Weltraum 1 -Deep Space 1

Weltraum 1
Deep Space 1 sauber (PIA04242).png
Künstlerkonzept von Deep Space 1
Missionstyp Technologiedemonstrator
Operator NASA  / JPL
COSPAR-ID 1998-061A
SATCAT- Nr. 25508
Webseite http://www.jpl.nasa.gov/missions/deep-space-1-ds1/
Missionsdauer Finale: 3 Jahre, 1 Monat, 24 Tage
Eigenschaften von Raumfahrzeugen
Hersteller Orbital Sciences Corporation
Startmasse 486 kg (1.071 lb)
Trockenmasse 373 kg (822 lb)
Maße 2,1 × 11,8 × 2,5 m (6,9 × 38,6 × 8,2 Fuß)
Leistung 2.500 Watt
Missionsbeginn
Erscheinungsdatum 24. Oktober 1998, 12:08  UTC ( 1998-10-24UTC12:08 )
Rakete Delta II 7326
Startplatz Cape Canaveral SLC-17A
Ende der Mission
Entsorgung Stillgelegt
Deaktiviert 18. Dezember 2001, 20:00  UTC ( 2001-12-18UTC21 )
Vorbeiflug von 9969 Braille
Nächster Ansatz 29. Juli 1999, 04:46 UTC
Distanz 26 km
Vorbeiflug von 19P/Borrelly
Nächster Ansatz 22. September 2001, 22:29:33 UTC
Distanz 2.171 km (1.349 Meilen)
Deep Space 1 - ds1logo.png
DS1-Missionslogo  

Deep Space 1 ( DS1 ) war ein NASA - Technologie Demonstration Raumschiff , die von einer flog Asteroiden und Kometen . Es war Teil des New Millennium Program , das sich der Erprobung fortschrittlicher Technologien widmete.

Die am 24. Oktober 1998 gestartete Raumsonde Deep Space 1 führte einen Vorbeiflug am Asteroiden 9969 Braille durch , der ihr primäres wissenschaftliches Ziel war. Die Mission wurde zweimal um eine Begegnung mit dem Kometen 19P/Borrelly und weitere technische Tests erweitert. Probleme in der Anfangsphase und mit seinem Startracker führten zu wiederholten Änderungen in der Missionskonfiguration. Während der Vorbeiflug des Asteroiden nur ein Teilerfolg war, brachte die Begegnung mit dem Kometen wertvolle Informationen. Drei von zwölf Technologien an Bord mussten innerhalb weniger Minuten nach der Trennung von der Trägerrakete funktionieren, damit die Mission fortgesetzt werden konnte.

Die Deep Space-Serie wurde durch die Deep Space 2- Sonden fortgesetzt , die im Januar 1999 huckepack auf dem Mars Polar Lander gestartet wurden und die Marsoberfläche treffen sollten (obwohl der Kontakt verloren ging und die Mission fehlschlug). Deep Space 1 war die erste NASA-Raumsonde, die anstelle der herkömmlichen chemisch angetriebenen Raketen einen Ionenantrieb verwendete.

Technologien

Der Zweck von Deep Space 1 war die Technologieentwicklung und -validierung für zukünftige Missionen; 12 Technologien wurden getestet:

  1. Solarelektrischer Antrieb
  2. Solarkonzentrator-Arrays
  3. Multifunktionale Struktur
  4. Integrierte Miniaturkamera und Bildgebungsspektrometer
  5. Ionen- und Elektronenspektrometer
  6. Kleiner Weltraumtransponder
  7. Ka-Band Halbleiter-Leistungsverstärker
  8. Beacon-Monitor-Operationen
  9. Autonomer Remote-Agent
  10. Low-Power-Elektronik
  11. Leistungsaktuierungs- und Schaltmodul
  12. Autonome Navigation

Autonav

Das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelte Autonav-System nimmt Bilder von bekannten hellen Asteroiden auf . Die Asteroiden im inneren Sonnensystem bewegen sich im Verhältnis zu anderen Körpern mit einer spürbaren, vorhersehbaren Geschwindigkeit. So kann ein Raumfahrzeug seine relative Position bestimmen, indem es solche Asteroiden über den Sternenhintergrund verfolgt, der über solche Zeitskalen fest erscheint. Zwei oder mehr Asteroiden lassen die Raumsonde ihre Position triangulieren; zwei oder mehr Positionen in der Zeit lassen das Raumfahrzeug seine Flugbahn bestimmen. Bestehende Raumfahrzeuge werden durch ihre Interaktionen mit den Sendern des NASA Deep Space Network (DSN) verfolgt, praktisch ein inverses GPS . Die DSN-Verfolgung erfordert jedoch viele erfahrene Operatoren, und der DSN wird durch seine Verwendung als Kommunikationsnetzwerk überlastet. Die Verwendung von Autonav reduziert die Missionskosten und die DSN-Anforderungen.

