Mars Reconnaissance Orbiter

 MRO
Alle zwei Jahre öffnet sich aufgrund der planetaren Konstellationen ein Startfenster zum Mars. Das 2005er Startfenster wurde zum Start des Mars Reconnaissance Orbiter (Mars Aufklärungs-Orbiter, MRO) genutzt. Der exakte Starttermin für den 2180 kg schweren Orbiter war der 10. August 2005, der Flug zum Mars dauerte 7 Monate bis in den März 2006 hinein, danach war eine längere Aerobrakingphase (Geschwindigkeitsanpassung durch mehrfaches Eintauchen in die Marsatmosphäre beim Passieren des Planeten) bis in den November 2006 geplant, um einen energieoptimalen Orbit für die wissenschaftlichen Experimente erreichen zu können. Ab diesem Zeitpunkt sollte MRO bis ins Jahr 2010 hinein neben seiner eigenen wissenschaftlichen Aufgaben der Marserforschung als leistungsfähiges Funkrelay für alle bestehenden bzw. zukünftigen Oberflächenmissionen dienen. Der Orbiter hatte genügend Treibstoff an Bord, um danach für weitere fünf Jahre seine Funkrelayfunktion für alle späteren Marssonden ausüben zu können.

Der MRO war der erste seiner Art von Orbitern, die mit einer einzigartigen Ausrüstung sehr ehrgeizige Ziele verfolgten. Der Schwerpunkt der Mission lag auch hier wie schon bei allen Vorgängermissionen auf der Suche nach Wasser und der Erkundung von Landeorten zukünftiger Oberflächenmissionen. Darüber hinaus ersetzte MRO die beiden bereits sehr betagten Orbiter Mars Global Surveyor (MGS) und Mars Odyssey  bzw. unterstützte sie bei der Aufgabe, als Funkrelaystation aller laufender (Mars Exploration Rover) oder zukünftiger oberflächengestützter Missionen zu dienen.

Der Orbiter studierte nach seiner Marsankunft den Planeten mit einer Reihe von in verschiedenen Ländern hergestellten Instrumenten. Der Schwerpunkt lag eindeutig auf Hochleistungskameras, die zum ersten Mal ähnlich leistungsfähig waren, wie die der europäischen Mars Express-Unternehmung. Alle Instrumente zusammengenommen sollten dabei mehr als das 40fache der Datenmengen aller NASA-Vorgängermissionen zur Erde zurückübertragen. Die Gesamtkosten dieser Mission beliefen sich auf 500 Millionen Dollar einschliesslich der gesamten Onboard-Ausrüstung und der Atlas V Startrakete. Der Orbiter hatte eine Ausrüstung von 6 Onboard-Experimenten zusammen mit einer kompletten, "Electra" genannten Funkrelaystation an Bord :

  • Mars Climate Sounder
  • Reconaissance Imaging Spectrometer
  • High Resolution Imager
  • Wide Swath Context Camera
  • Multi Color Imager
  • Radar Sounding Instrument (entspricht dem Marsis-Radar von Mars Express)
Insgesamt ähnelte diese Ausrüstung dem bis dahin schon seit mehr als zwei Jahren im Marsorbit operierenden Mars Express der ESA doch sehr. Eine sehr detaillierte Beschreibung der Ausrüstung von Mars Reconaissance Orbiter gibt es hier.

Die folgende Tabelle fasst die zeitlichen Abläufe der Mission zusammen, die momentane Position des Raumschiffes kann hier abgelesen werden:
 
