IRS-Beteiligung an der NASA-Mission zur Beobachtung des STARDUST-Wiedereintritts

Kontakt: Dipl.-Ing. Michael Winter

Am Sonntag, den 15. Januar 2006 kehrte die amerikanische Raumkapsel STARDUST nach ihrer fast siebenjährigen Mission zur Sammlung von interstellaren Staubteilchen und Proben aus dem Schweif des Kometen Wild 2 zur Erde zurückkehren. Bei dieser Rückkehr trat sie mit einer Geschwindigkeit von etwa 12,8 km/s in die Erdatmosphäre ein und vollzog den schnellsten Wiedereintritt eines künstlichen Objekts. Um über die ursprünglichen Missionsziele der Stardust Kapsel hinaus Daten über diesen Wiedereintritt zu erlangen, führte die NASA eine Beobachtungsmission durch, auf der von einem DC8 Flugzeug aus optische Messungen mit verschiedenen Instrumenten durchgeführt wurden.

Neben Experimenten amerikanischer und japanischer Wissenschaftler stellte das Institut für Raumfahrtsysteme den einzigen europäischen Beitrag zu dieser einzigartigen Gelegenheit zur Erlangung wichtiger Daten über den Wiedereintritt unter solch extremen Bedingungen.

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Motivation

Beobachtungsstrategie

Verwendete Aufbauten:
SLIT (M. Winter) SD10 (F. Harms)

Ergebnisse (werden laufend aktualisiert)

Ausblick

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Motivation

Die Untersuchung des Wiedereintritts von Raumfahrzeugen in die Erdatmosphäre ist einer der wichtigen Forschungsschwerpunkte der Abteilung Raumtransporttechnologie am Institut für Raumfahrtsysteme. Die Bedeutung dieses speziellen Wiedereintritts ergibt sich vor allem aus der Ähnlichkeit der Wiedereintrittsbedingungen zu denen einer interplanetaren Rückkehrmission, wie sie z.B. durch eine Mission zum Mars gegeben sein wird. Eines der deutschen Experimente, entwickelt von Dipl.-Ing. Michael Winter, diente dazu, die Strahlung des das Raumfahrzeug umgebenden Plasmas in möglichst hoher spektraler Auflösung zu messen, um so Informationen über chemische und thermodynamische Prozesse zu gewinnen. Dabei muss die etwa 80 cm große Raumkapsel aus einer Entfernung von etwa 150 km bis 400 km aus einem sich bewegenden Flugzeug heraus erfasst werden, um die ausgesandte Strahlung mittels eines Spektrometers und einer hoch sensitiven Kamera spektral aufgelöst zu erfassen. Die nur etwa 90 Sekunden dauernde heiße Phase des Wiedereintritts sollte dabei zusätzlich mit einer möglichst hohen Messrate aufgelöst werden. Das zweite Experiment unter deutscher Beteiligung von Dipl.-Ing Franziska Harms nutzte eine Kamera mit weitem Sichtfeld, die das gesuchte Spektrum über ein Transmissionsgitter erzeugte. Dabei wurde die schlechtere spektrale Auflösung und schwierigere Wellenlängenkalibrierung in Kauf genommen, um die Verfolgung des Raumfahrzeuges auf seiner Bahn sicherzustellen. [zurück zum Inhalt]

Beobachtungsstrategie

Die Aufbauten wurde Anfang Januar im NASA Ames Research Center in der Nähe von San Francisco in das Flugzeug integriert. Bis zum eigentlichen Wiedereintritt am 15.1.2006 um 1:56 lokaler Zeit (10:56 MEZ) fanden zusätzlich zwei Testflüge statt. Die Messungen am spektral hoch auflösenden Aufbau (SLIT) wurden durchgeführt von Dipl.-Ing. Michael Winter und Dr.-Ing. Georg Herdrich, eine CCD-Kamera mit Transmissionsgitter wurde betreut von Dipl.-Ing. Franziska Harms und Dr. rer. nat. Jürgen Wolf.