Das Autonav-System kann auch umgekehrt verwendet werden, um die Position von Körpern relativ zum Raumfahrzeug zu verfolgen. Dies wird verwendet, um Ziele für die wissenschaftlichen Instrumente zu erfassen. Das Raumfahrzeug ist mit der groben Position des Ziels programmiert. Nach der ersten Erfassung hält Autonav das Motiv im Bild und übernimmt sogar die Lagekontrolle des Raumfahrzeugs. Das nächste Raumschiff, das Autonav einsetzte, war Deep Impact .

SCARLET konzentrierende Solaranlage

Primärenergie für die Mission wurde von einer neuen Solar-Array-Technologie erzeugt, dem Solar Concentrator Array with Refractive Linear Element Technology (SCARLET), das lineare Fresnel-Linsen aus Silikon verwendet , um Sonnenlicht auf Solarzellen zu konzentrieren. ABLE Engineering entwickelte die Konzentratortechnologie und baute die Solaranlage für DS1 zusammen mit Entech Inc., die die Fresnel-Optik lieferte, und dem NASA Glenn Research Center . Die Aktivität wurde von der Ballistic Missile Defense Organization gesponsert. Die Konzentrationslinsentechnologie wurde mit Dual-Junction-Solarzellen kombiniert, die eine deutlich bessere Leistung aufwiesen als die zum Zeitpunkt des Missionsstarts Stand der Technik waren GaAs- Solarzellen.

Die SCARLET-Arrays erzeugten 2,5 Kilowatt bei 1 AU bei geringerer Größe und geringerem Gewicht als herkömmliche Arrays.

NSTAR-Ionen-Engine

Obwohl bei der NASA seit den späten 1950er Jahren Ionentriebwerke entwickelt wurden, mit Ausnahme der SERT- Missionen in den 1960er Jahren, war die Technologie nicht im Flug auf US-Raumschiffen demonstriert worden, obwohl Hunderte von Hall-Effekt-Triebwerken auf sowjetischen und Russisches Raumschiff. Dieses Fehlen einer Leistungshistorie im Weltraum führte dazu, dass die Technologie trotz der potenziellen Einsparungen bei der Treibmittelmasse als zu experimentell galt, um für kostenintensive Missionen eingesetzt zu werden. Darüber hinaus können unvorhergesehene Nebenwirkungen des Ionenantriebs in gewisser Weise typische wissenschaftliche Experimente wie Feld- und Partikelmessungen stören. Daher war es eine Hauptmission der Deep Space 1- Demonstration, den Langzeiteinsatz eines Ionentriebwerks bei einer wissenschaftlichen Mission zu zeigen.

Das bei NASA Glenn entwickelte elektrostatische Ionentriebwerk der NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) erreicht einen spezifischen Impuls von 1000–3000 Sekunden. Dies ist eine Größenordnung höher als bei herkömmlichen Raumfahrtantriebsmethoden, was zu einer Masseneinsparung von etwa der Hälfte führt. Dies führt zu viel billigeren Trägerraketen. Obwohl das Triebwerk bei maximaler Leistung (2.100 W bei DS1) nur 92 Millinewton (0,33  oz f ) Schub erzeugt, erreichte das Schiff hohe Geschwindigkeiten, da Ionentriebwerke über lange Zeiträume kontinuierlich schubsten.

Das nächste Raumschiff, das NSTAR-Triebwerke verwendet, war Dawn mit drei redundanten Einheiten.