 Aktion  Datum  Bemerkungen
Betankung 20.07.2005  MRO wird mit 1196 kg hochreinem Hydrazins als Treibstoff für die Lagekontrolltriebwerke betankt. Damit steigt seine Masse auf 2180 kg.
Endmontage 25.07.2005 Das Raumschiff wird fest in seine Starthülle in der Atlas V Startrakete (Nutzlastaufsatz) eingebaut, die direkt nach dem Start nach der Durchquerung der Erdatmosphäre in der ersten Phase im interplanetaren Raum abgesprengt wird.
Endtests 04.08.2005 Die letzten Endtests innerhalb der Startkonfiguration wurden erfolgreich abgeschlossen. Das Raumschiff ist bereits fest montiert im Startkomplex 41 des Cap Canaveral Luftwaffenstützpunktes und klar zum Start.
MRO Start 12.08.2005  in Cape Canaveral mit einer Atlas-V Rakete. Das Raumschiff hat nach problemlosen Start um 14:41 Uhr durch Zündung des Haupttriebwerkes für 5 min 25 sec den Erdorbit verlassen und seine Reise zum Mars angetreten. Der gewählte Kurs führt zunächst am Mars vorbei, um die Kontaminierung des Planeten bei unvorhergesehenen Startproblemen zu verhindern. Erst weitere Kurskorrekturmanöver werden MRO den Mars erreichen lassen. Am Abend des 12. August 2005 hat das japanische Kumamoto Observatorium mit seinem 41 cm Spiegel den Orbiter im Sternbild Pegasus fotografiert.
Kamerakalibrierung 15.08.2005 Erste Kalibrierungen und Testaufnahmen mit der Mars Color Imager Kamera in einer Entfernung von etwas mehr als 1 Mio km von der Erde. Die Kamera soll später in einer Höhe von etwa 300 km über dem Mars hochaufgelöste Bilder der Oberfläche schiessen.
TCM-1 27.08.2005 Trajectory Correction Maneuver 1 (TCM-1): Das Kurskorrekturmanöver (1 von 3) mit der längsten Brenndauer. Die 6 Hauptmotoren feuerten insgesamt 15 s lang, danach wurden noch einmal die 6 kleineren Manövriertriebwerke für eine Dauer von 30 s eingesetzt. Die Geschwindigkeit des Raumschiffes änderte sich damit um 7.8 m/s und der Eintrittspunkt in den Marsorbit für den 10. März 2006 wurde so auf eine sichere Höhe von 395 km festgelegt. Um die fast 2000 kg Masse des Raumschiffes im Raum bewegen zu können, geben die 6 Hauptriebwerke geben je 38 pounds, die 6 Manövriertriebwerke je 5 pounds Schub. Die Haupttriebwerke werden erst wieder zum Einbremsen in den Standardorbit am 10. März 2006 benötigt. Die weiteren Kurskorrekturen werden mit den Manövriertriebwerken erledigt. Die Feinjustage des Orbit-Eintrittspunktes findet mit den weiteren Kurskorrekturmanövern statt.
Kamerakalibrierung 08.09.2005  In einer Entfernung von 10 Mio km vom Mond wurden die Context Kamera, die optische Navigationskamera und die HighGain Antenne erfolgreich auf korrektes Funktionieren gestestet. Fotos vom Mond und vom Sternencluster Omega Centauri zeigen, dass die Kameras und die für die Kommunikation mit der Erde unverzichtbare Hochgeschwindigkeitsantenne wie erwartet einwandfrei funktionieren. Hier ist die Originalseite der NASA hierzu.
TCM-2 18.11.2005  Trajectory Correction Maneuver 2 (TCM-2): Das Kurskorrekturmanöver (2 von 3) zum Feintuning auf einen südlichen Kurs beim Eintritt in die Marsumlaufbahn. Die sechs Manövriertriebwerke mit jeweils 18 Newton Schub wurden für 20s eingesetzt, um die Geschwindigkeit des Raumschiffes um 75 cm/s zu ändern.
Kamerakalibrierung 28.12.2005  Erneut wurden die verschiedenen Kamerasysteme an Bord des Raumschiffes verschiedenen Funktionstests unterzogen. Dabei wurde vor allen Dingen mit der für die Mission wichtigen Hochauflösungskamera verschiedene Bilder von Planeten und Sternen aufgenommen, so z.B: das Kreuz des Südens, die Marsmonde und der offene Sternencluster NGC4755 im Kreuz des Südens, ein Geburtsort von neuen, blauen Sternen mit seinem roten Überriesen "kappa Crucis".
TCM-3 03.02.2006  Trajectory Correction Maneuver 3 (TCM-3): Das letzte Kurskorrekturmanöver (3 von 3) der 'Cruise'-Phase bis zum Eintritt in die Marsumlaufbahn. Weiteres Feintuning der exakten Eintrittsbahn. Dieses Korrekturmanöver fiel weg, da das Raumschiff zu diesem Zeitpunkt exakt auf Kurs lag
TCM-4/TCM-5 28.02.2006  Diese beiden Korrekturmanöver dienen dazu, Fehler der vorherigen Kurskorrekturen zu korrigieren und den exakten Eintrittspunkt für die Zündung des Haupttriebwerkes zum Einschwenken in die Marsumlaufbahn zu setzen. Dieser Punkt ist auf etwa 25 km Genauigkeit einstellbar !
