Phobos-Grunt (original) (raw)

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Einleitung

Von 1960-1973 starteten die Sowjets die Sonden des Mars Programms. Diese scheiterten aus verschiedenen Gr�nden. Wie die NASA gab es dann eine sch�pferische Pause von 15 Jahren. Danach folgten die Raumsonden Phobos 1+2. Schon als diese noch zum Mars unterwegs waren k�ndige die Sowjetunion ein ehrgeiziges Programm namens "Mars 2000" an. Die schon bei den Raumsonden VeGa und Phobos begonnene internationale Zusammenarbeit sollte erweitert werden. Im Jahre Kolumbusjahr 1992 sollten zwei Marssonden Landesonden und Ballone absetzen. 1998 sollten Bodenproben vom Mars zur Erde gebracht werden und 2001 sollte ein Marsmobil abgesetzt werden. Doch der Zusammenbruch der sowjetischen Wirtschaft brachte dieses ehrgeizige Programm ins Wanken. Es wurde zusammengestrichen auf einen Orbiter und einen Lander die 1994 starten sollten. Eine Zusammenarbeit mit den USA war geplant, bei der der Mars Observer die Signale des Landers zur Erde weiterleiten sollte. Weiterhin fanden sich nun viele europ�ische Partner f�r Experimente. Doch auch der Start 1994 war nicht m�glich, da praktisch die Arbeiten zum Stillstand kamen. So musste der Start auf 1996 verschoben werden und die ESA zahlte einen dreistelligen Millionenbetrag zur Fertigstellung der Sonde. Der Start von Mars 96 scheiterte jedoch an einer Fehlfunktion der vierten Stufe der Proton.

Danach war es sehr lange still um das sowjetische Raumfahrtprogramm. Planetare Missionen aber auch Forschungssatelliten wurden kaum noch gestartet. Erst 2004 berichtete die ESA �ber eine neue Raumsonde, die nun dort ankn�pfen sollte, wo die beiden Phobos Sonden Ende der achtziger Jahre scheiterten.

Projektgeschichte

Phobos Grunt wurde 1996 als n�chste Mission nach Mars 96 geplant, blieb jedoch f�r Jahre ein Papierprojekt. Schon Mars 96 konnte nur durch Unterst�tzung der ESA rechtzeitig gestartet werden. So blieb Phobos Grunt f�r lange Jahre ein Papiertiger. Es wurde im Laufe der Zeit herunter skaliert von der Proton als Tr�gerrakete auf die Sojus Fregat. Mit der preiswerteren Tr�gerrakete sollte die Chance f�r eine Verwirklichung steigen.

Mit verbesserten �konomischen Bedingungen stiegen die Chancen. Im Februar 2004 gab es eine erste Finanzierung mit 40 Millionen Rubel. Die Gesamtkosten wurden damals mit 1 Milliarde Rubel angegeben. Im Oktober 2004 fand sich auf den ESA Seiten ihrer st�ndigen Vertretung in Moskau eine Seite �ber die Phobos Grund Mission. Sie sollte seit 2001 geplant sein und 2004 sollte das Design der Raumsonde feststehen. Als Startdatum wurde damals noch 2007 genannt und als Tr�gerrakete eine Sojus-Fregat.

• Ziele der Mission war eine vor Ort-Untersuchung von Phobos mit einem Labor und die R�ckf�hrung von Bodenproben zur Erde.
• Weitere sekund�re Ziele w�re die Untersuchung der Dynamik der Marsatmosph�re und das Beobachten von Staubst�rmen
• Weitere Experimente sollten die Marsumgebung untersuchen, Staub, Plasma und Strahlung messen
• Hersteller der Sonde ist wie schon bei fr�heren Missionen NPO Lavochkin. Experimente stammen von zwei verschiedenen Instituten der russischen Akademie der Wissenschaften.

Dies war sehr lange Zeit der einzige Hinweis auf diese Sonde. Ein Bild von Phobos-Grunt das damals ver�ffentlicht wurde unterscheidet sich deutlich von dem der sp�teren Sonde (Links(. Das geplante Startfenster kam und verstrich, ohne dass eine Startverschiebung angek�ndigt wurde. Bewegung kam in das Projekt erst 2007, als China und Russland eine Vereinbarung �ber die Zusammenarbeit bei mehreren wissenschaftlichen Projekten, darunter Phobos-Grunt vereinbarten. Wie bei dieser Gelegenheit verlautbart, war die Sonde nicht 2001 sondern erst 2005 fest beschlossen worden, seit 2006 wurde an ihr gearbeitet. Offizieller Projektstart war der 22.10.2004. Die Zusammenarbeit beinhaltete die Mitnahme eines chinesischen Subsatelliten mit der Bezeichnung Yinghuo-1. (abgek�rzt YH-1). Er hat eine Gr��e von 0,75 x 0,75 x 0,6 m und wird die Spitze auf Phobos-Grunt montiert. Der 110 kg schwere Satellit wird dann im Marsorbit abgesetzt, Mit einher ging auch eine finanzielle Beteiligung an dem Projekt, womit dieses gesichert war. Zum einen finanziell abgesichert, zum anderen w�re nun die Streichung des Projektes eine Blamage gewesen und h�tte die chinesische Seite br�skiert. Die polytechnische Universit�t von Hong King sollte nun auch das Labor f�r die Untersuchung von Bodenproben entwickeln. Es sollte Staub bis 1 mm Gr��e aufnehmen und analysieren. Dazu geh�rt ein Probenaufnehmer mit Mikroskopkamera und Spektrometer. Die Hongkonger Universit�t war schon mit einem Probenaufnehmer bei der englischen Beagle 2 Mission betraut, die 2003 scheiterte.