Techniker installieren den Ionenmotor Nr. 1 im Hochvakuumtank im Forschungsgebäude für elektrische Antriebe, 1959
Der fertig montierte Deep Space 1
Deep Space 1 experimenteller solarbetriebener Ionenantrieb

Remote-Agent

Remote Agent (RAX), eine intelligente Fernreparatursoftware, die am Ames Research Center der NASA und dem Jet Propulsion Laboratory entwickelt wurde, war das erste Kontrollsystem künstlicher Intelligenz, das ein Raumfahrzeug ohne menschliche Aufsicht steuerte. Remote Agent demonstrierte erfolgreich die Fähigkeit, Onboard-Aktivitäten zu planen und simulierte Fehler in Raumfahrzeugkomponenten durch seine integrierte REPL-Umgebung korrekt zu diagnostizieren und darauf zu reagieren. Die autonome Steuerung wird es zukünftigen Raumfahrzeugen ermöglichen, in größeren Entfernungen von der Erde zu operieren und anspruchsvollere wissenschaftliche Aktivitäten im Weltraum durchzuführen. Komponenten der Remote Agent-Software wurden verwendet, um andere NASA-Missionen zu unterstützen. Wesentliche Komponenten von Remote Agent waren ein robuster Planer (EUROPA), ein Plan-Execution-System (EXEC) und ein modellbasiertes Diagnosesystem (Livingstone). EUROPA wurde als bodengestützter Planer für die Mars Exploration Rovers eingesetzt . EUROPA II wurde zur Unterstützung des Mars-Landers Phoenix und des Mars Science Laboratory eingesetzt . Livingstone2 wurde als Experiment an Bord von Earth Observing-1 und auf einer F/A-18 Hornet im Dryden Flight Research Center der NASA geflogen .

Beacon-Monitor

Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung der DSN-Belastung ist das Beacon-Monitor- Experiment. Während der langen Reisezeiträume der Mission wird der Raumfahrzeugbetrieb im Wesentlichen ausgesetzt. Anstelle von Daten sendet das Fahrzeug ein Trägersignal auf einer vorbestimmten Frequenz aus. Ohne Datendecodierung kann der Träger von viel einfacheren Bodenantennen und Empfängern erkannt werden. Wenn das Raumfahrzeug eine Anomalie erkennt, wechselt es den Träger je nach Dringlichkeit zwischen vier Tönen. Bodenempfänger signalisieren dann den Betreibern, DSN-Ressourcen umzuleiten. Dies verhindert, dass qualifizierte Bediener und teure Hardware eine unbelastete Mission, die nominell arbeitet, babysitten. Ein ähnliches System wurde auf der Pluto-Sonde New Horizons verwendet , um die Kosten während ihrer zehnjährigen Reise vom Jupiter zum Pluto niedrig zu halten.

SDST

Ein kleiner Deep-Space-Transponder

Der Small Deep Space Transponder (SDST) ist ein kompaktes und leichtes Funkkommunikationssystem. Abgesehen von miniaturisierten Komponenten verwenden, ist die SDSt Lage , die Kommunikation über den K ein Band . Da dieses Band eine höhere Frequenz aufweist als die derzeit von Weltraummissionen verwendeten Bänder, kann die gleiche Datenmenge von kleineren Geräten im Weltraum und am Boden gesendet werden. Umgekehrt können vorhandene DSN-Antennen die Zeit auf mehrere Missionen aufteilen. Zum Zeitpunkt des Starts hatte das DSN eine kleine Anzahl von K a -Empfängern versuchsweise installiert; K a - Operationen und -Missionen steigen.

Das SDST wurde später bei anderen Weltraummissionen wie dem Mars Science Laboratory (dem Mars-Rover Curiosity ) eingesetzt.

PEPE

Am Ziel angekommen, erfasst DS1 die Partikelumgebung mit dem PEPE-Instrument (Plasma Experiment for Planetary Exploration). Dieses Instrument maß den Fluss von Ionen und Elektronen als Funktion ihrer Energie und Richtung. Die Zusammensetzung der Ionen wurde mit einem Flugzeit-Massenspektrometer bestimmt .

MICAS

Das MICAS- Instrument (Miniature Integrated Camera And Spectrometer ) kombinierte die Bildgebung mit sichtbarem Licht mit Infrarot- und Ultraviolett-Spektroskopie, um die chemische Zusammensetzung zu bestimmen. Alle Kanäle teilen sich ein 10 cm (3,9 Zoll) Teleskop, das einen Siliziumkarbidspiegel verwendet .

Sowohl PEPE als auch MICAS ähnelten in ihren Fähigkeiten größeren Instrumenten oder Instrumentensammlungen auf anderen Raumfahrzeugen. Sie wurden so konzipiert, dass sie kleiner sind und weniger Energie benötigen als die, die bei früheren Missionen verwendet wurden.

