Mars Express, Laser-Gyroskope und warum es auch ohne geht

Die Laser-Gyroskope geben bald den Löffel ab! Dem Team am ESOC, das die Mars-Sonde Mars Express steuert, war das Problem schon seit einiger Zeit bekannt. Es ist ein Tod auf Raten und seine Ursache ist wohlbekannt und alles andere als unerwartet.

Mars Express wurde am 2. Juni 2003 gestartet. Die Sonde feiert also diesen Juni ihr fünfzehntes Jahr im Weltall. Seit 25.12.2003 ist sie im Orbit um den roten Planeten. Sie sollte dort eigentlich zwei Jahre lang betrieben werden, mit der Option auf Verlängerung um zwei weitere Jahre. Dass daraus mittlerweile 14.5 Jahre geworden sind, ist der robusten Technik zu verdanken, dem Können der Steuerleute und manchmal auch einem Quäntchen Glück.

Aber die Technik, so robust sie auch sein mag, ist nun einmal auf eine bestimmte Lebensdauer ausgelegt. Manche Bauteile altern dabei mehr, andere weniger. Batterien sind beispielsweise dafür bekannt, dass ihre Ladekapazität mit der Zeit abnimmt. Man kann den Prozess herauszögern, indem man durch penibles Energiemanagement dafür sorgt, dass sie weder allzu tief entladen noch bis zu ihrer Maximalkapazität geladen werden müssen.

Laser-Gyroskope und die Lageregelung

Generell ist es so, dass Bauteile mit bewegten Komponenten höherem Verschleiß unterliegen, der ihre Lebensdauer begrenzt. Notorisch sind da Schwungräder, aber auch Gyroskope. Beide gehören zum Lageregelungssystem. Schwungräder sind Aktuatoren. Man setzt sie ein, um die Lage des Raumfahrzeugs, seine Ausrichtung im Raum, gezielt zu verändern.

Wenn man drei Schwungräder eingebaut hat, deren Rotationsachsen senkrecht zueinander angeordnet sind, also jeweils eins entlang der x-, y- und z-Achse, und man startet einen Elektromotor, der eines dieser Schwungräder schneller rotieren lässt, dann schwenkt das Raumfahrzeug um diese Rotationsachse, aber in entgegengesetzter Drehrichtung zu der, in der die Rotation des Schwungrads verändert wurde. Der Drehimpulserhaltungssatz sorgt dafür, das dies so ist.

Gyroskope sind keine Aktuatoren, sondern Sensoren. Sie dienen dazu, Rotationsbewegungen der Raumsonde zu messen. Früher verwendete man elektro-mechanische Geräte, heute kommen Laser-Gyroskope zum Einsatz. Diese haben keine bewegten Teile mehr. In einem Laser-Gyroskop wird ein Laser über einen Strahlteiler geleitet. Beide Teilstrahlen durchlaufen eine geschlossene Strecke, wobei sie mehrfach durch Spiegel umgelenkt werden.

Nach Durchlaufen der gesamten Strecke werden die beiden Teilstrahlen überlagert. Dreht sich nun die Raumsonde um die Achse senkrecht zur Ebene, in der die Laserstrahlen im Laser-Gyroskop umlaufen, dann sind die Strecken, die von den beiden Laserstrahlen durchlaufen werden, unterschiedlich. Der eine Laserstrahl wird feststellen, dass ihm die Umlenkspiegel entgegen kommen, sodass er eine kürzere Gesamtstrecke zu absolvieren hat. Beim anderen ist es umgekehrt; seine Strecke wird länger. Die Folge ist, dass beide Strahlen mit anderen Phasenwinkeln eintreffen, wenn die Raumsonde (und damit auch das Gyroskop) rotiert.

Natürlich sind diese Streckenänderungen minimal. Aber auch die Wellenlänge des Laserlichts ist sehr klein. Deswegen ist der erzielte Phasenunterschied in den beiden Strahlen bei ihrer Überlagerung messbar. Das Gyroskop misst also eine Rotationsgeschwindigkeit, bzw., wenn drei Gyroskope eingebaut sind, werden die Winkelgeschwindigkeiten der Rotationsbewegung der Raumsonde um jede ihrer Hauptachsen gemessen.

