Mercury Planetary Orbiter (MPO) der BepiColombo Mission

MPO Orbit

Der MPO (Mercury Planetary Orbiter) ist einer von zwei Merkur-Orbitern der BepiColombo Mission (zweiter Orbiter: MMO [Mercury Magnetospheric Orbiter]). Nach einer Reise durch unser Sonnensystem von 6 Jahren Dauer, welche diverse "gravity assists" oder "swing by's" beinhaltet (1x Erde, 2x Venus, 4x Merkur), soll der MPO 2022 in seinen Zielorbit um den Merkur einschwenken und die 11 Instrumente an Bord mit der wissenschaftlichen Untersuchung des Merkur beginnen.

MPO (Mercury Planetary Orbiter)

Orbit: Für den MPO ist ein polarer Orbit (Überflug über die Pole des Merkurs), der die Form einer Ellipse haben soll, vorgesehen. Orbits von Raumsonden werden meistens in Form der Keplerschen Bahnelemente angegeben. In der nachfolgenden Tabelle sind selbige aufgelistet. In der Abbildung "Bahnelemente" wird die räumliche Orientierung durch die Bahnparameter anhand einer Skizze näher erläutert. Die angegeben Bahnelemente ändern sich mit der Zeit (f(t)) durch diverse Störeinflüsse: Gravitationspotential des Merkur (Abweichung von einer idealen Kugel mit sphärisch symmetrischer Massenverteilung; z. B. durch Abplattung, Täler, Berge, unterschiedliche Dichte), Gravitationpotential anderer naher Himmelskörper (z. B. Sonne) und der solare Strahlungsdruck (Photonen, die ihren Impuls an das Raumschiff übertragen). Eine weitere Störgröße, besonders für niedrig fliegende Satelliten, stellt die Reibung und der damit verbundene Geschwindigkeitsverlust mit einer Atmosphäre dar; dieser Störeinfluß spielt aber für dem MPO keine Rolle, da der Merkur praktisch keine besitzt.

Kepler Bahnelemente des MPO (Zielorbit)

Bahnelement Wert Bedeutung

a(t) Große Halbachse 3394 km Bahnform, Umlaufzeit

ε(t) Exzentrizität 0,16 Bahnform

i(t) Inklination 90° räumliche Orientierung

Ω(t) Rektaszension des aufsteigenden Knotens 248° räumliche Orientierung

ω(t) Argument des Perizentrums 196° räumliche Orientierung

M(t) Mittlere Anomalie / Ort in der Bahn

Bahnelemente

Die 6 Bahnelemente müssen und werden auch nicht immer durch die oben genannten ausgedrückt. Anstelle der mittleren Anomalie ist es auch üblich die Winkel der waren Anomalie oder der exzentrischen Anomalie zu verwenden. Für die Form des Orbits findet man auch häufig anstelle der hier genannten Exzentrizität und der großen Halbachse die Werte des Perizentrumshöhe (kleinster Abstand Orbit - Planetenoberfläche) und der Apozentrumshöhe (größter Abstand Orbit-Planetenoebrfläche). Für die allgemeinen Bezeichnungen Apozentrum (größter Abstand Orbit-Planetenmassenmittelpunkt) und Perizentrum (kleinster Abstand Orbit-Planetenmassenmittelpunkt) werden in der Raumfahrt meistens anstelle des Wortes "zentrum" Kürzel der griechischen Bezeichnungen für die Planeten verwendet; für eine Raumsonde um den Merkur wären dies das Apoherm und Periherm (Hermes = Merkur). Die Geschwindigkeiten künstlicher Satelliten um massereiche Himmelskörper wie den Merkur sind beachtlich. Für oben beschriebenen Orbit des MPO ist die minimale Geschwindigkeit im Apoherm 2,2 km/s ( = 7920 km/h), die maximale im Periherm 3,0 km/s ( = 10800 km/h). Die Umlaufdauer beträgt 2,3 Stunden.

Masse und Abmessungen: Der Orbiter wird eine totale Nassmasse (Masse des Orbiters inklusive Treibstoffmasse) von etwa 1800 kg haben, 650 kg davon Treibstoffmasse. Mit Abmessungen von etwa 1,85 m x 3,60 m des Radiators und einer Höhe von 2,30 m nimmt der Hauptkörper (ohne ausgefahrene Antennen, Panele etc.) in etwa das Volumen eines Kleinbusses ein. Bei voll entfalteten Solarpanel und HGA ("high gain antenna") hat der MPO eine maximale Ausdehnung von 6,8 m.

*MPO Übersicht*
Element	MPO
Start	2015
Trägersystem	ARIANE 5 ECA
Ziel	Merkur Orbit
Orbit	polar, elliptisch (siehe Bahnelemente)
Apoherm	1508 km (größter Abstand zur Merkuroberfläche)
Periherm	400 km (kleinster Abstand zur Merkuroberfläche)
v_Apo	2,2 km/s (Geschwindigkeit im Apoherm; kleinste Geschwindigkeit)
V_Peri	3,0 km/s (Geschwindigkeit im Periherm; größte Geschwindigkeit)
Umlaufdauer	2,3 h
Missionsdauer	1 Jahr mit der Option + 1 weiteres Jahr
Flugzeit zum Merkur	etwa 7 Jahre
Abmessungen	Hauptkörper: 1,60mx2,30mx1,80m
Masse	1800 kg (650 kg davon Treibstoffe)
Anzahl Instrumente	11 (wissenschaftlich)
Lagekontrolle	Drei Achsen stabilisiert: 8x10 N (chemisch) + 4 Drallräder
Orbitkontrolle	8x22 N (chemisch)
Stromversorgung	1 Solarpanel, max 900 W
Kommunikation	1xHGA (KA-, X-Band), 1xMGA (X-Band), 2xLGA (X-Band)
Thermalkontrolle	Radiator, MLI, "heat pipes"

