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Cluster gerettet!

Mission wird bis Dezember 2012 verlängert

Die Cluster-Satelliten untersuchen die Effekte der Sonnenwinde. Computergrafik.

In diesem Jahr reagierten eine Reihe wichtiger wissenschaftlicher Instrumente in einem der von Airbus Defence and Space gebauten Cluster-Satelliten der ESA nach über zehn Jahren im Orbit plötzlich nicht mehr auf die Befehle. Sofort kümmerten sich die Airbus Defence and Space-Experten Gunther Lautenschläger und Heiner Sondermann im Rahmen des Kundensupports um das Problem und konnten es Anfang Juni schließlich gemeinsam mit der ESA beheben.

Satellit während der Integration im Reinraum von Airbus Defence and Space Friedrichshafen im Jahr 1998.Die Cluster-Mission begann im Sommer 2000 mit zwei Soyus-Doppelstarts. Seitdem messen die vier baugleichen Satelliten die Auswirkungen des Sonnenwindes auf das Erd-Magnetfeld und lieferten so völlig neue Einblicke in diese meist unmerkliche Interaktion zwischen Sonne und Erde. Die ursprüngliche Mission war bis 2005 geplant. Aufgrund der außerordentlichen Messergebnisse wurde sie dreimal verlängert und soll nun bis Dezember 2012 laufen.

Von den elf Instrumenten an Bord eines jeden Satelliten arbeiten fünf für das Wave Experiment Consortium (WEC), das Messungen an elektrischen und magnetischen Feldern vornimmt. Alle vier Satelliten müssen gleichzeitig messen, um so zeitlich aufeinander abgestimmte Beobachtungen vornehmen zu können. Am 5. März schaltete sich das WEC-Instrumentenpaket auf dem Cluster-Satelliten Nr.3 namens "Samba" infolge einer On-Bord-Überwachung ab und konnte nicht wieder aktiviert werden.

Querschnitt des Cluster Raumsegments. Es zeigt die Instrumente STAFF (1), EFW (2), DWP (3), WHISPER (4) und WBD (5), die zusammen das WEC bilden (WAVE Experiment Consortium). (© ESA)

Die Mitarbeiter der Missions-Kontrolle am Europäischen Raumflugkontrollzentrum der ESA in Darmstadt (ESOC) aktivierten unverzüglich die üblichen Standard-Wiederherstellungsprozeduren. Allerdings hatte keine dieser Maßnahmen den gewünschten Erfolg, zudem konnten von den Instrumenten auch keinerlei Statusinformationen abgerufen werden. Heiner Sondermann, Airbus Defence and Space-Ingenieur für die elektrischen Systeme der Cluster-Satelliten, erklärte: „Die fehlenden Statusdaten und die ausbleibende Reaktion der Instrumente ließen uns vermuten, dass entweder ein Gerätefehler oder ein elektrischer Kurzschluss vorlag.“ Ein dauerhafter Instrumentenausfall hätte zu einer deutlich geringeren wissenschaftlichen Ausbeute und damit möglicherweise zu einem vorzeitigen Abbruch der Cluster-Mission geführt.

Das ESOC versuchte auch die redundante Stromversorgung  zu aktivieren, aber der Strom begrenzende Schalter (LCL) in der zentralen Stromversorgung des Satelliten (PDU) reagierte sofort und schaltete ab. Dieser Sicherheitsmechanismus soll denPower-Bus des Satelliten schützen, wenn bei einem Instrument ein Kurzschluss auftritt.

Ingenieure im Cluster Kontrollraum der ESOC, Europas Raumfahrt Betriebszentrum in Darmstadt. (© ESA / J.Mai)Einige mühevolle Wochen lang fahndete das ESOC-Cluster-Team aus Airbus Defence and Space-Spezialisten, WEC-Wissenschaftlern und -Herstellern sowie ESA-Mitarbeitern nach der Ursache des Problems. Während dessen schlug Airbus Defence and Space-System-Ingenieur Gunther Lautenschläger vor, eine inaktive Onboard-Software so zu modifizieren, dass der Verlauf des Einschaltstromes von WEC gemessen werden konnte. Diese Software war letztmalig kurz nach dem Start des Satelliten vor über zehn Jahren im Einsatz, um das Ausklappen der Antennen- und Instrumentenausleger zu überwachen.

Mit Hilfe dieser telemetrisch übertragenen Diagnose-Daten konnte das Team schlussfolgern, dass das Problem nicht von einem Kurzschluss herrührte, sondern die fünf Hauptschalter betraf, die sich allesamt in einer nicht bedienbaren "Ein"-Position befanden. Damit war die Stromspitze bei gleichzeitigem Einschalten aller fünf WEC-Instrumente zu hoch, so dass sich der LCL automatisch abschaltete.

Die einzige Chance war, die nominelle- und redundante Stromversorgung des Satelliten gleichzeitig einzuschalten und so das WEC-Instrumentenpaket zu aktivieren – ein Prozess, der eigentlich sowohl durch die PDU-Auslegung als auch das On-Board-Computer-Bus-Protokoll ausgeschlossen war. Nach dem Testen mehrerer Lösungen, die sich allesamt als unzulänglich erwiesen, fanden die Experten von ESA und Airbus Defence and Space doch noch eine „Hintertür“.

Gunther Lautenschläger, Cluster Projektleiter von Airbus Defence and Space, im ESOC Kontrollraum in Darmstadt während der Startkampagne im Jahr 2000.Airbus Defence and Space-Experte Gunther Lautenschläger erklärt das Verfahren: „Eine Anmerkung zu einer Betriebseinschränkung im PDU-Benutzerhandbuch brachte uns auf die rettende Idee: Wir versuchten, einen Befehl in zwei halbe Befehle aufzuspalten und damit den nominellen und redundanten LCL gleichzeitig einzuschalten – ein absolut unkonventioneller Vorgang! Auf dieser Grundlage entwickelten wir dann ein Rettungsverfahren, mit dem es schließlich klappte.“

Wie die ESA berichtete, wurde am 1. Juni unter höchster Spannung eine Reihe von Befehlen aus dem Missionskontrollraum ins All gefunkt. Zur großen Erleichterung aller Beteiligten sprangen dadurch die Schalter auf „Ein“, und die störrischen WEC-Instrumente konnten wieder zum Leben erweckt werden. Der Satelliten-Cluster Nr.3 konnte seinen normalen Betrieb wieder aufnehmen, und die Experten entwickelten Maßnahmen, um einen solchen Fehler in Zukunft zu verhindern.

„Läuft alles wie geplant, kann der Betrieb einer Mission zur reinen Routine werden“, sagte Dr. Manfred Warhaut, ESA-Bereichsleiter Missionsbetrieb. „Treten allerdings unerwartete Probleme auf, die in keinem Handbuch beschrieben sind, muss ein wirklich erfahrenes und talentiertes Team zur Stelle sein, um das Problem zu lösen.“

Heiner Sondermann zieht sein persönliches Fazit: „Wenn man weiß, was man tut, kann man es manchmal riskieren, die ausgetretenen Pfade zu verlassen. Glücklicherweise hatten wir hier Erfolg!“

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