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Der ASTRO-SPAS ist ein wiederverwendbarer
Wissenschafts-Satellit, der mit dem Space Shuttle ins All gebracht wird, dort
für die Dauer der wissenschaftlichen Mission frei fliegt und am Ende der
Shuttle Mission wieder eingefangen und zur Erde zurück gebracht wird. Er
läßt sich mit verschiedenen wissenschaftlichen Nutzlasten bestücken.
In diesem Fall ist als wissenschaftliche Nutzlast das ORFEUS-Teleskop einbaut.
Die Mission hat daher die Bezeichnung ORFEUS-SPAS. Der ASTRO-SPAS wurde von der
Deutschen Aeropsace AG in München (DASA, später Daimler-Benz Aerospace
AG, dann Dornier Satellitensysteme GmbH bei der DaimlerChrysler Aerospace AG,
jetzt EADS-Astrium) entwickelt
und gebaut.
Der Deckel des Teleskops hat verschiedene Funktionen:
Im geschlossenen Zustand dient er dem Schutz der Optiken vor Staub oder
auch vor eventuell herunterfallenden Gegenständen. Im Weltall dient
der geschlossene Deckel in der Nähe des Space Shuttles auch dazu,
die Optiken vor einer möglichen Kontamination durch Ausdunstungen
des Space Shuttles zu bewahren.
Im geöffneten Zustand während der Messungen wird das Teleskop
so ausgerichtet, daß der Deckel immer zur Sonne zeigt. Auf diese
Weise schattet der Deckel das Sonnenlicht so ab, daß in das Teleskop
kein Streulicht von der Sonne gelangen kann.
Dieses Bild zeigt den Deckel halb geöffnet. Dies diente dem Test
des Deckelantriebs vor dem Aussetzen des ASTRO-SPAS. Sollte sich aus irgend
einem Grund der Deckel nicht öffnen lassen, so könnten die Astronauten
notfalls den Deckel auch von Hand öffnen.
Hier ist ein Teil des Deckelantriebs zu sehen. Da der Teleskopdeckel in
jedem Fall vor dem Einfangen des ASTRO-SPAS wieder geschlossen werden muß,
ist der Antriebsmechanismus so ausgelegt, daß der Deckel aktiv offen
gehalten wird und beim Abschalten der Stromversorgung durch einen Federmechanismus
von allein zufällt. Der Deckel muß zur Landung deshalb geschlossen
sein, weil bei geöffnetem Teleskopdeckel auch die Ladeluken des Space
Shuttles nicht geschlossen werden können, der geöffnete Deckel
ragt zu weit heraus.
Die obere Hälfte des ORFEUS-Telekops
enthält die beiden Spektrometer: das seitlich angebrachte Echelle-Spektrometer
und das in der Teleskop-Mitte befindliche Berkeley-Spektrometer. Beide
Spektrometer arbeiten mit der gleichen Eintrittsblende von 20" (Bogensekunden)
Bildfeld-Durchmesser. Mit einem klappbaren Spiegel wird das Licht entweder
in das Echelle-Spektrometer geleitet oder das Licht fällt, wenn der
Spiegel aus dem Strahlengang herausgeklappt wird, direkt in das Berkeley-Spektrometer.
Das Teleskop hat eine Höhe von 4m und einen Durchmesser von 1,1m.
Es wurde von der Firma Kayser-Threde
gebaut.
In dieser unteren Hälfte des ORFEUS-Teleskops
befindet sich der Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 1m und einer Brennweite
von 2,4m. Das Teleskop hat eine Höhe von 4m und einen Durchmesser
von 1,1m. Es wurde von der Firma
Kayser-Threde gebaut.
Das Echelle-Spektrometer
arbeitet im Wellenlängenbereich des Fernen Ultraviolett (FUV) von
etwa 90 nm bis 140 nm. Es erzeugt Spektren mit einer Auflösung von
104, d.h. bei einer Wellenlänge von 100 nm können
spektrale Einzelheiten von 0,01 nm aufgelöst werden.