2008 wurden erste Modelle im Ausland, z.B. in der Berliner Air Show gezeigt und bekanntgegeben, dass durch die Hinzunahme des chinesischen Orbiters die Sonde zu schwer f�r eine Sojus war. Der Start sollte nun mit der Zenit Fregat erfolgen. Diese neue Version der Zenit existierte bisher nicht. Der einfache Grund: Die Fregatoberstufe wurde aus dem Traktorblock von Phobos und Mars-96 entwickelt. So wurde sie auch f�r die neueste Sonde von Lavochkin verwendet. Phobos-Grund wird also auf einer Zenit wie bei einer Sojus in den Erdorbit gebracht und danach �bernimmt die Fregat Oberstufe den weiteren Transport. So kann die Sonde sehr einfach mit der Oberstufe von einer Rakete auf die n�chste verschoben werden. Es d�rfte aber auch insgesamt ein Gewichtsproblem an der Sonde gegeben haben, denn durch die fr�he Abtrennung kurz nach Erreichen des Marsorbits braucht man f�r YH-1 nur wenig mehr zus�tzlichen Treibstoff. YH-1 macht zusammen mit dem zus�tzlichen Treibstoff nur 9% des Sondengewichts aus. Die Sonde wurde aber um rund 36 % schwerer gegen�ber den urspr�nglichen Planungen, die schon an der Nutzlastgrenze einer Sojus 2 lagen.

F�r aufmerksame Beobachter des russischen Programms ist die Wahl der Zenit dennoch �berraschend. Es gibt aus russischer Sicht zwei Gr�nde die gegen die Zenit sprechen: Zum einen wird der gr��te Teil der Rakete in der Ukraine gefertigt. Es gibt neben den politischen Spannungen auch das Problem, dass diese mit Devisen bezahlt werden m�ssen. Daneben ist die Zenit eine f�r russische Verh�ltnisse recht teure Rakete. Daher fanden seit dem Jahre 2001 nur zwei Starts der Zenit mit russischen Satelliten statt: Aufkl�rungssatelliten des Typs Tselina-2 welche auf diese Rakete ausgelegt sind. Warum Russland hier nicht auf die preiswertere und f�r Planetenmissionen erprobte Proton zur�ckgriff, blieb offen.

Trotz der Beteiligung von China konnte allerdings der Zeitplan nicht eingehalten werden und kurz vor dem Start im Oktober 2009 wurde eine Verschiebung auf 2011 angek�ndigt. Grund war neben noch nicht abgeschlossenen Tests der Sonde (vor allem des Computersystems) auch dass, das Netz der Bodenstationen nicht bereit war. Beides waren keine gute Voraussetzungen und Ursache fr�herer Fehschl�ge:Mars 4-7 scheiterten, weil die Sonden mit fehlerhaften Transistoren gestartet wurden. Phobos 1+2 scheiterten aufgrund Fehler in der Software und eine nur l�ckenhafte �berwachung. F�r einen Start 2009 waren die Bodenstationen nachdem sie Jahrzehnte lang nicht mehr genutzt wurden, nicht vorbereitet. Eine stand zur Verf�gung und war umger�stet worden, die zweite m�sse erst wieder mit modernen Sendern und Empf�ngern ausger�stet werden. Eine dritte Bodenstation die es noch 1989 gab wurde nicht mehr genannt. So h�tte Russland auf die ESA Bodenstationen zur�ckgreifen m�ssen. Damit w�re zwar der Datenempfang und Positionsbestimmung m�glich gewesen, aber nicht das Senden von Kommandos zu Phobos-Grunt. Die zwei Jahren werden nun genutzt um auch das Computersystem zu �berarbeiten, da es �ber zu wenig Speicher verf�gte und Teile der Flugsoftware noch nicht fertiggestellt waren. Geplant ist auch eine dritte Bodenstation im S�den des Kaukasus, f�r weitere russische Mond- und Planetensonden, sie d�rfte aber erst nach der Mission von Phobos-Grunt fertiggestellt sein.

So ist die Verschiebung auf 2011 sinnvoll, wenngleich das Startfenster himmelsmechanisch nicht so g�nstig ist. Da die Sonde 2008 aber insgesamt 11,1 t wog und die Zenit bis zu 13.6 t in eine Erdumlaufbahn bef�rdern kann, d�rfte dies aber kein Problem sein.

Die ersten Finanzierungen erhielt Phobos-Grunt erst mit 40 Millionen Rubel (1,3 Million Euro) im Jahre 2007, sodass ein Start 2009 eine enorm schnelle Entwicklung (weniger als 3 Jahre f�r eine Raumsonde) erfordert h�tte. Auch dies erkl�rt, warum die Sonde noch nicht startbereit ist. Bedingt durch den Wechsel der Tr�gerrakete sowie Schnellballeffekte durch das Hinzuf�gen des Chinesischen Orbiters wurde die Raumsonde erheblich teuer als geplant. Bis 2012 sollte sie insgesamt 2400 Millionen Rubel kosten - rund 80 Millionen Euro, im Westen f�r eine Raumsonde recht preiswert, doch bedenkt man, wie preiswert Sojus und Progress-Starts angeboten werden, dann ist klar, dass diese Mission f�r russische Verh�ltnisse recht teuer ist und ungef�hr so viel kostet wie zwei Fl�ge eines Sojus Raumschiffes.

