Quelle: DLR.

23 September 2021 – Die zunehmende Kommerzialisierung der Raumfahrt, häufig als „New-Space“ bezeichnet, führt zukünftig zu deutlich mehr Starts von Raumfahrzeugen. Allein im aktuellen Jahrzehnt werden voraussichtlich mehr als 15.000 Satelliten neu auf den Weg gebracht. Viele dieser Satelliten werden der Kommunikation, Navigation oder Erdbeobachtung dienen. Um einen durchgehenden Betrieb sicher zu stellen, werden einige dieser Satelliten insbesondere in niedrigen Umlaufbahnen regelmäßig ersetzt werden müssen. Neben den etablierten Raumfahrtakteuren drängen zunehmend neue Anbieter mit kleineren Raketen, sogenannten Micro-Launchern, auf den sich dynamisch entwickelnden Markt. Hinzukommen weitere Akteure, die etwa Transportaufgaben von und zur ISS übernehmen. Und auch Weltraumtourismus wird mittlerweile von privaten Raumfahrtunternehmen angeboten.

Um diese Starts kurzfristig und von unterschiedlichen Orten aus durchführen zu können, sind automatisierte Abläufe sowohl für die Vorbereitung der Mission als auch für deren Durchführung vom Start bis hin zum Missionsende notwendig. „Hierfür baut das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Launch-Coordination-Center (LCC) auf“, erläutert Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen. „Dieser erste Demonstrator soll zeigen, wie zukünftig eine Vielzahl an Starts und Wiedereintritten mit Abläufen in der Luft- und Seefahrt sicher koordiniert werden kann. Potentielle Nutzer aus Wirtschaft und Behörden bringen sich in die Gestaltung des LCC ein, damit auf die Anwendung für eine Pilotmission der Weg in den regulären Betrieb folgen kann.“

Vom Boden bis zum Weltraum

Der Aufbau erfolgt am Braunschweiger DLR-Institut für Flugführung im Rahmen des Innovationsprojekts Spacetracks. Das Koordinierungszentrum soll mit softwaregestützten Verfahren eine sichere, effiziente sowie flexible Durchführung von Raumfahrtaktivitäten beim Start und beim Wiedereintritt insbesondere durch den Luftraum ermöglichen. Missionen sollen von der Planung über die Echtzeitüberwachung bis hin zur Auswertung begleitet und unterstützt werden.

Genauer gesagt, entwickelt das DLR eine Planungskomponente und eine Flugführungskomponente vom Boden durch den Luftraum bis zur Schnittstelle des Weltraumbetriebs. Dieser wird dann von einem Raumfahrtkontrollzentrum, beispielsweise dem German Space Operations Center (GSOC) des DLR, verantwortet. In der Planungskomponente wird unter anderem die Logistik mit Nutzlast und Treibstoff vor dem Start sowie nach Beendigung der Mission berücksichtigt. Das LCC wird für alle Arten von Raketen, Raumfahrzeugen und Missionsvarianten bei Start und Landung einsetzbar sein. Damit soll die Nutzung des Luftraumes optimiert werden, wenn die Anzahl von Startaktivitäten auch von Europa wie prognostiziert ansteigt.

Ein erster Prototyp eines Space Operations Dashboard (SOD) zur Missionsüberwachung wurde bereits am Institut für Flugführung entwickelt. Ergänzt werden dessen Funktionen durch einen erweiterten Lotsenradarbildschirm, der es dem Fluglotsen erlaubt, auf nicht nominale Ereignisse bei Startvorgängen angemessen zu reagieren. Beide Anzeigen wurden in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern erfolgreich getestet. Dabei spielt der echtzeitfähige Datenaustausch zwischen LCC, Raumfahrzeugbetreiber und involvierten Flugsicherungen eine besondere Rolle. Beide bereits entwickelten Werkzeuge sowie Erkenntnisse aus der Zusammenarbeit zwischen dem DLR und der amerikanischen Luftfahrtbehörde FAA werden im zukünftigen LCC genutzt werden.

