Raumfahrzeuginformationen
Die Raumsonde Maven wurde von Lockheed Martin unter Verwendung von Komponenten und Techniken gebaut, die bereits auf dem Mars Reconnaissance Orbiter und der Juno-Sonde eingesetzt werden, die beide ebenfalls von LM gebaut wurden. MAVEN besteht aus einer würfelförmigen Raumsondenplattform, die den Großteil der Raumsondensysteme und Nutzlasten beherbergt, von denen einige an ausfahrbaren Instrumentenauslegern montiert sind. An der Hauptplattform sind auch zwei ausfahrbare Solarzellen angebracht, die ebenfalls wissenschaftliche Instrumente beherbergen.
Die würfelförmige Satellitenplattform ist 2,3 mal 2,3 mal 2 Meter groß und besteht aus Aluminiumwaben, die zwischen Graphit-Verbundstoffdeckschichten eingebettet sind. Der Kern der Struktur ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von 1,3 Metern, der den Treibstofftank des Raumfahrzeugs umschließt.
Radial auf dem Zylinder sind Verbundplatten angebracht, die mit Metallbeschlägen befestigt sind. Der Zylinder, die radialen Bleche und die äußeren Paneele werden als Montageplattformen für die Ausrüstung des Raumfahrzeugs verwendet und dienen als tragende Struktur.
Die Primärstruktur hat eine Masse von 125 Kilogramm und ist in der Lage, die gesamte Masse des Raumfahrzeugs und die beim Start auftretenden Lasten zu tragen. MAVEN hat ein Trockengewicht von 809 Kilogramm.
Insgesamt ist MAVEN 3,47 Meter hoch, 2,29 Meter breit und 11,43 Meter lang, wenn die beiden großen Sonnenkollektoren ausgefahren sind. Beim Start wiegt die Sonde 2.454 Kilogramm.
Der große Treibstofftank im Inneren des Zentralrohrs enthält den gesamten Hydrazinvorrat für die MAVEN-Mission. Er wurde von der ATK Aerospace Group, Kalifornien, hergestellt, ist 1,83 Meter hoch und kann 1.640 Kilogramm Hydrazin-Monotreibstoff für das Antriebssystem des Fahrzeugs aufnehmen.
Antriebssystem
Das Antriebssystem von MAVEN basiert auf dem für den Mars Reconnaissance Orbiter entwickelten System. Das von Aerojet hergestellte Antriebssystem besteht aus insgesamt 20 Triebwerken, die in drei Gruppen unterteilt sind: eine Bank mit sechs Hauptantriebstriebwerken, sechs Triebwerke mit mittlerer Schubkraft und acht Lageregelungstriebwerke. Alle Triebwerke sind katalytische Triebwerke, die Hydrazin-Monotreibstoff verwenden.
MAVEN ist mit insgesamt sechs MR-107N-Triebwerken ausgestattet, die an der Basis des Raumfahrzeugs installiert sind. Jedes dieser Triebwerke liefert einen Nennschub von 170 Newton mit einer Drosselkapazität von 109 bis 296 Newton. Mit den sechs Triebwerken bei Nennleistung hat MAVEN einen Gesamtschub von 1.020 Newton – 104 Kilogramm Kraft.
MR-107N arbeitet mit einem Treibstoffzufuhrdruck von 8,2 bis 27,8 bar und einem Kammerdruck von 4,2 bis 11,2 bar, um einen spezifischen Impuls von 229 bis 232 Sekunden zu erzeugen. Je nach Schubeinstellung nimmt das Triebwerk 49 bis 131 Gramm Treibstoff pro Sekunde auf. Es hat ein Expansionsverhältnis von 20,7. Das MR-107N wiegt 740 Gramm und misst 22 Zentimeter in der Länge und 6,6 Zentimeter im Durchmesser. Es verwendet ein Moog-Einzelsitzventil. Das Triebwerk ist für fast 1.500 Arbeitszyklen zertifiziert.