Die folgende Tabelle informiert �ber die �nderungen die durch Mitnahme des YH-1 Subsatelliten n�tig wurden

Die eigentliche Raumsonde (der Teil, welcher die Erde verl�sst) wiegt 1.868 kg, der Rest entf�llt auf die Fregat Oberstufe und den abwerfbaren Tank. Bei Phobos angekommen ist das Gewicht auf 656 kg gefallen. Zur Erde machen sich noch 148 kg auf den Weg und geborgen werden noch 8 kg der Sonde.

Mars Meteorological Lander, MML

Finnland war schon am Mars-96 Lander beteiligt mit einer Meteorologiestation und anderen Experimenten. Meteorologische Experimente von Finnland sollten auch beim MarsNET, einem Verbund von vielen Landesonden fliegen. Nachdem dieses kurz nach der Jahrtausendwende gescheitert war schlug Finnland den Mars Meteorological Lander, MML vor. Ziel ist es, wenn es kein Netzwerk als eigene Mission m�glich ist, einen eigenen, sehr leichten Lander als Piggyback-Nutzlast also Sekund�rnutzlast. Der Start bei Phobos Grunt wird der erste Einsatz des MML sein. Ich beschreibe den MML nach verschiedenen Dokumenten die bei internationalen Konferenzen vorgestellt wurden. Russianspaceweb.com f�hrt den Lander als Nutzlast von Phonos-Grunt auf. Die Dokumente aus Finnland sind dagegen weitaus �lter (2002-2004) und sprechen von einer Erprobung mit einer Rokot 2005 vor einem Start mit Phobos-Grunt. Da diese bislang nicht erfolgte und es keine konkrete Verlautbarung Finnlands �ber die Mitf�hrung des Landes gibt, ist es offen ob der MML mitgef�hrt wird.

Das besondere am MML, welches auch seine Masse gravierend reduziert, ist der Verzicht auf traditionelle Hitzeschilde und Fallschirmsysteme. Stattdessen beinhaltet die Sonde einen aufblasbaren Schutzschild, der zugleich als Hitzeschutzschild wie Airbag dient. Vergleichen mit einem traditionellen Hitzeschutzschild ist er bedeutend gr��er, dadurch wird die maximale Hitzebelastung verringert. Zugleich ist dies n�tig, um ohne Retroraketen und Fallschirme den Schock bei der harten Landung zu begrenzen. Er sollte kleiner als 500 g sein. Diese Verz�gerung ist sehr hoch, doch sie wirkt nur kurze Zeit (50 ms). Auch bei fr�heren Venus- Mond- und Jupiterlandekapseln traten 350 g �ber kurze Zeit auf.

Die instrumentelle Ausr�stung muss an die harte Landung angepasst werden. Systeme mit ausfahrbaren Masten oder Greifern scheiden aus, da sie bei der Landung besch�digt werden und zu schwer sind. Die vorgeschlagene Ausr�stung besteht aus zwei verschiedenen Instrumentenpaketen f�r Abstieg und Oberfl�che.

• Beschleunigungsmessern (Accelometern) um die Belastungen beim Abstieg zu messen und R�ckschl�sse �ber die Dichte der Atmosph�re zu gewinnen.
• Kameras die beim Abstieg Bilder machen
• Messungen des Drucks beim Abstieg
• Auf der Oberfl�che sollen Panoramaaufnahmen entstehen
• Gemessen sollen Windgeschwindigkeit und Richtung
• Temperatur und Druck
• Feuchtigkeit und optische Tiefe der Atmosph�re

Verschiedene Konzepte wurden untersucht. Das mit der geringsten Belastung ist das im folgende beschriebene und favorisierte Konzept B3. Der Lander besteht aus einer kleinen Kapsel in Form eines Kegelstumpfes von 0,54 m Durchmesser und 0,59 m L�nge mit zwei Inflatable Breaking Units (IBU). Das sind hitzefeste "Airbags" die von einem Gasgenerator aufgeblasen werden. Die erste wird beim Eintritt in die Atmosph�re aufgeblasen und bremst den MML auf Mach 0,8 ab. Sie hat einen Durchmesser von 1,0 m und eine Oberfl�che von 0,78 m�. Dann diese IBU abgeworfen, wodurch der Lander um 4,88 kg leichter wird und eine zweite, gr��ere IBU aufgeblasen mit der der Lander weiter abgebremst wird. Die Landung erfolgt mit 45-57 m/s Geschwindigkeit abg�ngig von der H�he und Atmosph�rendichte (�ber 162-208 km/h). Vor der Landung hat die IBU einen Durchmesser und der Sporn mit dem der Lander sich auch im Bodenverankert eine L�nge von 87 cm. Der MML wiegt durch diese Technik nur 17 kg. Finnland hofft nach einer Erprobungsmission eine ganze Flotte dieser Lander zu starten. Ab einer Zahl von etwa 20 Landers w�rde ein globales Netz von Wetterstationen auf dem Mars zur Verf�gung stehen, wodurch das Verst�ndnis des Marswetters und die jahreszeitlichen Ver�nderungen erheblich profitieren w�rden. Dieses Projekt l�uft unter der Bezeichnung MetNET. Die Bilder hier zeigen den Lander kurz vor der Landung (oben), beim Atmosph�reneintritt (Mitte) und zusammengepackt vor der Abtrennung auf Phobos-Grunt.

Wahrscheinlich hat sich die Entwicklung des Landers verz�gert. Durch die Startverschiebung auf 2011 ist es nun eventuell doch m�glich den MML mitzuf�hren.

Experimente

Auf Phobos-Grund gibt es eine Reihe von Experimenten auch mit internationaler Beteiligung. Sie k�nnen in drei Gruppen eingeteilt werden: Experimente die in-situ (vor Ort, auf der Oberfl�che oder sehr nahe an der Oberfl�che) den Mond Phobos untersuchen, Fernerkundungsexperimente, die aus gr��erer Entfernung eingesetzt werden k�nnen und mit denen auch der Mars untersucht wird und Experimente zur Untersuchung des Raums um Mars und des interplanetaren Raums.

