ESA s wetenschappelijke programma: verleden, heden en toekomst

ESA’s wetenschappelijke programma: verleden, heden en toekomst Ir. L.J. Timmermans

In oktober 1995 werd in Toulouse de ESA-ministersconferentie gehouden. Een belangrijk discussiepunt was het budget van het wetenschappelijke ruimtevaartprogramma van ESA. Terwijl enkele individuele lidstaten hierbij vraagtekens zetten, hecht Nederland veel waarde aan dit programma. Uiteindelijk resulteerden de discussies in een compromis: voor de komende vijf jaar wordt het budget bevroren op 347 MAU (ongeveer ƒ 640 miljoen), met hooguit een correctie als de inflatie boven de 3 % komt. Halverwege 1998 zal het budget opnieuw bekeken worden. In dit artikel wordt een terug- en vooruitblik op de wetenschappelijke ruimtevaart in Europa gegeven. In de geschiedenis van de Europese wetenschappelijke ruimtevaart zijn vier fasen te onderscheiden: 1. de leerfase (1959-1968), gekenmerkt door de publicatie van het Blue Book; 2. de Bondi-fase (1969-1973), waarin een eerste poging werd gedaan om tot een wetenschappelijk beleid te komen; 3. de ESA-oprichtingsfase (1975-1983), waarin Europa zelfstandig werd; en 4. de Horizon 2000 en Horizon 2000 Plus fase (1984-heden), waarin een eigen langetermijnbeleid werd gevormd. In dit artikel zullen bovenstaande fasen nader beschreven worden. Vervolgens zal de

ontwikkeling van de verschillende wetenschappelijke missies in beeld worden gebracht, om uiteindelijk tot een conclusie te komen over hoe ESA haar taak tot nu toe heeft volbracht.

De leerfase (1959-1968) Deze eerste fase speelde zich af vóór het ESRO-tijdperk (de European Scientific Research Organisation, opgericht in 1962, was samen met de European Launcher Development Organisation de voorloper van ESA). Ondanks het prille stadium waarin de ruimtevaart zich nog bevond, was er reeds een ster-

Afkortingen en volledige namen van in dit artikel voorkomende satellieten. COS ESRO EXOSAT FIRST GEOS HELOS HEOS HIPPARCOS HST INTEGRAL ISEE ISO ISPM IUE LAS SAS SOHO STEP TD XMM

Celestial Observations Satellite European Space Research Organisation European X-ray Observatory Satellite Far Infrared and Submillimetre Space Telescope Geodetical Satellite Highly Eccentric Lunar Occultation Satellite Highly Eccentric Orbit Satellite High Precision Parallax Collecting Satellite Hubble Space Telescope International Gamma-Ray Astrophysical Laboratory International Sun-Earth Explorer Infrared Space Observatory International Solar Probe Mission International Ultraviolet Explorer Large Astronomical Satellite Small Astronomy Satellite Solar and Heliospheric Observatory Satellite Test of the Equivalence Principle Thor-Delta X-ray Multi Mirror mission

RUIMTEVAART AUGUSTUS 1996

3

Massa van de wetenschappelijke satellieten van ESA als functie van de lanceerdatum. De rechthoeken geven een indicatie voor de capaciteiten van de verschillende lanceerders. Ulysses is gelanceerd door de Space Shuttle. Huygens is ook een speciaal geval omdat zij aan boord van de Amerikaanse satelliet Cassini zal worden meegenomen naar Saturnus en Titan. De massa van de Hubble Space Telescope zou buiten de schaal van deze figuur vallen. [ESA]

4

ke drang om tot een gezamenlijk Europees wetenschappelijk ruimtevaartprogramma te komen, naast de nationale programma’s die in verschillende landen ontwikkeld werden. Het Blue Book, geschreven in 1961, speelde hierbij een belangrijke rol. Verantwoordelijk voor dit boekwerk was de Scientific and Technical Working Group (STWG), een commissie samengesteld uit vertegenwoordigers van de Europese ruimtevaartindustrie en ruimteonderzoekers. De hoofdlijn van het voorgestelde programma weerspiegelde echter een gebrek aan realisme en volwassenheid; het Blue Book was in feite meer een intentieverklaring dan een echt programma. Het Launching Programme Advisory Committee (LPAC, het huidige Space Science Advisory Committee) en het Science and Technical Committee, een subcommissie van LPAC, maakten van het Blue Book een programma dat naar verwachting binnen de fi-

