Erstellt von Axel Nantes. Quelle: NASA, NRO, Raumfahrer.net, USAF

Die Desintegration von DMSP F13, einem am 24. März 1995 von der Luftwaffenbasis Vandenberg aus gestarteten Wettersatelliten aus der Modellreihe DMSP-5D2 mit einer Anfangsmasse im Orbit von 831 Kilogramm, führen Ermittler auf einen Fehler im Akkumulatorensystem des Satelliten zurück.

Die DMSP-5D2-Satelliten waren von Lockheed Martin bzw. den Vorgängerunternehmungen General Electric Astro-Space Division und Martin Marietta Astro Space gebaut worden.

Die Akkumulatoren der jeweils 25,5 Amperestunden fassenden Akkumulatorensätze selbst sind bei den DMSP-5D2-Raumfahrzeugen ringförmig verteilt außen an einem Ende des Hauptkörpers montiert.

Bei DMSP F13 (NORAD 23.533, COSPAR 1995-015A, Tarnbezeichnung USA 109) führte der Versager in der Stromversorgung des rund 3,7 Meter langen Satelliten mit einem Hauptkörperdurchmesser von rund 1,2 Metern dazu, dass eine Anzahl von neuen Trümmerteilen auf unterschiedlichen Bahnen um die Erde kreisen.

Relativ bald nach dem Schadensereignis konnte die USAF eigenen Angaben zufolge 147 Objekte ausmachen, deren Durchmesser sich im Bereich zwischen 7,5 und rund 75 Zentimetern bewegt.

Eine durch Wissenschaftler einer Raumfahrtforschungsgruppe der Universität Southampton in Großbritannien durchgeführte Untersuchung spricht davon, dass neben den relativ einfach via Radar vom Erdboden auszumachenden Trümmerteilen möglicherweise über 50.000 Bruchstücke in einer Größe ab einem Millimeter erzeugt wurden.

Nach dem wegen eines mutmaßlich abgenutzten Kabelstrangs und einem Kurzschluss in einem Akkuladeregler an Bord des Satelliten aufgetretenen Fehler hat die USAF das beschädigte Raumfahrzeug stillgelegt.

Die USAF berichtete, dass die Außerdienststellung des auf sonnensynchronem, polaren Orbit in Höhen zwischen 840 und 860 Kilometern um die Erde kreisenden Satelliten innerhalb von Stunden erfolgt, und dadurch die Gefahr des Abstoßens weiterer Trümmerteile abgewendet worden sei.

Der Kurzschluss im Laderegler führte wahrscheinlich zu einer Überladung von Nickel-Cadmium-Akkumulatorenzellen, welche überhitzten und schließlich platzten. Der Satellit wurde weit jenseits seiner Auslegungsbetriebsdauer von vier Jahren betrieben und hatte zu diesem Zeitpukt mehr als 100.000 Erdumrundungen absolviert.

Personal, das mit der Überwachung und Steuerung von DMSP F13 betraut war, hatte vor dem Zerlegeereignis steigende Temperaturen und Stromstärken beobachtet. Eine sich zügig verschlechternde Situation führte schließlich dazu, dass man aus Daten der nächsten Kommunikationssitzung zwischen Satellit und Bodenstation entnehmen musste, dass ein Akkumulatorensatz nicht mehr zur Verfügung stand, ein weiterer wechselnde Daten zu seinem Ladezustand lieferte und das Raumfahrzeug sich in unbeabsichtigter Drehung befand.

Offensichtlich war schnell klar: DMSP F13 würde sich nicht mehr sinnvoll einsetzen lassen. Der Verlust einer kontrollierten Ausrichtung im Raum war nicht mehr zu beheben.

Innerhalb von fünf Stunden wurden Kommandos an den Satelliten gesandt, die die Abschaltung der Nutzlast zur Wetterbeobachtung, die Unterbrechung der Verbindung der verbliebenen Akkumulatoren mit dem Solarpanel (Fläche 9,29 Quadratmeter) des Satelliten und die endgültige Abschaltung der Sendeeinrichtungen an Bord anstoßen sollten.

DMSP-5D2-Satelliten (F6 bis F14), die wie zahlreiche andere militärische und zivile Wettersatelliten auf dem TIROS-N genannten Satellitenbus aufgebaut sind, besitzen Laderegler, die dafür bekannt sind, sich schwierig zusammen setzen zu lassen. Ihr Funktionieren erfordert akribisches Arbeiten bei der Herstellung. Ihre Konstruktion geht auf einen Entwurf aus dem Jahre 1972 zurück.