Lage- und Bahnkontrolle: Der MPO verfügt für die Lagekontrolle (die Kontrolle und Korrektur der Ausrichtung der Raumsonde auf ihrem Orbit) und Orbitmanöver (Änderung der Bahnelemente, s. o.) über diverse Steuerdüsen (chemische Triebwerke) sowie Drallräder und gehört zur Klasse der sogenannten drei Achsen stabilisierten Satelliten. Zur Lagekontrolle stehen 8 mal 10 N Triebwerke ("thruster") bereit (angeordnet in zweier Paaren) sowie 4 asymmetrisch zu den drei Hauptachsen angeordnete Drallräder ("reaction wheels"); diese Anordnung ermöglicht Redundanz selbiger. Drallräder sind Schwungmassen, die das physikalische Prinzip der Drehimpulserhaltung ausnutzen: wird eine, meist symmetrische zylinderförmige, Schwungmasse in Rotation versetzt, entsteht ein Drehmoment, welches entgegengesetzt zu dem des Raumschiffes wirkt. Resultat: der Satellit wird auf die gewünschte Art und Weise in Rotation versetzt. Im Falle des MPO wird z. B. eine konstante Drehung benötigt, damit eine Seite (optische Instrumente, Laser Altimeter u. a.) des Raumschiffs auf die Merkuroberfläche schaut. Zur Kontrolle des Orbits wird der MPO mit 8 x 22 N Triebwerken (ebenfalls in Paaren angeordnet) ausgerüstet werden.

Stromversorgung: Das dreiteilige Solarpanel (die Abbildungen zeigen noch eine ältere, zweiteilige Variante) wird in der Lage sein eine maximale elektrische Leistung von 900 W zu generieren. Diese Leistung wird für den eigentlichen Betrieb des MPO (Lagekontrolle, Orbitkontrolle, Kommunikation, Datentransfer, Ausrichtung Antennen und Solarpanel, Thermalhaushalt u. a.) sowie für den Betrieb der 11 an Bord befindlichen wissenschaftlichen Nutzlasten gebraucht.

Thermale Kontrolle: Eine Raumsonde, welche sich in einen Orbit um den Merkur befindet, ist einer extremen Umwelt nahe der Sonne ausgesetzt: Die Temperaturen erreichen bis zu 300° C, selbst auf weißen Oberflächen. Zudem herrscht eine hohe Infrarotstrahlung von 4500 W/m² und eine ebenfalls hohe solare ultraviolette Strahlung von maximal 14500 W/m². Um in dieser Umgebung bestehen zu können, bedarf es einiger, im Falle des MPO hauptsächlich passiver Thermalkontrollen: Sogenannte "high temperatuer multi layer insolation". Der MPO wird in Schutzfolien eingepackt, die der extremen Strahlung widerstehen und durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit ein Aufheizen im Innern verhindern sollen. Ebenfalls müssen das Solarpanel und die Antennen der extremen Strahlung stand halten. Des weiteren kommt ein Radiator (Wärmeabgabe in den Weltraum) sowie "heat pipes" zum Einsatz (ebenfalls Wärmetransport).

Kommunikation: Zur Kommunikation des Mercury Planetary Orbiters mit den Bodenstationen auf der Erde stehen insgesamt 3 Antennen zur Verfügung: 1 HGA ("high gain antenna") mit hoher Leistung im KA- und X-Band Frequenzbereich, 1 MGA ("medium gain antenna") im mittleren Leistungsbereich im X-Band sowie 2 LGA ("low gain antenna") im niedrigen Leistungsbereich, ebenfalls X-Band. Der Datenrate zur Erde ("downlink") wird mit 1500 Gbits/Jahr veranschlagt.

Instrumente: Die wissenschaftliche Nutzlast an Bord des MPO wird 11 Instrumente beinhalten welche in unten stehender Tabelle aufgelistet sind. Diese dienen dazu, die in die BepiColombo gesetzten wissenschaftlichen Ziele zu erreichen. Ein Instrument an Bord wird das Laser Altimeter BELA sein, welches federführend vom DLR in Kooperation mit der UNIVERSITÄT BERN entwickelt und betrieben werden wird.

*MPO Instrumente*
Instrument	Name
Laseraltimeter	BELA (BepiColombo Laser Altimeter)
Beschleunigungsmesser	ISA (Italian Spring Accelerometer)
Magnetometer	MERMAG (Mercury Magnetometer)
Infrarotspektrometer	MERTIS (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)

Kontakt

Prof.Dr. Jürgen Oberst
Abteilungsleitung
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Planetenforschung, Planetengeodäsie
Berlin
Tel.: +49 30 67055-336
Fax: +49 30 67055-402

Fabian Lüdicke
Institut für Planetenforschung, Planetengeodäsie
Berlin
Tel.: +049 30 67055-497