Bis zum Jahr 2024 wird der erste LCC Demonstrator durch das DLR-Institut für Flugführung mit Unterstützung des DLR-Technologiemarketings am Standort Braunschweig aufgebaut und in die vorhandenen Infrastrukturen des Validierungszentrums Luftverkehr integriert. Dazu werden der Airport and Control Center Simulator (ACCES) sowie der Air Traffic Management & Operations Simulator (ATMOS) modifiziert und ausgebaut. Schon jetzt werden potentielle industrielle, wissenschaftliche und hoheitliche Nutzer eingebunden, um das LCC bedarfsorientiert und nutzerzentriert zu entwickeln. Erklärtes Ziel ist es, das Launch Coordination Center erst bei einer Pilotmission anzuwenden und es dann in den regulären Betrieb bei einem zukünftigen Betreiber zu überführen.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR. Vertont von Peter Rittinger

Bereits am 12. November 2014 erreichte der von der Kometensonde Rosetta mitgeführte Lander Philae nach einer unerwartet ‚holprig‘ verlaufenden Landung die Oberfläche des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt), wo er in den folgenden Tagen mit acht von seinen zehn wissenschaftlichen Instrumenten erfolgreich eine Vielzahl an Messungen durchführte. Am 15. November 2015 waren jedoch die Energievorräte des Landers so weit aufgebraucht, dass dieser sich um 01:36 MEZ in einen ‚Schlafmodus‘ versetzte. In den folgenden sieben Monaten war es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern und Ingenieuren trotz mehrerer entsprechender Kampagnen nicht möglich, einen erneuten Kontakt mit Philae zu etablieren.

Vor fast genau einem Monat – am 13. Juni 2015 – konnte der für die Kommunikation mit Philae zwingend benötigte ‚Kometenorbiter‘ Rosetta jedoch zur Freude der an der Mission beteiligten Forscher und Ingenieure erstmals wieder in Form einer zwar schwachen, aber stabilen Radiotransmission ein Lebenszeichen von seiner Tochtersonde registrieren. In den folgenden Wochen erfolgten die weiteren ‚Meldungen‘ des Kometenlanders jedoch nur sporadisch. Die entsprechenden Verbindungen waren dabei allerdings immer nur von kurzer Dauer und zudem relativ instabil (Raumfahrer.net berichtete). Ab dem 24. Juni 2015 konnte das für die Kontrolle des Landers zuständigen Team am Lander Control Center (LCC) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln dann keine weiteren Signale von Philae empfangen.

Dementsprechend durchwachsen war die Stimmung der an der Mission beteiligten Mitarbeiter während der letzten Tage. Weder eine neue Flugbahn für den Kometenorbiter Rosetta noch dessen weitere Annäherung an die Oberfläche von 67P konnten eine erneute Kommunikation mit dem Lander ermöglichen. Aus den zuletzt empfangenen Telemetriedaten ließ sich allerdings auch nicht erkennen, dass sich Philae in größeren technischen Schwierigkeiten befindet. Die im Inneren des Landers gemessene Temperatur von null Grad Celsius ließ das Team des DLR sogar darauf hoffen, dass sich Philaes Batterie nun sogar wieder aufladen würde. Die Telemetriedaten haben jedoch auch zu dem Schluss geführt, dass offenbar eine der beiden Kommunikationseinheiten des Landers beeinträchtigt ist. Die zweite Einheit hat jedoch ohne erkennbare Funktionsstörungen gearbeitet.

„Wir haben Philae nie aufgegeben und sind optimistisch geblieben“, so Dr. Koen Geurts vom Lander-Kontrollteam des DLR.

Ein weiteres Lebenszeichen am 9. Juli 2015
Am 5. Juli wurde dem Kometenlander deshalb im Rahmen eines „Blind Commanding“ der Befehl übermittelt, das dort an Bord befindliche CONSERT-Instrument zu aktivieren. Bei dem „Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission“ – so der vollständige Name dieses Instruments – handelt es sich um eine Radiowellensonde zur ‚Durchleuchtung‘ des Kometenkerns. Mit einer auf dem Orbiter installierten Sendeanlage werden Radiosignale zu einem auf dem Kometenlander befindlichen ‚Gegenstück‘ ausgestrahlt, welche von dort zu dem Orbiter zurückgeschickt werden sollen. Bedingt durch die Rotation des Kometen und durch die Eigenbewegung des Orbiters durchdringen diese Radiosignale auch das Innere des Kometen 67P und werden dabei leicht verändert. Durch die Auswertung der veränderten Signale können die an der Mission beteiligten Wissenschaftler Informationen über den inneren Aufbau und die Struktur des Kometenkerns ableiten.

