Mars Climate Orbiter Flug und Orbit

Mars Climate Orbiter und auch Mars Polar Lander flogen auf einer Bahn zum Mars, die mehr als 180° um die Sonne herumführt, einer sog. Type II-Bahn. Durch einen solchen Kurs werden bei Marsankunft die Relativgeschwindigkeiten zwischen anfliegender Sonde und Planet verhältnismäßig klein, sodaß die Orbit-Insertion bzw. die Frontallandung erleichtert werden. Dabei waren insgesamt jeweils 4 Bahnkorrekturmanöver vorgesehen, sog. Trajection Correction Maneuvers, TCMs, zwei nach dem Start, zwei kurz vor Erreichen des Mars.








Die aktuellen Geschehnisse auf dem Flug fasst die folgende Tabelle zusammen:
 
Manöver von Climate Orbiter auf dem Weg zum Mars
Start 11. Dezember 1998
vorraussichtliche Ankunft 23. September 1999
21.12.98 TCM-1: 2.8 minütiges Feuern der Navigationsdüsen veränderte die Geschwindigkeit um 19.1 m/s. Hiermit wurde in die richtige Richtung zum Mars eingeschwenkt. Die ursprüngliche Bahn ist neben den Mars gerichtet, um den Aufschlag der 3. Raketenstufe auf den Mars zu vermeiden.
04.03.1999 TCM-2: 3 minütiges Feuern der Navigationsdüsen veränderte die Geschwindigkeit um 16 m/s. Damit wurde erst in die eigentliche Marsanflugbahn eingeschwenkt, um zu verhindern, daß Teile der 3. Raketenstufe auf dem Mars aufschlagen.
25.07.1999 TCM-3: Das 3.3 m/s-Manöver hat das Raumschiff nun genau auf Kurs gebracht.
15.09.1999 TCM-4: Durch eine 15s Zündung des Haupttriebwerkes wurde der Kurs für den Einschuß in die Marsumlaufbahn am 23.09.99 festgelegt auf eine minimale Höhe von 193 km Höhe über dem Nordpol des Mars. Hier passierte ein fataler Fehler: Inch und Meter wurden bei der Berechnung vertauscht !
 23.09.1999 Orbitinsertion: Durch den Navigationsfehler am 15.09. wurde die minimale Höhe über Grund beim Einschuß in die Marsumlaufbahn von lediglich 57 km erreicht, was zum Verglühen des Raumschiffes in der Marsatmosphäre und zum Absturz führte. Die  minimale Höhe hätte mindestens zwischen 85 und 100 km liegen müssen, um eine sichere Passage durch die Marsatmosphäre zu gewährleisten.

Zur Verdeutlichung der einzelnen Phasen beim Einschwenken in den Planetenorbit sind die einzelnen Schritte hier exemplarisch für den Mars Climate Orbiter angegeben. Die Daten beziehen sich auf einen erfolgreichen Einschuss in die Umlaufbahn, den es bei Mars Climate Orbiter leider nicht gegeben hatte. Das amerikanische Original dieser Beschreibung ist hier.

Mars Climate Orbiter erreichte den Mars am 23. September 1999. Am planetennächsten Punkt seiner Bahn zündete das Raumschiff das 640-Newton Haupttriebwerk für etwa 16 bis 17 Minuten, um damit in einen elliptischen Einfangorbit einzuschwenken. Es wurde einfach gegen die Fahrtrichtung gebremst, die Gravitation des Planeten erledigte den Rest. Dabei wurde der gesamte Treibstoffvorrat des Haupttriebwerkes aufgebraucht und Mars Climate Orbiter umrundete den Mars zunächst etwa alle 12 bis 17 Stunden einmal in einer hochelliptischen Bahn. Falls die Zündung zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen sollte, würde aufgrund der dann höheren Bahngeschwindigkeit des Raumschiffs der Orbit entsprechend verlängert. Bei Zündung des Haupttriebwerkes zum spätestmöglichen Zeitpunkt etwa Ende Dezember 1999 würde die Umlaufperiode dann etwa 20 Stunden betragen.

Etwa 22 Minuten nach Brennende des Triebwerkes richtete das Raumschiff seine High-Gain-Antenne auf die Erde aus,  um dann mit den 70m und 34m-Antennen des Deep Space Networks permanent Daten über Bahn und Bordsituation austauschen.




In Abhängigkeit von den Bahnddaten nach Ende der Zündung des Haupttriebwerkes zündete das Raumschiff seine Hydrazin-Lagekontrolldüsen im jeweils tiefsten Punkt seiner Bahn, um die Umlaufperiode möglichst stark zu verkürzen und auf einen Wert von 2 bis 4 Stunden einzupegeln. Es sollte eine möglichst kurze Umlaufperiode erreicht werden, um die dann folgende Aerobrakingphase entsprechend  kurz halten zu können. Für den im Dezember 1999 in der Marsregion eintreffenden Mars Polar Lander mußte Mars Climate Orbiter seine geplante Position im engeren Marsorbit eingenommen haben, um dann die Landung dieses Raumschiffs in der Nähe des Mars-Südpols funktechnisch und navigatorisch unterstützen zu können.

