Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Arianespace, DLR, ESA.

Der Start erfolgte vom Europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana aus. Die in Russland von TsSKB-Progress gebaute Sojus-Rakete mit einer Fregat-Oberstufe vom russischen Hersteller NPO Lawotschkin hob wie geplant um 10.12 Uhr und 19 Sekunden MEZ von der in Kourou existierenden Sojus-Startrampe ab, nachdem ihre fünf Haupttriebwerke 3 Sekunden vorher vollen Schub erreicht hatten. Beim Abheben liefen alle Triebwerke der vier Außenblocks, sowie das des Zentralblocks zusammen.

Nach einer Flugzeit von einer Minute und 58 Sekunden wurden die Außenblocks, wegen ihres Aussehens scherzhaft auch als Mohrrüben bezeichnet, abgeworfen und der Zentralblock sorgte alleine für den weiteren Aufstieg des Projektils. Als eine ausreichend große Höhe erreicht war, wurde die die Oberstufe und Gaia als Nutzlast umschließende Nutzlastverkleidung nach 3 Minuten, 40 Sekunden Flugzeit abgeworfen, nachdem sie ihre Schutzfunktion in den dichteren Schichten der Atmosphäre erfüllt hatte. Der Zentralblock, der in seinen Triebwerken genau wie in denen der Außenblocks Kerosin mit flüssigem Sauerstoff (LOX) verbrannte, stellte rund eine Minute später seine Arbeit ein und wurde nach 4 Minuten und 48 Sekunden Gesamtflugzeit abgeworfen.

Die zweite oder, je nach Betrachtung der Konstruktion mit Zentral- und Außenblocks, dritte Stufe der Rakete hatte anschließend die Aufgabe, Geschwindigkeit und Flughöhe des Fluggeräts weiter zu steigern. Die Stufe verbrannte in ihren Triebwerken ebenfalls Kerosin mit flüssigem Sauerstoff und hatte ihre Arbeit mit ihrer Abtrennung nach einer Gesamtflugzeit von 9 Minuten und 23 Sekunden erledigt.

Rund eine Minute später zündete die unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH) mit Distickstofftetroxid (NTO) verbrennende Fregat-Oberstufe ihre Triebwerke für eine erste Brennphase. Diese war nach einer Gesamtflugzeit von 12 Minuten und 39 Sekunden beendet. Die Oberstufe und auf ihr eine Nutzlast mit einer Gesamtmasse von 2.105 kg (lt. Arianespace) befanden sich nun auf einer Parkbahn rund 175 km über der Erde.

Die zweite Brennphase der Fregat-Oberstufe begann 21 Minuten und 25 Sekunden nach dem Abheben und endete nach 36 Minuten und 59 Sekunden Gesamtflugzeit auf einer Fluchtbahn von der Erde. Die Oberstufe manövrierte sich anschließend in eine Fluglage, die für eine Aussetzen von Gaia geeignet war. Dann wurde das Weltraumteleskop mit einer Startmasse von 2.034 Kilogramm (lt. Arianespace) 41 Minuten und 59 Sekunden nach dem Start ausgesetzt.

Das Europäische Bahnverfolgssystem (ESTRAC) hatte Gaia zwischenzeitlich erfasst und überwacht, nach der Abtrennung von der Oberstufe konnte Gaia vom europäischen Raumflugkontrollzentrum der ESA (ESOC) in Darmstadt kontrolliert und gesteuert werden, während die Systeme des vom europäischen Raumfahrtkonzern EADS Astrium gebauten Satelliten hochfuhren und automatische Sequenzen anliefen. Dabei wurden unter anderem Kommunikationstransceiver des Satelliten aktiviert und Gaia musste eine konkrete Ausrichtung zur Sonne einnehmen.