Im Laderegler vorhandene Kabelstränge sind ungünstig verlegt. Die Isolation der Kabel kann wegen dieses fehlerhaften Entwurfs soweit abgerieben werden, bis blankes Leitermaterial zum Vorschein kommt. Die blanken Stellen sind es dann letztlich, die Kurzschlüsse verursachen können.

Sieben weitere Satelliten teilen die konstruktiven Details von DMSP F13 – und bergen auch nach einer Passivierung noch das Risiko von entwurfsfehlerinduzierten Akkuexplosionen. Eine Möglichkeit, zu verhindern, daß sie das gleiche Schicksal teilen, besteht nicht. Das fehlerhaft konstruierte Akkuladesystem lässt sich im Weltraum nicht ersetzen, und eine wirksame Möglichkeit zur vollständig nachhaltigen Abschaltung entsprechender Satellitensysteme oder Leitungswege besteht im konkreten Fall wohl nicht.

Üblicherweise versucht man bei der sogenannten Passivierung eines Satelliten im Zuge seiner Ausserdienststellung alle Behälter, die unter Druck stehende Flüssigkeiten oder Gase enthalten, zum Vakuum hin zu entleeren. Druckgase und Treibstoffe lässt man ab, Akkumulatoren entlädt man. So hofft man beispielsweise die Explosionsereignisse zu verhindern, bei denen Weltraumschrott entsteht, welcher dann eine konkrete Gefahr für andere Raumfahrzeuge darstellt.

Am 15. April 2004 hatte DMSP F11 eine Trümmerwolke verursacht. Verantwortlich dafür ist vermutlich ein in Nachbarschaft zu Akkumulatoren montierter, geplatzter Treibstofftank, der zum Zeitpunkt des Versagens noch rund sechs Kilogramm Hydrazin enthielt.

Die konstruktiv verwandten zivilen Wettersatelliten der US-amerikanische Wetterbehörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) erlitten ebenfalls trümmergenerierende Schadenereignisse.

Eine Schraube, die möglicherweise so fest angezogen war, dass ihr unteres Gewindeende in Verbindung mit darunter befindlichem leitfähigen Material kommen kann, hat im August 1994 in NOAA 13 vermutlich die übermäßige Erwärmung einer Elektronikbox und den Ausfall der Akkuladung verursacht.

NOAA 8 erlitt im Juni 1984 nach Überladung und Überhitzung eine trümmergenerierende Akkumulatorenexplosion. Von NOAA 7 ist bekannt, dass er im August 1997 Teile verlor.

Nach Angaben der USAF benutzen die letzen Modelle der DMSP-Satelliten (Version 5D3) geänderte Akkulader. Mit einem solchen ist angeblich auch der aktuell eingelagerte DMSP S20 ausgestattet.

DMSP S20 mit drei Akkumulatorensätzen á 50 Amperestunden und einer Startmasse im Bereich von 1.200 Kilogramm soll aktuellen Planungen zufolge frühestens im Jahre 2020 in den Weltraum transportiert werden. Aktiv wird er sodann als DMSP F20 bezeichnet werden.

Das S in der Bezeichnung steht für Spare bzw. Ersatz, das F für Flight bzw. Flug. Das Kürzel DMSP steht für Defense Meteorological Satellite Program, übersetzt etwa Militärisches Wettersatellitenprogramm.

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• Weltraummüll: Militär-Wettersatellit DMSP-5D2 F13

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, USGS.

Während der vergangenen Woche waren die Techniker und Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien damit beschäftigt, die Ursache für eine am 17. November 2013 registrierte Spannungsveränderung in dem elektrischen System des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde betriebenen Marsrovers Curiosity zu untersuchen (Raumfahrer.net berichtete über dieses Problem).

„Wir haben zunächst eine Liste der möglichen Ursachen erstellt und konnten diese dann Punkt für Punkt ausschließen“, so Rob Zimmerman vom JPL.