Das Laser-Massenspektrometer LASMA benutzt einen ND:YAG Laser, der mit einer Spitzenleistung von 10 kW Pulse auf eine Fl�che von nur 20 �m Durchmesser sendet. Da jeder Puls nicht mal eine Nanosekunde lang dauert ist die Energie pro Impuls mit 0.1 �J sehr gering. Sie entspricht aber einer kurzzeitig einwirkenden Energie von 5 GW/m� und dringt 100 mM tief in die Oberfl�che. Dabei wird diese verdampft und es entstehen pro Impuls rund 10.000 Ionen. Bei einer Frequenz von 10 KHz betr�gt die Stromaufnahme des Lasers nur 2,5 Watt. Die Ionen gelangen an ein parallel zum Laser angebrachtes Flugzeitmassenspektrometer wo sie durch ein elektrisches Feld unterschiedlich nach Masse/Ladung beschleunigt werden und die Flugzeit gemessen wird. Es erfasst Ionen mit einer Atommasse von 1-250 AU bei einer Aufl�sung von 300. Es wiegt 1,4 kg. Der Laser wird nach der Landung in Betrieb genommen, das unterscheidet ihn von einem �hnlichen Experiment das Phobos 1+2 mitf�hrten. Bei diesem wurde aus naher Distanz am Mond der Laser bet�tigt. Er musste daf�r erheblich leistungsf�higer sein, da durch den Verd�nnungseffekt viel weniger Ionen zur Raumsonde gelangten.

Ein zweites Massenspektrometer MANAGA-F bestimmt sekund�re Ionen. Es befindet sich auf der Seite der Sonde die Phobos abgewandt ist: Von LASMA Verdampftes Gestein, dass hochsteigt und nicht ionisiert wurde, wird dann durch den Sonnenwind ionisiert. Diese sekund�ren Ionen werden vom Massenspektrometer gemessen. Es kann 1 Teilchen pro 1 Million noch detektieren und erfasst alle Ionen bis zur Atommasse 300 mit einer Energieaufl�sung von 1:100.

Das Neutronenspektrometer NS-HEND ist eine Weiterentwicklung des HEND, welches derzeit bei Mars Odyssey im Einsatz ist. Es besteht aus einem Neutronenspektrometer und einem Gammastrahlenspektrometer (PhGES). Ein neu entwickelter Szintillationsdetektor, auf Basis eines 5 x 5 5 cm gro�en LaBr3 Kristalls soll eine erheblich bessere Energieaufl�sung liefern. Er ist besonders gut geeignet niederenergetische Neutronen zu detektieren (Energieaufl�sung 3% bei 662 keV). Dazu kommt ein Detektor f�r mittelenergetische und schnelle Neutronen mit einem Stilbenkristall (empfindlich zwischen 0,5 und 10 MeV Energie) und drei Proportionalz�hler f�r 3He abgeschirmt mit mit Polyethylen und Cadmium. Zusammen mit dem Gammastrahlenspektrometer soll damit der Gehalt an den radioaktiven Elementen Kalium, Thorium und Uran zusammen mit dem Wasserstoffanteil im Regolith bestimmt werden. Das Gammastrahlenspektrometer setzt dazu einen C�siumiodid Szintillationskristall ein, der bei Gammastrahlen in einem Energiebereich von 0,3-9 MeV einen Blitz aussendet. Dieser wird dann durch lichtempfindliche Detektoren registriert. NS-HEND wiegt 3,8 kg und hat einen Stromverbrauch von 8 Watt. Das Gammastrahlenspekrometer wiegt weitere 5,5 kg.

Aus Deutschland von der Uni Mainz stammt das M�sslbauer Spektrometer Mimos II. Es ist eine weiterentwickelte Version des Ger�tes, das schon seit f�nf Jahren an Bord der beiden amerikanischen Rover auf den Mars Untersuchungen macht. Gegen�ber diesem ist es zum einen leichter (320 anstatt 540 g Gewicht durch eine verkleinerte Elektronikplatine mit neuere�n Bausteinen) und es bietet durch einen neuartigen Siliziumdriftsensor eine h�here Aufl�sung von 140-160 eV. Es nutzt den 1956 von M�ssbauer entdeckten kernphysikalischen Effekt aus, der auf der r�cksto�freien Absorption und Emission von Gammaquanten durch Atomkerne beruht. Auf dem Instrument sendet eine Cobalt-57 Quelle Gammastrahlung mit einer Energie von 14.4 keV aus. Gammaquanten dieser Energie werden von Fe57 Kernen absorbiert. Dies geschieht bei einzelnen Eisenatomen normalerweise r�cksto�frei. Jedoch ist der Eisenkern in einem Kristallgitter eingebunden, so geht dies nicht. Dieses nimmt den Impuls auf und das Atom gelangt in einen resonanten Zustand. Aus diesem sendet das Atom Gammaquanten mit der Resonanzfrequenz aus. Diese Gammastrahlen werden detektiert. Die Frequenz ist sehr eng begrenzt und h�ngt von der Umgebung des Eisenatoms ab. Somit lassen sich verschiedene eisenhaltige Minerale sehr genau abgrenzen. Es ist damit feststellbar welche eisenhaltigen Minerale im Oberfl�chengestein vorkommen. (Sofern �berhaupt: Anders als beim Mars erwartet man bei Phobos als Asteroid nur geringe Eisenmengen im Gestein).