Eine Stunde und 17 Minuten nach dem Abheben begann eine wichtige Sequenz, nämlich das Entfalten von Gaias Sonnenschild, ohne den das Teleskop seinen Beobachtungsauftrag nicht durchführen kann. 10 Minuten später hatte der Schild seine maximale Ausdehnung – Durchmesser rund 10,5 Meter – erreicht und beim Flugleitzentrum gingen Telemetriedaten ein, die den erfolgreichen Abschluss der Aktion bestätigten. Der Schild wird also eine definierte Arbeitstemperatur der Beobachtungsinstrumente an Bord von Gaia sicherstellen können.

Während des Entfaltungsvorgangs befand sich Gaia bereits auf dem Weg zum rund 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrangepunkt 2 (L 2) des Sonne-Erde-Systems, den das Raumfahrzeug in rund drei Wochen erreichen wird. Unterwegs sind drei Kurskorrekturren für Gaia eingeplant. Eine erste Zündung der Bordtriebwerke von Gaia ist für den (heutigen) 20. Dezember 2013 vorgesehen. 20 Tage nach dem Start soll eine weitere Brennphase der Bordtriebwerke für das Erreichen des Einsatzorbits um L 2 sorgen.

Damit Gaia nach Erreichen der vorgesehenen Bahn ab März 2014 erste Daten liefern kann, beginnt man eine rund vier Monate dauernde Einsatzerprobungsphase bereits beim Überflug Richtung L 2. In ihrem Rahmen werden sämtliche Systeme und Instrumente an Bord des Weltraumteleskops aktiviert und soweit erforderlich kalibriert.

Ist das dreiachsstabilisierte Weltraumteleskop bereit, kann es Daten für die bisher genaueste Karte unserer Milchstraße sammeln, und hoffentlich Hinweise auf Ursprung und Entstehungsgeschichte unserer Heimatgalaxie liefern. Endgültige Ergebnisse von Gaias Arbeit werden ab 2021 erwartet, wenn Positionen und Bewegungen von etwa 1 % der insgesamt geschätzt rund 100 Milliarden Sterne erfasst und die entsprechenden Daten auf geeignete Art und Weise verarbeitet wurden.

Mit seinen beiden hoch genauen Teleskopen und der Kamera mit 106 einzelnen lichtempfindlichen CCD-Sensoren und nicht ganz einer Milliarde Pixel kann Gaia durchschnittlich 250 Sterne pro Sekunde beobachten, hofft man. Lässt sich das über einen Großteil der geplanten Einsatzdauer von 5,5 Jahren durchhalten, entsteht eine Datenmenge von rund einem Petabyte, entsprechend der Speicherkapazität von circa 200.000 DVDs.

Dem ESOC fällt beim Empfang der erwarteten Datenmengen die Federführung zu, ein DPAC genanntes Konsortium zur Verarbeitung und Analyse der Gaia-Daten mit über 400 Mitarbeitern aus wissenschaftlichen Instituten aus ganz Europa soll sich der Nutzbarmachung und Auswertung widmen.

Die Bereitstellung von Software und Infrastruktur zur Weiterverarbeitung der Daten erfolgt maßgeblich durch das Astronomische Rechen-Institut (ARI) am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) und das Lohrmann-Observatorium der TU Dresden.

Gaia war der 25. wissenschaftliche Satellit, der unter der Ägide von Arianespace in den Weltraum transportiert wurde.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA.

LADEE dient der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) entsprechend ihrer Namensgebung Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer zur Erforschung der Mondatmosphäre und des Mondstaubes. Zusätzlich ist die Sonde mit einer experimentellen Laser-Kommunikationsnutzlast namens Lunar Laser Communication Demonstrator (LLCD) ausgestattet.

Die Verwendung von Laserlicht zur Datenübertagung durch Raumfahrzeuge und Bodenstationen wie der des ESA-Bahnverfolgungsnetzes (ESTRAC) verspricht Datenübertragungsraten, die deutlich über denen liegen, die man beim Einsatz üblicher Funkverbindungen, also bei der Verwendung von Radiowellen zur Kommunikation, erreichen kann.