Missionsübersicht

Start von DS1 an Bord einer Delta II von Cape Canaveral SLC-17A
Animation von DS1 ‚s Flugbahn vom 24. Oktober 1998 bis zum 31. Dezember 2003
  Weltraum 1  ·   9969 Blindenschrift  ·   Erde  ·   19P/Borrelly

Vor dem Start sollte Deep Space 1 den Kometen 76P/West-Kohoutek-Ikemura und den Asteroiden 3352 McAuliffe besuchen . Wegen des verzögerten Starts wurden die Ziele auf den Asteroiden 9969 Braille (damals noch 1992 KD genannt) und den Kometen 107P/Wilson-Harrington geändert . Es erreichte einen beeinträchtigten Vorbeiflug von Braille und wurde aufgrund von Problemen mit dem Startracker auf den Kometen 19P/Borrelly umgestellt , was erfolgreich war. Ein Vorbeiflug des Asteroiden 1999 KK 1 im August 2002 wurde als weitere verlängerte Mission in Betracht gezogen, aber letztendlich aus Kostengründen nicht vorgezogen. Während der Mission wurden auch hochwertige Infrarotspektren des Mars aufgenommen.

Ergebnisse und Erfolge

Deep Space-1 aus einer Entfernung von 3,7 Millionen km (2,3 Millionen Meilen) vom Hale-Teleskop aus gesehen

Der Ionenantrieb versagte zunächst nach 4,5 Minuten Betriebszeit. Später wurde es jedoch wieder in Betrieb genommen und zeigte eine hervorragende Leistung. Zu Beginn der Mission verursachte Material, das während der Trennung der Trägerrakete ausgeworfen wurde, einen Kurzschluss in den eng beieinander liegenden Ionenextraktionsgittern. Die Kontamination wurde schließlich beseitigt, da das Material durch Lichtbogen erodiert, durch Ausgasen sublimiert oder einfach ausdriften gelassen wurde. Dies wurde durch wiederholtes Neustarten des Motors in einem Motorreparaturmodus erreicht, wobei ein Lichtbogen über eingeschlossenes Material geführt wurde.

Es wurde angenommen, dass die Abgase des Ionentriebwerks andere Raumfahrzeugsysteme wie die Funkkommunikation oder die wissenschaftlichen Instrumente stören könnten. Die PEPE-Detektoren hatten eine sekundäre Funktion, um solche Effekte vom Motor zu überwachen. Es wurde keine Störung festgestellt, obwohl der Ionenfluss vom Triebwerk PEPE daran hinderte, Ionen unter etwa 20 eV zu beobachten.

Ein weiterer Misserfolg war der Verlust des Startrackers . Der Star Tracker bestimmt die Ausrichtung des Raumfahrzeugs, indem er das Sternenfeld mit seinen internen Karten vergleicht. Die Mission wurde gespeichert, als die MICAS-Kamera umprogrammiert wurde, um den Startracker zu ersetzen. Obwohl MICAS empfindlicher ist, ist sein Sichtfeld um eine Größenordnung kleiner, was zu einer größeren Belastung der Informationsverarbeitung führt. Ironischerweise war der Startracker eine Standardkomponente, von der erwartet wurde, dass sie sehr zuverlässig ist.

Ohne einen funktionierenden Startracker wurde der Ionenschub vorübergehend ausgesetzt. Der Verlust der Schubzeit erzwang die Annullierung eines Vorbeiflugs am Kometen 107P/Wilson-Harrington .

Das Autonav-System erforderte gelegentlich manuelle Korrekturen. Die meisten Probleme bestanden bei der Identifizierung von Objekten, die zu dunkel oder schwer zu erkennen waren, da hellere Objekte Beugungsspitzen und Reflexionen in der Kamera verursachten, was dazu führte, dass Autonav Ziele falsch identifizierte.

Dem Remote-Agenten-System wurden drei simulierte Ausfälle des Raumfahrzeugs präsentiert und jedes Ereignis korrekt gehandhabt.