Der Manipulatorarm, an dem die M�ssbauer-Sonde angebracht wird hat ein Gewicht von 3,5 kg, er kann bis zu 1 m von der Sonde wegbewegt werden und eine Bodenprobe von 0,5-1,5 cm� aufnehmen. Die CNES f�hrt auch ein AXPS Alphateilchen-Protonenspektrometer als Nutzlast auf, das ebenfalls wie MIMOS-II von der Universit�t Mainz stammt. Seitens derer gibt es aber keine Pressemitteilung, so dass dieses Experiment wohl nicht mitfliegt. Der Manipulatorarm entnimmt Proben f�r das Labor f�r Vor-Ort Untersuchungen, aber auch Proben f�r die R�ckkehrkapsel.

Die Bodenproben werden einem Gaschromatograph-Komplex zugef�hrt. Dort gibt es zuerst einen W�rmeleitf�higkeitssensor (Genauigkeit 1 zu 1000) von 0,5 kg, danach folgt die 4,5 kg schwere GC-S�ule mit der Heizung und den Gasvorr�ten. Diese trennt die fl�chtigen Substanzen nach molekularer Masse auf. Die einzelnen Fraktionen gelangen dann zu einem Massenspektrometer das Molek�le zwischen 1 und 150 AU detektiert. Die Empfindlichkeit der Messung betr�gt dort nur noch 1 ppb. Diese Station soll die fl�chtigen Teile der Phobosoberfl�che erfassen (Edelgase, Wasser, Kohlendioxid, organische fl�chte Substanzen), da diese wahrscheinlich durch die Erw�rmung bei der R�ckreise und Landung verloren gehen werden. Zusammen mit dem Massenspektrometer wirkt das GC-MS 8 kg. Frankreich ist an dem Komplex beteiligt durch die Sensoren des Gaschromatographen.

Zwei IR Erkundungsinstrumente untersuchen Mars und Phobos aus der Ferne. Der Thermal Infrared Multisprectral Mapper TIMM ist ein abbildendes Fourier-Spektrometer. Es kann Bilder von bis zu 40x40 Pixel Gr��e und 35 Spektralkan�len erstellen. Er ist empfindlich im mittleren Infrarot zwischen 7,5 und 16 �m. Das Instrument wird zusammen mit Italien entwickelt und hat die Aufgabe eine spektrale Karte von Phobos mit einer Aufl�sung von 0,4-1,0 km anzufertigen. Dies ist im Infraroten sowohl f�r die Vorderseite wie auch die Nachtseite m�glich. Es wiegt 2,0 kg.

Das zweite Spektrometer AOST ist ein nicht abbildendes Spektrometer, dass das Licht von einem 2,3 Grad gro�en Blickfeld in sein Spektrum aufspaltet. Auch dieses ist ein Fourier Spektrometer, jedoch mit einem viel gr��eren Wellenl�nge von 2,5 bis 20 �m und einer Aufl�sung von 0,45 cm-1 (�ber 40 mal h�her aufgel�st: ein Spektrum hat rund 8000 Me�punkte).Es wird zusammen mit Deutschland und Italien entwickelt und wiegt 4,0 kg.

Zu Aufnahme von Phobos gibt es drei Kameras: Eine Panormakamera und je eine Navigations- und Observationskamera. Die Panoramakamera verwendet einen 1280 x 1024 Pixel Sensor mit einer Aufl�sung von 3 Bogenminuten. Bei einem angegeben Blickfeld von 60 x 360 Grad muss die Kamera aber geschwenkt werden, da das Blickfeld des CCD bei der angegeben Aufl�sung 64 x 51,2 Grad betr�gt. Drei Spektralkan�le mit einer Zentralwellenl�nge von 0,45 (rot) , 0,65 (blau) und 0,95 �m (nahes Infrarot stehen zur Verf�gung. Sie wiegt 0,45 kg. Sie wird nach der Landung die Umgebung der Landestelle fotografieren. Die Aufl�sung von 3 Bogenminuten ist etwa dreimal schlechter als die des menschlichen Auges.

Die Navigationskamera und Observationskamera setzen beide den gleichen CCD Chip, einen Kodak-1020, mit 1024 x 1004 Pixeln ein. Er hat Pixels von 7,4 �m Gr��e und ist empfindlich zwischen 0,4 und 1,0 �m. Farbaufnahmen sind mit diesen Kameras nicht m�glich. Die Kameras unterscheiden sich die Optiken. Im einen Fall eine mit einer Brennweite von 500 mm (Gesichtsfeld 0,85 x 0,85 Grad, Aufl�sung 3 Bogensekunden) und im anderen Fall eine mit 18 mm Brennweite (Gesichtsfeld 23,2 x 23,2 Grad 83 Bogensekunden Aufl�sung. Aus 500 km Entfernung entspricht dies bei Phobos einer Bildgr��e von 7,4 und 202 km und einer Aufl�sung von 7,4 und 200 m. Bei der Beobachtung von Mars sind es aus dem 9910 km vom Zentrum (rund 6500 km von der Oberfl�che) entfernten Orbit 2635 x 2635 und 97 x 97 km pro Bild. Die Kameras wiegen 1,2 und 1,8 kg.

Zum Durchleuchten von Phobos und Bestimmung seiner Oberfl�chengestalt wird das Langwellenradar DPR eingesetzt. Es sendet Radarwellen von 150 (�25) MHz ein und f�ngt die reflektierten Echos auf. Die H�henaufl�sung betr�gt 2 m. Es wird ein Oberfl�chenprofil von Phobos mit dieser Genauigkeit erstellen. Das ist insbesondere deswegen wichtig, weil die Form des Mondes sehr irregul�r ist. Schon die drei Halbachsen haben Abmessungen von 21 x 23 x 27 km, doch die Abweichungen davon sind durch Einschlagskrater sehr gro�.

