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1Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Willibald RiedlerGraz, 3. Oktober 2003
Raumsonde Raumsonde Cassini/Huygens:Cassini/Huygens:
Auf dem Weg zu Saturn und Auf dem Weg zu Saturn und TitanTitan
Institut für WeltraInstitut für WeltraumforschungumforschungÖsterreichische AkadeÖsterreichische Akademie der Wissenschamie der Wissenschaftenften
2Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Beginn der experimentellen Beginn der experimentellen Weltraumforschung in ÖsterreichWeltraumforschung in Österreich
Start der ersten in Graz gebauten Messgeräte am 26. November 1969
Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung der Technischen Hochschule (bzw. Technischen Universität) Graz
Andøya, Norwegen
3Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Institut für Weltraumforschung (IWF)Institut für Weltraumforschung (IWF)Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
1972 – 1983 Direktor: Prof. Otto Burkard Stellvertreter: Prof. Willibald Riedler
Seit 2001 Direktor: Prof. Hans Sünkel Stellvertreter: Prof. Helmut O.
Rucker >70 Mitarbeiter neuer Standort in Graz-Messendorf:
ÖAW-Forschungszentrum GrazSchmiedlstraße 6
1984 - 2000 Direktor: Prof. Willibald Riedler Stellvertreter: Prof. Siegfried
Bauer, Prof. Hans Sünkel (ab 1999)
4Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Physik des erdnahen WeltraumsLeiter: Prof. Helmut O. Rucker (seit 1999) Magnetosphärenphysik Atmosphärenphysik Kometen/Oberflächen
SatellitengeodäsieLeiter: Prof. Hans Sünkel (seit
1990) Erdschwerefeld SLR–Technologie GPS-Meteorologie
ForschungsschwerpunkteForschungsschwerpunkteExperimentelle WeltraumforschungLeiter: Prof. Wolfgang Baumjohann (seit 2001) Entwicklung und Bau von Satellitenexperimenten Datenauswertung und Forschung in der
Weltraumplasmaphysik
5Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Abgeschlossene MissionenAbgeschlossene Missionen
Mission Land/Agentur Ziel Start Venera 13/14 SU Venus 1981Spacelab ESA Physik/Technologie 1983Vega 1/2 SU Venus, Komet Halley 1984Phobos 1/2 SU Mars 1988Austromir SU Physik/Techn./Medizin 1991Mars 96 SU Mars 1996Interball SU Erdmagnetosphäre 1996Mars Global Surveyor USA Mars 1996Equator-S BRD Erdmagnetosphäre 1997
6Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Laufende/Zukünftige MissionenLaufende/Zukünftige MissionenMission Agentur Ziel StartCassini/Huygens NASA/ESA Saturn, Titan 1997Cluster ESA Erdmagnetosphäre 2000Mars Express ESA Mars 2003DoubleStar CNSA/ESA Erdmagnetosphäre 2003Rosetta ESA Komet Churyumov-Gerasimenko 2004COROT CNES Astronomie 2005Venus Express ESA Venus 2005GOCE ESA Erdschwerefeld 2006Dawn NASA Asteroiden Vesta & Ceres 2006THEMIS NASA Erdmagnetosphäre 2006Netlander CNES Mars 2009BepiColombo ESA/ISAS Merkur 2011Solar Orbiter ESA Sonne 2012
7Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
SonnensystemSonnensystem1 Merkur
K
123
45
6
7
8
9 2 Venus
3 Erde
4 Mars
5 Jupiter
6 Saturn
7 Uranus
8 Neptun
9 Pluto
8Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
GrößenvergleicheGrößenvergleiche
Voyager-Sonden der NASA
Sonne
Merkur
Venus
Erde
Erdmond
MarsKallisto
Ganymed
Europa
Io
Amalthea
Jupiter
9Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
SaturnSaturn mittlerer Abstand von der
Sonne: 1.427 Mio. km Dauer des Saturnjahres:
29,5 Erdjahre Dauer des Saturntages: 10h 39m
nach Jupiter zweitgrößter Planet im Sonnensystem
Durchmesser: 120.536 km Masse: 95,2 Erdmassen Oberflächentemperatur: -180 °C Atmosphäre aus ca. 75% H,
25% He und anderen Gasen Ringsystem bestehend aus
Staub und Brocken (Stein und Eis)
18 bekannte Monde
10Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Magnetosphären im SonnensystemMagnetosphären im Sonnensystem
Jupiter (Hubble ST)
Saturn (Hubble ST)
11Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
SaturnmondeSaturnmonde