Diese Messwerte werden vom Lageregelungssystem des Raumfahrzeugs über die Zeit integriert. Ausgehend von einer bekannten Anfangsausrichtung wird so unter auf Basis der Gyroskopdaten berechnet, wie sich die Lage der Sonde mit der Zeit verändert. Nach wie vor sind andere Messgeräte so wie Sternsensoren erforderlich. Die Gyroskope messen ja nicht die Lage, sondern nur die Änderung der Lage. Alle Fehler in der Messung führen somit zu einem Fehler in der Berechnung der inertialen Ausrichtung.

Ohne die periodische Einspeisung neuer Anfangswerte aus den Sternsensoren wäre das Lageregelungssystem bald bei einer komplett falschen Berechnung der Ausrichtung des Raumfahrzeugs angekommen. Dann können die Instrumente nicht mehr exakt auf das zu untersuchende Ziel ausgerichtet, die Antenne nicht mehr zur Erde geschwenkt und die Triebwerke auch nicht in eine bestimmte Richtung orientiert und dann für die Dauer des Manövers stillgehalten werden. Die Raumsonde wäre praktisch nutzlos.

Aber auch ohne die Gyroskope geht es nicht. Gerade bei Schwenkmanövern braucht man deren Input, weil Sternsensoren zu träge sind, um bei einer schnellen Änderung der Lage in Echtzeit aktuelle Lagedaten zu bestimmen. Das Lageregelungssystem ist für kontinuierlichen Einsatz der Gyroskope ausgelegt, und die Gyroskope müssen funktionieren.

Laser-Gyroskope funktionieren auch klaglos im Dauereinsatz, meist über viele Jahre hinweg. Irgendwann erblinden jedoch die Spiegel unter dem Dauerbeschuss mit Laserlicht. Dieses Erblinden ist ein kontinuierlicher Vorgang. Am Anfang ist es unproblematisch, aber irgendwann kommt kein genügend starkes Signal mehr an, um noch eine saubere Interferenz hinzubekommen. An dem Punkt steht Mars Express noch nicht ganz – aber bald. Irgendwann im Verlauf des kommenden Jahres wäre mit Ausfällen der Laser-Gyroskope zu rechnen.

Die einzige Abhilfe besteht darin, die Laser über Stunden hinweg abzuschalten und die Laser-Gyroskope nur während eines Bruchteils eines Orbits zu aktivieren – dann, wenn man eine genaue Steuerung der Lage braucht, also typischerweise bei wissenschaftlichen Beobachtungen oder beim “Entladen” der Schwungräder. Die Schwungräder dürfen nur innerhalb von bestimmten Minimal- und Maximal-Rotationsraten betrieben werden. Werden sie zu schnell, müssen sie abgebremst werden, und um zu verhindern, dass dann die ganze Raumsonde rotiert wie ein Brummkreisel, muss man mit den kleinen Lageregelungstriebwerken dagegenhalten. Um diese Triebwerke zu steuern, müssen die Rotationsraten im geschlossenen Regelkreislauf sehr genau bestimmt werden.

Aber viele Stunden lang braucht man die Gyroskope nicht unbedingt. Insbesondere dann nicht, wenn bereits aufgrund von langer Betriebserfahrung genau bekannt ist, wie die Lage der Sonde sich unter dem Einfluss der Störkräfte verändert. Das zeitweise Abschalten der Laser sorgt dafür, dass die Spiegel langsamer erblinden. Der Prozess kann allerdings nicht umgekehrt werden.

Das Update der Firmware

Das also ist das Prinzip, nach dem das Team beim Weltraumkontrollzentrum ESOC in Darmstadt ein Update der Software strickte, die an Bord von Mars Express läuft. So wie die Firmware eines Smartphones periodische Updates erfährt, kann auch die “Onboardsoftware” eine Raumsonde verändert werden. Sogar massive Änderungen sind möglich.

Mit dem neuen Update (siehe Artikel im Webauftritt der ESA –> hier) wird damit gerechnet, dass Mars Express noch einige Jahre länger im Einsatz bleibt. Das ist gerade deswegen wichtig, weil seit dem 19.10.2016 eine weitere Mars-Sonde der ESA den Mars umkreist, und zwar der TGO der Mission ExoMars 2016. Dieser hat unlängst seine endgültige Bahn erreicht und sein wissenschaftliches Programm aufgenommen. manche Arten von Messungen lassen sich aber in Kooperation besser durchführen, durch Koordination des Betriebs der Sonden, die beide der ESA gehören und von Darmstadt aus gesteuert werden.