Das Spektrometer besteht aus dem eigentlichen Echelle-Gitter mit 316
Linien/mm, das in den Ordnungen 40-61 benutzt wird und einem Querzerleger-Gitter
mit 1200 Linien/mm, das dazu dient, die einzelnen Ordnungen des Echelle-Gitters
zu trennen. Der Detektor
mit einer Bildfläche von 40mm x 40mm fängt das Spektrum
als Bild auf. In diesem Bild verlaufen die einzelnen Ordnungen als helle,
untereinander liegende Streifen über die Bildfläche. Zur Auswertung
der Spektren wird die Helligkeit entlang eines zu einer bestimmten Ordnung
gehörenden Streifens aufgezeichnet. Dabei wird jeder Position auf
dem Detektorbild eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet. Diese Zuordnung
wurde vorher mit Testspektren bestimmt und ist auch theoretisch recht gut
bekannt. Auf diese Weise erhält man schließlich die eigentlichen
Spektren: Den Helligkeitsverlauf entlang der Wellenlängenskala.
Das Echelle-Spektrometer wurde von der Firma
Kayser-Threde zusammen mit dem Teleskop gebaut. Der Echelle-Detektor
jedoch wurde in unserem Institut entwickelt und auch gebaut.
Das Berkeley-Spektrometer
ist in der Mitte des Teleskops eingebaut. Es wurde von dem Space
Science Laboratory (SSL) der University
of California in Berkley gebaut. Das Spektrometer besitzt zwei
getrennte Wellenlängenbereiche für das Extreme Ultraviolett (EUV, 40 nm bis
90 nm) und das Ferne Ultraviolett (FUV, 90 nm bis 115 nm). Es besitzt
eine spektrale Auflösung von etwa 3000, d.h. es kann bei einer Wellenlänge
von 100 nm spektrale Einzelheiten von rund 0,03 nm auflösen.
Diese Box enthält die Elektronik für die Telemetrie des Berkeley-Spektrometers.
Hier werden Kommandos empfangen und die Daten aufbereitet, um sie zum Boden
oder auf das ASTRO-SPAS-Magnetband zu schicken.
Das Interstellar
Matter Absorption Profile Spectrograph (IMAPS) ist ein von ORFEUS
unabhängiges Instrument. Es wurde von der Princeton
University gebaut und war ursprünglich ein Raketenexperiment.
Für den Flug auf dem ASTRO-SPAS wurde es etwas modifiziert und ist
nun das dritte Spektrometer auf der ORFEUS-SPAS Mission. IMAPS arbeitet
im Wellenlängenbereich von 95 nm bis 115 nm und hat eine sehr hohe
spektrale Auflösung von 105, d.h. es kann bei einer Wellenlänge
von 100 nm spektrale Einzelheiten von 0.001 nm auflösen.
IMAPS kann nicht gleichzeitig mit dem ORFEUS-Teleskop messen. Das liegt
sowohl daran, daß der ASTRO-SPAS nicht Meßdaten von zwei verschiedenen
Instrumenten gleichzeitig aufzeichnen kann, als auch daran, daß IMAPS
und ORFEUS nicht so exakt an die gleiche Stelle am Himmel schauen können,
daß sie tatsächlich den gleichen Stern gleichzeitig sehen könnten.
Dazu müßten die beiden Instrumenten-Achsen bis auf etwa 10''
(Bogensekunden) parallel ausgerichtet werden, was nur mit sehr hohem technischen
Aufwand möglich wäre. Es gibt aber auch sonst keinen Grund, Sterne
mit ORFEUS und IMAPS gleichzeitig beobachten zu wollen. IMAPS ist nämlich
wegen seiner hohen spektralen Auflösung unempfindlicher als die ORFEUS-Spektrometer
und muß deshalb relativ helle Sterne beobachten. Die meisten dieser
Sterne sind damit zu hell für die empfindlicheren ORFEUS-Detektoren.