Am Boden horcht ein Seismometer nach Ersch�tterungen von Phobos. Es hat zwei Sensoren die einen Me�bereich von 10-6 - 20 g abdecken. Seismische Wellen mit einer Frequenz von 3 x 10-5 bis 10 HZ werden bestimmt.

Eine Thermoprobe (Thermophob) wird in die Oberfl�che von Phobos gerammt und misst die Oberfl�chentemperatur und Temperaturleitf�higkeit. Der Me�bereich betr�gt 160-380 K mit einer Genauigkeit von 0,1 Grad.

Die Plasmaumgebung des Mars bestimmt das Plasmawellensystem das aus drei Einzelinstrumenten besteht. Ein Spektrometer f�r planetare Ionen bestimmt niederenergetische Ionen zwischen 10 eV und 15 keV Energie. Es wird erg�nzt durch ein Spektrometer f�r h�here Energien, das ebenfalls von 10 eV ausgehend den Bereich bis 50 keV abdeckt. Dazu kommen Magnetfeldsensoren. An diesem Instrument sind auch Ungarn, Deutschland, Frankreich, �sterreich und Holland mit beteiligt. Es wiegt 3 kg.

Zwei Experimente untersuchen Mikrometeoriten und Staub rund um Mars. Der Mikrometeoritendetektor METEOR misst die Masse und Geschwindigkeit von Mikrometeoriten w�ren des Flugs. Er detektiert Teilchen von 10-6 bis 10-14 g Masse bei Geschwindigkeiten von 3 bis 35 km/s.

Der Staubdetektor DIAMOND besteht aus zwei identischen Detektoren in unterschiedlichen Ausrichtungen. Der eine ist in Bewegungsrichtung der Sonde angebracht, der andere 180 Grad auf der R�ckseite montiert. Die Sammelfl�che betr�gt jeweils 0,01 m�. Staub durchschl�gt die Sammelfl�che, verdampft und ein Teil wird ionisiert, dadurch wird die Ladung eines Gitters, das unter Strom steht beeinflusst und dies wird gemessen. Ein �hnliches Me�prinzip nutzt auch METEOR.

Das Experiment LIBRATION bestimmt die innere Struktur von Phobos, das Zentrum der Gravitation, die mittlere Dichte, die Inhomogenit�t und die Bewegung um den Schwerpunkt. (Unter der Libration werden Schwankungen der Bewegung des Himmelsk�rpers um die mittlere Bewegung bezeichnet. Im Falle von Phobos haben sie ihre Ursachen in der unregelm��igen Struktur und einer vermuteten Variation der inneren Dichte). Dazu dienen 7 obskure Kameras (Kameras in einem dunklen Beh�lter mit einer kleinen �ffnung) und einem Gesichtsfeld von nur 1 Bogenminuten. Ihr Bild von 1280 x 1024 Pixel Sensoren wird ausgewertet und soll R�ckschl�sse �ber die inneren Parameter durch die Vermessung der gleichm��igen Bewegung liefern. Ebenfalls dazu benutzt wird der Sternensensor mit einem Gesichtsfeld von 10 Bogenminuten. Sie messen wann Phobos das Licht der Sterne verdeckt und dadurch wie er sich bewegt.

Dazu kommt ein ultrastabiler Oszillator (USO). Dieser findet sich bei fast allen Raumsonden, da er nur 0,35 kg wiegt und in das Sende/Empfangssystem integriert werden kann. Er liefert ein Funksignal mit einer sehr stabilen Frequenz. Die Vermessung dieses Signals auf der Erde w�hrend die Sonde auf Phobos ist erlaubt es die Bahn von Phobos genauer zu bestimmen sowie die Lebensdauer (der Mond bewet sich langsam zu Mars hin) und genauere Daten �ber die interne Masseverteilung. Auf dem Flug zu Mars kann so die Gravitationskonstante genauer bestimmt werden. Das Experiment wird auch genutzt um Funksignale zu YH-1 zu senden.

Yinghuo-1

�ber den chinesischen Subsatelliten Yinghuo ("Leuchtk�fer") 1 gibt es nur wenige Informationen. Er wird von Phobos-Grunt nach Erreichen des ersten Marsorbits ausgesetzt und verbleibt in dieser hochelliptischen Bahn von 800 - 79.000 km Entfernung und 5 Grad Bahnneigung. Er soll dreiachsenstabilisiert sein und �ber eine 1 m gro�e Parabolantenne mit der Erde kommunizieren. Als Experimente werden ein Plasmadetektor, eine CCD-Kamera mit mittlerer Aufl�sung, ein Empf�nger und ein Fluxgate-Magnetometer angegeben. Mit der bei Chang'e-1 erprobten VLBI Bahnvermessungen und dem Empf�nger soll das Marsgravitationsfeld untersucht werden, weiterhin erhofft man sich globale Marsaufnahmen und will die Plasmaumgebung des Mars vermessen. Daf�r ist die hochelliptische Umlaufbahn besonders gut geeignet. Eine Betriebszeit von 1 Jahr im Orbit wird angestrebt.

Das Fluxgate Magnetometer besteht aus zwei Sonden im Abstand von 45 cm nahe des Solarzellenfl�gels. Der Me�bereich liegt zwischen plus und minus 256 nT, die Aufl�sung betr�gt 16 Bit. Maximal 10 Messwerte k�nnen pro Sekunde gewonnen werden.