nanciële grenzen zou blijven. Zij kwamen daarbij een aantal probleemgebieden tegen: – Een evenredige verdeling van het budget over de verschillende onderzoeksgebieden kwam niet overeen met de opbrengst en kosten per onderzoeksgebied. – De standaardbus (met als doel kostenbesparing) voor de astronomische satellieten van de TD-serie werd nooit verwezenlijkt: er is uiteindelijk slechts één TD-satelliet gebouwd (TD-1A, gelanceerd in 1972). – De grote satellieten, die de voornaamste rechtvaardiging voor de oprichting van ESRO vormden, konden niet volgens plan gebouwd worden: zowel LAS als de komeetmissie werden pas veel later, na veelvuldige aanpassingen om binnen een realistisch budget te blijven, gelanceerd, respectievelijk als IUE (1978) en Giotto (1985). – De kleinere lidstaten wilden liever eerst ruimtevaartervaring opdoen met een raketprogramma, terwijl de grotere lidstaten hun ervaring wilden uitbreiden met grote satellieten en interplanetaire missies. Het einde van de leerfase werd in 1968 bereikt met de lanceringen van ESRO-2, ESRO-1A en HEOS-1. Van 1964 tot 1967 werden in totaal 56 sondeerraketten gelanceerd: de oorspronkelijke doelstellingen (zie bijgaande tabel) waren niet verwezenlijkt. Het bleek moeilijk om op korte termijn een gebalanceerd wetenschappelijk programma te realiseren dat alle onderzoeksgebieden naar tevredenheid bestreek. Een langetermijnbeleid was derhalve noodzakelijk om binnen het financiële raamwerk tot een gebalanceerd programma te komen.

De Bondi-fase (1969-1973) De Italiaan Hermann Bondi werd in november 1967 tot hoofd van ESRO benoemd. Tot eind 1968 was slechts één nieuw project goedgekeurd (TD-1), en de tijd was rijp om nieuwe en krachtige beslissingen te nemen. In 1969 besloot ESRO tot goedkeuring van de satellieten ESRO-1B, HEOS-A2, ESROIV, COS-B en GEOS, waardoor continuïteit van wetenschappelijke satellieten gewaarborgd werd. Bondi verzocht LPAC om een langetermijnbeleid te definiëren door een


zorgvuldige selectie van mogelijke studies. Op aanbeveling van LPAC werd aan vier onderzoeksgebieden prioriteit gegeven: 1. fundamentele fysica, met voorkeur voor gravitatietheorieën; 2. plasmafysisch onderzoek in de magnetosfeer, de heliosfeer en de polaire ionosfeer; 3. astrofysica van hoog-energetische röntgen- en γ-straling; en 4. studies naar speciale kosmische straling. Planetair onderzoek, UV-astronomie en zonnefysica kwamen niet in deze aanbevelingen voor. Voor deze gebieden had men tussen 1975 en 1980 de lancering van drie tot vijf middelgrote satellieten in het verschiet: uiteindelijk werden COS-B, GEOS, ISEE-2 en IUE daadwerkelijk in deze periode gelanceerd, waarvan de laatste twee in samenwerking met NASA. Ook stelde LPAC HELOS (later herdoopt in EXOSAT) voor als opvolger van COS-B en GEOS. De belangen van de UV-astronomie werden gered door het advies deel te nemen aan NASA’s SAS-D-project. Ondertussen kwam ESRO in een financiële crisis waaruit later ESA zou ontstaan. Het budget voor wetenschappelijke ruimtevaart was beperkt tot ongeveer 27 MAU, terwijl volgens LPAC bijna het dubbele noodzakelijk was (43-47 MAU). Aan het einde van deze fase was ESA gedwongen tot meer realistische doelstellingen. Men erkende dat men slechts één middelgrote satelliet per twee tot drie jaar kon lanceren, in plaats van elk jaar één grote en meerdere kleine. De we-

tenschappers werden gedwongen prioriteiten te stellen, en wisten dat slechts ideeën waarover zij het onderling eens waren tot succes konden leiden. Alleen internationale samenwerking bood de toegang tot wetenschappelijke ruimtevaart.