Der Sternsensor dient der Bestimmung der Ausrichtung des ASTRO-SPAS und
damit des Teleskops am Himmel. Da es im Weltall nicht möglich ist,
einen Gegenstand absolut still stehen zu lassen, ist es notwendig, die
Ausrichtung des Teleskops auf einen Stern ständig zu überprüfen
und beim Erkennen einer Abweichung von der gewünschten Ausrichtung
die Lage des Satelliten zu korrigieren.
Der Sternsensor ist ein kleines Teleskop, das einen Ausschnitt des Himmels
mit einer elektronischen Kamera erfaßt. In dem erfaßten Bildauschnitt
werden mit einem Computer die Positionen und Helligkeiten der abgebildeten
Sterne bestimmt und mit den Positionen und Helligkeiten der Sterne eines
gespeicherten Sternenkatalogs verglichen. Dadurch kann der Computer die
Sterne des Bildauschnitts zuordnen und damit auch die genaue Ausrichtung
des Teleskops am Himmel bestimmen.
Bei kleinen Abweichungen von der gewünschten Blickrichtung auf
den aktuell beobachteten Stern werden die Steuerdüsen des ASTRO-SPAS
aktiviert, um den ASTRO-SPAS und damit das Teleskop wieder exakt in die
gewünschte Richtung zu lenken. Durch diese Methode der Ausrichtung
des Teleskops (Pointing) gelingt es, die Abweichungen von der gewünschten
Blickrichtung permanent kleiner als 5'' (Bogensekunden) zu halten.
Mit dieser Filmkamera wurde das im All fliegende Space Shuttle aufgenommen.
Teile der während der ORFEUS-SPAS-I Mission aufgenommenen Filmsequenzen
sind in dem IMAX-Film Zukunft im All (Destiny
in Space) zu sehen.
IMAX-Filme sind nur in speziellen IMAX-Kinos zu sehen. Sie zeichnen
sich vor allem durch ein extrem großes, panorama-artiges Bildformat
aus. In Deutschland gibt es IMAX-Kinos u.a. in München im Forum
der Technik beim Deutschen Museum, sowie in Sinsheim
und in Speyer.
Diese Fernsehkamera dient als Sucherkamera für die IMAX-Filmkamera.
Damit konnte während der Filmaufnahmen der aktuelle Bildausschnitt
live beobachtet werden.
Mit diesem Greifarm wird der ASTRO-SPAS aus der Ladebucht des Space Shuttles
herausgehoben und am Ende der Mission wieder eingefangen und in die Ladebucht
eingesetzt.
Diese Fernsehkamera am Greifarm des Space Shuttles dient zur Beobachtung
von Justiermarken, die das Andocken des Greifarms an dem Andock-Podest
des ASTRO-SPAS erleichtern. Dies ist besonders für das Einfangen des
frei fliegenden ASTRO-SPAS am Ende der Mission wichtig.
An diesem Podest wird der Greifarm des Space Shuttles fest gemacht, um
den ASTRO-SPAS aus der Ladebucht des Space Shuttles herauszuheben bzw.
nach der Mission einzufangen und wieder in die Ladebucht einzusetzen.
Diese Antenne dient dem Funkverkehr des ASTRO-SPAS mit dem Space Shuttle.
Sämtliche Telemetrie-Daten laufen über diese Antenne zum Shuttle,
von dort über Kommunikationssatelliten nach Houston und schließlich
über eine weitere Satellitenverbindung zum Kennedy Space Center, wo
sich die Bodenstationen für den ATRO-SPAS und alle an Bord befindlichen
Experimente befinden.
Nur ein geringer Teil der wissenschaftlichen Daten kann direkt zur Bodenstation
geschickt werden. Alle Daten werden vor allem an Bord des ASTRO-SPAS auf
einem Magnetband gespeichert und stehen erst nach der Landung zur Auswertung
zur Verfügung. Der Grund dafür ist der, daß die Telemetrieverbindung
vom ASTRO-SPAS zur Bodenstation nicht ausreicht, um alle anfallenden Daten
in Echtzeit zum Boden zu schicken. Es ist auch nicht gewährleistet,
daß eine ständige Telemetrieverbindung zur Bodenstation besteht.