EntfernungRadius EntfernungRadiusMond (000 km) (km) EntdeckerJahr Mond (000 km) (km) EntdeckerJahrPan 134 10 Showalter 1990 Telesto 295 15 Reitsema 1980Atlas 138 14 Terrile 1980 Calypso 295 13 Pascu 1980Prometheus139 46 Collins 1980 Dione 377 560 Cassini 1684Pandora 142 46 Collins 1980 Helene 377 16 Laques 1980Epimetheus 151 57 Walker 1980 Rhea 527 765 Cassini 1672Janus 151 89 Dollfus 1966 Titan 1222 2575 Huygens 1655Mimas 186 196 Herschel 1789 Hyperion 1481 143 Bond 1848Enceladus 238 260 Herschel 1789 Iapetus 3561 730 Cassini 1671Tethys 295 530 Cassini 1684 Phoebe 12952 110 Pickering 1898
Titan 1222 2575 Huygens 1655
12Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
TitanTitan
größter Mond des Saturn
Entfernung zu Saturn: 1,22 Mio. km
Durchmesser: 5.150 km Masse: 1,35•1023 kg
(2,3 % der Erdmasse) Oberflächentemperatur: -167
°C dichte Atmosphäre
(Stickstoff, Argon, Methan, Spuren komplexerer Moleküle)
Erde
Mond
Titan
zweitgrößter Mond im Sonnensystem
13Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Giovanni Domenico CassiniGiovanni Domenico Cassini französischer Astronom
italienischer Herkunft erster Direktor der Pariser
Sternwarte
Nizza, 1625 – Paris, 1712
bestimmte die Rotations-perioden von Mars, Venus und Jupiter
entdeckte 4 Monde des Saturns (Tethys, Dione, Rhea and Iapetus), eine Teilung des Saturnrings (Cassini,sche Teilung) u.a.
14Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Christiaan HuygensChristiaan Huygens
entdeckte die Ringe des Planeten Saturn und 1655 seinen größten Mond, Titan
erklärte das Licht als eine Wellenbewegung
fand die Gesetze des elastischen Stoßes und der Fliehkraft
Erfinder der Pendeluhr erklärte die Doppelbrechung
Den Haag, 1629 - 1695
niederländischer Physiker und Astronom
15Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Raumsonde Cassini/HuygensRaumsonde Cassini/Huygens Orbiter (= Cassini) wird
Saturn ab 1.7.2004 (Erreichen der Saturn-Umlaufbahn) umkreisen (Missionsende: 1.7.2008).
Landesonde (= Huygens) wird am Saturnmond Titan abgesetzt
Abmessungen (b x h): 4 m x 6,8 m
Masse - Orbiter: 2.125 kg Masse - Treibstoff: 3.267 kg Masse – Landesonde: 320 kg Wissenschaftliche
Instrumente: 12 (Cassini) + 6 (Huygens)
16Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Instrumente auf CassiniInstrumente auf Cassini Titan Radar Mapper (RADAR) Imaging Science Subsystem
(ISS) Radio Science Subsystem
(RSS) Visible and Infrared Mapping
Spectrometer (VIMS) Composite Infrared
Spectrometer (CIRS) Cosmic Dust Analyser (CDA) Radio and Plasma Wave
Science (RPWS) Ultraviolet Imaging
Spectrograph (UVIS) Magnetospheric Imaging
Instrument (MIMI) Dual Technique
Magnetometer (MAG) Ion and Neutral Mass
Spectrometer (INMS) Plasma Spectrometer (CAPS)
17Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
RPWSRPWS
IWF-Beitrag: Antennenkalibrierung des
Antennensystems mittels experimenteller Technik der
Rheometrie numerischer Computersimulation
mittels Drahtgittermodellen In-Flight-Calibration: Vorbeiflug an
Jupiter zur Jahreswende 2000/2001
Radio and Plasma Wave Science
Erforschung der Radioemission des Planeten Saturn
Rückschlüsse auf physikalische Vorgänge im Saturnsystem, insbesondere in der hohen Atmosphäre (z.B. Blitzentladungen) und in der Magnetosphäre des Saturn
18Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Landesonde HuygensLandesonde Huygens
Gewicht: 320 kg, davon 48 kg Nutzlast
Durchmesser: 2,7 m
europäischer Teil der Raumsonde Cassini/Huygens
erste direkte (in-situ) Messungen in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan, deren Zusammensetzung ähnlich jener der Erde in Urzeiten vermutet wird
u.a. eventueller Nachweis von Blitzen, die vielleicht für die Entwicklung organischer Moleküle verantwortlich sind
19Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Instrumente auf HuygensInstrumente auf Huygens1. Huygens Atmospheric Structure