De ESA-oprichtingsfase (1975-1983) Het in 1973 genomen besluit om Europa onafhankelijke toegang tot de ruimte te geven door het ontwikkelen van de Ariane-raketfamilie zou van groot belang zijn voor het ontstaan van ESA. Met ISEE-2, IUE en Spacelab verbond ESA haar programma’s meer en meer aan die van NASA. Deze samenwerking werd verder uitgebouwd door deelname aan HST en ISPM (Ulysses). Deze keuze was, min of meer, een consequentie van de aanbevelingen van LPAC om de Europese missies te beperken tot kleine of middelgrote projecten. De Verenigde Staten en de Sovjet Unie daarentegen maakten plannen voor grote, ambitieuze en uitdagende missies. Wilde Europa niet achterblijven, dan moest zij wel samenwerken. De samenwerking met de Verenigde Staten ontwikkelde zich voortvarend, zodat er al snel een optimistische stemming heerste als gevolg van de geboden mogelijkheden. Echter, er verschenen donkere wolken aan de hemel. De Europeanen leerden dat NASA er een eigen werkwijze op na hield en realiseerden zich hoe kwetsbaar de afspraken waren die in het Memorandum of Understanding

Jaar 1

2

3

4

5

6

7

8

<10

40

65

65

65

65

65

65

4

6

4

4

4

Interplanetaire satellieten

2

3

3

Gestabiliseerde astronomische satellieten en maansatellieten

2

1

1

Sondeerraketten Kleine satellieten in lage banen

Aantal en type lanceringen gedurende de eerste acht jaar van ESRO, zoals voorgesteld door de STWG in 1961. Aangenomen werd dat voor elke geslaagde missie twee lanceringen nodig waren. Achteraf blijkt dit voorstel veel te optimistisch te zijn geweest.


5

waren ondertekend. De bindende betekenis die men in Europa hieraan gaf verschilde van de Amerikaanse interpretatie als intenties; NASA zag haar budget jaarlijks ter discussie gesteld in het Witte Huis en het Congres. Tegelijkertijd met deze crisis kwam de eerste Ariane-raket gereed, zodat Europa zelf toegang tot de ruimte kreeg. Beide gebeurtenissen verklaren de reeks van besluiten die tussen 1980 en 1983 werd genomen: Giotto, HIPPARCOS en ISO zouden als volledig Europese missies door de Ariane worden gelanceerd. Dit was een duidelijk keerpunt in ESA’s beleid voor wetenschappelijke ruimtevaart. Hoewel er van een echte crisis sprake was, had het positieve effecten voor Europa. Bovenal realiseerde Europa zich dat “master of your own destiny” mogelijk was, en leiderschap zou betekenen op verschillende gebieden. De fundamenten voor ESA’s eigen langetermijnbeleid waren hiermee gelegd.

De Horizon 2000 en Horizon 2000 Plus fase (1984-heden) In 1983 werd duidelijk dat ESA niet langer kon doorgaan met haar bestaande methode om project na project te kiezen. De wetenschappers hadden een langetermijnperspectief en bepaalde toezeggingen nodig ter voorbereiding op de toekomst. Er waren echter ook tegenstanders, die vonden dat een lange-

termijnbeleid zou leiden tot ontmoediging van de groep wetenschappers van wie het vakgebied (nog) geen plaats had in dit beleid. Hierdoor zou tevens hun steun aan ESA’s wetenschappelijke programma verloren gaan. De oplossing was een gebalanceerd langetermijnprogramma, met de mogelijkheid om regelmatig nieuwe ideeën te lanceren. Echter, het budget dat sinds 1971 onveranderd was gebleven zou tot problemen kunnen leiden. De enige mogelijkheid om het budget op te schroeven was het ontwerpen van een uitgebreid plan met een raamwerk voor de toekomstige wetenschappelijke ruimtevaartactiviteiten. Zodoende kon het programma Horizon 2000 een aanvang nemen. Een eerste oproep voor concepten van nieuwe missies werd gedaan in de herfst van 1983. Diverse groepen werden geformeerd om prioriteiten te stellen, het technische gehalte in de verschillende gebieden te bepalen en aanbevelingen te formuleren. Op de laatste bijeenkomst, in juni 1984 onder voorzitterschap van de Nederlander Bleeker (momenteel directeur van SRON), werden de prioriteiten gesteld door het benoemen van vier zogenaamde Cornerstones (hoekstenen): invloed van processen van de Zon op de Aarde (Solar Terrestrial Science Programme, STSP, met SOHO en Cluster), komeetonderzoek (Rosetta), röntgenstraling (XMM) en astronomie in het submillimeter-gebied

Ontwikkeling van de kosten voor het maken van ESA’s wetenschappelijke satellieten als functie van de lanceerdatum. De donkere lijn toont de ontwikkeling van het jaarlijkse wetenschappelijke budget. De getallen geven een indicatie van de verhouding tussen de kosten en het budget in het jaar van lancering. Voor de missies na 1995 zijn de huidige schattingen weergegeven. Alle bedragen, in MAU, zijn omgerekend naar de economische condities van 1993.[ESA]

