Hera auf Kurs: Das Flugdynamik-Team im Einsatz
Das Team der ESA-Mission Hera zur planetaren Verteidigung bereitet sich darauf vor, am Himmel ein Feuer zu entfachen. In den frühen Morgenstunden des 15. Oktober wird die Raumsonde, die etwa so groß wie ein Kleinwagen ist, ihre Bahnkontrolltriebwerke in Richtung ihres Ziel-Asteroidensystems zünden, und zwar 93 Minuten am Stück. Mit diesem Bremsmanöver wird sie ihre Geschwindigkeit nahezu an die Bahngeschwindigkeit des Doppelasteroiden Didymos angleichen.
Eine Woche später ist ein zweites, kürzeres Manöver geplant, um die angepasste Umlaufbahn bei Bedarf nachzujustieren. Bis dahin hat der für Hera zuständige Teil des ESA-Flugdynamik-Teams alle Hände voll zu tun: Rund zehn Personen pro Schicht sind im Einsatz, aus einem Team von über 50 Spitzenkräften aus Mathematik, Physik und Luft- und Raumfahrttechnik. Sie belegen zwei komplette Etagen im Europäischen Satellitenkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt.
Die Mitarbeitenden der ESA-Abteilung für Flugdynamik sind Europas Navigator:innen im All. Bei jeder Mission mit komplexer Flugbahn spielen sie eine entscheidende Rolle.
Die Flugdynamik hat zunächst die Aufgabe, Position und Umlaufbahn einer Raumsonde so genau wie möglich zu bestimmen. Auf dieser Grundlage erarbeitet sie dann die Anweisungen, mit denen die Sonde dorthin gelangt, wo sie als Nächstes sein muss. Diese Anweisungen werden als Telekommandos an die Sonde gesendet.
Unterstützung für viele Missionen
Flugdynamik-Ingenieur Michael Müller erklärt: „Das Team übernimmt die Flugdynamik für alle von der ESA betriebenen Wissenschaftsmissionen, darunter interplanetare Missionen und Observatorien, und jetzt auch für die erste Space-Safety-Mission unserer Agentur!
„Während Hera ankommt, arbeiten wir also gleichzeitig am Anflug der Mission BepiColombo auf den Merkur. Und während Heras späterer Nahbereichsoperationen steht auch noch der Start von Plato an, dem ESA-Observatorium zur Beobachtung von Exoplaneten. Plato müssen wir zum Lagrange-Punkt L2 zwischen Sonne und Erde lotsen, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.“
Während Heras zweijähriger Reisephase bestand die Hauptaufgabe der Flugdynamik darin, den Vorbeiflug am Mars im Frühjahr 2025 zu betreuen. Dabei änderte Hera ihre Richtung und holte sich gleichzeitig zusätzlichen Schwung vom Roten Planeten. Der Rest der Reise verlief so routiniert, wie es bei einer Mission im tiefen Weltraum eben möglich ist. Mit Heras Ankunft wird sich das ändern.
Präzision ist alles
Müller ergänzt: „Für Hera, angefangen mit diesen Bremsmanövern bis hin zur Asteroidenphase mit aktiven wissenschaftlichen Beobachtungen, haben wir insgesamt sechs verschiedene Teams, die die eingehenden Daten der Sonde aktiv auswerten. Dazu gehören auch Plausibilitätsprüfungen durch mehrere unabhängige Bewertungen.
„Während Heras Anflug bestimmen wir nicht nur ihre eigene Umlaufbahn, sondern auch den Zustand des Asteroidensystems. Dazu gehören die Bahn des Systems im Sonnensystem, die relative Bahn des Hauptasteroiden Didymos und seines Mondes Dimorphos, die Rotation der beiden Asteroiden sowie weitere Parameter wie ihre Massen.
„Dafür nutzen wir radiometrische Daten aus den Signalen der Sonde, die unsere Bodenstationen empfangen, aber auch die Bilder von Heras Bordkamera. Diese werden immer nützlicher, je näher die Mission den Asteroiden kommt und je mehr Oberflächenmerkmale wir als Referenzpunkte erkennen können.
„Nächstes Jahr wird unsere Arbeit noch komplizierter, denn dann müssen wir auch die Bahnen der beiden CubeSats bestimmen, die Hera aussetzen wird.
„Unsere Aufgabe ist aber nicht nur die Analyse. Am Ende unserer Arbeit steht ein detaillierter Satz von Telekommandos, die anschließend an die Sonde gesendet werden, um das Lage- und Bahnregelungssystem an Bord zu steuern, dazu Kommandos für eine von Heras Kameras. Weitere Produkte, die wir erstellen, unterstützen die Kommandierung anderer Nutzlasten und den Betrieb der Bodenantennen. Die Vorbereitung kann jeweils bis zu zehn Stunden konzentrierter Arbeit dauern.“
Die wichtigsten Daten, mit denen das Team arbeitet, empfängt es über eine der vier Deep-Space-Antennen der ESA mit 35 Metern Durchmesser, die über den ganzen Globus verteilt sind. Dazu gehören Telemetriewerte von Bord wie die Lage der Sonde, also ihre Ausrichtung, und Bilder der Asteroiden, mit denen sich Heras Position bestimmen lässt. Doch auch das Signal, das diese Telemetrie überträgt, enthält selbst schon wichtige Informationen. Aus seiner Laufzeit lässt sich die Entfernung der Sonde von der Erde messen, und die Dopplerverschiebung des Signals verrät, ähnlich wie bei einer Radarfalle der Polizei, wie schnell sich die Sonde von der Erde entfernt oder auf sie zukommt.