Geplant ist auch eine Vermessung des Plasmafeldes in Zusammenarbeit mit Phobos-Grunt: Die Sonden verbleiben einige Zeit im ersten Orbit bis Phobos-Grunt diesen anhebt. Bedingt durch die Abtrennung wird Yinghuo-1 um 2 m/s beschleunigt. Phobos Grunt wird mit 6 W ein Signal alternierend bei 400 und 800 MH zu YH-1 senden und dieser misst die Frequenzverschiebung. So sollen Profile der Ionendichte in einer H�he von 50-300 km H�he erstellt werden.

ESA Kooperation

Die ESA plante f�r 2013 die Mission Exomars, die einen Rover auf dem Mars absetzen sollte. (Mittlerweile ist sie wegen gravierender Kosten�berschreitungen gestrichen und eine Zusammenarbeit f�r gemeinsame Missionen mit der NASA vereinbart). Im Rahmen dessen sollte Phobos-Grunt auch als Kommunikationsrelay dienen und Mars Express machte bei einigen Vorbeifl�gen an Phobos im Mai/Juni 2008 mit bis zu 97 km Ann�herung die bislang besten Aufnahmen des Mondes. Diese Aufnahmen sollten auch dazu dienen den Landeplatz genauer festzulegen. Weitere Vorbeifl�ge lieferten neue Aufnahme von Phobos und pr�zisierten die Masse.

Weiterhin wird die ESA ihr Bodenstationsnetzwerk zur Verf�gung stellen, das ab Mitte 2012 aus drei Stationen besteht, just dann wenn Phobos-Grunt den Mars erreicht. Russland verf�gt nur �ber Stationen in Russland und so ist �ber mindestens die H�lfte des Tages kein Kontakt zur Sonde m�glich. Derzeit gibt es noch zwei Tiefenraumstationen: Eine nahe Moskau und eine in Ussurijsk in der Grenzregion China/Japan. Die ESA soll auch Unterst�tzung in der fr�hen Orbitphase mit der Bodenstation in Kourou leisten, weil die Raumsonde mehrere Erduml�ufe absolvieren wird, bevor sie die Erde verl�sst.

Missionsplanung

Phobos Grunt ist eine Mission mit einer Gesamtdauer von 2,7 Jahren, davon entfallen 10 und 11 Monate auf die Hin- und R�ckreise, sodass die Sonde sich nur 1 Jahr im Marsorbit befinden wird.

Auf den prinzipiellen Ablauf der Mission hat sich der Wechsel der Tr�gerrakete nicht ausgewirkt. Geplant war der Start mit einer Sojus in einen 200 km hohen Parkorbit. Danach h�tte die Fregat zum ersten mal gez�ndet und einen elliptischen Erdorbit erreicht. Beim Durchfliegen des erdn�chsten Punktes z�ndet die Fregatoberstufe erneut und bef�rdert das Raumschiff in eine interplanetare Bahn. Diese Vorgehensweise ist n�tig weil der Schub der Oberstufe sehr gering ist und w�hrend der langen Brennzeit um die Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen die Sonde sonst ihren erdn�chsten Punkt anheben w�rde, was energetisch ung�nstig ist. Daher wird dieses Man�ver in zwei Perioden aufgeteilt und somit die Zeit pro Periode verk�rzt.

Die Zenit bietet den Vorteil, dass ihre Nutzlast erheblich h�her als die Sojus, so dass die die Fregat schon in eine elliptische Umlaufbahn bef�rdern kann. Der Wechsel der Tr�gerrakete machte keine gr��ere �nderung an der Raumsonde notwendig. Russland griff auf eine Technik zur�ck, die schon bei der Anpassung der Stufe f�r die Proton durchgef�hrt wurde: Die Fregatoberstufe wurde durch einen externen Tank erg�nzt, der nach der ersten Brennperiode abgeworfen wird.

Bei der geplanten Mission w�re Phobos-Grunt am 7.10.2009 gestartet und h�tte nach knapp elf Monaten auf einer Hohmann Typ-II Bahn den Mars am 29.8.2010 erreicht. Drei Kurskorrekturen mit einem Geschwindigkeitsaufwand von 45-60 m/s w�ren notwendig gewesen.

Am Mars h�tte ein Bremsman�ver die Sonde um 800 m/s abgebremst und sie h�tte einen ersten Zwischenorbit von 800 x 79000 km H�he mit 0-8 Grad Neigung zum Mars�quator erreicht. Er hat eine Umlaufsdauer von etwa 3 Tagen. Hier w�ren der MML und YH-1 ausgesetzt worden. Danach h�tte die Sonde einen zweiten Orbit angesteuert bei dem der marsn�chste Punkt auf 6510 km H�he angehoben. Dieser Zwischenorbit hat eine Periode von 3,3 Tagen. Dann erreicht die Sonde einen Observationsorbit in 6510 km H�he (9910 km vom Marszentrum entfernt), rund 500 km h�her als der Orbit von Phobos. Nun wird die erste Stufe abgeworfen und die eigentliche Raumsonde freigelegt. Bid dahin ist ein geschwindigkeitsaufwand von etwa 1600-1700 m/s n�tig.

Nach einer Beobachtung von Phobos und Mars aus diesem Orbit erfolgt die Landung auf Phobos. Das Zielgebiet lag bei 5�S bis 5�N, 230� bis 235�W. Ein Gebiet von etwa 700 x 350 m Gr��e. Zwei Landepl�tze wurden hier von Mars Express am 23.8.2008 genauer unter die Lupe genommen. Oberfl�chenuntersuchungen und das Gewinnen von Bodenproben folgen dann. Zwei Z�ndungen (zuerst vertikaler Aufstieg, dann horizontale Beschleunigung bringen die Sonde wieder in einen Orbit der 300 km von Phobos entfernt ist. Daf�r reichen wegen der kleinen Schwerkraft des maximal 27 km gro�en Mondes, einmal 10 und einmal 20 m/s Beschleunigung.