6


(FIRST). Tevens bestond de mogelijkheid om kleine en middelgrote projecten op kortere termijn te laten plaatsvinden; door een regelmatig terugkerende “Call for Ideas” behouden wetenschappers die niet betrokken zijn bij lopende projecten hun steun aan ESA. Dit gaf het wetenschappelijke programma een mate van flexibiliteit: de inhoud kon worden gericht zowel op evolutie van de wetenschap (b.v. STEP) als op mogelijkheden voor internationale samenwerking (b.v. Cassini/ Huygens). De onderliggende gedachte voor Horizon 2000 was de kosten binnen de perken te houden door èn de wetenschappers te

dwingen hun hoge ambities te beperken èn een efficiëntere werkwijze te creëren bij het management van ESA. Een belangrijk en direct effect van Horizon 2000 was het besluit dat ESA’s budget voor wetenschappelijke missies jaarlijks zou stijgen met 5 % boven de inflatie, hetgeen over een periode van tien jaar gerealiseerd zou worden.

De Cluster satellieten die helaas bij de eerste Ariane-5 vlucht verloren gingen. [ESA]

Voor het eerst zou ook de samenwerking met nationale programma’s verwezenlijkt worden, zodat de inefficiënte strijd om geld vermeden werd. Ook de coördinatie met internationale programma’s werd gemakkelijker.

Massa en kosten van wetenschappelijke ESA-satellieten. Kosten, behalve voor EXOSAT en HIPPARCOS, zijn exclusief nuttige lading. De bedragen, in MAU, zijn omgerekend naar de economische condities van 1994. Satelliet

GEOS-1 ISEE-2 EXOSAT Giotto HIPPARCOS Ulysses ISO SOHO Cluster Huygens XMM

Lanceerdatum

20 april 1977 22 oktober 1977 20 mei 1983 2 juli 1985 8 augustus 1989 6 oktober 1990 17 november 1995 2 december 1995 april 1996 oktober 1997 december 1999


Kosten (MAU)

Kosten per massa satelliet (MAU/kg)

Kosten per massa lading (MAU/kg)

307,2 105,1 444,1 218,9 538,8 287,4 670,0 325,0 428,8 251,6 626,1

1,005 0,670 0,888 0,375 0,796 0,777 0,268 0,177 0,089 0,711 0,165

8,727 3,864 5,105 3,716 2,566 5,225 7,444 0,508 1,489 5,242 1,026

7

Doordat de Cornerstones vaste elementen van het programma waren, wisten wetenschappers – en industrie – al lang van tevoren waar zij hun energie in zouden moeten steken, om zodoende de langdurige technologische ontwikkelingen te verwezenlijken die nodig zijn om de projecten tot stand te brengen. De Cornerstones brachten ook de lange tijd gezochte balans tussen de verschillende onderzoeksgebieden. Met Horizon 2000 Plus wordt momenteel eenzelfde benadering gevolgd. Hier zijn voor de periode 2005-2016 drie Cornerstones gedefinieerd: – een missie naar Mercurius; – een interferometer-observatorium voor astrometrie/infrarood astronomie; en – een observatorium voor gravitatiegolven. Daarnaast staan er voor deze lange termijn ook vier gedeeltelijk nog in te vullen middelgrote missies op het programma.

Terugblik op wetenschappelijke missies De ontwikkeling van ESRO/ESA’s wetenschappelijke missies blijkt goed uit een van de bijgaande figuren, waarin de massa van de verschillende ruimtevoertuigen wordt getoond. De toename in massa is duidelijk ge-

relateerd aan de capaciteiten van het lanceervoertuig. Omdat het niet erg waarschijnlijk is dat er in de nabije toekomst krachtiger lanceerders dan de Ariane-5 beschikbaar zullen komen, zullen de wetenschappers rekening moeten houden met het feit dat een massa van 3 tot 4 ton voorlopig het maximum zal zijn. Wel zal de nuttige lading een steeds hoger percentage van de totale massa voor haar rekening kunnen nemen. De ontwikkeling in missiekosten wordt getoond in een andere figuur. Hieruit blijkt dat ESA erin geslaagd is de kosten relatief goed onder controle te houden, ondanks de snelle toename van de technische capaciteiten van de missies. De missies kunnen worden ingedeeld in twee groepen: 1. Missies waarvan kosten voor het maken van de satelliet (Cost-To-Completion, CTC) ongeveer gelijk is aan het jaarlijkse wetenschappelijke budget. Hieronder vallen bijvoorbeeld Giotto, Ulysses, Huygens en INTEGRAL, allen middelgrote satellieten van Horizon 2000. 2. Missies waarvan de kosten gelijk zijn aan tweemaal het jaarlijkse budget. Voorbeelden zijn EXOSAT, HIPPARCOS, ISO, de ESA-bijdrage aan HST en de Cornerstones van Horizon 2000.