Da die Untersuchung des aufgetretenen Problems – es handelte sich um eine plötzlich aufgetretene Veränderung des Spannungsunterschiedes zwischen dem Fahrgestell und der 32-Volt-Stromschiene von Curiosity – oberste Priorität besaß wurden die wissenschaftlichen Aktivitäten des Rovers zunächst vorläufig komplett eingestellt. Stattdessen wurde die Aufzeichnungsrate von verschiedenen Telemetriewerten deutlich erhöht. Für die Untersuchung des Problems relevante elektrische Messwerte wurden dabei statt einmal pro Minute – dies entspricht der üblichen Aufzeichnungsrate im Normalbetrieb – bis zu acht Mal pro Sekunde aufgezeichnet und anschließend bei der nächsten sich bietenden Möglichkeit an das Roverkontrollzentrum übermittelt und dort anschließend ausgewertet.

Parallel zu diesen vermehrten Telemetriewert-Aufzeichnungen haben die Techniker und Ingenieure des JPL während der letzten Woche außerdem diverse Tests und Analysen durchgeführt. Hierbei wurden unter anderem kurzzeitig einige Reserve-Komponenten des Rovers aktiviert, um zu ergründen, ob vielleicht ein Kurzschluss in bestimmten Sensoren oder elektrischen Bauteilen für die beobachtete Veränderung des Spannungsunterschiedes verantwortlich ist. Immerhin bestand die Möglichkeit, dass der aufgetretene Spannungsunterschied ein Hinweis auf eine beschädigtes Bauteil sein könnte.

Bei den Untersuchungen stellte sich jedoch letztendlich heraus, dass sehr wahrscheinlich der als Energiequelle verwendete Radioisotopengenerator des Rovers für das aufgetretene Problem verantwortlich war. Hier ist vermutlich ein interner Kurzschluss aufgetreten, der die aktuelle Funktionsfähigkeit des MMRTG, welcher allerdings auch bewußt über ein für solche Ereignisse ausgelegtes „unverwüstliches“ Konstruktionsprinzip verfügt, nicht weiter beeinflusst.

Insgesamt wurden die wissenschaftlichen Arbeiten des Rovers für diese Analysen für einen Zeitraum von sechs Tagen unterbrochen und erst am 23. November wieder aufgenommen. Dabei stellte sich heraus, dass sich der Spannungsunterschied wieder auf das vorherige Niveau von 11 Volt eingepegelt hatte. Auch dieses Verhalten, so das Team des JPL, ist ein Indiz dafür, dass ein interner Kurzschluss im MMRTG für das Problem verantwortlich ist und das „Problem“ somit als harmlos anzusehen ist. Vergleichbare Ereignisse, so das JPL, können allerdings jederzeit erneut auftreten.

Ähnliche Ereignisse wurden auch schon bei anderen Raumsonden, so zum Beispiel bei dem Saturnorbiter Cassini beobachtet, welche über vergleichbare Energiequellen verfügen. Diese Ereignisse führten durchweg zu keiner dauerhaften Beeinträchtigung der Radioisotopengeneratoren und hatten keine Leistungsminderung zur Folge. Dies sollte auch bei Curiosity der Fall sein. Aufgrund mehrjähriger Tests mit einem baugleichen MMRTG gehen die Mitarbeiter der Curiosity-Mission davon aus, dass auch der Marsrover selbst dann nicht in eine problematische Situation geraten wird, wenn solche Ereignisse erneut auftreten sollten.
Fortsetzung des Betriebes
Im Verlauf des vergangenen Wochenendes wurden Teile einer Bodenprobe, welche bereits vor mehreren Monaten in der Region „Cumberland“ entnommen wurden und die sich seitdem im Inneren des für Probenentnahmen ausgelegten CHIMRA-Systems befanden, in das Innere des Analyseinstrumentes SAM befördert. Diese Proben sollen jetzt in den kommenden Tagen bei passenden Gelegenheiten analysiert werden. Außerdem wurden die verschiedenen Kamerasysteme des Rovers eingesetzt, um diverse Aufnahmen der Umgebung sowie des Rovers anzufertigen.