Eine auf der spanischen Kanareninsel Teneriffa etablierte Bodenstation mit der Bezeichnung Optical Ground Station (OGS) hat die ESA mit einem in Dänemark von Axcon und der Schweiz von der RUAG entwickelten Laserkommunikationsterminal nachgerüstet, das man für geeignet hielt, die stark fokussierten Strahlen mit einer Wellenlänge von 1550,12 Nanometern von LADEE zu erfassen.

Am 26. Oktober 2013 gelang es zum ersten Mal, Sendungen von LADEE mit der rund 2.393 Meter hoch gelegenen Station auf Teneriffa zu empfangen. In den folgenden Tagen konnten mehrere Kommunikationssitzungen abgewickelt werden, während derer Daten von der Mondsonde empfangen und an sie gesendet wurde. Beim Datenempfang konnten Datenübertragungsraten bis zu 40 Megabit pro Sekunde realisiert werden – ein mehrfaches der Datenübertagungsrate eines gewöhnlichen Breitband-Internetanschlusses (DSL-6000 z.B. erreicht max. 6 Megabit pro Sekunde). Zwischen dem 26. und dem 29. Oktober 2013 fanden insgesamt acht Kommunikationssitzungen statt.

Auf Grund der erforderlichen sehr großen Ausrichtungsgenauigkeit eines Laserkommunikationsterminals gab es einige Anfangsschwierigkeiten, die man bei der ESA aber angesichts des erreichten Entwicklungsstadiums als normal ansieht. Aufgetretene Probleme werden analysiert.

Der Kontakt von LADEE mit der ESA-Station auf Teneriffa kam nur wenige Tage nach der allerersten Datenübertragung via Laserlicht aus dem Mondorbit am 18. Oktober 2013, welche eine NASA-Bodenstation auf dem Testgelände White Sands in Las Cruces im US-amerikanischen Bundesstaat Neumexiko erreichte, zu Stande.

Laserlichtkommunikation in einem Wellenlängenbereich des nahen Infraroten (NIR) könnte in Zukunft maßgebliche Bedeutung bekommen, wenn es erforderlich wird, sehr große Datenmengen von Raumfahrzeugen in Umlaufbahnen um die Erde, den Mars oder noch weiter entfernte Planeten zu Bodenstationen auf der Erde zu übertragen.

Kommunikationsnutzlasten für die Laserlichtkommunikation lassen sich kleiner und leichter bauen als solche zur Funkkommunikation. Das könnte zur geringeren Missionskosten führen, und erlaubt neuartige, regelmäßig große Datenmengen generierende wissenschaftliche Nutzlasten.

Die Testkampagne auf Teneriffa läuft weiter. Die beteiligten Wissenschaftler und Techniker sind zuversichtlich, dass man die Praktikabilität von optischen Datenverbindungen mit hoher Datenübertragungsrate für zukünftige Raumfahrtmissionen nachweisen können wird.

Im Verlauf der nächsten Wochen will man den Datenversand mit 20 Megabit pro Sekunde von Teneriffa in den Mondorbit probieren, und hochgenaue Messungen der Laufzeit des Laserlichts zwischen der Bodenstation und LADEE durchführen, was es ermöglicht, Informationen zur Berechnung der Bahnparameter der Mondsonde zu gewinnen.

Der Untersuchung des Einflusses der atmosphärischen Bedingungen auf Laserlichtübertragungen dient Ausrüstung vom Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Mit ihrer Hilfe hofft man zu erfahren, wie man die Leistung optischer Datenverbindungen zu Raumfahrzeugen weiter verbessern kann.

Raumcon-Forum:

• LADEE

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA.