De duur van de verschillende ESA missies. Links van de diagonale lijn de bouw, rechts van de lijn de operaties in de ruimte. [ESA]

8


De Integral satelliet die het heelal in het gamma deel van het spectrum gaat bestuderen. [ESA]

Bij deze grafiek moet worden opgemerkt dat de huidige twee middelgrote missies, M1 (Huygens) en M2 (INTEGRAL), momenteel op het niveau van het jaarlijkse wetenschappelijke budget worden gehouden, ook al heeft INTEGRAL in feite de omvang van een Cornerstone-missie. Deze kostenbeperking is het resultaat van internationale samenwerking en het hergebruik - voor het eerst in de wetenschappelijke programma’s van ESRO/ESA van een bestaand busontwerp, namelijk van XMM. Een bijgaande tabel toont de kosten van missies vanaf GEOS. De kosten per kilogram nemen af, waarbij Cluster de meest efficiënte missie is doordat zij gebaseerd is op vier identieke satellieten. Er zit momenteel ruim tien jaar tussen besluit en lancering van de Cornerstone-missies van Horizon 2000 en Horizon 2000 Plus. Deze tijd is nodig om de technologie van de missies goed te definiëren en voor te bereiden, en daarbij binnen het budget te blijven. Kortom, een langetermijnplanning, met een duidelijk financieel perspectief. Mede hierdoor heeft ESA een leidende positie opgebouwd op verschillende deelgebieden van het wetenschappelijke ruimteonderzoek. Horizon 2000 Plus biedt de mogelijkheid om deze positie nog verder uit te bouwen.


Conclusie In de loop der tijd heeft ESA haar wetenschappelijke missies steeds efficiënter weten uit te voeren. Enkele voorbeelden waaruit dit blijkt, zijn: – het is ESA gelukt om de kosten van haar missies relatief goed onder controle te houden, ondanks de snelle en enorme toename van de technische capaciteiten van deze missies; – in 1995 bedroeg het wetenschappelijke budget slecht 12,8 % van het totale ESAbudget; dit is een kwart van het vergelijkbare Amerikaanse programma; – de regelmatige lancering van kleine satellieten (met een massa minder dan 100 kg) is uitgegroeid naar lanceringen van satellieten als ISO, SOHO en Cluster, die elk enkele tonnen wegen; – deze groei in prestaties is niet terug te zien in het jaarlijkse wetenschappelijke budget; het huidige budget is, met de jaarlijkse 5 % groei sinds 1985, in verhouding niet groter dan het ESRO-budget in 1964; – de ontwikkelingstijd van huidige satellieten voor grote missies (b.v. Cluster) is even lang als die van kleinere satellieten (b.v. EXOSAT) 15 jaar geleden; – wetenschappers hebben steeds meer moge-

9

makkelijker hun weg naar een groter wordend aantal gebruikers. Belangrijke redenen voor deze toename in efficiëntie zijn: – de technologische ontwikkeling staat toe dat steeds grotere missies kunnen worden uitgevoerd met lagere kosten per kilogram; – zowel ESA als de industrie hebben gedurende de afgelopen 35 jaar ruimschoots ervaring opgedaan met wetenschappelijke missies; – het wetenschappelijke langetermijnbeleid ingevuld met het programma Horizon 2000 - leidt ertoe dat de benodigde technologie bijtijds ontwikkeld kan worden en dat standaard subsystemen voor verschillende missies kunnen worden gebruikt. Verder wordt internationale samenwerking tegenwoordig in een rationeler verband geplaatst, gebaseerd op gelijkwaardigheid van de partners, en worden nieuwe samenwerkingsverbanden makkelijker aangegaan. Ook wordt de coördinatie met nationale programma’s constant verbeterd. Het vaste budget biedt wetenschappers in Europa, maar ook elders in de wereld, een stabiel programma, met missies die krachtige drijfveren zijn voor verdere technologische vernieuwingen.