In der Aerobrakingphase durchflog der Orbiter bei der jeweils nächsten Annäherung an den Planeten die oberen Atmosphäreschichten. Durch die dadurch hervorgerufene Luftreibung bremste das Raumschiff in jeder Passage etwas ab und verringerte dadurch die Umlaufperiode und Flughöhe um jeweils einen kleinen Betrag. Diese Technik wurde 1995 zum erstenmal bei der Venussonde Magellan erfolgreich ausprobiert und mit Mars Global Surveyor ebenfalls erfolgreich eingesetzt. Im Idealfall sollte Mars Climate Orbiter seine Aerobrakingphase etwa zwei Wochen vor Ankunft des Mars Polar Lander Anfang Dezember 1999 abgeschlossen haben.

Aufgrund seiner Konstruktion mit den weit ausladenden Sonnensegeln würde Mars Climate Orbiter bei jedem planetennächsten Durchgang durch die oberen Atmosphäreschichten des Mars stärker abbremsen, als dies bei Mars Global Surveyor der Fall war. Durch die Bremswirkung wird die Höhe der Umlaufbahn pro Durchgang um jeweils ein kleines Stück abgesenkt und gleichzeitig die anfangs stark elliptische Umlaufbahn immer weiter einer kreisförmigen Umlaufgeometrie angenähert.

Die Aerobraking ('Luftbremsen')-Phase wird dadurch eingeleitet, daß das Raumschiff in seiner nächsten Annäherung an den Planeten, in der sogenannten Periapsis, eine Höhe von etwa 100 km über der Oberfläche haben wird, d.h. durch die oberen, dünnen Schichten der ohnehin nur sehr dünnen Marsatmosphäre fliegen wird. Während dieser etwa 57 Tage dauernden Aktion wird bei jedem Durchgang (insgesamt etwa 200) durch die Marsatmosphäre das Raumschiff jeweils ein kleines Stück abgebremst, sodaß schließlich eine zirkularisierte Umlaufbahn zwischen 34°N und 89°N direkt über dem Nordpol des Mars erreicht werden wird. Dabei halten kurze Zündungen der Navigationsdüsen im jeweils planetenfernsten Punkt, der Apoapsis, die Gesamtumlaufbahn immer im Minimum etwa 100 km über der Marsoberfläche, um ein Überhitzen und zu starken Druck auf die Sonnenpaddel zu vermeiden.

Bei jeder Umkreisung würde Mars Climate Orbiter für jeweils etwa 45 bis 60 Minuten hinter dem Mars von der Erde aus per Funk unerreichbar sein. Die Deep Space Network-Antennen mußten außerdem zusätzlich noch die Verbindung mit Mars Global Surveyor aufrecht erhalten, der bereits seit zwei Jahren um den Mars kreiste. Dabei würde gerade Mars Global Surveyor die Bodenkontrolleure warnen, falls etwa große Sandstürme auf dem Mars oder andere atmosphärische Störungen die Atmosphärendurchgänge von Mars Climate Orbiter gefährden könnten.

Die größte Herausforderung beim Aerobraking kam auf die Bodennavigatoren am Ende der ganzen Prozedur zu: während der letzten Tage des Bremsvorganges, wenn die Orbitalperiode des Raumschiffes am kürzesten ist, mußte der richtige Zeitpunkt abgepaßt werden, um ein Abstürzen und Verglühen des Raumschiffes zu verhindern. Am Schluß würde die Periapsis auf etwa 350-400 km angehoben, das Raumschiff damit aus der Marsatmosphäre herausgehoben und der Bremsvorgang beendet.

Der endgültige Orbit von Mars Climate Orbiter sollte das Raumschiff dann jeweils um 16:30 Uhr lokaler Marszeit über den Marsäquator und jeweils um 04:30 Uhr lokaler Zeit über die Nachthalbkugel führen. Dies entspräche einem 'Spätnachmittags'-Orbit.

Die Aufgaben von Mars Climate Orbiter waren, wie schon an anderer Stelle erwähnt, die Beobachtung der Marsoberfläche und des Wettergeschehens auf dem Mars mit hochauflösenden Kameras über ein ganzes Marsjahr hinweg. Außerdem sollte das Raumschiff als Funkrelaystation für die Kommunikation von Mars Polar Lander mit der Erdkontrollstation dienen. Dieses Raumschiff sollte im Dezember 1999 in der Nähe des Mars-Südpols, an dem zu dieser Zeit der Marssommer begann, weich landen und die Südpolarkappe auf Vorhandensein von Wasser untersuchen und die Chemie und das Wettergeschehen dieser Marsregion vom Boden aus untersuchen.

Leider waren sowohl Mars Climate Orbiter als auch Mars Polar Lander Totalausfälle, der Orbiter wegen eines Navigationsfehlers (siehe oben), der ihn verglühen liess, und der Lander wegen eines falschen Sensors an seinen Landestützen, der den Hauptcomputer bei der Landung zum vorzeitigen Ende der Triebwerkszündung veranlasste und für den Absturz des Raumschiffes sorgte.

zurück zu Climate Orbiter Hauptseiteweiter zu Odyssey: Übersicht