Der ASTRO-SPAS ist darauf ausgelegt, bis zu 8 Stunden selbständig
ohne Telemetrieverbindung zu arbeiten.
Dies ist eine der 3 sichtbaren Halterungen, mit denen der ASTRO-SPAS in
der Ladebucht des Space Shuttles befestigt wird. Eine vierte Halterung
befindet sich auf der Unterseite am Kiel des ASTRO-SPAS.
Der Himmel ist im Weltall immer dunkel, auch über der sonnenbeschienenen
Tagseite der Erde. Auf der Erde wird der Himmel dadurch blau, daß
das Sonnenlicht in der Atmosphäre gestreut wird. Da im Weltall keine
Atmosphäre vorhanden ist, gibt es dort auch keinen blauen Himmel.
Die Detektoren in den ORFEUS-Spektrometern sind jedoch so empfindlich,
daß sie auch noch die in der äußerst dünnen Rest-Atmosphäre
in 300 km Höhe vorhandene extrem geringe Streustrahlung des Sonnenlichts
(Airglow) nachweisen können. Besonders lichtschwache Sterne
werden daher bevorzugt auf der Nachtseite des Erdorbits beobachtet.
Unter diesem fast quadratischen Zelt aus weißer Mehrschicht-Isolierfolie
befinden sich drei Elektronik-Boxen für Teleskop und Echelle: Die
Steuer-Elektronik für das Teleskop, die Hochspannungsversorgung
für den Echelle-Detektor und die Datenerfassungs- und Bordrechner-Elektronik
(mit schwarzem Deckel) des Echelle-Detektors.
Die Elektronikbox
mit der Datenerfassungs- und Bordrechner-Elektronik hat einen schwarzen
Deckel, der durch eine Aussparung in der weißen Mehrschicht-Isolierfolie
direkt das kalte Weltall sieht. Durch Abstrahlung von überschüssiger
Wärme in das Weltall wird die Elektronikbox sehr effektiv gekühlt.
Die Elektronik in dieser Box wurde, wie auch der Echelle-Detektor
selbst, an unserem Institut entwickelt und gebaut. Der Rechner enthält
einen Motorola 68000 Prozessor und hat mehrere Aufgaben zu erledigen:
Hauptaufgabe ist die Datenerfassung der Signale vom Echelle-Detektor.
Die dazu notwendige Elektronik ist in diese Elektronikbox integriert. Der
Bordrechner erzeugt im Speicher ein Bild aus den Detektorsignalen. Außerdem
werden alle Detektorsignale auch direkt auf das Magnetband des ASTRO-SPAS
geschrieben. Zusätzlich werden weitere Messwerte erfaßt und
zusammen mit einem kleinen Teil der Detektordaten zur Bodenstation geschickt:
Dies sind z.B. Temperaturen an verschiedenen Stellen im Teleskop, im Detektor
und in der Elektronik, Photonen-Zählraten des Detektors und Statusanzeigen
des Bordrechners.
Eine weitere sehr wichtige Aufgabe des Echelle-Bordrechners ist der
Empfang und die Ausführung von Kommandos, die von der Bodenstation
an die Echelle-Elektronik geschickt werden. Es gibt eine ganze Reihe von
Kommandos, z.B. für folgende Funktionen:
Art des Meßbetriebs, Ein- und Ausschalten und Verändern der
Detektor-Hochspannung, Verschicken von komprimierten Bildern zur Bodenstation.
Mit speziellen Kommandos können sogar einzelne Programm-Variable gezielt
auf andere Werte gesetzt werden und im äußersten Notfall könnte
sogar ein ganz neues Programm in den Bordrechner geladen werden. Zusätzlich
kann der Detektor in einen speziellen Testmodus geschaltet werden, der
es ermöglicht, die gesamte Datenerfassung zu testen und die elektronische
Bildqualität des Detektors zu überprüfen.
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