Missionsübersicht

Die Idee für Venus Express entstand aus einem Vorschlag der ESA, die Mars Express Plattform wieder zu verwenden. Im Juni 2001 wurde diese Mission dann für eine Bewertungsstudie ausgewählt, welche von Juli bis Oktober 2001 dauerte. Hier zeigten die ESA, Astrium und einige andere Institute, dass der Mars Express Orbiter auch für eine Mission zur Venus geeignet ist. Wie Mars Express soll auch Venus Express mit einer Soyuz-Fregat Rakete gestartet werden. Dabei waren nur kleine Änderungen im Design notwendig, hauptsächlich auf dem Gebiet der Temperaturkontrolle. Aufgrund der vielen Gemeinsamkeiten beider Missionen wird Venus Express in Rekordzeit einsatzbereit sein und nach Plan im November 2005 Richtung Venus starten. Die Experimente an Bord des Orbiters basieren auf von Mars Express übernommenen Instrumenten. Dazu zählen das Aufnahmegerät energetisch neutraler Atome Elektron/Ion Spektrometer (ASPERA), das hoch auflösende IR Fourier-Spektrometer (PFS), das UV IR Atmosphären Spektrometer für Sonnen- und Sternbedeckung und Nadir Beobachtung (SPICAV), das Niedrig Frequenz Radar Echolot VenSIS und eine Großwinkelkamera. Von der Sonde Rosetta werden zum Bespiel das UV-Sichtbar-Nah IR hoch auflösende Spektrometer VIRTIS und das Radio Science Experiment VeRA dieser Universität.

Die Soyuz ist eine Vier-Stufen-Trägerrakete und wird von der französisch-russischen Gemeinschaftsfirma Starsem gefertigt. Sie besteht aus vier Boosterblöcken (erste Stufe), einem zentralen Kern (zweite Stufe), einer dritten Antriebsstufe und der vierten wieder verwendbaren Fregat Oberstufe, in der die Fracht untergebracht ist.

Erste Stufe

Die vier Booster werden um einen zentralen Kern angebracht und sind kegelförmige Zylinder mit dem Sauerstofftank im Kegelbereich und dem Kerosintank im zylindrischen Teil. Jeder Booster besitzt vier Brennkammern und Düsen. Die Flugkontrolle über alle drei Achsen wird durch kleine Steuerflügel (einer pro Booster) und über bewegliche Schubvektordüsen (zwei pro Booster) erreicht. Die RD-107A Triebwerke des Boosters werden wie die drei oberen Stufen mit flüssigem Sauerstoff und Kerosin betrieben und liefern 991.9 kN Schub über eine Dauer von 118 Sekunden und werden danach abgesprengt. Dazu wird ein Teil des Schubs über ein Ventil zur Spitze des Boosters geleitet und so vom Kern getrennt.

Zweite Stufe (zentraler Kern)

Der zentrale Kern ist eine ähnliche Konstruktion wie der Booster. Dabei ist der Kopf in der Form eines Hammerhais geformt, um die Booster zu befestigen. Zusätzlich ist ein verstärkter Ring in der Befestigung zwischen Boostern und Kern angebracht. Der Antrieb des Kerns mit der Kennung RD-108A besitzt so ebenfalls vier Brennkammern und Düsen, von denen hier jede steuerbar ist. Diese Schubvektordüsen dienen zur Fluglagekontrolle, sobald die Booster abgetrennt wurden. Ingesamt liefert der Kern einen Schub von 997.1 kN über eine Brenndauer von 286 Sekunden. Die Zündung des Kerns und der Booster erfolgen gleichzeitig ca. 20 Sekunden vor dem Start und können bei Fehlern anders als bei Feststoffboostern jederzeit abgestellt werden.

Dritte Stufe

Die dritte Stufe ist mit dem Kern über eine Gitterkonstruktion verbunden. Sie wird etwa zwei Sekunden vor dem Ausbrennen des Kerns gezündet. Dadurch wird durch den Schub der dritten Stufe diese direkt von dem zentralen Kern getrennt. Hier befinden sich zwischen dem Sauerstoff- und Kerosintank in einem Zwischendeck auch die Avioniksysteme der Rakete. Das RD-0110 Triebwerk dieser Stufe besteht ebenfalls aus vier Brennkammern und Schubvektordüsen zur Flugkontrolle, ist aber viel schwächer und produziert nur 297,9 kN Schub über 240 Sekunden. Nach der Trennung von der vierten Stufe wird der Restsauerstoff über ein Ablassventil nach außen geleitet und ein Ausweichmanöver eingeleitet, um einen Zusammenstoß mit der Nutzlaststufe auszuschließen.

Vierte Stufe (Fregat)

Eingeführt im Jahr 2000 ist die Fregat Oberstufe als autonomer und flexibler Orbiter entwickelt worden. Zusammen mit den Fähigkeiten der drei unteren Stufen ermöglicht die Soyuz so einen großen Bereich an erreichbaren Orbits von geostationär bis zur Flucht aus dem Gravitationsfeld der Erde. Um eine größtmögliche Zuverlässigkeit zu erreichen, wurden viele bewährte Komponenten aus vorherigen Raumfahrzeugen und Raketen verwendet. Die Oberstufe besteht aus sechs im Kreis angeordneten Kugeltanks (vier zum Antrieb, zwei zur Flugsteuerung), die durch Streben miteinander verbunden sind. Diese Stufe ist von den drei unteren unabhängig und besitzt ihre eigenen Steuerungs-, Navigations-, Kontroll- und Telemetriesysteme. Die Triebwerke der Fregat können bis zu zwanzig Mal gezündet werden und ermöglichen selbst komplexe Missionen. So kann die Nutzlast um alle drei Achsen stabilisiert oder kontrolliert in Rotation versetzt werden.

