Der Chefingenieur und Missionsdirektor von Dawn Spacecraft bei JPL gibt Einblicke. Die Morgendämmerung wird Ceres im März 2015 erreichen. Das erste Raumschiff, das jemals zwei Planetenkörper umkreist!
JPLs Marc Rayman
Marc Rayman ist der Chefingenieur und Missionsdirektor der Raumsonde Dawn bei JPL. Als lebenslanger Weltraumenthusiast begann er mit neun Jahren an die NASA zu schreiben und wechselte nach seiner Promotion zu JPL. in der Physik ein paar Jahre später. Er hat an einer Vielzahl von Astrophysik- und Planetenmissionen gearbeitet, aber natürlich "nichts ist so cool wie Dawn". Fans von Dawn folgen dieser Mission, indem sie Marc's Dawn Journal lesen. Dieser Artikel wurde im Dawn Journal für den 28. November 2014 erneut veröffentlicht. Mit Genehmigung verwendet.
Das Raumschiff Dawn fliegt leise und sanft durch den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und strahlt einen blaugrünen Strahl von Hochgeschwindigkeits-Xenonionen aus. Auf der der Erde gegenüberliegenden Seite der Sonne setzt der ferne Abenteurer mit seinem einzigartig effizienten Ionenantrieb seinen langen Weg vom riesigen Protoplaneten Vesta zum Zwergplaneten Ceres fort.
Lassen Sie uns diesen Monat einen Blick auf einige anstehende Aktivitäten werfen. Sie können die Sonne im Dezember nutzen, um die Morgendämmerung am Himmel zu lokalisieren. Bevor wir das beschreiben, wollen wir uns ansehen, wie die Morgendämmerung auf Ceres blickt und in der Nacht des 1. Dezembers fotografieren will
Dawns erstes Foto von Ceres, aufgenommen am 20. Juli 2010. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / MPS / DLR / IDA
Die Sensoren des Robot Explorer sind komplexe Geräte, die viele empfindliche Messungen durchführen. Um sicherzustellen, dass sie die bestmöglichen wissenschaftlichen Daten liefern, muss ihr Gesundheitszustand sorgfältig überwacht und gewartet werden, und sie müssen genau kalibriert werden. Die hoch entwickelten Instrumente werden gelegentlich aktiviert und getestet und sind alle in ausgezeichnetem Zustand.
Eine letzte Kalibrierung der Wissenschaftskamera ist vor Ankunft in Ceres erforderlich. Um dies zu erreichen, muss die Kamera Bilder von einem Ziel aufnehmen, das nur wenige Pixel breit ist. Der endlose Himmel, der unseren interplanetaren Reisenden umgibt, ist voller Sterne, aber diese schönen Lichtpunkte sind zwar leicht zu erkennen, aber für diese spezielle Messung zu klein. Aber es gibt ein Objekt, das zufällig die richtige Größe hat. Am 1. Dezember wird Ceres einen Durchmesser von etwa neun Pixeln haben, was für diese Kalibrierung nahezu perfekt ist.
Die Bilder liefern Daten zu sehr subtilen optischen Eigenschaften der Kamera, die Wissenschaftler verwenden, um die Details einiger aus dem Orbit zurückgesendeter Bilder zu analysieren und zu interpretieren. Mit einer Entfernung von 1,2 Millionen Kilometern (740.000 Meilen) wird Dawns Abstand zu Ceres etwa dreimal so groß sein wie der Abstand zwischen Erde und Mond. Die Kamera, die für die Kartierung von Vesta und Ceres aus dem Orbit entwickelt wurde, wird nichts Neues enthüllen. Es wird jedoch etwas Cooles enthüllen! Die Bilder werden die erste erweiterte Ansicht für die erste Sonde sein, die den ersten entdeckten Zwergplaneten erreicht. Sie werden den größten Körper zwischen der Sonne und Pluto zeigen, der noch nicht von einem Raumschiff besucht wurde, Dawns Ziel, seit er vor mehr als zwei Jahren aus Vestas Gravitationsgriff herausgeklettert ist.