Allerdings reagierte Philae zunächst nicht auf den Befehl einer Aktivierung von CONSERT, welcher daraufhin am 9. Juli erneut gesendet wurde. Und tatsächlich erfolgte diesmal eine Bestätigung. Der Kometenlander Philae hat noch am selben Tag ‚geantwortet ‚ und zwischen 19:45 und 20:07 MESZ erneut Daten gesendet. Auch wenn die Verbindung dabei erneut mehrfach abbrach, so blieb der gestrige Kontakt zu Philae doch trotzdem über insgesamt zwölf Minuten stabil.

„Philaes Lebenszeichen beweist uns, dass die Kommunikationseinheit am Lander weiterhin funktioniert und unsere Kommandos empfängt“, so Dr. Koen Geurts. Gegenwärtig sind die Experten des DLR mit der Auswertung der empfangenen Daten beschäftigt. „Wir sehen bereits, dass wir mit unserem Kommando, das wir am 9. Juli gesendet haben, das CONSERT-Instrument erfolgreich eingeschaltet haben.“

Allerdings gibt der Lander seinem verantwortlichen Team auch weiterhin Rätsel auf. „Wir haben noch keine genaue Erklärung, warum er sich jetzt gemeldet hat und in den vergangenen Tagen nicht“, so Dr. Geurts weiter. So wurde zum Beispiel während der vergangenen zwei Wochen die Flugbahn des Orbiters nicht mehr verändert. Rosetta hätte somit eigentlich bereits während der letzten Tage weitere Signale von Philae empfangen sollen.

Die Tatsache, dass der Lander am gestrigen Tag auf die Kommandos reagiert hat, stellt für die Mitarbeiter des Philae-Teams jedoch eine gute Nachricht dar. Sollte es in Zukunft gelingen, eine stabile Funkverbindung mit längeren und vorhersagbaren Kontaktzeiten zu Philae zu etablieren, so könnte der Lander auch seine wissenschaftlichen Instrumente wieder zum Einsatz bringen.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Komet 67P – Gewaltige Hohlräume führen in die Tiefe (4. Juli 2015)
• Rosetta: Bisher nur unregelmäßiger Kontakt zu Philae (27. Juni 2015)
• Rosetta entdeckt Wassereisablagerungen auf 67P (25. Juni 2015)
• Kometensonde Rosetta: Dritter Kontakt mit Philae (20. Juni 2015)
• Rosetta ändert die Flugbahn wegen Philae-Kontakt (18. Juni 2015)

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Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: Rori, SpaceMech.

Raumfahrer.net: Du hast ja schon einige Missionserfahrung sammeln können. Rosetta/Philae sind rund 511 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Zerrt die lange Signallaufzeit von knapp einer halben Stunde bei solchen entscheidenden Operationen nicht an den Nerven?

SpaceMech: Als Physiker hat man die Lichtgeschwindigkeit als endlicher Obergrenze akzeptieren gelernt… Außerdem – verglichen mit den bisherigen Wartezeiten, zum Beispiel den zehn Jahren Flug, sind die 28 Minuten und 20 Sekunden doch erfreulich kurz!

RN: Wie groß schätzt Du im Moment die Erfolgswahrscheinlichkeit ein?

SpaceMech: Wahrscheinlichkeiten machen wenig Sinn, wenn man keine statistische Grundlage hat – wie bei einem solchen Einzelereignis, der Rosetta-Mission. Das Absetzen von Tochtersonden ist immer technisch herausfordernd und auch relativ oft gescheitert – siehe Beagle-2 auf Mars Express oder Minerva auf Hayabusa. Aber bei jeder Mission sind die kritischen Aspekte anders. Rosetta ist wirklich eine Mission ins Unbekannte – wer hätte vorher darauf getippt, dass der Komet so aussieht?

RN: Welche Risiken drohen bei einer solchen Mission?

SpaceMech: Es gibt technische Risiken, aufgrund des langen Fluges im interplanetaren Raum, zum Beispiel Kaltverschweißen oder Strahlenschäden, die eventuell bisher unentdeckt blieben. Es gibt prozedurale Risiken, das heißt, greifen die vielen verschiedenen Kommandosequenzen der beteiligten Institutionen – Rosetta Mission Operations Centre (RMOC) der ESOC in Darmstadt, Lander Control Center (LCC) des DLR in Köln, die ESA Tracking Stationen weltweit (ESTRACK) – wirklich so reibungslos ineinander? Es gibt die Risiken, die in der unbekannten Natur des Kometenmaterials an der Oberfläche liegen – ist diese hart, weich oder hohl? Es gibt das generelle Risiko, das darin liegt, dass die Ungenauigkeit der Landung größer ist als die Rauheit des Terrains. Die Folge könnte sein, dass man mit einem Bein auf einem „Brocken“ wie Cheops landet?

