GNC-systeme und asteroiden

Wenn wir heute an Asteroiden denken, kommt uns unweigerlich die planetare Verteidigung in den Sinn. Schon in früheren Beiträgen in diesem Blog haben wir die Notwendigkeit der planetaren Verteidigung diskutiert und wie die HERA-Mission Teil dieser Bemühungen sein wird.

ERSTE EUROPÄISCHE MISSION ZU EINEM BINÄREN ASTEROIDENSYSTEM

Das grundlegende Ziel der HERA-Mission ist die Entwicklung der Technologie zur planetaren Verteidigung. Sie wird uns helfen, Szenarien zu entwickeln, mit denen wir in Zukunft Asteroiden von einem Kollisionskurs mit der Erde ablenken können. Der Start der HERA-Mission ist 2024 geplant und sie wird Ende 2026 das binäre Asteroidensystem Didymos erreichen. Dieses binäre Asteroidensystem besteht aus einem Hauptasteroiden von der Größe eines Berges und einem Durchmesser von 780 Metern, der von einem anderen, kleineren Asteroiden mit 160 Metern Größe umkreist wird, der Dimorphos genannt wird. Die Flugbahn von Dimorphos soll durch einen kinetischen Aufprall verändert werden und HERA wird die Auswirkungen dieses Aufpralls untersuchen, um eine genaue Einschätzung der Flugbahnveränderung vornehmen zu können. Gesteuert wird die HERA-Mission vom Europäischen Raumfahrtkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt, Deutschland.

DIE HERAUSFORDERUNGEN EINER MISSION ZU EINEM ASTEROIDEN

Eine Mission zu einem Asteroiden wie der von Hera stellt uns vor große Herausforderungen. Dazu gehören:

• Schwache und komplexe Umgebungen
• Hoher Sonneneinstrahlungsdruck, dessen Einwirkung auf das Raumfahrzeug die Mission stören könnte.
• Starke nichtgravitative Kräfte
• Erhebliche Unsicherheiten über die dynamische Umgebung aufgrund der unregelmäßigen Form der Himmelskörper und der Ungenauigkeit der bisherigen Daten
• Optische Messfehler, ebenfalls durch die unregelmäßige Körperformen

Um diese Herausforderungen zu meistern, setzen neue Strategien für die Navigation von Kleinkörper-Missionen auf eine Kombination aus agilem Betrieb und Autonomie an Bord. Um die Bordsysteme optimal nutzen zu können, müssen sowohl der Einsatz als auch die CNG-Systeme in enger Zusammenarbeit mehrerer multidisziplinärer Teams entwickelt werden. Die Zusammenarbeit zwischen dem Einsatzteam und dem GNC-Systemteam gewährleistet ein umfassendes Verständnis der Einschränkungen und Anforderungen und wird es der Mission ermöglichen, das volle Potenzial der neuen Systeme auszuschöpfen und so den größten wissenschaftlichen und technologischen Nutzen aus ihr zu ziehen.

DER SCHLÜSSEL ZUM ERFOLG DER MISSION: DAS GNC-SYSTEM VON HERA

HERA wird mit einem Leit-, Navigations- und Kontrollsystem (GNC) ausgestattet, das von GMV entwickelt wurde. GMV ist europäischer Marktführer im Bereich GNC und weltweit führend bei den Missionen zur Erforschung von Planeten und Asteroiden. Mit seinem Portfolio an europäischen Projekten ist das Unternehmen führend in der Branche und an AIM, Marco POLO, Neoshield2, SYSNOVA-BEAST und Rosetta beteiligt.

Aufgabe des GNC-Systems ist es, die Fluglage und Umlaufbahn des Raumfahrzeugs entsprechend dem Missionsprofil zu halten und zu kontrollieren. Es sorgt für die gewünschte Führung, Navigation und Kontrolle und bietet so zusätzliche Sicherheit für den Erfolg der Mission.

Mit einer innovativen autonomen Asteroiden-Umlauftechnologie, die mit der Technik für fahrerlose Autos auf der Erde vergleichbar ist, wird HERA wichtige Informationen sammeln, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft und zukünftigen Missionsdesignern helfen werden, die Zusammensetzung und Struktur der Asteroiden besser zu verstehen.

Ein großer Teil der CNG-Anlagentechnik befindet sich zurzeit in der Erprobung. Die Tests zur Bestätigung, dass die Technologie des autonomen GNC-Systems von GMV einsatzbereit ist, wurden mit einer für den Weltraum konzipierten Kamera und einer maßstabsgetreuen Nachbildung des binären Asteroidensystems Didymos durchgeführt. Um diese Tests so realistisch wie möglich zu gestalten, wurden auch die Bedingungen der tiefen Dunkelheit des Weltraums nachgebildet, in der HERA sich behaupten muss. Die im April 2020 durchgeführten Bodenvalidierungstests des GNC-Systems wurden im optischen Labor von GMV und anschließend im GMV-Robotiklabor platform-art^@ in Madrid durchgeführt, einer der fortschrittlichsten Robotik-Testumgebungen Europas zur Validierung von GNC-Systemen.

NUTZUNG DER GNC-VORTEILE FÜR JUVENTAS

Juventas ist an der HERA-Mission als einer der beiden CubeSats beteiligt, die in der Nähe des Asteroiden ausgesetzt werden. Um in einer unwirtlichen und unberechenbaren Umgebung über kurze Distanzen sicher zu navigieren, wird Juventas mit dem von GMV entwickelten GNC-System autonome Operationen durchführen. Die hohe Latenz der Informationen erzeugt große Unsicherheit. Um zu verhindern, dass der Asteroid das Sichtfeld der Kamera verlässt sowie, um die Kontinuität der  Bildverfolgung zu gewährleisten, muss das bordeigene GNC-System die notwendigen Korrekturen an der Ausrichtung des Minisatelliten vornehmen.

Darüber hinaus wird Juventas als erweiterter Teil der Mission versuchen, auf der Oberfläche von Dimorphos zu landen. Dieses Landemanöver umfasst einen durch das autonome GNC-System gesteuerten Aufsetzvorgang sowie eine Reihe von unkontrollierten Stößen, bis Juventas auf der Oberfläche des Asteroiden landen kann. Die Dynamik starker Störungen in Verbindung mit der geringen Größe des Ziels macht die Landung zur größten Herausforderung für Juventas. Sie stellt hohe Anforderungen an das Missionskonzept und verdeutlicht die Bedeutung und Notwendigkeit eines autonomen CNG-Systems.