Das Hauptantriebssystem wird von der MAVEN-Raumsonde für ihr erstes großes Flugbahnkorrekturmanöver und das entscheidende Mars-Orbit-Insertionsmanöver sowie für alle anderen großen Manöver verwendet, die ein großes Delta-V erfordern. Das MAVEN-Treibstoffsystem arbeitet im geregelten Modus für die Verbrennungen des Haupttriebwerks und im Abblasemodus für Fluglagenmanöver mit den kleineren Triebwerken. Für die Druckbeaufschlagung der Tanks wird Helium verwendet.
Zusätzlich zu seinem Hauptantriebssystem ist MAVEN mit sechs MR-106E-Triebwerken ausgestattet, die für kleinere Flugbahnkorrekturen, Manöver zur Anpassung der Umlaufbahn und zur Lageregelung während der Haupttriebwerksverbrennungen wie dem Einführungsmanöver verwendet werden.
MR-106E liefert 22 Newton Schub mit einem Betriebsbereich von 11,6 bis 30,7 Newton bei einem Speisedruck von 6,9 bis 24,1 bar und einem Kammerdruck von 4,5 bis 12,4 bar.
Das Triebwerk liefert einen spezifischen Impuls von 229 bis 235 Sekunden. Es hat ein Expansionsverhältnis von 60 und verbraucht 5,0 bis 13,1 Gramm Treibstoff pro Sekunde. MR-106E wiegt 635 Gramm bei einer Länge von 18,2 Zentimetern und einem Düsendurchmesser von 3,4 Zentimetern. Das 22N-Triebwerk verwendet ein Doppelsitz-Propellerventil. Es ist für mehr als 50.000 Arbeitszyklen und lange Zündungen von bis zu 2.000 Sekunden sowie für eine kumulative Brenndauer von 4.670 Sekunden zertifiziert.
Für kleinere Lageregelungsmanöver verfügt MAVEN über acht MR-103D-Triebwerke, die jeweils einen geringen Schub von 1 Newton mit einem Betriebsbereich von 0,22 bis 1,02 Newton liefern. MR-103D arbeitet mit einem Treibstoffzufuhrdruck von 6,2 bis 27,6 bar und einem Kammerdruck von 5,9 bis 23,4 bar, da das Triebwerk 0,09 bis 0,5 Gramm Hydrazin pro Sekunde verbraucht.
Das Triebwerk hat ein Expansionsverhältnis von 100, ist 14,6 Zentimeter lang, hat eine Masse von 330 Gramm und einen Durchmesser von 3,4 Zentimetern. Das Triebwerk ist mit einem Doppelsitzventil ausgestattet, das einen spezifischen Impuls von 209 bis 224 Sekunden liefert. MR-103D ist für 275.000 Arbeitszyklen und eine kumulative Brenndauer von 111 Stunden sowie eine Einzelzündungszertifizierung von 5.000 Sekunden zertifiziert.
MAVEN ist mit einem redundanten Sonnensensorsystem ausgestattet, das zur Berechnung der Sonnenposition verwendet wird, um die Solaranlagen des Fahrzeugs im Falle eines Sicherheitsmodus auf die Sonne auszurichten und so eine stabile Energieerzeugung aufrechtzuerhalten.
Zwei Star Tracker liefern die genauen Navigations- und Orientierungsdaten an den Bordcomputer von MAVEN. Die Daten der Star Tracker werden für die präzise Ausrichtung zur Erde für die Kommunikation, zur Sonne für das Aufladen der Batterien und zum Mars für wissenschaftliche Zwecke verwendet. Die Star Tracker liefern zehn Bilder pro Sekunde, die dann mit einem Katalog von Tausenden von Sternen verglichen werden, um die Ausrichtung des Fahrzeugs im Weltraum zu bestimmen.
Ein redundantes System von zwei Inertial Measurement Units ist ebenfalls auf dem Raumfahrzeug installiert. Jede Einheit besteht aus drei Ringlaserkreiseln und drei Beschleunigungsmessern – ein Kreisel und ein Beschleunigungsmesser für jede zu messende Achse. Die IMU wird verwendet, um die Beschleunigungen des Fahrzeugs während der Triebwerksverbrennungen und die Fahrzeuggeschwindigkeiten bei Lageänderungen genau zu bestimmen, um eine präzise Ausrichtung zu ermöglichen. Beschleunigungsmesserdaten können auch zur Messung der atmosphärischen Dichte im obersten Teil der Marsatmosphäre verwendet werden, da sich die Widerstandskräfte für das Raumfahrzeug bemerkbar machen.