  1. eine ausgefallene Elektronikeinheit, die Remote Agent durch Reaktivierung der Einheit behoben hat.
  2. ein ausgefallener Sensor, der falsche Informationen liefert, die Remote Agent als unzuverlässig erkannt und daher korrekt ignoriert hat.
  3. ein Triebwerk zur Lageregelung (ein kleines Triebwerk zur Steuerung der Ausrichtung des Raumfahrzeugs), das in der "Aus"-Position feststeckte, was der Remote Agent erkannte und kompensierte, indem er in einen Modus wechselte, der nicht auf diesem Triebwerk beruhte.

Insgesamt war dies eine erfolgreiche Demonstration der vollständig autonomen Planung, Diagnose und Wiederherstellung.

Das MICAS-Instrument war ein Designerfolg, aber der Ultraviolettkanal fiel aufgrund eines elektrischen Fehlers aus. Später in der Mission, nach dem Ausfall des Startrackers, übernahm MICAS auch diese Aufgabe. Dies führte zu ständigen Unterbrechungen der wissenschaftlichen Nutzung während der verbleibenden Mission, einschließlich der Begegnung mit dem Kometen Borrelly.

9969 Blindenschrift wie von DS1 abgebildet
Komet 19P/Borrelly nur 160 Sekunden vor der nächsten Annäherung von DS1 aufgenommen

Der Vorbeiflug des Asteroiden 9969 Braille war nur ein Teilerfolg. Deep Space 1 sollte den Vorbeiflug mit 56.000 km/h (35.000 mph) in nur 240 m Entfernung vom Asteroiden durchführen. Aufgrund technischer Schwierigkeiten, einschließlich eines Softwareabsturzes kurz vor dem Anflug, passierte das Fahrzeug stattdessen Braille in einer Entfernung von 26 km. Dies und die niedrigere Albedo von Braille führten dazu, dass der Asteroid nicht hell genug war, damit das Autonav die Kamera in die richtige Richtung fokussieren konnte, und die Bildaufnahme verzögerte sich um fast eine Stunde. Die resultierenden Bilder waren enttäuschend undeutlich.

Der Vorbeiflug des Kometen Borrelly war jedoch ein großer Erfolg und lieferte äußerst detaillierte Bilder der Kometenoberfläche. Solche Bilder waren von höherer Auflösung als die einzigen vorherigen Bilder eines Kometen – des Halleyschen Kometen , aufgenommen von der Raumsonde Giotto . Das PEPE-Instrument berichtete, dass die Sonnenwind-Wechselwirkung des Kometen vom Kern abweicht. Es wird angenommen, dass dies auf die Emission von Jets zurückzuführen ist, die nicht gleichmäßig über die Oberfläche des Kometen verteilt waren.

Obwohl es keine Trümmerschilde hatte, überlebte das Raumschiff die Kometenpassage intakt. Wieder einmal schienen die spärlichen Kometenjets nicht auf das Raumfahrzeug zu zeigen. Deep Space 1 trat dann in seine zweite erweiterte Missionsphase ein, die sich auf das erneute Testen der Hardwaretechnologien des Raumfahrzeugs konzentrierte. Der Fokus dieser Missionsphase lag auf den Ionentriebwerkssystemen. Der Raumsonde ging schließlich der Hydrazin- Treibstoff für die Triebwerke zur Lageregelung aus. Das hocheffiziente Ionentriebwerk verfügte über ausreichend Treibstoff, um zusätzlich zum Hauptantrieb die Lageregelung durchzuführen und so die Mission fortzusetzen.

Ende Oktober und Anfang November 1999, während der Küstenphase nach der Braille-Begegnung der Raumsonde, beobachtete Deep Space 1 den Mars mit seinem MICAS-Instrument. Obwohl dies ein sehr weit entfernter Vorbeiflug war, gelang es dem Instrument, mehrere Infrarotspektren des Planeten aufzunehmen.

Aktueller Status

Deep Space 1 erreichte seine primären und sekundären Ziele und lieferte wertvolle wissenschaftliche Daten und Bilder. Die Ionentriebwerke von DS1 wurden am 18. Dezember 2001 gegen 20:00:00 UTC abgeschaltet, was das Ende der Mission signalisierte. Die Kommunikation an Bord sollte im aktiven Modus bleiben, falls das Schiff in Zukunft benötigt werden sollte. Versuche, den Kontakt im März 2002 wieder aufzunehmen, waren jedoch erfolglos. Es bleibt innerhalb des Sonnensystems, im Orbit um die Sonne.

Statistiken

Siehe auch

Verweise

Externe Links