RN: Ist mit Turbulenzen durch die Kometenaktivität zu rechnen?

SpaceMech: Um die Gefahren einer Landung auf einer bereits aktiven Kometenoberfläche zu minimieren, hat man sich ja entschlossen, bereits in größerer Entfernung von der Sonne auf 67P zu landen. Wie wir jetzt wissen, ist die Aktivität zur Zeit bereits etwas größer als ursprünglich angenommen wurde, aber noch nicht besorgniserregend. Lage und Aktivität der beobachteten Jets wurden bei der Auswahl des Landeplatzes und der Abstiegstrajektorie berücksichtigt.

RN: Könnte Philae solche Störungen durch die Kometenaktivität korrigieren?

SpaceMech: Philae ist mit einem Flywheel ausgerüstet, das die Orientierung im Raum stabil halten soll. Asymmetrisch anströmende Komagase könnten diesen „Kreisel“ zu einer Präzessionsbewegung veranlassen, deshalb wird man durch Änderung der Drehzahl des Flywheels Philae in langsame Rotation versetzen, die dazu führt, dass solche asymmetrischen Einwirkungen sich herausmitteln. Überlegungen, die kleine Kaltgasdüse (ADS) zu benutzen, um gegen den „Druck“ der Koma abzusteigen, wurden verworfen, weil die Gefahr besteht, dass man mit einer solchen automatischen Korrektur den Gasvorrat vorzeitig erschöpfen könnte – man braucht das ADS für den Moment des Aufsetzens an der Oberfläche!

RN: Wenn alles gut geht, gibt es am 12.11. abends noch was zu feiern, oder?

SpaceMech: Dafür wird wenig bis keine Zeit sein – vor und nach der Landung läuft ein dichtes wissenschaftliches Messprogramm, das bedient und ausgewertet werden muss. Zeit zum Feiern wird erst sein, wenn die Akkus so weit leer sind, dass sie nachgeladen werden müssen…

RN: Mal etwas weiter gedacht – kann die Rosetta/Philae-Mission auch als Vorlage für eine US-amerikanische Asteroiden-Mission dienen?

SpaceMech: Asteroiden als Ziele sind grundsätzlich anders als Kometen – die NASA könnte da eher auf ihren eigenen Erfahrungen mit der Dawn-Mission zu Vesta und Ceres aufbauen.

RN: Wir sind von den US-Mars-Rovern sehr verwöhnt, was die Überschreitung der vorgesehenen Betriebsdauer angeht. Ist beim Philae-Lander, dessen maximale Betriebsdauer im März 2015 erreicht sein soll, ähnliches zu erwarten?

SpaceMech: Das hängt ganz von der Situation hinsichtlich der Beleuchtungsverhältnisse nach der Landung ab. Der Betrieb nach Erschöpfung der Primärbatterien wird sicher nicht kontinuierlich sein – man schätzt etwa ein Drittel Betriebszeit zu zwei Drittel Ladezeit. Es ist bisher unbekannt, in welchem Maß auf den Kern zurückfallender Staub zu einer Degradation der Sonnenzellenflächen führen wird. Im Vergleich hierzu ist die Marsoberfläche inzwischen bekanntes Terrain!
RN: Vielen Dank, SpaceMech, für dieses Interview.

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• PHILAE – die Landung am 12. Nov. 2014

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, DLR.

Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug durch unser Sonnensystem, bei dem eine Distanz von rund 6,4 Milliarden Kilometern zurückgelegt wurde, erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das Ziel ihrer Reise – den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Seitdem ‚begleitet‘ Rosetta diesen Kometen auf seinem Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten.

Während der letzten Wochen bewegte sich Rosetta dabei in einer Umlaufbahn um den Kometen, welche in einer Entfernung von etwa 30 Kilometern zu dessen Zentrum verläuft. Während dieser „Global Mapping Phase“ (kurz „GMP“) werden die abbildenden Instrumente der Raumsonde dazu genutzt, um die Oberfläche von 67P zu verschiedenen ‚Tageszeiten‘ und somit unter unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnissen abzubilden und zu charakterisieren. Überflüge über der ‚Nachtseite‘ des Kometen dienten unter anderem dazu, die thermischen Eigenschaften von 67P zu untersuchen.

