BepiColombo Mission: Raumsonde, Missionsprofil, Instrumente



Die BepiColombo Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt zwischen der ESA (European Space Agency) und der JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Ziel ist es, den Merkur zu erforschen, einer der am wenigsten untersuchten Planeten unseres Sonnensystems. Geplanter Start ist im Sommer 2016 mit einer ARIANE 5 ECA Trägerrakete. MPO und MTM (siehe unten) der BepiColombo Mission werden von EADS Astrium und Thales Alenia Space als Hauptauftragnehmer bereitgestellt werden; die ESA fungiert dabei als Hauptauftraggeber, welche für die Durchführung und Auswertung der Mission verantwortlich sind. Die Mission ist nach dem italienischen Mathematiker und Ingenieur Giuseppe Colombo (1920 - 1984), Spitzname "Bepi", benannt worden. Colombo hat sich u. a. um die Bestimmung der Bahn der ersten Merkur Mission, MARINER 10 (NASA), verdient gemacht.

 MCS: Mercury Composite Spacecraft
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Missionsprofil: Die Flugzeit wird bis zum Erreichen der Zielorbits etwa 7 Jahre betragen. Die Mission wird sich in die folgenden 5 Missionsphasen (mission phases) aufteilen.

  • (1) Start und frühe Orbit Phase (launch and early orbit phase, LEOP) und
  • (2) Nahe Erd- und Testphase (near Earth commisioning phase, NECP): Nach dem erfolgreichen Start wird das MCS auf eine Fluchtgeschwindigkeit von 3,36 km/s (12096 km/h) beschleunigt, um auf einer hyperbelförmigen Bahn das Schwerefeld der Erde zu verlassen. Nachdem die Raumsonde vom Schwerefeld der Sonne eingefangen wurde, kehrt das MSC nach ca. einem Jahr zur Erde zurück und vollführt seinen ersten Vorbeiflug (gravity assist) an der Erde. In den ersten drei Monaten dieser Phase (NECP) werden erste Funktionstests des MCS durchgeführt: Entfalten der Solar-Panele, Aktivierung der Instrumente (siehe Tabelle Instrumente MPO und MMO), Tests und Flugvalidierung des Ionentriebwerks (SEP: Solar Electrical Propulsion) des MTM.
  • (3) Interplanetare Phase (interplanetary cruise phase, ICP): Das kosmische Ballett setzt sich fort mit der interplanetaren Phase (Beschleunigung mit dem SEP) welche 2 Vorbeiflüge an der Venus (2016) und 4 am Merkur (2017 bis 2019) beinhalten wird, um die BepiColombo-Sonde auf die nötige Geschwindigkeit zu beschleunigen.
  • (4) Merkur Annäherungs Phase (Mercury approach phase) und
  • (5) Merkur Orbit Phase (Mercury orbit phase): Die Merkur Annäherungsphase beginnt mit der Trennung des MTM, gefolgt vom Einschwenken (Abbremsen) in einen Merkur Orbit mit Hilfe des chemischen Antriebs des MPO. Nachdem das MCSA (MCS Approach = MMO + MPO +MOSIF) seinen Endorbit erreicht hat, werden der MMO und der MPO getrennt. Danach wird die MOSIF vom MPO getrennt. Der Eintritt des MPO in seinen Zielorbit (Endorbit) ist für Juli 2020 vorgesehen: es ist geplant, die anfangs sehr hohe Exzentrizität des MCS Approach durch Feuern des MPO Triebwerks auf den Zielorbit des MMO (e = 0,66, apoherm = 11824 km, periherm = 400 km) zu senken. Nach der Trennung von MPO und MMO wird der Endorbit des MPO erreicht und die Exzentrizität des MPO auf e = 0,16 reduziert (apoherm = 1508 km, perherm = 400 km). Sowohl für den MPO als auch für den MMO wird eine Inklination des Orbits von 90°, also ein polarer Orbit, angestrebt.

Die nominelle Missionsdauer (mission time) ist mit einem Erdjahr angesetzt, mit der Option auf Verlängerung um ein weiteres Erdjahr.

 Missionsprofil der BepiColombo Mission
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Antrieb, Lage- und Orbitkontrolle: Die Reise zum innersten Planeten unseres Sonnensystems ist kein einfaches Unterfangen. Der Merkur befindet sich in direkter Nachbarschaft zur Sonne. Dies bedeutet z. B., daß die Raumsonde Gefahr läuft, vom stärkeren Gravitationsfeld der Sonne eingefangen zu werden, statt in den Merkurorbit einzuschwenken. Ebenfalls sind die Geschwindigkeiten, die die BepiColombo Mission erreichen muß, beachtlich: allein die mittlere Bahngeschwindigkeit des Merkurs beträgt 47,87 km/s (=172008 km/h). Dieses schlägt vor allem in der Masse des mit zu transportierenden Treibstoffs sehr zu Buche; ca. 1350 kg (650 kg MPO + 700 kg MTM) der Startmasse von 4200 kg werden aus Treibstoffen bestehen.