Und auch die Fahrt des Rovers soll bereits demnächst fortgesetzt werden. Auf der dabei vorgesehenen Route zum Rand des etwa 5,5 Kilometer hohen Aeolis Mons, dem Zentralberg im Inneren des Gale-Kraters, wurden von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern insgesamt fünf Punkte – die sogenannten „Waypoints“ – ausgewählt, an denen der Rover jeweils mehrtägige Stopps für ausführlichere wissenschaftliche Untersuchungen einlegen soll. Das wissenschaftliche Ziel dieser Analysen besteht darin, Informationen über die Geologie des Geländes zu sammeln, welches sich zwischen der Region Shaler und dem Aeolis Mons befindet. Diese Daten sollen den Wissenschaftlern dabei helfen, die zwischenzeitlich gewonnenen Informationen in einen Kontext zu den Erkenntnissen zu setzen, welche zukünftig bei den geschichteten Gesteinsablagerungen des Zentralberges erlangt werden sollen. Ein spezielles Augenmerk soll dabei auf geologische Strukturen gerichtet werden, welche offensichtlich durch fließendes Wasser erzeugt beziehungsweise verändert wurden.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 465 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von mehr als 4.300 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Seit dem Erreichen unseres Nachbarplaneten haben die Kamerasysteme von Curiosity 102.268 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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• Aktuelle Diskussion zu Curiosity

Der Beitrag Curiosity hat seine Arbeit wieder aufgenommen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, USGS.

Nach der Behebung eines im Rahmen eines Software-Updates aufgetretenen Problems, welches dazu führte, dass sich der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrover Curiosity vorübergehend in einen sogenannten „Sicherheitsmodus“ versetzte (Raumfahrer.net berichtete), konnte der Rover seine Fahrt am vergangenen Wochenende zunächst erfolgreich fortsetzten. Am 14., 15. und 16. November legte Curiosity dabei im Rahmen von drei Fahrten insgesamt etwa 240 weitere Meter auf der Marsoberfläche zurück.

Allerdings wurde die letzte dieser Fahrten nach einer absolvierten Strecke von rund 88 Metern vorzeitig abgebrochen. Hierfür verantwortlich war einerseits ein teilweise blockierendes Rad, welches sich bei der Fortbewegung des Rovers nicht in dem vorgesehenen Umfang mitbewegte. Zusätzlich wurde eine plötzlich auftretende Spannungsänderung registriert. Diese machte sich durch eine Veränderung des Spannungsunterschiedes zwischen dem Fahrgestell des Rovers und der 32-Volt-Stromschiene bemerkbar, mit der die verschiedenen Systeme von Curiosity mit Strom versorgt werden. Diese Anomalien hatten zur Folge, dass der Rover seine Fahrt nicht – wie eigentlich vorgesehen – am vergangenen Sonntag fortsetzte, sondern stattdessen auf weiterführende Instruktionen von seinem Kontrollzentrum wartete.

Derzeit sind die an der Mission beteiligten Techniker und Ingenieure immer noch damit beschäftigt, die Ursache für das aufgetretene Problem zu analysieren. Aus diesem Grund wurden seit dem vergangenen Samstag keine weiteren Fahrten durchgeführt und auch der wissenschaftliche Betrieb des Rovers ist erst einmal zum Stillstand gekommen.

Ausgeschlossen wird, dass der jetzige Vorfall in einem direkten Zusammenhang mit dem vor zwei Wochen eingetretenen Sicherheitsmodus steht, welcher durch ein fehlerhaftes Update der Betriebssoftware des Rovers ausgelöst wurde. Als wahrscheinliche Ursache für die kürzlich registrierte Spannungsänderung nennt das für den Betrieb des Rovers verantwortliche Team des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA vielmehr einen sogenannten „weichen Kurzschluss“. Während sich bei einem „richtigen“ Kurzschluss zum Beispiel zwei nicht isolierte elektrische Kabel berühren, fließt der Strom bei einem „weichen Kurzschluss“ durch Material, welches nur teilweise leitend ist.

Ein solches Ereignis konnte im bisherigen Verlauf der Curiosity-Mission lediglich ein einziges Mal beobachtet werden – nämlich während der Landung des Rovers auf dem Mars. Verursacht durch die Zündung von verschiedenen Pyroladungen, durch welche zum Beispiel der bei der Landung verwendete Skycrane von dem Rover gekappt wurde (Raumfahrer.net berichtete über das Landemanöver), reduzierte sich der Spannungsunterschied zwischen der Stromschiene und dem Fahrgestell von ursprünglich 16 Volt auf 11 Volt, was den Betrieb des Rovers aber nicht weiter beeinträchtigte. Seit dem vergangenen Sonntag beträgt dieser Unterschied allerdings nur noch etwa vier Volt.

