Die Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) Mission ist eine Folgemission zur bereits fliegenden GRACE Mission. Die wesentlichen Missionsziele sind:
Abbildung 4: Logo der GRACE follow-on Mission.
Die Weiterführung der Datenerfassung zur genauen Bestimmung des Erdschwerefeldes und dessen Veränderungen (Primärziel),
Die erstmalige Erprobung eines Laser-Ranging-Instruments (LRI) zur laserbasierten Abstandsmessung zwischen zwei Satelliten im Weltall (Sekundärziel).
Zwei Satelliten umkreisen die Erde innerhalb von 90 min. Dabei ändert sich ihr nomineller Abstand von etwa 200 km minimal aufgrund unterschiedlicher Massenverteilungen auf der Erde. Die Unterschiede können durch Berge, Grundwasser, Gletscher u.v.m. verursacht werden. Durch die Messung von Änderungen dieser Masseverteilung über einen längeren Zeitraum können z.B. Aussagen über Klimaänderungen gemacht werden.
In der derzeitigen GRACE Mission werden die Abstandsänderungen mittels Mikrowellenlink gemessen, damit werden Auflösungen im µm-Bereich (millionstel Meter) erreicht. Bei der Nachfolgemission GRACE-FO soll zusätzlich ein Laser zur Abstandsmessung eingesetzt werden.
Die zwei Satelliten dieser deutsch-amerikanischen Mission werden bei Airbus D&S in Friedrichshafen aufgebaut. Das Laser Ranging Instrument wird von der Firma SpaceTech in Immenstaad (STI) bereitgestellt und in die Satelliten integriert werden. Die Mission wurde im Mai 2018 gestartet.
Das LRI wird unter Führung von STI in enger Zusammenarbeit u.a. mit dem NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme (DLR-OS, Berlin-Adlershof) und dem Bremer DLR-Institut für Raumfahrtsysteme (DLR-RY) aufgebaut. Die deutschen Beitrage – auch LRI-D genannt – sind u.a. die optische Bank (OBA – Optical Bench Assembly), der Retroreflektor (TMA – Triple Mirror Assembly) sowie die Auswerteelektronik (OBE – Optical Bench Electronic). Die Hauptbeiträge der amerikanischen Partner – auch LRI-U genannt – sind der Laser, eine optische Frequenzreferenz (Cavity) und der Prozessrechner (LRP – Laser Ranging Processor).
Die Sub-Units des LRI-D (TMA, OBA, OBE) werden zunächst als EM (Engineering model) und als QM (qualification model) aufgebaut und getestet. Bereits in dieser frühen Phase des Projekts ist es nötig entsprechendes Testequipment (OGSE – optical ground support equipment) zur Verfügung zu stellen um wesentliche Parameter der Hardware zu testen.
Nach den erfolgreich bestandenen Tests können die Flugmodelle gefertigt und anschließend getestet werden. Diese Tests werden im Weiteren als Sub-Unit Tests bezeichnet.
Im nächsten Schritt wird das Zusammenspiel der einzelnen Sub-Units getestet. Dazu werden TMA, OBA, OBE und andere Sub-Units auf einer Main Equipment Plattform (MEP) zum LRI-D verbunden und getestet und im folgenden Schritt mit den amerikanischen Sub-Units erweitert. Dieser Prozess wird für beide LRI-Aufbauten durchgeführt und im Anschluss daran wird das dritte (Spare) LRI aufgebaut. An LRI-1 und LRI-2 werden umfangreiche Tests durchgeführt. Diese Tests werden im folgenden Tests auf Unit Level bzw. LRI Level genannt.
Beide LRIs werden bei Airbus D&S (Friedrichshafen) auf je einem Satelliten integriert. Während des Integrationsprozesses und im Anschluss daran werden wiederum umfangreiche Tests durchgeführt um sicherzustellen, dass die volle Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigt wurde.
Nach erfolgreicher Integration werden beide Satelliten 2016 zur Firma IABG nach Ottobrunn gebracht und dort thermal getestet. Auch hier werden einige Tests vor Ort durchgeführt. Anschließend findet der Rücktransport zu Airbus D&S statt. All diese Tests werden im Weiteren als S/C Level Tests bezeichnet.
Im weiteren Verlauf des Projektes werden die Satelliten nicht nur für sich allein, sondern auch im Verbund getestet. Hierzu ist es notwendig, den Laserstrahl des einen Satelliten in den zweiten Satelliten zu koppeln und umgekehrt. Diese Tests des Gesamtsystems werden S/C to S/C Level Tests genannt und sollen die volle Funktionsfähigkeit der laserbasierten Abstandsmessung demonstrieren. Während der Vorbereitung auf den Start werden ggf. weitere ‚Health-Checks‘ an den Satelliten durchgeführt.
Um alle Eigenschaften des LRIs von Sub-Unit Level bis S/C to S/C Level testen zu können benötigt man verschiedene optische Aufbauten, die im Projekt unter dem Begriff Optical Ground Support Equiment (OGSE) zusammengefasst werden. Nicht alle Teststände werden in allen Phasen benötigt, einige nur auf Sub-Unit Level, andere müssen zur Verwendung auf dem nächsten Level angepasst werden. Design und Realisierung der Teststände sowie Durchführung und Auswertung der entsprechenden Messungen stellen dabei den Anteil des DLR-RY zum Gelingen der Mission dar.