Bei der BepiColombo Mission werden folgende Antriebstechnologien zur Anwendung kommen: Das MTM wird über 4 Ionentriebwerke, SEP (Solar Electrical Propulsion), verfügen, welche je eine Schubkraft von 75 bis 145 mN für die interplanetare Phase liefern sollen. Daneben besitzt das MTM noch 24 chemische Triebwerke mit je 10 N Schub für Lage- und Orbitkontrolle (attitude and orbital control) während der Vorbeiflüge an Erde, Venus und Merkur. Der MPO verfügt für die Orbitkontrolle über 8 chemische 22N-Triebwerke, für die Lagereglung stehen 8 10N-Triebwerke (ebenfalls chemisch) sowie 4 Drallräder zur Verfügung; der MPO ist also drei Achsen stabilisiert.

Stromversorgung:

Während der interplanetaren Phase wird die Stromversorgung über die Solarzellen des MTM sicher gestellt, welche eine Oberfläche von 40 m² haben und eine Leistung von etwa 13 KW liefern werden.

Umweltbedingungen Merkur: Die Umweltbedingungen, denen sowohl der MPO als auch der MMO ausgesetzt sind, stellen die eingesetzte Technik auf eine harte Probe: aufgrund der Nähe zur Sonne herrschen Temperaturen von über 300°C, selbst auf weißen Oberflächen, sehr hohe Strahlungsbelastungen im IR (infrarot; Wärmestrahlung) Bereich vom Merkur von 4500 W/m² und extreme solare Strahlung im UV (ultraviolett) Bereich von bis zu 14500 W/m². Zudem treten durch den Wechsel von Sonnen- und Schattenphasen extreme Temperaturunterschiede auf bzw. zwischen dem sonnenbeschienenen und im Schatten liegenden Teil des MPO.

Kommunikation: Die Kommunikation während der Reise zum Merkur wird mit den Antennen des MPO aufrecht erhalten. Dazu ist der MPO mit einer Hochleistungsantenne (high gain antenna, HGA) sowie einer Mittelleistungsantenne (Medium Gain Antenna, MGA) ausgestattet, welche auch nach der Trennung vom MTM und MMO zur Kommunikation dienen. Sämtliche Kommunikation zwischen der Raumsonde und der Erde findet mittels TM/TC statt (Telemetrie/Telekommando, telemetry/telecommand). Für den Zielorbit um den Merkur ist der MMO ebenfalls mit einer HGA ausgestattet.

Instrumente: Die wissenschaftlichen Nutzlasten des MPO bestehen aus 11 Instrumenten, der MMO wird 5 enthalten, welche in unten stehender Tabelle aufgeführt sind. Die Instrumente an Bord der beiden Orbiter gewährleisten die Erreichung der wissenschaftlichen Ziele der BepiColombo Mission. Für genauere Einzelheiten des Laseraltimeters BELA an Bord des MPO, bitte hier klicken.

 

 MCS in der Flug Konfiguration
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MPO Instrumente
Instrument Name
Laseraltimeter BELA (BepiColombo Laser Altimeter)
Beschleunigungsmesser ISA (Italian Spring Accelerometer)
Magnetometer MERMAG (Mercury Magnetometer)
Infrarotspektrometer MERTIS-TIS (Mercury Thermal Infrared Spectrometer)
Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer MGNS (Mercury Gamma ray and Neutron Spectrometer)
Röntgenspektrometer MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer)
Radio Science MORE (Mercury Orbiter Radio science Experiment)
Ultraviolettspektrometer PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy)
Analysator für geladene und neutrale Partikel SERENA (Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances)
Stereokamera und optisches Nahinfrarot-Spektrometer SIMBIO-SYS (Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System)
Solares Röntgenspektrometer SIXS (Solar Intensity X-ray Spectrometer)

 

MMO Instrumente
Instrument Name
Magnetometer MERMAG-M/MGF (Mercury Magnetometer)
Plasmapartikel-Experiment MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment)
Plasmawellen-Experiment PWI (Plasma Wave Instrument)
Natriumatmosphären-Instrument SASI (Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager)
Staub-Analysator MDM (Mercury Dust Monitor)

Links zur BepiColombo Mission:

 


Kontakt
Prof.Dr. Jürgen Oberst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Planetenforschung
, Planetengeodäsie
Tel: +49 30 67055-336

Fax: +49 30 67055-402

E-Mail: Juergen.Oberst@dlr.de
Fabian Lüdicke
Institut für Planetenforschung
, Planetengeodäsie
Tel: +049 30 67055-497

E-Mail: Fabian.Luedicke@dlr.de
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