfolgen und relativ grobe Informationen über den Abstand der Satelliten voneinander sowie zusätzliche Informationen über ihre Fluglage zu liefern. Ergänzt wird dies durch eine Schmalwinkelkamera, die ein zweites, viel kleineres LED-Muster erfasst und so relative Positionsinformationen im Maßstab von etwa einem Zentimeter liefert. Bildnachweis: ESA–J. Versluys
Dies allein reicht jedoch nicht aus. Eine noch feinere Positionierung erfolgt über den Fine Lateral and Longitudinal Sensor (FLLS) auf der Raumsonde „Occulter“ von Proba-3. Dadurch wird ein Laser auf einen Eckwürfel-Retroreflektor auf der Vorderseite des „Coronagraph“-Raumschiffs gerichtet, der wiederum zum Occulter zurückreflektiert wird. Dieses FLLS ermöglicht eine relative Positionierung bis auf den Millimeter genau.
Um schließlich eine stabile Ausrichtung zu gewährleisten, sorgt ein Schattenpositionierungssensorsystem – basierend auf Fotodetektoren, die um die Aperturlinse des Coronagraph-Teleskops mit 5 cm Durchmesser angeordnet sind – dafür, dass der etwa 8 cm große Schatten des Occulter auf allen Seiten korrekt geworfen wird. Jede Abweichung löst eine Korrektur aus.
Um sie so stabil wie möglich zu halten, verfügen die beiden Raumschiffe außer einem rotierenden Filterrad an Bord des Coronagraph über keinerlei bewegliche Teile.
Flugführer und Wingman
Zum Manövrieren verwendet die Mission einen Flugführer- und Wingman-Ansatz. Die Raumsonde Coronagraph ist der Meister, ausgestattet mit einem Hydrazin-basierten Antriebssystem im Newton-Maßstab, mit dem sie die Formation durchbricht und annimmt und gleichzeitig eine sichere „Perigäum“-Formation gewährleistet. Der Occulter folgt dem Beispiel des Coronagraphen, indem er ein 10-Millinewton-Kaltgas-Triebwerk einsetzt, das kleine Stickstoffstöße ausstößt, die Bruchteilen eines einzelnen menschlichen Atemzugs ähneln.
„Während der aktiven Formationsflugphase geben die Kaltgastriebwerke alle 10 Sekunden kleine Impulse ab“, erklärt Proba-3-Systemingenieur Raphael Rougeot.
„Die verbleibenden Störungen, mit denen wir zu kämpfen haben, sind der Sonnenstrahlungsdruck – der kleine, aber stetige Druck des Sonnenlichts selbst – und der kleine Unterschied in der Schwerkraft, der dadurch entsteht, dass sich das Paar nicht am selben Punkt befindet. Diese betragen einige Millimeter pro Sekunde.“ In der Praxis reagieren wir etwas empfindlicher auf seitliche Verschiebungen als auf seitliche Verschiebungen nach vorne oder hinten. Um eine Vorstellung zu geben: Wenn der Mond ein paar Kilometer näher oder weiter von der Erde entfernt ist, ändert das nicht viel an einer Sonnenfinsternis, aber wenn es bewegt sich seitwärts eine ähnliche Menge, dann würde man mehr Sonnenlicht sehen!“
Fallen Sie zurück zur Erde
Nach sechs Stunden werden die beiden Raumschiffe aus ihrer aktiven Formation entlassen, um auf parallelen, aber sicheren Umlaufbahnen in Richtung Erde zurückzufallen – allerdings würde automatisch ein Kollisionsvermeidungsmanöver ausgelöst, wenn ein Raumschiff zu nahe an das andere herandriftet oder eines defekt wäre .
Um einen solchen Fall zu vermeiden, verfügen beide Raumsonden über vollständig redundante Systeme und ihre Rechenlasten werden auf beide Plattformen verteilt, um jegliches Risiko einer Verlangsamung zu vermeiden – so führt beispielsweise die Raumsonde Coronagraph die anspruchsvollen Koronarbeobachtungen durch, während der Occulter die entsprechende Aufgabe übernimmt GPS-Berechnungen, die dazu beitragen, die Sicherheit des Raumfahrzeugs rund um das Perigäum zu gewährleisten, sowie die Manöver zum Einrichten und Unterbrechen einer aktiven Formation.
Bei Proba-3 handelt es sich in erster Linie um eine Technologie-Demonstrationsmission, bei der koronale Beobachtungen nur in einer Formationsart durchgeführt werden, die es fliegen wird, zusammen mit der Größenänderung seiner Grundlinienlänge, der Neuausrichtung seiner Ausrichtung und einem engen Rendezvous.
Letztendlich dürfte der limitierende Faktor für die Mission der Treibstoff sein, mit einer voraussichtlichen Lebensdauer von zwei Jahren. Das niedrige Perigäum der beiden Raumsonden von 600 km bedeutet, dass sie voraussichtlich knapp fünf Jahre später in der Atmosphäre verglühen werden.