Navigationsdaten, die von der Sensorergänzung geliefert werden, werden vom Flugcomputer des Fahrzeugs verwendet, um das Lageregelungssystem des Fahrzeugs zu aktivieren. Für größere Lagemanöver setzt MAVEN seine kleinen 1-Newton-Triebwerke ein, während die normale Ausrichtung und Lageregelung des Fahrzeugs durch vier Reaktionsräder erfolgt – drei für jede Drehachse plus ein Ersatzrad.
Die Räder werden von Elektromotoren mit variabler Geschwindigkeit angetrieben, die bei Lagemanövern geändert wird. Jede Reaktionsradbaugruppe wiegt 10 Kilogramm und die Räder drehen sich mit bis zu 6.000 Umdrehungen pro Minute. Die Triebwerke werden für die periodische Entsättigung des Drehimpulses verwendet, d.h. die Reaktionsräder werden abgebremst und die daraus resultierende Kraft wird mit den Triebwerken ausgeglichen, so dass die Räder bei normalen Fluglagenmanövern wieder beschleunigt werden können.
Flugcomputer & Datensystem
MAVEN ist mit einem RAD-750 Central Processing Board ausgestattet, einem Einkartencomputer, der von BAE Systems in Manassas, Virginia, hergestellt wird. Der Prozessor kann Strahlungsdosen aushalten, die eine Million Mal extremer sind als das, was für den Menschen als tödlich gilt. Die CPU des RAD750 selbst kann 200.000 bis 1.000.000 Strahlen vertragen. Außerdem wird RAD750 in einem Zeitraum von 15 Jahren nicht mehr als ein Ereignis erleiden, das ein Eingreifen von der Erde aus erfordert.
„Die RAD750-Karte ist so konzipiert, dass sie all diese Einzelereignisse aufnehmen und überstehen kann. Das ultimative Ziel ist, dass eine Störung in 15 Jahren zulässig ist. Eine Störung bedeutet einen Eingriff von der Erde aus – ein ‚blauer Bildschirm des Todes‘ in 15 Jahren. Wir haben in der Regel Verträge, in denen das festgelegt ist“, sagte Vic Scuderi, Business Manager bei BAE.
RAD-750 wurde 2001 auf den Markt gebracht und startete erstmals 2005 an Bord der Deep Impact-Sonde. Die CPU hat 10,4 Millionen Transistoren. Die RAD750-Prozessoren arbeiten mit bis zu 200 Megahertz und erreichen eine Rechenleistung von 400 MIPS. Die CPU verfügt über einen L1-Cache-Speicher von 2 x 32 KB (Befehle + Daten) – zur Verbesserung der Leistung können je nach Missionsanforderungen mehrere 1-MB-L2-Cache-Module implementiert werden.
RAD750 arbeitet bei Temperaturen von -55°C bis 125°C mit einer Leistungsaufnahme von 10 Watt. Das Standard-RAD750-System verträgt 100.000 Rad.
Das Data Handling System empfängt Daten von der Nutzlast und kann im Rahmen gespeicherter Betriebsabläufe Befehle an die Nutzlasten senden. Die Daten der Navigationssensoren werden ebenfalls von den Data Handling Systems verarbeitet, die wiederum das Lageregelungssystem und die Antriebssysteme des Fahrzeugs steuern. Das Computersystem führt auch Haushaltsvorgänge wie die Steuerung von Heizungen auf der Grundlage von Temperatursensordaten und das Energiemanagement durch.
Das Massenspeicher-Board hat eine direkte Schnittstelle zum Telekommunikationssystem des Raumfahrzeugs für den Daten-Downlink und den Befehls-Uplink.