Bereits am 24. September führte eine kurze Zündung der Triebwerke dazu, dass sich Rosetta während des jetzigen Umlaufs der Oberfläche des Kometen noch weiter annähert. Am 29. September wird dabei eine Entfernung von lediglich noch 20 Kilometern zu dessen Zentrum erreicht. Eine weitere Triebwerkszündung soll an diesem Tag dazu dienen, um in dieser Entfernung eine etwa kreisförmig verlaufende Umlaufbahn einzunehmen, welche entlang der Terminator-Ebene – der Grenze zwischen ‚Tagseite‘ und ‚Nachtseite‘ – verläuft. Eine Woche später wollen die für die Flugplanung der Raumsonde Rosetta verantwortlichen Mitarbeiter der ESA eine Entscheidung darüber treffen, ob die Höhe der Flugbahn gefahrlos auf eine Entfernung von dann nur noch zehn Kilometern zum Kometenzentrum abgesenkt werden kann.

Kometenlander Philae: Landung am 12. November 2014

Die während der „Global Mapping Phase“ gewonnenen Aufnahmen der Kometenoberfläche dienen den an der Mission beteiligten Wissenschaftler unter anderem dazu, um einen geeigneten Landeplatz für den von Rosetta mitgeführten und mit weiteren zehn Instrumenten ausgestatteten Kometenlander Philae auszuwählen. Nach einem mehrwöchigen Auswahlprozess ist hierfür gegenwärtig eine Stelle auf dem ‚Kopf‘ des Kometen vorgesehen . Eine endgültige Entscheidung wird allerdings erst am 14. Oktober fallen.

Trotzdem waren die Mitarbeiter des für die Steuerung der Raumsonde verantwortlichen „Flight Dynamics and Operations Teams“ der ESA während der vergangenen zwei Wochen damit beschäftigt, einen exakten Zeitplan für die Landung festzulegen.

Davon ausgehend, dass die derzeitig vorgesehene Landestelle „J“ beibehalten wird, soll Philae demzufolge am Vormittag des 12. November 2014 um 09:35 MEZ von Rosetta abgetrennt werden. Die Raumsonde würde sich dabei in einer Entfernung von etwa 22,5 Kilometern zum Zentrum des Kometen befinden. Bei diesem Szenario würde Philae etwa sieben Stunden später die Kometenoberfläche erreichen. Telemetriedaten von Philae, welche die erfolgreiche Landung bestätigen sollen, würden aufgrund der Signallaufzeit von 28 Minuten und 20 Sekunden gegen 17:00 MEZ auf der Erde eintreffen.

Sollte die Wahl auf den alternativen Landeplatz „C“ fallen, dann würden Abtrennung und Landung von Philae ebenfalls am 12. November erfolgen. Die ‚Abkopplung‘ würde in diesem Fall um 14:04 MEZ in einer Entfernung von 12,5 Kilometern zum Zentrum des Kometen durchgeführt. Lediglich vier Stunden später würde die Landung von Philae erfolgen und die entsprechenden Signale sollten dann gegen 18:30 MEZ auf der Erde eintreffen.

„Jetzt haben wir einen Platz und einen detaillierten Ablauf für die erste Landung auf einem Kometen. Die Spannung steigt“, so Dr. Stephan Ulamec vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Projektleiter für den Kometenlander Philae.

Verantwortlich für die Steuerung und Überwachung von Philae ist das „Lander Control Center“ (kurz „LCC“) des DLR. Alle Aktivitäten von Philae werden mit einem Bodenreferenzmodell des Landers im LCC getestet und vorbereitet. Zu den Aufgaben des LCC gehört auch die Programmierung der Landesequenz, welche von der Separation von Rosetta bis zur Landung auf dem Kometen automatisch ablaufen wird.

Die Kommandos für Philae und die an Bord befindlichen Instrumente werden vom Philae-Kontrollzentrum in Köln zum europäischen Raumflugkontrollzentrum ESOC in Darmstadt und von dort aus über die Bodenstationen des ESTRACK zunächst zu Rosetta geschickt. Die Raumsonde leitet diese Kommandos dann an den Lander Philae weiter, der nicht in der Lage ist, direkt mit der Erde zu kommunizieren. Telemetriewerte und wissenschaftliche Daten von Philae gelangen in umgekehrter Richtung über den Kometenorbiter, das ESTRACK und das ESOC zum LCC.

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