Der Start mit der Soyuz-Fregat wird Venus Express einen polaren Orbit über die Venus mit einer minimalen Bahnhöhe (Perizentrum) von ca. 250 km und einer maximalen Bahnhöhe (Apozentrum) von ca. 45000km bringen. Dieser Orbit ermöglicht eine komplette Abdeckung der Breitengrade und der lokalen Sonnenzeiten. Er ist außerdem sehr gut für Atmosphären- und Oberflächensondierung geeignet, sowie für Experimente die auf Sonnen- und Radiowellenuntersuchungen basieren. Im Vergleich zu Pioneer-Mission ist die um 3 Achsen stabilisierte Plattform ein wesentlicher Vorteil und Grundlage für verbesserte Bilder und Spektroskopie. Aufgrund dieser Voraussetzungen verspricht man sich folgende Ergebnisse von der Venus Express Mission:

• Erste globale Untersuchung der Zusammensetzung der niedrigen Venusatmosphäre
• Erste zusammenhängende Untersuchung der Atmosphärentemperatur und deren Dynamik in verschiedenen Höhen von 0 bis 200 km
• Erste Messungen der Oberflächentemperatur über den Planeten verteilt aus dem Orbit
• Erste Untersuchungen der mittleren und hohen Atmosphärendynamik mit besonderer Hinsicht auf O₂, O und NO Emissionen
• Erste Messungen der nicht-thermalen entweichenden Atmosphäre
• Erste zusammenhängende Beobachtung der Venus im Spektralbereich von UV bis Thermal-IR
• Erste Anwendung der Sonnen-/Sternenbedeckungstechnik
• Erste Anwendung ders 3D Ionen Massenanalysators, Hochenergieauflösendes Elektronenspektrometers und des Aufnahmegeräts energetisch neutraler Atome
• Erste Sondierung der Ionosphäre der Nordhalbkugel der Venus
• Erste Sondierung des Untergrunds der Venus

Zusammen mit Mars Express zum Mars und Bepi Colombo zum Merkur, ermöglicht diese Mission ein zusammenhängendes Programm zur Untersuchung der erdähnlichen Planeten und wird Europa in eine Führungsposition auf dem Gebiet der planetaren Wissenschaft bringen. Dies liegt nicht zuletzt an der außerordentlichen Qualität der Experimente. Der Venus Express Orbiter wird die Rolle eines Pfadfinders für die Zukunft spielen und die gesammelten Ergebnisse werden weitere, komplexere Missionen zu diesem Planeten ermöglichen. So steht die Venus als Schwesterplanet der Erde in besonderem öffentlichem Interesse nicht nur aufgrund der vielen Gemeinsamkeiten beider Planeten. Viel Wert legt man deshalb in Zukunft auf einen Vergleich zur Erde und ihrer klimatischen Evolution.

Weg zur Venus

Die synodische Periode (Zeitspanne zwischen denen sich zwei Planeten am nächsten sind) zwischen Erde und Venus beträgt 584 Tage. Ein solcher Zeitpunkt ist damit ein idealer Zeitpunkt für den Start der Mission und ergibt sich für Venus Express Anfang November 2005. Dort entsteht ein ca. 2 Wochen langes Zeitfenster abzuheben. Mit dem Start der Soyuz-Fregat wird Venus Express zunächst in einen sog. interplanetaren Transferorbit um die Erde gebracht. Dieser, auch Hohmann Orbit genannt, ermöglicht eine Reise von einem Planeten zu einem anderen mit einem minimalen Aufwand an Energie. Von diesem Transferorbit wird die Sonde dann Richtung Venus geschickt. Nach sechzig Tagen erfolgt eine Kurskorrektur und nach 90 weiteren Tagen die Vorbereitungen zum Eintritt in die Venusumlaufbahn.

Ankunft Venus

153 Tage nach dem Start erfolgt dann der so genannte "Venus Capture Burn". Dabei muss die Sonde einen Schub (Erklärung siehe unten) von 1250 m/s leisten. Der nun erreichte Orbit ist hoch elliptisch und hat ein Perizentrum von ca. 250 km über der Venusoberfläche und ein entsprechend hohes Apozentrum. Danach wird der Wert des Apozentrums schrittweise auf 30000 km bis 45000 km verringert. Dazu ist nochmals ein Delta-V von 652 m/s bei 30000 km bzw. 400 m/s bei 45000 km notwendig.

Die erreichbare Höhe des Apozentrums hängt dann von der noch verfügbaren Treibstoffmenge ab, da man zusätzliche Kurskorrekturen im Anflug einplanen muss. Der nun erreichte Orbit wird eine Periode von 9,6 bis 16 Stunden haben und ist ideal für Untersuchungen geeignet. Er erlaubt sowohl Detailaufnahmen aus geringer Höhe als auch globale Beobachtungen im Bereich des Apozentrums. Der geplante Orbit ist in der Zeichnung links erkennbar. Danach erfolgt eine 30 Tage dauernde Stabilisierungsphase bevor die Experimente beginnen können.