Kommunikationssystem
Die MAVEN-Raumsonde verfügt sowohl über ein High-Gain-Kommunikationssystem als auch über ein Low-Gain-System.
Die High-Gain-Antenne von MAVEN ist an der +Z-Achse des Raumfahrzeugs befestigt und kann nicht bewegt werden, um die Erde selbst zu verfolgen. Bei der Antenne handelt es sich um eine Schüssel mit einem Durchmesser von 2,1 Metern und einem X-Band-Doppelreflektorsystem, das Downlink-Datenraten von bis zu 550kb/s ermöglicht. Sie besteht aus einem Kevlar-Wabenkern zwischen zwei Verbundstoff-Folien. Die HGA ist mit Wanderfeldröhrenverstärkern ausgestattet, um ein starkes Signal zu erzeugen, das von Deep Space Network-Stationen auf der Erde empfangen werden kann.
Da die Hochgewinnantenne fest auf dem Raumfahrzeug montiert ist, muss das gesamte MAVEN-Raumfahrzeug bewegt werden, um die Antenne für die regelmäßigen Kommunikationssitzungen auf die Erde auszurichten, die voraussichtlich fünf Stunden dauern werden, und zwar zweimal pro Woche, wenn das Fahrzeug eine Pause vom wissenschaftlichen Betrieb einlegt.
Das Low-Gain-System erfordert keine Lageänderungen, da die beiden Low-Gain-Antennen auf der MAVEN-Sonde eine omnidirektionale Abdeckung bei sehr niedrigen Datenraten erreichen. Das Low-Gain-System kann für den Uplink und Downlink von Telemetriedaten mit niedriger Datenrate verwendet werden, wie z.B. Töne, die bei der Einbringung in die Marsumlaufbahn verwendet werden.
Electra UHF-Terminal
Zusätzlich zu seinem X-Band-Kommunikationssystem für die Übertragung von Signalen zur Erde und den Empfang von Signalen von zu Hause ist MAVEN mit einem Electra UHF-Kommunikationsterminal ausgestattet. Electra wurde bereits bei einer Reihe früherer Marsmissionen eingesetzt und ist zum Standardsystem für die Datenübertragung von Mars-Rovern geworden.
Das Electra-Terminal besteht aus zwei UHF-Transceivern, zwei ultrastabilen Oszillatoren für die Präzisionsnavigation und Oberflächenpositionierung sowie einer UHF-Antenne mit geringer Verstärkung, die auf den Nadir ausgerichtet ist. Der EUT (Electra UHF Transceiver) ist das Kernstück der Nutzlast.
Er ist ein vollständig rekonfigurierbarer, frequenzagiler Transceiver, der in einem Frequenzbereich von 390 bis 450 MHz arbeitet. Das EUT besteht aus vier gestapelten Plattformen als Teil eines modularen Designansatzes – einer Filter- und Schalteinheit, einem Empfänger/Modulator, einem Basisband-Prozessormodul und einem Leistungsverstärker-Stromversorgungsmodul.
Die Oszillatoren liefern eine stabile Frequenzreferenz für das EUT und den Small Deep Space Transponder sowie eine Einweg-Doppler-Entfernungsmessung. Außerdem liefern sie eine stabile Zeitreferenz für das Raumfahrzeug, die zur Synchronisierung der Borduhren für die korrekte Zeitkennzeichnung von wissenschaftlichen und Telemetriedaten verwendet wird.
Die Electra-UHF-Antenne ist eine Quadrafilar-Helix mit früheren Flugerfahrungen.
Die Electra-Einheit ist 17 mal 22 mal 14 Zentimeter groß und wiegt 4,9 Kilogramm in einem vergoldeten Magnesiumgehäuse. Die Wärmeregulierung erfolgt durch Wärmeableitung über die Grundplatte der Einheit.