Instrument (HASI): physikalisches Profil der Titanatmosphäre
Oberseite
Unterseite
4. Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR): Struktur der Atmosphäre und Oberflächenbilder
5. Doppler Wind Experiment (DWE): Windmessungen
6. Surface Science Package (SSP): Zusammensetzung der Oberfläche des Titan
3. Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP): Sammeln und Erhitzen von Aerosolen
2. Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS): chemisches Profil der Atmosphäre
20Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
ACPACP Sammlung flüssiger und fester
Teilchen bzw. Tröpfchen (Aerosole) der Atmosphäre in einem Filter
Dreistufige Erhitzung des Filters in einem miniaturisierten Ofen
Weiterleitung der entstehenden Gasprodukte an ein Massen-spektrometer (GCMS) zur chemischen Analyse
Französisch-österreichische Kooperation
IWF-Beitrag: Leitung der Entwicklung
der Elektronik und Software Aerosol Collector and Pyrolyser
21Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
ACPACP
2. Filter wird in den Ofen geschoben und in drei Stufen erhitzt25°C, 400°C, 600°C
1. Titanatmosphäre wird mittels Pumpe durch Filter gesaugt
3. Jeweils entstehende Gasprodukte werden mit Stickstoff in das Analysegerät (GCMS) geblasen
23
1
22Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
GCMSGCMS Instrument zur chemischen
Analyse der Titanatmosphäre Identifikation von Atmosphären-
bestandteilen bis zu einem Molekulargewicht von 146
Aufschluss über Entstehungs-geschichte des Titan und Temperaturverteilung der Titan-atmosphäre unter Berücksichti-gung der Aerosolkonzentration
Kenntnisse über die Bildung komplexer organischer Moleküle
Aufschluss über das Teilchen- und Strahlungsverhalten im frühen Sonnensystem
Gas Chromatograph Mass Spectrometer
23Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
HASIHASI multifunktionelles Instrument
zur Bestimmung elektrischer Messgrößen, sowie von Temperatur, Druck und Beschleunigung in der Titanatmosphäre
Untersuchung des Auftretens von Blitzen und Donner
Abtastung der Titanober-fläche mittels Radar
Huygens Atmospheric Structure Instrument
IWF-Beitrag: Mitarbeit bei Entwicklung und Bau der
digitalen Signalprozessoreinheit zur Steuerung von fünf Messgeräten, Verarbeitung der Daten und Übertragung zum zentralen Bordcomputer
24Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Mission Cassini/HuygensMission Cassini/Huygens Start: 15. (bzw. 16. MEZ)
Oktober1997, Cape Canaveral, USA viermaliges Schwungholen an
Venus (2 x), Erde und Jupiter zurückzulegende Strecke: 3,2 Mrd. km Ankunft am Saturn: 1. Juli 2004 Trennung von Cassini und Huygens:
25. Dezember 2004 Landung der Sonde Huygens:
14. Januar 2005 Dauer der Landesequenz: 2 – 2,5 h Messungen auf der Oberfläche des
Titan: 3 - 30 min. Missionsdauer von Cassini: 4 Jahre
ESA-Beitrag: ~ 287 Mio. €
25Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Start Cassini/HuygensStart Cassini/Huygens
15. (16.) Oktober 1997Cape Canaveral
Raketentyp: Titan IV B / Centaur
26Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
SaturnbahnJupiterbahn
Erdbahn
Venusbahn
Flugbahn Cassini/HuygensFlugbahn Cassini/Huygens
1. Schwungholen an der Venus27. April 1998
2. Schwungholenan der Venus24. Juni 1999
3. Schwungholen an der Erde18. August 1999
Start15. (16.) Oktober 1997
4. Schwungholen am Jupiter30. Dezember 2000
Ankunft am Saturn1. Juli 2004
Kurskorrektur3. Dezember 1998
VVEJGA
27Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
KommunikationsproblemeKommunikationsprobleme 3. Februar 2000: Routine in-flight Test zur Überprüfung des
Cassini/Huygens Radio Links Huygens Receiver Teil (auf Cassini) reagiert bei simuliertem Huygens-
Signal mit Doppler-Frequenzverschiebung nicht vorschriftgemäß
Bei derzeitig geplantem Missions-Szenario Verlust von 70% der von Huygens zu Cassini gesendeten Daten!
