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Autor: Stefan Heykes / 27. Februar 2013, 21:11 Uhr

Spektr-R - die Technik im Einsatz

Nach Geschichte und Orbit dieser Astronomiemission soll es zum Abschluss dieser kleinen Artikelserie um die Technik gehen. Vor allem die im Praxistest ermittelten Unterschiede zur Planung werden hier beschrieben.

Quelle: Nikolai Kardaschow
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ASC Lebedew

Spektr-R im All
(Bild: ASC Lebedew)
Die Hauptnutzlast von Spektr-R ist das "Kosmische Radioteleskop" (KRT). Es handelt sich um eine Parabolantenne von 10m Durchmesser. Im Fokus besitzt sie Empfänger für vier Frequenzbänder. Empfangen werden die Wellenlängen im Bereich von 1,35cm; 6,2cm; 18cm und 92cm. Jeder Empfänger besteht aus zwei Teilen, einem für linksdrehend polarisierte Wellen und einem für rechtsdrehend polarisierte.

Um das Rauschen der Instrumente zu verringern, werden die Empfänger und die nachgeschalteten Verstärker heruntergekühlt auf Temperaturen von 130-150K, das entspricht etwa -140°C bis -120°C. Erreicht wird diese Kühlung dadurch, dass die Empfänger im Schatten der Antenne liegen. Das bedeutet allerdings auch, dass Spektr-R nur auf Ziele ausgerichtet werden kann, die von der Sonne abgewandt sind. Würde man in Richtung Sonne schauen, wäre das Rauschen der Instrumente stark erhöht. Außerdem gibt es keine Garantie dafür, dass die reflektierende Beschichtung der Antenne direkte Sonnenstrahlung übersteht. Daher muss die Blickrichtung von Spektr-R mindestens senkrecht zu eintreffenden Sonnenstrahlen sein, darf aber auf keinen Fall die Sonne direkt auf die Antenne strahlen lassen.

Die empfangenen Daten werden dann vom Kommunikationssystem "VIRK" in Echtzeit zur Erde übertragen. Dazu wird eine Parabolantenne mit 1,5m Durchmesser auf der Rückseite von Spektr-R verwendet. Die Sendefrequenz beträgt 15GHz. Dabei wird ein hochgenauer Zeitstempel von der an Bord befindlichen Atomuhr mitgesendet, der die spätere Kombination mit am Boden gewonnenen Daten ermöglicht.

Spektr-R ist in der Lage, autonome Antennentests durchzuführen, um damit die genauen Parameter des Systems zu bestimmen. Dazu gehört die Messung des Rauschens. Dieses ist zum Einen durch die Instrumente bedingt, zum Anderen aber auch durch die unregelmäßig verteilte Radio-Hintergrundstrahlung aus dem Universum. Eine weitere wichtige Messung ist die Bestimmung der effektiven Antennenfläche. Diese wird bestimmt, indem die empfangene Strahlungsleistung von bekannten Strahlungsquellen mit der empfangenen Leistung von Bodenteleskopen verglichen wird.

Die Testergebnisse im Orbit liefern dabei im Vergleich zu den Erwartungen ein gemischtes Bild. Eine positive Überraschung war, dass es innerhalb des gesamten Empfangssystems fast keine Interferenzen gibt. Dies war noch bei den Bodentests anders gewesen. Negativ aufgefallen ist jedoch das 1,35cm-Band. Offenbar wurde der Empfänger dafür nicht exakt korrekt positioniert (die geschätzte Abweichung beträgt 3mm), so dass die effektive Antennenfläche nur bei 7,5m2 liegt. Geplant waren jedoch 24m2 für dieses Band. Je größer die effektive Fläche ist, umso mehr Strahlung kann gesammelt werden. Daher bedeutet dieses Ergebnis, dass für die gleiche empfangene Strahlungsmenge die Beobachtungszeit leider deutlich länger als erwartet werden muss.

Im Wesentlichen entsprechen aber die effektiven Antennenflächen der anderen Bänder den Erwartungen. Für 6,2cm und 18cm sollten es je 40m2 sein, erreicht wurden 35m2 und 41m2. Bei 92cm wurden die Planungen sogar leicht übertroffen, hier stehen 30m2 statt 24m2 zur Verfügung. Die Unterschiede im Vergleich zur Planung ergeben sich durch kleine Abweichungen in Position der Bauteile und in der Qualität der Reflektoroberfläche. Das systematische Grundrauschen aller Empfänger liegt leicht über den Erwartungen, nur im 6,2cm-Band gibt es einen krassen Ausreißer. Hier ist das Rauschen doppelt so stark wie erwartet.

ASC Lebedew

Antenne mit Fokalcontainer (enthält die Empfänger) bei Bodentests
(Bild: ASC Lebedew)
Die Antenne selbst ist offensichtlich von besserer Qualität als geplant, da anders die größeren effektiven Antennenflächen nicht erklärbar sind. Die Vorgabe für die Oberflächengenauigkeit war eine maximale Abweichung von 2mm. Praktisch erreicht wurden etwa 0,77mm.

Neben diesen Abweichungen gibt es jedoch auch einen größeren Defekt. Es ist nicht möglich, beim 6,2cm-Band beide Polarisationen gleichzeitig zu verwenden. Lediglich wenn nur ein Empfänger auf einmal verwendet wird, funktioniert dieses Band. Vermutlich hängt auch das erhöhte Grundrauschen in diesem Band damit zusammen. Die genaue Fehlerursache wird aber noch untersucht.

Abschließend bleibt festzuhalten, dass Spektr-R sich im Einsatz bereits bewährt hat. Es gibt zwar in manchen Bereichen technische Probleme und dadurch leichte Einschränkungen der Möglichkeiten, aber dennoch können alle geplanten Vorhaben durchgeführt werden. Angesichts der Krise der russischen Raumfahrt ist das definitiv eine positive Nachricht. Die erste große wissenschaftliche Raumfahrtmission Russlands, die auf bestem Wege ist ein Erfolg zu werden. Die 15 Jahre vor Spektr-R gestartete Sonde Mars-96 konnte die in sie gesetzten Hoffnungen schließlich ebenso wenig erfüllen wie die wenige Monate nach Spektr-R gestartete Fobos-Grunt.

Persönlicher Kommentar des Autors: Angesichts dieser herausgehobenen Rolle der Mission ist es bedauerlich, dass nur relativ wenige Nachrichten von Roskosmos oder den beteiligten Instituten zu hören sind. Dies betrifft vor allem die russischen Institute wie das ASC Lebedew, aber zum Beispiel auch das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Dieses trägt mit dem Effelsberger 100m-Radioteleskop und mit dem DiFX-Korrelator (einem von nur zwei verfügbaren Systemen - der andere ist der des Lebedew-Instituts in Moskau) einen wichtigen Anteil bei, hat aber im gesamten Missionszeitraum erst eine einzige Mitteilung dazu herausgegeben

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