Dawns erstes erweitertes Bild von Ceres - das Sie hier sehen können - ist nur geringfügig größer als dieses Bild von Vesta, das am 3. Mai 2011 zu Beginn der Vesta-Annäherungsphase aufgenommen wurde. Der Einschub zeigt die aus dem Hauptbild extrahierte pixelige Vesta, auf der die überbelichtete Vesta vor dem Hintergrund von Sternen zu sehen ist. Kredit: NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA
Dies wird nicht das erste Mal sein, dass Dawn Ceres entdeckt. Bei einer anderen Kalibrierung der Kamera vor mehr als vier Jahren hat der Forscher das schwache Ziel ausfindig gemacht, das sowohl zeitlich als auch räumlich weit entfernt ist. Damals, noch ein Jahr vor der Ankunft in Vesta, war Dawn mehr als 1.300 Mal weiter von Ceres entfernt als für diese neue Kalibrierung. Der Riese des Asteroidenhauptgürtels war ein undeutlicher Punkt in der riesigen kosmischen Landschaft.
Jetzt ist Ceres das hellste Objekt in Dawns Himmel, abgesehen von der fernen Sonne. Wenn die Fotos aufgenommen werden, ist Ceres so hell, wie die Venus manchmal von der Erde aus erscheint (was Astronomen als visuelle Größe -3,6 bezeichnen würden).
Um Hydrazin, eine wertvolle Ressource nach dem Verlust von zwei Reaktionsrädern, zu schonen, wird Dawn bei dieser Kalibrierung, für die lange Belichtungszeiten erforderlich sind, mit seinem Ionenantriebssystem voranschreiten. Das Ionen-Triebwerk bewegt das Raumschiff nicht nur auf seiner Flugbahn, sondern stabilisiert das Schiff auch, sodass es gleichmäßig in die Schwerelosigkeit des Weltraumfluges zeigt. (Dawns Vorgänger, Deep Space 1, verwendete den gleichen Trick des Ionenstoßes, um für seine ersten Fotos des Kometen Borrelly so stabil wie möglich zu sein.)
Wenn sich Dawn seinem Steinbruch nähert, wird Ceres heller und größer. Im vergangenen Monat haben wir den Plan für das Fotografieren von Ceres im ersten Teil der Anflugphase zusammengefasst. Die Ergebnisse waren im Januar vergleichbar mit den derzeit besten (von Hubble Space Telescope) und im Februar deutlich besser. Der Hauptzweck der Bilder ist es, den Seefahrern zu helfen, das Schiff nach einer langen Reise auf den interplanetaren Meeren in diesen unbekannten, endgültigen Hafen zu steuern. Die Kamera dient als Steuermannsauge. Ceres wurde seit mehr als zwei Jahrhunderten mit Fernrohren von (oder in der Nähe von) der Erde beobachtet, aber es war kaum mehr als ein schwacher, verschwommener Fleck, der weiter entfernt war als die Sonne. Aber nicht mehr lange!
Das fortschrittliche Ionenantriebssystem von Dawn ist das einzige Raumschiff, das jemals gebaut wurde, um zwei außerirdische Ziele zu umkreisen. Das Ionen-Triebwerk liefert das leiseste Flüstern des Schubes und ermöglicht Dawn, auf eine Weise zu manövrieren, die sich von herkömmlichen Raumfahrzeugen völlig unterscheidet. Im Januar haben wir Dawns einzigartige Art, in den Orbit zu rutschen, ausführlich vorgestellt. Im September störte ein Ausbruch von Weltraumstrahlung das Schubprofil. Wie wir gesehen haben, hat das Flugteam schnell auf ein sehr komplexes Problem reagiert und die Dauer des fehlenden Schubes minimiert. Ein Teil ihrer Eventualoperationen bestand darin, eine neue Annäherungskurve zu entwerfen, die die 95 Stunden berücksichtigte, die Dawn im Leerlauf statt im Schub fuhr. Lassen Sie uns nun einen Blick darauf werfen, wie sich die resultierende Flugbahn von dem unterscheidet, was wir zu Beginn dieses Jahres besprochen haben.
