ARTEMIS
Logbuch einer Rettungsaktion
Redaktion
astronews.com
15. Juli 2002

Vor einem Jahr sah es nach einer großen Pleite für die Europäische Weltraumagentur ESA aus: Der Satellit Artemis wurde von einer Ariane 5 Rakete in eine zu niedrige Umlaufbahn gebracht, die Mission schien verloren. Zwölf Monate später hat sich das Blatt gewendet: Artemis ist inzwischen zum Synonym für die Fähigkeit europäischer Ingenieure geworden, Lösungen für unerwartete Situationen zu finden.

Artemis. Bild: ESA

Artemis lebt, und langsam aber sicher nähert sich der Satellit dank seiner hierfür eigentlich nicht ausgelegten Ionentriebwerke seiner geplanten geostationären Einsatzposition. Durch die erfolgreiche erstmalige Verwendung einer Laserverbindung im Weltraum wurde außerdem eine neue Möglichkeit der Datenübertragung zwischen Satelliten nachgewiesen. Damit bestehen beste Chancen, dass der anfangs verloren geglaubte Satellit seine bahnbrechende Telekommunikationsaufgabe doch noch erfüllen kann.

Rückblende: Vor einem Jahr hat eine Ariane 5 Rakete wegen eines Funktionsfehlers in ihrer Oberstufe den ESA-Nachrichtensatelliten Artemis in einer zu niedrigen elliptischen Umlaufbahn ausgesetzt: Das Apogäum (also die größte Entfernung von der Erde) lag lediglich bei 17.487 Kilometer und damit weit entfernt von dem der anvisierten geostationären Übergangsbahn in einer Höhe von 35.853 Kilometer. Ein Team von Spezialisten der ESA und der Industrie reagierte unverzüglich mit einer Reihe innovativer Steuermanöver, um den Satelliten zu retten. Unter Verwendung fast seines gesamten chemischen Treibstoffs konnte Artemis bereits wenige Tage nach dem Start der Umlaufbahn, die ihn durch die tödlichen Van Allen-Gürtel führte, entfliehen und unversehrt eine kreisförmige Umlaufbahn in 31.000 Kilometer Höhe erreichen.

Seither gingen die Rettungsbemühungen unter Verwendung der in redundanten Paaren an dem Satelliten angebrachten vier Ionentriebwerke unvermindert weiter. Diese neuartigen Triebwerke funktionieren nicht mit herkömmlichem chemischem Treibstoff, sondern mit ionisiertem Xenongas. Ursprünglich sollten sie lediglich dazu dienen, mit Impulsen senkrecht zur Bahnebene die Neigung des Satelliten zu regeln. Das Rettungsverfahren erfordert jedoch Impulse parallel zur Bahnebene, um den Satelliten auf seine Endbahn zu hieven. Ermöglicht wurde dies dadurch, dass der Satellit in der Bahnebene um 90° gegenüber seiner normalen Lage gedreht wurde.

Unter optimaler Nutzung der Flugkonfiguration des Satelliten wurden neue Strategien entwickelt, um nicht nur die Bahnhöhe anzuheben, sondern auch der natürlichen Erhöhung der Bahnneigung entgegenzuwirken. Um diese neuen Strategien umzusetzen, waren neue Bahn- und Lageregelungsverfahren, ein neues Stationsnetzwerk und neue Flugkontrollverfahren notwendig. Für das neue Verfahren zur Steuerung der Ionentriebwerke mussten rund 20 Prozent der ursprünglichen Satellitenkontrollsoftware umgeschrieben werden. Dank des umprogrammierbaren Bordkontrollkonzepts konnten diese Änderungen in Form von Software-Paketen per Datenaufwärtsverbindung zum Satelliten gefunkt werden - insgesamt 15 000 Wörter und damit die umfangreichste Neuprogrammierung von Flugsoftware, die je bei einem Nachrichtensatelliten vorgenommen wurde.

Ende Dezember 2001 war die Arbeit an der neuen Software abgeschlossen; für ihre Validierung wurde der Simulator des Satelliten als Prüfstand genutzt. Mit der Charakterisierung der vier Ionentriebwerke waren sämtliche Vorbereitungsarbeiten abgeschlossen, worauf am 19. Februar dieses Jahres die Bahnanhebungsmanöver mit dem Ionenantriebssystem eingeleitet wurden. Seit Beginn der Manöver mussten die Satellitenkontrolleure auf zahlreiche unvorhergesehene Situationen reagieren, da ein realistischer Test der neuen Strategie nur am Satelliten selbst möglich war. Anders als bei herkömmlichen Abnahmeprüfungen steht für die detailgetreue Erprobung dieses Szenarios kein Prüfstand zur Verfügung.

Dank der hohen Flexibilität und Redundanz des Systementwurfs konnte die Bahnanhebung bisher stetig fortgesetzt werden, wenn auch langsamer als theoretisch möglich. Am ersten Jahrestag seines Starts hatte Artemis mit dem bescheidenen Schub von nur 15 Millinewton seiner Ionentriebwerke bereits über 1500 Kilometer an Höhe gewonnen, durchschnittlich 15 Kilometer pro Tag.

Aus mehreren Gründen können zwei der vier Triebwerke (die auf dem Südpaneel) derzeit nicht benutzt werden. Das Manöver wird daher gegenwärtig mit einem einzigen Triebwerk auf dem Nordpaneel fortgesetzt. Unter zusätzlicher Drehung des Satelliten um seine Rollachse können jedoch weiterhin pro Tag rund 15 km an Höhe gewonnen werden. Bei einer Reststrecke von 3000 Kilometer wird es demnach noch etwa 200 Tage dauern, bis die geostationäre Umlaufbahn erreicht ist, was bedeutet, dass die Nutzlasten von Artemis Anfang 2003 ihren Betrieb aufnehmen können.

Zwischen der Ankunft in der Parkbahn und dem Beginn der Bahnanhebungsmanöver vergingen mehrere Monate, die für Versuche mit den Nutzlasten zur Überprüfung ihrer Leistungen genutzt wurden. Am spektakulärsten war die Demonstration des SILEX-Betriebs. Nach einer erfolgreichen anfänglichen Erprobung der Nutzlast unter Verwendung der optischen Bodenstation der ESA auf Teneriffa wurde die optische Verbindung zwischen Artemis und SPOT-4 hergestellt. Am 30. November 2001 gelang die Weltpremiere: Die Bilddaten eines niedrig fliegenden Satelliten wurden über einen Laserstrahl zu einem (fast) geostationären Satelliten übertragen und von diesem zum Datenverarbeitungszentrum in Toulouse weitergeleitet.

Insgesamt wurden 26 Versuche zum Aufbau der optischen Verbindung unternommen, die alle erfolgreich verliefen. In keinem Fall brach die Verbindung vor dem geplanten Zeitpunkt ab. Die Qualität der Verbindung war mit einer gemessenen Bitfehlerrate von 10^-9 nahezu vollkommen: Diese Zahl bedeutet, dass von 1.000.000.000 übertragenen Bits höchstens ein Bit fehlerhaft empfangen wird.