Standardorbit 10.03.2006 MRO wird den Mars-Südpol  beim Anflug in 300 km Höhe  mit einer Geschwindigkeit vom etwa 5 km/s passieren. Zum Einschwenken in die Umlaufbahn muss MRO seine Geschwindigkeit um etwa 1 km/s vermindern und zwar durch 25 minütiges Feuern seiner 6 Haupttriebwerke (je 190 N Schub) gegen die Fahrtrichtung (MOI = Mars Orbit Injection). Es ist neben dem Start das kritischste Manöver der ganzen Mission. Dadurch schwenkt MRO in einen vorläufigen, stark elliptischen 35 h Orbit ein. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schritte ist hier angegeben.
Aerobraking bis 09.2006 Der anfänglich stark elliptische Orbit muss durch allmähliche Bremsung bei jedem Durchqueren der oberen Schichten der Marsatmosphäre im tiefsten Punkt der Orbitalbahn (Periapsis) in einen zirkularen, sonnensynchronen Orbit überführt werden, der das Raumschiff in etwa 300 km Höhe unter immer gleichen Sichtbedingungen synchron zur Sonne in einer exakten Nord-Süd Bahn über beide Pole hinweg um den Mars kreisen lässt. Die Umlaufsdauer reduziert sich von 35 Stunden auf 112 Minuten. Nur mit einer solchen Bahngeometrie sind die wissenschaftlichen Missionsziele erreichbar. Mars Global Surveyor und Mars Odyssey haben ähnliche Bahnen, wohingegen der europäische Mars Express bei einer stark elliptischen Orbitalgeometrie arbeitet. Aufgrund dieser ähnlichen Bahnen begegnen sich die Orbiter auch hin und wieder auf ihrem Weg um den Mars, wie die hier beschriebene Begebenheit zeigt.  Die 'heisse' Phase des Aerobraking war erfolgreich am 30. August 2006 beendet, als durch eine sechsminütige Zündung der Steuertriebwerke die Höhe des Periapsisdurchgangs auf 250 km angehoben wurde.
Erkundungsphase bis 11.2008 Nach der solaren Konjunktion begann am 9.11.2006 die wissenschaftliche Arbeit. Die Sonde übertrug jeden Tag über 8 Stunden mindestens 10 Gigabit an Daten der Bordinstrumente zur Erde. Insgesamt werden im Laufe der Mission 26-34 Terabit an Daten erwartet. MRO ersetzte den Mars Climate Orbiter, der 1999 verloren ging, allerdings nicht über die reichhaltige Instrumentierung von MRO verfügte. Die beiden im Orbit um den Mars befindlichen Orbiter Mars Global Surveyor  und Mars Odyssey würden im weiteren Verlauf der Mission abgeschaltet werden, da der MRO über ähnliche Instrumente wie diese verfügte. Die Primärmission erstreckte sich über zwei Jahre vom November 2006 bis zum November 2008. Alle 17 Tage konnte das Raumschiff eine Gegend beobachten und aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufnehmen. Nach 359 Tagen nahm es die Ursprungsposition wieder ein und konnte die Gegend unter demselben Blickwinkel nach Veränderungen untersuchen. So waren sowohl Veränderungen beobachtbar wie auch stereoskope Bilder möglich.
Relay Phase bis 12.2010 Danach wurde die Raumsonde als Relay für Landemissionen bis Dezember 2010 genutzt. Der Orbiter hatte genügend Treibstoff, um 5 Jahre lang aktiv zu sein, so dass es, wenn es keine Ausfälle geben sollte, man eventuell die Beobachtungsphase verlängern konnte. Der Phoenix Mars Lander landete im Mai 2008. Die beiden Rover Spirit und Opportunity waren ebenfalls noch aktiv als MRO den Mars erreichte. Er unterstützte daher den Orbiter Mars Odyssey bei der Datenübertragung und so konnten weitere 8 Terabit an Daten in der Relay Phase gewonnen werden.

Wenn die Mission ausläuft (geplant für den 31.12.2010) wird der Orbit der Sonde auf 350 - 410 km Höhe angehoben um eine Kontamination des Mars mit Bakterien zu verhindern, die eventuell die 5 Jahre im Weltraum in der Sonde überlebt haben. Die Sonde muss einen Orbit erreichen der mindestens 50 Jahre stabil ist. Das Missionsende ist nur von der Finanzierung bestimmt. Der Orbiter selbst hat noch genügend Treibstoff für 5 weitere Jahre, wenn es keine unvorhergesehenen Ereignisse gibt. Da die nächsten 2 Missionen zwei Landemissionen beinhalten (z.B. MSL im Jahre 2012) dürfte es sehr wahrscheinlich sein, dass man die Mission verlängert. Nach den Planungen der NASA würde es vor 2013 mit MAVEN keine neue Orbiter-Mission geben, so dass MRO auf jeden Fall als Relayorbiter erhalten bleiben mußte, um die Kommunikation der Bodenfahrzeuge mit der Erde aufrecht erhalten zu können.

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