In dieser Ansicht befindet sich die Sonne am Nordpol von Ceres nicht auf der linken Seite, und die Umlaufbewegung von Ceres im Gegenuhrzeigersinn um die Sonne führt sie vom unteren Rand der Figur nach oben. Dawn fliegt von links ein, fährt vor Ceres hinaus und wird dann auf dem Weg zum Scheitelpunkt seiner Umlaufbahn eingefangen. Die weißen Kreise erscheinen im Abstand von einem Tag und veranschaulichen, wie Dawn zunächst allmählich langsamer wird. (Wenn die Kreise näher beieinander liegen, bewegt sich Dawn langsamer.) Nach der Erfassung verlangsamen sowohl die Schwerkraft von Ceres als auch der Ionenschub die Bewegung noch mehr, bevor das Fahrzeug bis zum Ende der Annäherungsphase beschleunigt. (Sie können sich diese Perspektive von oben vorstellen. Dann zeigt die nächste Abbildung die Ansicht von der Seite, was hier bedeuten würde, dass Sie von einer Stelle am unteren Rand der Grafik in Richtung der Aktion schauen.) Credit: NASA / JPL
Bei der ursprünglichen Annäherung folgte Dawn einer einfachen Spirale um Ceres, näherte sich aus der allgemeinen Richtung der Sonne, umschlang den Südpol, ging über die Nachtseite hinaus und kehrte über den Nordpol zurück, bevor sie in die Zielbahn gelangte. Bekannt unter dem aufregenden Namen RC3 in einer Höhe von 13.500 Kilometern. Wie ein Pilot, der ein Flugzeug landet, war es für das Fliegen dieser Route erforderlich, einen bestimmten Kurs einzuhalten und die Geschwindigkeit im Voraus zu bestimmen. Der Ionenstoß in diesem Jahr hatte Dawn veranlasst, diese Annäherungsspirale Anfang nächsten Jahres in Angriff zu nehmen.
Die Änderung seines Flugprofils nach der Begegnung im September mit einem schurkischen kosmischen Strahl bedeutete, dass der spiralförmige Pfad deutlich anders sein und deutlich länger dauern würde. Während das Flugteam mit Sicherheit geduldig ist - immerhin wird der Roboterbotschafter der Erde Ceres erst 213 Jahre nach seiner Entdeckung und mehr als sieben Jahre nach dem Start erreichen -, haben die brillant kreativen Navigatoren eine völlig neue Anflugbahn entwickelt, die kürzer wäre. Das Raumschiff demonstriert die außergewöhnliche Flexibilität des Ionenantriebs und schlägt nun einen völlig anderen Weg ein, landet aber auf genau derselben Umlaufbahn.
Das Raumschiff wird sich am 6. März von Ceres einfangen lassen, nur etwa einen halben Tag später als die Flugbahn, die es vor der Schubpause zurückgelegt hat, aber die Geometrie davor und danach wird ganz anders sein. Anstatt südlich von Ceres zu fliegen, soll Dawn ihn jetzt führen und vorausfliegen, während der Zwergplanet die Sonne umkreist, und dann beginnt das Raumschiff, sich sanft darum zu drehen. (Sie können dies in der Abbildung links sehen.) Die Morgendämmerung erreicht 38.000 Kilometer und biegt dann langsam ab. Dank des bemerkenswerten Designs des Schubprofils werden der Ionenmotor und die Anziehungskraft von Gestein und Eis zusammenarbeiten. In einer Entfernung von 41.000 Meilen (61.000 Kilometern) wird Ceres seine neue Gefährtin erreichen und zärtlich ergreifen, und sie werden immer zusammen sein. Die Morgendämmerung wird in der Umlaufbahn sein und Ceres wird für immer von diesem ehemaligen Bewohner der Erde begleitet werden.