Im Jahr 2008 war die Station auf der Azoreninsel Santa Maria in der Nähe des rund 3.000 Einwohner zählenden Ortes Vila do Porto in Betrieb genommen worden. Integriert ist sie in das Bahnverfolgungsnetz der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA), genannt ESTRAC. Mit der 5,5 Meter durchmessenden Antenne leistet Santa Maria grundlegende Unterstützung bei der Starts von Ariane-5-Raketen, wie zum Beispiel beim bevorstehenden Ariane-Flug Nr. V200, bei dem das ATV 2 auf den Weg zur Internationalen Raumstation (ISS) gebracht werden soll.

Mit einem Startgewicht von etwas über 20 Tonnen, Treibstoffe, Nahrungsmittel und weitere Fracht für die ISS eingeschlossen, ist das ATV das größte und ausgeklügeltste Raumfahrzeug, das in Westeuropa je gebaut wurde. Johannes Kepler, das zweite aus der Serie dieser Transportschiffe, ist für einen Start am 15. Februar 2011 vorgesehen. Am 23. Februar 2011, also 8 Tage später, soll es an die ISS ankoppeln. Bis Juni 2011 unterstützt es die ISS dann nicht nur durch die mitgebrachten Versorgungsgüter, sondern auch durch mit eigenen Triebwerken ausgeführten Anhebungen der Bahn der Station.

Die ISS kreist auf einer Bahn mit einer Neigung von 51,6 Grad gegen den Äquator um die Erde. Auf eine ebensolche Bahn muss ein ATV gebracht werden, wenn es die ISS anfliegen soll. Um ein ATV in einen Orbit zu bringen, aus dem es die ISS erreichen kann, muss die Ariane 5 eine Flugbahn verfolgen, die sie wenige Minuten nach dem Start in Kourou auf Französisch-Guayana fast direkt über Santa Maria führt.

Wegen dieses Weges, den die Ariane mit ihrer Nutzlast nimmt, war es erforderlich, ein neues Netzwerk von Bahnverfolgungsstationen einzurichten, um in Echtzeitdaten über den Flugverlauf an die Kontrollzentren übermitteln zu können. Bei ATV-Starts geben Bahnverfolgungsstationen der ESA in Übersee Daten an die französische Raumfahrtagentur (CNES) weiter.

In der kommenden Woche wird eine Ariane 5 mit Kepler an Bord in 130 Kilometern Höhe über Santa Maria hinweg ziehen und dabei für rund 8 Minuten im Sichtfeld der Antenne der Bahnverfolgungsstation auf der Insel sein. Während des Überflugs wird die Station sekundengenaue Informationen über den Zustand der Systeme der Ariane 5, beispielsweise aus den Bereichen Antrieb, Lenkung und Navigation, empfangen.

Nach dem Passieren der Insel wird V200 Europa und Südostasien überfliegen. Ist erst einmal Australien erreicht, überwachen eine mit einer 15 Meter durch-messenden Antenne ausgestattete Station im australischen Perth und eine mobile Station bei Awaroa, Neuseeland, den Flug.

Wurde die Erde dann einmal umrundet, befindet sich das ATV bereits im Alleinflug. In 250 Kilometern Höhe zieht es, wieder im Empfangsbereich von Santa Maria, über die Erde, während die abgetrennte Raketenoberstufe auf dem Weg zurück zur Erde ist. Im Verlauf ihres zweiten Erdumlaufs wird sie wieder in die Erdatmosphäre eintreten und dabei zerstört werden.

Im August und September 2010 waren in einer Reihe von Tests die technischen Anlagen auf Santa Maria überprüft worden, im Januar 2011 konnte die volle Betriebsbereitschaft in zusätzlichen Tests bestätigt werden. Auf der Azoreninsel ist man also vorbereitet. Laut Gerhard Billig, ESAs leitendem Ingenieur für die Bahnverfolgung bei Raketenstarts, erwartet man am 15. Februar einen intensiven, erfolgreichen Arbeitstag. Kepler kann kommen!

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