Die elektrischen Systeme von Curiosity sind sehr flexibel ausgelegt, so dass auch diese erneute Veränderung des Spannungsunterschiedes grundsätzlich kein Problem darstellt. Allerdings reduziert sich mit jedem weiteren vergleichbaren Ereignis die Toleranz des Gesamtsystems für eventuell zukünftig auftretende „weiche Kurzschlüsse“. Diese Ereignisse können außerdem auf ein zur Zeit noch nicht erkanntes Problem mit dem bisher anscheinend noch nicht identifizierten Bauteil hinweisen, welches für den „weichen Kurzschluss“ verantwortlich ist. Durch die während der letzten Tage erfolgten Analysen der Telemetriewerte des Rovers registrierten die beteiligten Techniker und Ingenieure, dass in den Stunden vor dem dauerhaften Abfall der Spannung drei weitere Spannungsveränderungen erfolgten, bei denen allerdings lediglich temporäre Veränderungen auftraten.

Trotz dieser nicht gerade beruhigenden Meldung halten die Mitarbeiter des JPL „den Ball flach“ und geben sich in den entsprechenden offiziellen Pressemitteilungen entspannt. Im Gegensatz zu früheren Problemen, welche allerdings mit dem Computersystem oder der Software des Rovers in Zusammenhang standen, versetzte sich Curiosity am vergangenen Wochenende nicht in einen Sicherheitsmodus. Dieser spezielle Betriebsmodus tritt automatisch in Kraft, sobald die Telemetriewerte auf ein für den Rover potentiell gefährliches Problem hindeuten. Sobald sich der Rover in diesen Sicherheitsmodus versetzt werden zunächst alle nicht überlebensnotwendigen Aktivitäten eingestellt. Dieser Fall trat diesmal jedoch nicht ein.

„Der Rover ist sicher und stabil und in seinem jetzigen Zustand vollständig einsatzfähig. Bei der gegenwärtigen Untersuchung handelt es sich um eine reine Vorsichtsmaßnahme“, so Jim Erickson vom JPL, der Projektmanager der Curiosity-Mission. Und auch die an der Mission beteiligten Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass der Rover seinen Betrieb bald wieder aufnehmen kann.
„Sollten die Diagnosen wie vorgesehen verlaufen, dann werden wir eventuell bereits am Donnerstag [also am heutigen Tag] die Planung der zukünftigen wissenschaftlichen Aktivitäten wieder aufnehmen“, so Ken Herkenhoff vom USGS. Sollte es möglich sein, diesen Zeitplan einzuhalten, so könnte Curiosity ab dem morgigen Freitag wieder wissenschaftliche Beobachtungen durchführen.

Diese erneute unerwartete Verzögerung der Fortsetzung der Fahrt dürfte allerdings letztendlich dazu führen, dass die an der Mission beteiligten Wissenschaftler auf dem Weg des Rovers zu seinem nächsten Ziel, der Basis des im Inneren des Gale-Kraters gelegenen Zentralberges Aeolis Mons, aus Zeitgründen auf die eigentlich fest eingeplante Untersuchung des „Waypoint 3“ verzichten werden.

Auf der vorgesehenen Route zum Rand des etwa 5,5 Kilometer hohen Berges wurden von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern insgesamt fünf Punkte – die sogenannten „Waypoints“ – ausgewählt, an denen der Rover jeweils mehrtägige Stopps für ausführlichere wissenschaftliche Untersuchungen einlegen soll. Das wissenschaftliche Ziel dieser Analysen besteht darin, Informationen über die Geologie des Geländes zu sammeln, welches sich zwischen der Region Shaler und dem Aeolis Mons befindet. Diese Daten sollen den Wissenschaftlern dabei helfen, die zwischenzeitlich gewonnenen Informationen in einen Kontext zu den Erkenntnissen zu setzen, welche zukünftig bei den geschichteten Gesteinsablagerungen des Zentralberges erlangt werden sollen. Ein spezielles Augenmerk soll dabei auf geologische Strukturen gerichtet werden, welche offensichtlich durch fließendes Wasser erzeugt beziehungsweise verändert wurden.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 460 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von mehr als 4.300 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Seit dem Erreichen unseres Nachbarplaneten haben die Kamerasysteme von Curiosity 102.010 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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