Und noch was

Am Morgen des 1.6.2018 vor Sonnenaufgang wird der noch ziemlich volle Mond dem Saturn mit einem Winkelabstand von weniger als einem Grad begegnen. Die größte Annäherung ist kurz nach 3 Uhr MESZ, mit (in unsere Breiten), einem Abstand von etwa 45 Bogenminuten. Aber selbst um 5 Uhr früh sind die beiden noch in unmittelbarer Nähe zueinander und auch noch schön im süd-südwestlicher Richtung zu beobachten. Der Planet Mars ist übrigens etwa 60 Grad östlich (=links) von Mond und Saturn zu sehen.

Der Mond im dritten Viertel begegnet Saturn im Winkelabstand von 1 Grad, hier simuliert für Darmstadt am 1.6.2018 um 5:00 MESZ

Credit: Michael Khan via Stellarium / Der Mond im dritten Viertel begegnet Saturn im Winkelabstand von 1 Grad, hier simuliert für Darmstadt am 1.6.2018 um 5:00 MESZ

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

7 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Herr Khan, ich bin als interessierter Laie (raumfahrtsozialisiert zu den Zeiten des ersten Columbia-Starts) ein absoluter Fan Ihres Blogs: Tiefe und dabei sehr verständlich geschriebene Einblicke in ein eher unbekanntes und dabei hochspannendes Sachthema, ausführliche Beschreibungen mit hohem Nerdfaktor (das ist als Kompliment gemeint!), eine Prise ganz trockener Humor, und hier und da hauen Sie auch mal eine gut begründete Meinung raus, hier oder im Kommentarbereich anderer Scilogs, und das nicht nur zur Raumfahrt, und immer zum Vorteil der Debatte.

    Will sagen: Danke! 🙂 Und: Bitte weiter so, und weiterhin viel Erfolg bei allen Missionen!

  2. Und jetzt noch eine Fachfrage (wenn auch nicht ganz Ihr Sachgebiet, vermute ich):

    Könnte man das Erblinden der genutzten Bereiche der Spiegel durch akkurat planes Verschieben des Spiegels (sodass der Laser einen bisher ungenutzten Bereich der Spiegeloberfläche trifft) reduzieren?

    Müsste man als Option einbauen, hätte sicher seine Herausforderungen, insbesondere in Sachen Genauigkeit, und an sich scheint das System ja auch weit über die geplante Lebensdauer des Satelliten zu funktionieren; wenn allerdings der hier beschriebene Fall eintritt, hätte man eben eine Option.

    • Eingangs wiederhole ich die bereits mehrfach vorgebrachte Bitte, wenn es schon ein Pseudonym sein muss (warum auch immer jemand meint, es sei mit elementaren Regeln der Höflichkeit zu vereinbaren, eine Konversation anonym zu führen) – dann bleiben Sie doch bitte bei dem einen Pseudonym und wechseln Sie es nicht unvermittelt mitten im Thread.

      Was den gemachten Vorschlag angeht, halte ich die dedizierte Diskussion über irgendwelche Ideen zur Modifikation einzelner Komponenten selten für zielführend. Ich sage hier immer ziemlich direkt meine Meinung und nehme in Kauf, dass ich damit anecke, wenn ich Klartext rede. Ist halt so.

      Deswegen auch hier Klartext.

      Worin unterscheidet sich der Raumfahrtprofi vom Raumfahrtlaien? Nicht darin, dass der eine schlauer ist als der andere oder bessere Ideen hat oder so etwas. Nein, der Unterschied ist: Der Profi wird dazu neigen, sich zu überlegen, was man noch weglassen könnte (an beweglichen Teilen, Komplexität, Software, Hardware …), wohingegen der Laie fast immer mit Vorschlägen kommt, was man hinzufügen könnte.

      Dem Profi (also dem, der im Ernstfall auch für gemachte Entscheidungen geradestehen muss) ist es am liebsten, wenn eine Komponente solid state ist und von vorneherein so ausgelegt, dass ihre MTBF auch noch Abzug der Sicherheitsmargen deutlich über der bestellten Missionslebensdauer inklusive anvisierter Verlängerungen liegt. Ihm ist alles suspekt, was danach riecht, dass es nicht schon am Boden sauber auskalibriert ist und vielleicht nach Jahren im Weltraum noch verstellt werden muss (“… akkurat planes Verschieben von Spiegeln …”. Viel Glück dabei, wenn Sie einer Phalanx von Profis etwas vorschlagen wollen, was denen zutiefst widerstrebt.