Wenn das Raumschiff aufhören würde zu stoßen, als Ceres es gefangen hat, würde es sich weiterhin in einer hohen elliptischen Umlaufbahn um den massiven Körper drehen, aber seine Mission ist es, die mysteriöse Welt zu untersuchen. Unser Ziel ist es nicht, in irgendeiner beliebigen Umlaufbahn zu sein, sondern in den speziellen Umlaufbahnen, die ausgewählt wurden, um die beste wissenschaftliche Rendite für die Sondenkamera und andere Sensoren zu erzielen. Es wird also nicht aufhören, sondern weiter auf RC3 manövrieren.
Immer anmutig wird Dawn behutsam gegen den Umlaufimpuls vorgehen und ihn daran hindern, auf die höchste Höhe zu schwingen, die er sonst erreichen würde. Am 18. März, fast zwei Wochen nachdem es von Ceres 'Schwerkraft erfasst wurde, biegt Dawn auf den Kamm seiner Umlaufbahn. Wie ein hoch geworfener Ball, der vor dem Zurückfallen kurz anhält, endet der Orbitalaufstieg von Dawn in einer Höhe von 75.000 Kilometern, und Ceres 'unerbittlicher Zug (unterstützt durch den konstanten, sanften Schub) gewinnt. Wenn es sich seinem Gravitationsmeister nähert, wird es weiterhin mit Ceres zusammenarbeiten. Anstatt sich dem Sturz zu widersetzen, wird das Raumschiff sich selbst beschleunigen und die Fahrt zu RC3 beschleunigen.
Die Angabe der Umlaufbahn ist mehr als die Höhe. Eines der anderen Attribute ist die Ausrichtung der Umlaufbahn im Raum. (Stellen Sie sich eine Umlaufbahn als Ring um Ceres vor, aber dieser Ring kann auf viele Arten gekippt und gekippt werden.) Damit Sie die gesamte Oberfläche sehen können, während sich Ceres darunter dreht, muss Dawn in einer polaren Umlaufbahn sein und über den Norden fliegen Pole, wenn er von der Nachtseite zur Tagseite wandert, sich nach Süden bewegt, wenn er über den Äquator fährt, zurück zur unbeleuchteten Seite segelt, wenn er den Südpol erreicht, und dann im Dunkeln der Nacht über dem Gelände nach Norden fährt. Um den früheren Teil seiner neuen Annäherungsbahn zu erreichen, wird Dawn jedoch über niedrigeren Breiten bleiben, sehr hoch über der mysteriösen Oberfläche, aber nicht weit vom Äquator entfernt. Wenn es in Richtung RC3 rast, wird es seine Ionen-Engine nicht nur so ausrichten, dass die Zeit zum Erreichen dieser Umlaufbahnhöhe verkürzt wird, sondern auch die Ebene seiner Umlaufbahn so kippen, dass sie die Pole umkreist (und die Ebene in eine bestimmte Richtung neigt) Ausrichtung relativ zur Sonne). Und schließlich, wenn es noch näher kommt, wird es sich dem bekanntermaßen effizienten, leuchtenden Xenon-Ionenstrahl entgegen der Schwerkraft von Ceres zuwenden, der eher als Bremse als als Beschleuniger fungiert. Bis zum 23. April wird dieser erste Akt eines wunderschönen neuen Himmelsballetts abgeschlossen sein. Dawn wird in der ursprünglich geplanten Umlaufbahn um Ceres sein und bereit sein für den nächsten Akt: die intensiven Beobachtungen von RC3, die wir im Februar beschrieben haben.