Januar 2001: Zusammensetzung einer ESA/NASA Task Force (Huygens Recovery Task Force) zur Analyse und Behebung des Problems
Schlussfolgerung nach 6 Monaten Arbeit: Problem ist ein Designfehler im Huygens Receiver Teil Entwurf einer neuen Cassini/Huygens-Missionsgeometrie
zur Reduktion der Relativgeschwindigkeit notwendig Neue Geometrie verlangt den Verbrauch zusätzlicher
Cassini-Treibstoffreserven, aber sichert alle Daten der Huygens-Mission
28Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Aufnahme der Raumsonde Cassini
vom 12. Dezember 2000:
JupitervorbeiflugJupitervorbeiflug 30. Dezember 2000:
„Millenium Flyby“ Abstand zwischen Cassini
und Jupiter: 19,5 Mio. km größte Annäherung an Jupiter:
ca. 9,7 Mio. km
1. Januar 2001:RPWS empfängt Jupiter-
Radiowellen
Jupitermond Io und sein Schatten
29Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Erforschung des TitanErforschung des Titan
PSE (Probe Support Equipment) an Bord von Cassini beobachtet die Landesonde und erfasst die Daten während des Abstiegs zum Titan
25. Dezember 2004: Trennung der Landesonde Huygens vom Orbiter Cassini
14. Januar 2005: 45 Minuten vor Eintritt in die Titan-Atmosphäre Aktivierung des elektrischen Systems der Landesonde Huygens
2,5-stündiger Abstieg zur Oberfläche des Titan
30Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Annäherung an TitanAnnäherung an Titan Huygens tritt mit
22.000 km/h in die Titanatmosphäre ein
Instrumente durch Hitzeschild geschützt
Pilot-Fallschirm (2,5 m ) öffnet sich in 180 km Höhe
Brems-Fallschirm (8 m ) öffnet sich in 165 km Höhe
Absprengen des Hitzeschilds
Stabilisierungs-Fallschirm (3 m ) entfaltet sich in 125 km Höhe
31Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
TitanatmosphäreTitanatmosphäre Raumsonde Voyager hat
eine Atmosphäredichte von 1.496 mbar gemessen (Erde: 1.013 mbar)
Hauptbestandteile: Stickstoff und Methan
durch komplexe Photo-chemie entstehen zahlreiche organische Verbindungen
Nebelschleier bestehend aus H-, C-, N-Verbindungen in ca. 70 km Höhe
Aerosole (kondensierte polymerisierte chemische Verbindungen) bis in Höhen von 500 km
Hypothese: Ozean aus Ethan und Methan
32Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Landung auf TitanLandung auf Titan
nach ca. 2,5 h setzt Huygens mit ca. 20 km/h auf der Titanoberfläche auf
raue Bedingungen am Titan: Temperaturen bis –200 °C, orkan-artige Winde
Lebensdauer der Elektronik: einige Minuten
rasche Untersuchung des Bodens
33Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Flugbahn Cassini/HuygensFlugbahn Cassini/Huygens
34Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
2005: Huygens auf Titan2005: Huygens auf Titan
35Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
36Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
37Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
Neue vs. alte MissionNeue vs. alte Mission
60000 km
~72000 km
Old Probe/Orbiter TrajectoryFly-By Alt = 1200 kmBOM Dist = 77000 kmEOM Dist = 27000 kmPAA 40o
Vrel 5.6 km/s
New Orbiter Trajectory
Vrel 0.8 km/s
PAA 75o
Vrel 3.8 km/s
PAA 25o
Titan
Cassini @ Probe Entry
Cassini @ Probe Touch-down
Cassini @ Probe Entry
Cassini @ Probe Touch-down
Old Probe Trajectory
New Probe Trajectory
Neue Cassini-Bahn Alte Cassini-Bahn
38Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
39Alexandra Scherr, IWF Graz, 2003
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