Für die Beobachtungen wurde eine Warteschleife für das Flugzeug nahe dem Landegebiet in Utah in Form eines 15 km breiten und 45 km langen Ovals definiert. Diese Warteschleife wurde vor Beginn der heißen Phase des Wiedereintritts drei Mal durchlaufen. Sekundengenau koordiniert mit der Eintrittstrajektorie von STADUST wurden die eigentlichen Beobachtungen schließlich auf der in Richtung Nordost verlaufenden Geraden durchgeführt. [zurück zum Inhalt]

Messaufbau SLIT

Für den spektral hoch auflösenden Messaufbau wurde ein Teleskop mit einem Off-axis Parabolspiegel (Brennweite 100 mm, Durchmesser 50 mm) verwendet, das Licht aus einem Winkelbereich von etwa 0.8° sammeln konnte. Dieses Licht wurde über einen Lichtwellenleiter aus 50 Einzelfasern mit einem Durchmesser von jeweils 100 µm in ein Spektrometer (Acton SP300i) geleitet und mit einer hochempfindlichen EMCCD Kamera (Andor DU971UV - PDF-File) detektiert, die für diese Messaufgabe von der Firma L.O.T.-Oriel zur Verfügung gestellt wurde. Zur Steigerung der Sensitivität wurden die Fasern über einen Querschnittswandler in eine lineare Anordnung umorientiert, die als Eingangsschlitz für das Spektrometer fungierte.

Das eigentliche Teleskop hatte ein Sichtfeld von nur 0.8°. Aus diesem Grund wurde zur Nachführung der über den Himmel wandernden STARDUST-Kapsel ein Lichtverstärker mit einem Sichtfeld von etwa 20° eingesetzt, dem ein Gitternetz überlagert wurde, in dem das Sichtfeld des Teleskops wiedergefunden werden konnte. [zurück zum Inhalt]

Wesentliche Aufgabe des SLIT Aufbaus war die Messung der Emission der Plasmaschicht um die STARDUST Kapsel herum im nahen UV-Bereich in möglichst hoher spektraler Auflösung. Im Gegensatz zu den anderen bei der STARDUST Beobachtung eingesetzten Verfahren hatte SLIT den Vorteil eines festgelegten Wellenlängenbereichs und stellt damit in gewisser Form Kalibrierdaten für die anderen Aufbauten bereit. Dieser Vorteil wurde mit einer verminderten Sensitivität sowie einem stark erhöhten Aufwand zur manuellen Nachführung erkauft. Wie im Vorfeld erwartet konnte aufgrund des kleineren Sichtfeldes des eigentlichen Teleskops kein kontinuierlicher Verlauf der Strahlung während der gesamten Wiedereintrittsphase ermittelt werden.

Im betrachteten Wellenlängenbereich war die Emission dominiert durch die Strahlung von Molekülen (N2+, N2, CN). Die nachfolgende Grafik zeigt ein noch nicht Intensitäts kalibriertes Spektrum am Punkt der maximalen Wärmelast. Zusätzlich zu den gemessenen Daten sind zur Veranschaulichung der beobachteten Emission Simulationen der Molekülstrahlung mit dem Programmpaket PARADE eingetragen. [zurück zum Inhalt]

Es ist geplant, die Messdaten aller teilnehmenden Wissenschaftler der gesamten Gruppe zugänglich zu machen, um eine möglichst umfassende Auswertung dieses wichtigen Wiedereintritts zu ermöglichen. Die gewonnenen Messdaten werden im Sommer in einem Workshop mit den internationalen Kollegen diskutiert werden. Mittelfristig erfordert die Nachfluganalyse jedoch umfangreiche numerische und experimentelle Untersuchungen, um die spektralen Daten aus dem realen Wiedereintritt in konkrete Vorhersagen bezüglich kommender hochenthalper Wiedereintritte und Rückkehrmissionen umzusetzen. Dies soll unter anderem im Rahmen einer Doktorarbeit erfolgen. [zurück zum Inhalt]

• STARDUST Mission Homepage
• STARDUST Observation Homepage

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