Norden ist oben in dieser Figur und die Sonne ist weit links. Ceres Orbitalbewegung um die Sonne trägt es direkt in die Figur. Der ursprüngliche Ansatz führte Dawn über den Südpol von Ceres, als er direkt in RC3 überging. Beim neuen Ansatz sieht es hier so aus, als würde es über den Nordpol fliegen, aber das liegt an der flachen Darstellung. Wie die vorige Abbildung zeigt, liegt Dawn deutlich vor Ceres. Der obere Teil der grünen Flugbahn liegt nicht in der gleichen Ebene wie der ursprüngliche Anflug und RC3; Vielmehr ist es im Hintergrund, "hinter" der Grafik. Wenn Dawn zur rechten Seite des Diagramms fliegt, bewegt sie sich auch in die Ebene der Figur, um sich mit dem anvisierten RC3 auszurichten. Wie zuvor zeigen die Kreise in Abständen von einem Tag die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs an. Wo sie näher beieinander liegen, fährt das Schiff langsamer. (Sie können sich diese Perspektive von der Seite und die vorherige als Ansicht von oben über diese Grafik vorstellen.) Bildnachweis: NASA / JPL
Dawns Umlaufbahn ist nicht komplexer und eleganter als die, die ein Crackerjack-Raumschiffpilot ausführen würde. Einer der Hauptunterschiede zwischen dem, was unser Ass leisten wird, und dem, was in Science-Fiction-Filmen häufig passiert, ist jedoch, dass Dawns Manöver den Gesetzen der Physik entsprechen. Und wenn das nicht erfreulich genug ist, macht es die Tatsache, dass es echt ist, vielleicht noch eindrucksvoller. Ein Raumschiff, das vor mehr als sieben Jahren von der Erde gesandt wurde und von elektrisch beschleunigten Ionen angetrieben wurde, hat sich bereits ausgiebig um den riesigen Protoplaneten Vesta bewegt, um seine unzähligen Geheimnisse zu enthüllen in seine geplante Umlaufbahn.
Illustration der relativen Standorte (aber nicht der Größen) von Erde, Sonne und Morgendämmerung Anfang Dezember 2014. Erde und Sonne sind an diesem Standort jeden Dezember. Die Bilder überlagern die Flugbahn der gesamten Mission und zeigen die Positionen von Erde, Mars, Vesta und Ceres auf Meilensteinen während der Reise von Dawn. Bildnachweis: NASA / JPL
Und das alles wird weit weg von der Erde stattfinden. Tatsächlich befindet sich Dawn auf einer ganz anderen heliozentrischen Umlaufbahn als der Planet, den sie 2007 zurückgelassen hat. Im Dezember werden sie auf getrennten Wegen zu entgegengesetzten Seiten der Sonne geführt. Eine ähnliche Himmelsordnung wird es erst 2016 geben. Bis dahin befindet sich das Fahrzeug in seiner niedrigsten Umlaufbahn in Ceres. (Wir laden unser zukünftiges Ich ein, in die Vergangenheit zurückzukehren, um uns hier zu erzählen, wie die Aussicht ist. __) Aus unserer terrestrischen Perspektive wird die Morgendämmerung am 9. und 10. Dezember weniger als einen Sonnendurchmesser vom Sonnenrand entfernt sein.
Während die Erde, die Sonne und das Raumschiff näher zusammenrücken, müssen Funksignale, die hin und her gehen, in der Nähe der Sonne vorbeiziehen. Die solare Umgebung ist in der Tat hart und es wird diese Radiowellen stören. Während einige Signale durchkommen, ist die Kommunikation nicht zuverlässig. Aus diesem Grund planen die Fluglotsen vom 4. bis 15. Dezember, dem Raumschiff keine Verbindung zu gewähren. Alle Anweisungen, die während dieser Zeit benötigt werden, werden zuvor an Bord gespeichert. Gelegentlich hören Deep Space Network-Antennen, die in die Nähe der Sonne zeigen, durch das Brüllen nach dem leisen Flüstern des Raumfahrzeugs, aber das Team betrachtet jede Kommunikation als Bonus.