Wenn ein Mars-Orbiter im Sichtfeld eines Landers oder Rovers vorbeifliegt, stellen die beiden Electra-Einheiten der beiden Fahrzeuge eine Kommunikationsverbindung her. Ausgehend von der Geometrie eines bestimmten Vorbeiflugs überwacht die Electra-Einheit des Raumfahrzeugs die Signalstärke des Terminals am Boden, um ihm während des Vorbeiflugs je nach Entfernung zwischen den beiden Fahrzeugen unterschiedliche Datenraten zu befehlen. Die Datenraten können zwischen 1kb/s und 2.048kb/s liegen, wenn die Bedingungen günstig sind. Die vom Electra-System empfangenen Daten werden dann an Bord des Orbiters gespeichert, um sie über das hochempfindliche X-Band-System zur Erde zu übertragen.
Dies ermöglicht es den Rovern, große Datenmengen einschließlich wissenschaftlicher Daten, Bilder und Fahrzeugtelemetrie zu übertragen, die über ihr eigenes Kommunikationssystem, das nur einen Bruchteil der Datenrate der direkten Kommunikation des Orbiters zur Erde erreichen kann, nicht übertragen werden könnten.
Trotz seiner elliptischen Umlaufbahn gilt MAVEN als guter Orbiter für UHF-Datenrelais, aber die Bereitstellung von Kommunikationsrelais während der wissenschaftlichen Mission würde den wissenschaftlichen Ertrag der Mission verringern. Aus diesem Grund führt MAVEN eine vollständige End-to-End-Demonstration von Comm Relay durch, bevor der wissenschaftliche Betrieb beginnt.
Für die primäre wissenschaftliche Mission sind keine Relay-Operationen geplant, da MAVEN als Backup für den Mars Reconnaissance Orbiter und Mars Odyssey dient. Bei der erweiterten Wissenschaftsmission erwarten die Teams, dass sowohl für die Wissenschaft als auch für das Kommunikationsrelais Platz geschaffen wird.
Energiesystem
MAVEN verfügt über zwei ausfahrbare Sonnenkollektoren, die jeweils aus zwei Paneelen bestehen. Die Solarzellen sind fest installiert, und die Ausrichtung auf die Sonne erfolgt durch Änderung der Fahrzeugposition. Die äußeren Paneele sind in einem 20-Grad-Winkel zu den inneren installiert, um dem Raumfahrzeug beim Flug durch den obersten Teil der Marsatmosphäre Flugstabilität zu verleihen.
Auf den beiden äußeren Solarpanelen sind zwei keilförmige Sprungbretter installiert, die die Magnetometer des Raumfahrzeugs unterstützen. Mit den ausgefahrenen Solarzellen erstreckt sich MAVEN von Spitze zu Spitze über 11,43 Meter.
Die beiden Solaranlagen liefern etwa 1.200 Watt elektrische Leistung, die in zwei 55-Ampere-Stunden-Batterien gespeichert wird. Eine spezielle Elektronik verteilt die elektrische Leistung und kontrolliert den Ladezustand der beiden Batterien. MAVEN verwendet einen 28-Volt-Hauptstrombus.
Gelenkige Nutzlastplattform
MAVEN verfügt über eine gelenkige Nutzlastplattform, die auf einem Ausleger installiert ist, um die Instrumente IUVS, STATIC und NGIMS zu unterstützen. Die Plattform kann unabhängig ausgerichtet werden, damit die Instrumente in verschiedenen Ausrichtungen des Raumfahrzeugs wissenschaftliche Daten sammeln können. Die Plattform ist mit einem inneren und einem äußeren Kardanring ausgestattet. Die gelenkige Nutzlastplattform kann in der Elevation um +/- 90 Grad und im Azimut um +/-177,5 Grad bewegt werden.
Instruments
Die Raumsonde MAVEN trägt insgesamt acht Instrumente:
- SupraThermal And Thermal Ion Composition (STATIC)
- Solar Energetic Particle (SEP)
- Solar Wind Electron Analyzer (SWEA)
- Solar Wind Ion Analyzer (SWIA)
- Langmuir Sonde und Wellen (LPW)
- Magnetometer (MAG)
- Neutralgas- und Ionenmassenspektrometer (NGIMS)
- Abbildendes Ultraviolett-Spektrometer (IUVS)
>>>MAVEN Instrumentenübersicht