Nach insgesamt 13 Monaten im Marsorbit startet die R�ckkehrstufe zur�ck zur Erde. Kurz vor dem Eintritt in die Atmosph�re wird die Kapsel mit den Bodenproben abgetrennt. Auf den Grafiken ist keine Fallschirmlandung eingezeichnet. Auf der Erde wiegt die R�ckkehrkapsel nur noch 6 kg. Sie soll 230 g Bodenproben von Phobos beinhalten - in etwa dieselbe Menge wie damals die Lunasonden 16,20 und 24 zur Erde zur�ckf�hrten. (Allerdings waren diese dreimal schwerer als Phobos-Grunt)

Nun haben sich alle Parameter verschoben. Der Start ist nun f�r den Oktober 2011 geplant. In einen Marsorbit wird im September 2012 eingeschwenkt werden. Im April 2013 erfolgt die Landung. Vier Monate verbleibt die Sonde auf Phobos und im August 2013 wird die R�ckreise zur Erde angetreten, wo die Kapsel im Juli 2014 ankommen soll.

Online Quellen

Marspages.eu Phobos-Grunt

Russische Akadaemie der Wissenschaften Phobos Sample and Return Projekt

Russian Spaceweb: Phobos Grunt Mission

Metnet - Nest Generation Landers for Mars Athmospheric Science

CNES Phobos-Grunt Seite

Die kurze Reise von Phobos Grunt

Am 8.11.2011 um 21:16 mitteleurop�ischer Zeit hob die Zenit mit ihrer wertvollen Ladung ab. Die Zenit setzte die Raumsonde mitsamt der Fregat-Oberstufe auch in dem Orbit ab. Mit dem Erreichen des 207 x 346 km hohen Parkorbits war die Mission de Zenit beendet. Danach war Phobos-Grunt alleine f�r den weiteren Ablauf verantwortlich. Die Integration der Fregatoberstufe in die Raumsonde erm�glichte zwar den leichten Umzug von der Sojus auf die Zenit, aber damit war nun auch die Raumsonde f�r die Z�ndung der Fregat zust�ndig und dies r�chte sich nun. Die erste Z�ndung sollte nach 1,7 Uml�ufen um 23:55 erfolgen. 10 Minuten lang sollte das Haupttriebwerk der Fregat arbeiten. Danach hat sie en Treibstoff des Zusatztanks verbraucht, welche diese Version von der Oberstufe der Sojus unterscheidet. Dieser Zusatztank ist dann �berfl�ssig und sollte um Gewicht sparen zu k�nnen dann abgeworfen werden. Diese erste Z�ndung sollte Fobos-Grunt auf eine elliptische Erdumlaufbahn von 250 bis 4150 km H�he bringen. Die zweite Z�ndung die nun 18 Minuten dauert, erfolgt einen Umlauf sp�ter. Nach den Pl�nen um 2:02 am 9.11.2011. Sie sollte die Raumsonde auf einen Fluchtkurs bringen.

Alle Man�ver werden von der Raumsonde autonom durchgef�hrt. Eine Steuerung vom Boden aus war nicht vorgesehen. Doch die Z�ndung blieb aus. Danach gab es von Russland nur wenige Daten. Es wurde eigentlich nur bekannt gegeben, dass die Z�ndung ausblieb und man sich bem�he, die Raumsonde zu kontaktieren. Einen Tag sp�ter wurde bekannt gegeben, dass die beim Start �bermittelten Daten ein normales Aussetzen der Raumsonde signalisierten und es auch Telemetrie der Raumsonde w�hrend des ersten Umlaufs gab. Sie zeigte, dass Phobos-Grunt ordnungsgem�� auf die Sonne ausgerichtet war und seine Solarpaneele entfaltet hatte.

Die folgenden Tage versuchte die Raumfahrtagentur Roskosmos die Sonde zu kontaktieren, die Sicherungsprogramme des Bordcomputers zu �bergehen und die Z�ndung so zu bewerkstelligen. Ursache soll sein, dass ein Sensor, der Daten �ber die Ausrichtung der Raumsonde relativ zu den Sternen und der Sonne ein fehlerhaftes Signal liefert. Das sollte durch ein Softwareupdate l�sbar sein.

Doch alle Versuche den Roboter zu kontaktieren scheiterten. Es gab auch keine Telemetrie mehr. Auch Hilfestellungen seitens der ESA halfen nichts. Vorgesehen war ein Kontrakt w�hrend dieser Missionsphase nicht. Die Raumsonde ist zu nah an der Erde und bewegt sich zu schnell �ber den Horizont, sodass es schwierig ist sie anzufunken und rechtzeitig, bevor sie �ber das Firmament gezogen ist Daten zu senden oder zu empfangen.

Am 15.1.2012 vergl�hte Phobos Grunt westlich der Insel Wellington im Pazifik. F�r einige Instrumente gibt es eine zweite Chance. Verbesserte Versionen von AOST und NS-HEND starteten am 14.3.2016 an Bord des Exomars Trace Gas Orbiters zum Mars.

Mehr �ber die Ursachen des Fehlschlags auf einer eigenen Seite..

Seite zuletzt ge�ndert am 16.4.2016

� des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Ver�ffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Ausz�gen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

B�cher vom Autor �ber 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. InBand 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.

B�cher vom Autor �ber 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. InBand 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.

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