      Jede Raumsonde, so auch Mars Express, wird für eine gewisse Lebensdauer ausgelegt. Will man mehr Lebensdauer, kostet das mehr Kohle, und die Extraausgabe muss gerechtfertigt werden. Die Angebote der Hersteller sind für die Abdeckung der Lebensdauer ausgelegt, die in der Ausschreibung steht. Würden sie technische Details vorsehen, die die Lebensdauer einzelner Komponenten über die bestellte Dauer hinaus verlängern sollen, dann würde das teurer. Der Kunde hat das nicht bestellt, also wird er auch nicht bereit sein, mehr zu bezahlen. Also müsste der Hersteller die Mehrkosten schultern. Aber warum sollte er das tun?

      Mars Express lebt schon seit Jahren von geborgter Zeit. Viele lebenswichtige Komponenten, nicht nur die Lasergyroskope, sind längst jenseits ihrer nominalen Lebensdauer. Die Tanks müssten schon lange leer sein, aber weil einige der vorgesehenen Notfälle nicht eingetreten sind, ist noch eine minimale Menge Treibstoff da, die von dem gewieften Steuerungsteam mit allen möglichen kreativen Maßnahmen gestreckt wird. Die Batterien lassen schon lange nach, werden aber gepflegt wie Notfallpatienten. Die Stromversorgung, die Elektronik, die Schwungräder, für all das würde kein Mensch mehr die Hand ins Feuer legen.

      Was soll es da für einen Sinn haben, hätte man nun Laser-Gyroskope mit längerer Lebensdauer eingebaut? Selbst wenn das nicht über eine so zweifelhafte Maßnahme geschehen wäre, sondern über den Einbau von Einheiten mit deutlich längerer MTBF und deswegen auch höherem Preis? Dann hätte man schon an jeder Ecke länger haltbare Komponenten einbauen müssen und auch mehr Treibstoff vorsehen – aber dann wäre es eine ganz andere Raumsonde geworden, und zwar eine deutlich teurere.

      • Pseudonymwechsel: Mea culpa, das war ein unnötiges Versehen. Pseudonymität/Anonymität ist für mich (auch aus beruflichen Gründen) Teil des persönlichen Datenschutzes und (noch viel wichtiger) Ausdruck der Haltung, dass es um Sachthemen geht und nicht um mich als Person (wer bin ich schon, ganz im Ernst).

        Vielen Dank für Ihre ausführliche und wie immer sehr fundierte Antwort, mit der Sie selbstverständlich nicht im Geringsten “anecken” – es ist Ihr Blog, in dem Sie schreiben, wie Sie es für richtig halten, und das ist gut, so wie es ist!

  3. @Carom: In den letzten 20 Jahren (als die Konzeptionierung von MarsExpress begann, und damit auch die Wahl der Komponenten) haben sich die Materialwissenschaften beträchtlich weiterentwickelt. Folglich sollte es möglich sein, Spiegel zu bauen, die länger halten. Zudem hat sich die Quantenausbaute der Sensoren, die die Interferenz vermessen, ebenfalls erhöht. Folglich kann man die Laserleistung reduzieren, was ebenfalls der Lebensdauer der Spiegel zugute kommt.

    Schließlich ist es möglich, solche veränderten Komponenten auf vergleichsweise günstigen Cubesats (Satellit und Start kosten zusammen “nur” 100.000 Euro, im Vergleich zu weit über 10 Mio. Euro für herkömmliche Satelliten) unter echten Weltraumbedingungen zu testen, ohne, dass man dadurch eine andere Mission gefährdet.

    Daher braucht man wahrscheinlich keine verschiebbaren Spiegel, um langfristig haltbare Gyroskope zu konstruieren. Übrigens: Auch die Aktoren, die die Spiegel verschieben, müssten unter Weltraumbedingungen getestet werden und wären – wie so gut wie alle beweglichen Komponenten an einem Satellit – einem erhöhten Ausfallrisiko ausgesetzt. Daher lieber die Spiegel selber besser machen.

  4. Der Laser bzw. die Laserdiode sollten einstellbar sein in der Leistung oder ist das bereits der Fall ?

    Ist es denn sicher das der Spiegel/Reflektor erblindet und nicht die Leistung des Lasers (Diodenlaser ?) als auch die Empfindlichkeit des Detektors nachgelassen haben ?

    Ich kenne es nur aus der Industrie das 20 Jahre alte Lichtschranken nur noch 50% der Lichtleistung bringen.

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