Außerdem lässt sich die seitliche Bewegung der Sonde bestimmen, indem man die Entfernung gleichzeitig von zwei Bodenstationen aus misst. Dieses Verfahren heißt Delta-DOR (Delta Differential One-way Ranging) und kam während Heras Reisephase regelmäßig zum Einsatz.
Eine Raumsonde, die selbst steuert
„Im Vergleich zu ihrer engsten Vorgängerin, der ESA-Kometenmission Rosetta, ist Hera an Bord viel autonomer“, sagt Michael Müller. „Rosetta hat ihre Daten zur Erde geschickt, und wir mussten alle Bahnberechnungen am Boden durchführen. Hera dagegen arbeitet eigenständiger, und ihre Autonomie nimmt zu, je näher sie den Asteroiden kommt.“
Im November und Dezember durchläuft Hera ihre „frühe Charakterisierungsphase“. Dabei sammelt sie aus einer relativ sicheren Entfernung von 25 bis 30 Kilometern erste Messdaten zum Asteroiden Didymos und seinem kleinen Mond Dimorphos.
Später im Dezember nähert sich Hera bis auf 10 Kilometer an und beginnt ihre „detaillierte Charakterisierungsphase“. Anfang nächsten Jahres setzt sie ihre beiden CubeSats aus. Danach folgt die „Phase der Nahbeobachtung“, in der sie sich bis auf 4 Kilometer heranwagt. Zum Schluss ist eine experimentelle Phase geplant, in der Hera dem kleineren Asteroiden bis auf einen einzigen Kilometer nahe kommen soll.
Michael Müller betont: „Das ist ein großer technischer Sprung, aber er war für die Wissenschaft nötig. Sobald die Asteroiden das gesamte Sichtfeld ausfüllen, verfolgt Hera Merkmale auf ihrer Oberfläche optisch, um daraus ihre eigene Position und Bewegung zu bestimmen. Das mussten wir natürlich vorher in Simulationen gründlich testen.“
Asteroid unknowns
The exact state of the smaller asteroid, Dimorphos, remains unknown since it was deliberately impacted by NASA’s DART spacecraft on 26 September 2022.
Michael Mueller adds: “There’s a lot of uncertainty, especially in terms of the asteroid’s degree of tumbling due to the collision. We cannot simulate all probabilities but have to restrict ourselves to the more likely outcomes. The prospect of some impact debris remaining in Dimorphos’s vicinity has not been entirely ruled out. So potentially there might be surprises ahead, but this is an adventure we’re looking forward to!”
For instance, in the case of Rosetta, the spacecraft ran into problems as it approached comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. Its startrackers were blinded by the comet’s surrounding halo of dust manifesting as false stars (although Dimorphos is a less dusty asteroid, not a comet).
“A large fraction of our team have experience of Rosetta, and we’re looking forward to our first view of Hera’s asteroids, as well as working along with the mission’s CubeSat Mission Operation Centre, based in ESA’s European Space Security and Education Centre, ESEC, in Redu, Belgium, and the CubeSat Flight Dynamics team at CNES in Toulouse, France, who will be performing the Flight Dynamics operations of the CubeSats using the orbit estimates that our team will provide them – an unprecedented operation of three different spacecraft in operation around two separate asteroids!”
Unbekannte Größen
Wie genau es um den kleineren Asteroiden Dimorphos steht, ist bis heute unbekannt. Am 26. September 2022 war die NASA-Sonde DART gezielt auf ihm eingeschlagen.
Michael Müller ergänzt: „Es gibt viele Unsicherheiten, vor allem, wie stark der Asteroid nach dem Einschlag taumelt. Wir können nicht alle Möglichkeiten simulieren, sondern müssen uns auf die wahrscheinlicheren Szenarien beschränken. Es ist auch nicht ganz ausgeschlossen, dass sich noch Trümmer vom Einschlag in der Nähe von Dimorphos befinden. Es könnte also Überraschungen geben, aber auf dieses Abenteuer freuen wir uns!“
Bei Rosetta zum Beispiel gab es beim Anflug auf den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko Probleme: Die Sternsensoren wurden von der Staubhülle des Kometen geblendet, deren Partikel sie für Sterne hielten. Dimorphos ist allerdings ein Asteroid und deutlich weniger staubig als ein Komet.
„Ein großer Teil unseres Teams hat schon an Rosetta mitgearbeitet. Wir freuen uns auf den ersten Blick auf Heras Asteroiden und auf die Zusammenarbeit mit dem CubeSat-Missionskontrollzentrum der Mission im European Space Security and Education Centre (ESEC) der ESA in Redu, Belgien, sowie mit dem CubeSat-Flugdynamik-Team der CNES in Toulouse, Frankreich. Das Team in Toulouse übernimmt die Flugdynamik der CubeSats auf Grundlage der Bahnbestimmungen, die wir liefern. Drei Raumfahrzeuge gleichzeitig im Betrieb um zwei verschiedene Asteroiden: So etwas gab es noch nie!“
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