De afdaling van de Huygens sonde op Titan. [ESA]

10

Het groeiproces dat de Europese wetenschappelijke ruimtevaart heeft doorgemaakt, heeft geleid tot een stabiel langetermijnprogramma, waaruit in de toekomst nog veel interessante ontwikkelingen zullen ontstaan. lijkheden om aan missies deel te nemen: het aantal “Principal Investigators” en “CoInvestigators” stijgt nog steeds; – veel van ESA’s wetenschappelijke satellieten overleven ruimschoots hun nominale levensduur, en de grote hoeveelheden gegevens die vrij komen, vinden steeds

Dit artikel is gebaseerd op het artikel “European Space Science - In Retrospect and in Prospect” van R.M. Bonnet, directeur van het wetenschappelijke programma van ESA, gepubliceerd in ESA Bulletin 81 (februari 1995).


De Ariane-501-vlucht Ir. H.M. Sanders

Op 4 juni jl. vond de lancering van de eerste Ariane-5 plaats. Het jammerlijk mislukken hiervan was een grote schok voor de Europese ruimtevaart. Hoe kon het gebeuren dat een raket, aan de betrouwbaarheid waarvan men zoveel zorg had besteed, al na 30 seconden faalde? Een raket met een beoogde betrouwbaarheid van 99%, waarvan elk boutje en moertje uitgebreid beschreven wordt, en waarvan zelfs achterhaald kan worden van welk ruwe erts ze zijn gemaakt en waar dat materiaal vandaan kwam. Daarnaast was er het verlies van de vier Cluster-satellieten, een unieke wetenschappelijke lading die met de Ariane ten onder ging. In dit artikel volgen een kort verslag van de gebeurtenissen en een verklaring voor zover de gegevens daarvan op het moment van schrijven beschikbaar waren.

Vertraging op vertraging

Het eerste gedeelte van de Ariane-501-vlucht verliep nog vlekkeloos. [E Braun]

Volgens de oorspronkelijke planning was de eerste lancering van de Ariane-5 voorzien voor begin 1995: 1 april was lange tijd de geplande lanceerdatum. Echter, in 1994 zag men zich gedwongen deze datum te verschuiven naar november 1995 vanwege problemen met de ontwikkeling van de vaste-stuwstof aanjaagraketten, een half jaar uitstel. De leiding van het project verzekerde toen dat niet zou worden afgeweken van deze nieuwe datum. Gelukkig werden de problemen met het uitharden van de vaste stuwstof opgelost, en een lancering eind 1995 leek haalbaar. Verder uitstel werd echter onontkoombaar toen er tijdens beproevingen in Kourou ook nog problemen optraden met de Vulcain-hoofdmotor. Hoewel de problemen niet te wijten waren aan structurele fouten in het ontwerp, en op zichzelf geen serieuze vertraging opleverden, zorgde het relatief grote aantal ervoor dat het programma verder uitliep. Het dieptepunt werd bereikt toen in het najaar van 1995 twee Franse technici door verstikking omkwamen door een te grote concentratie stikstofgas in het lanceerplatform. Het daarop volgende onderzoek zorgde voor verdere vertraging. De lancering was inmiddels verschoven naar 1996. In februari kon de lanceercampagne van de vlucht van de eerste Ariane-5 van start gaan. De campagne zelf verliep redelijk voorspoedig, alhoewel ook hier weer een paar probleempjes uit de weg moesten worden ge-


11

De lanceerdag, 4 juni

De lanceerconfiguratie van Ariane-501. [ESA] 1. kap voor lading 2. trap met houdbare stuwstof 3. Vehicle Equipment Bay met daarin het verdachte besturingssysteem 4. vaste stuwstof aanjaagraket 5. vaste stuwstof motor 6. cryogene hoofdtrap 7. cryogene voortstuwing 8. lading (Cluster satellieten)

Procentuele bijdrage van de verschillende landen aan het Ariane-5 programma. [ESA]

12

De spanning was begrijpelijk groot toen men met het aftellen kon beginnen. Op vele plaatsen in Europa en in Guyana waren mensen verzameld om de lancering rechtstreeks mee te maken. Al snel bleek dat het weer niet erg wilde meewerken. Het regende plaatselijk rond Kourou, en onweer dreigde. Om blikseminslag op de raket te voorkomen, moeten de elektrisch geladen onweerswolken ver genoeg van het lanceerplatform verwijderd zijn om een lancering toe te laten. Tijdens het aftellen trokken de onweerswolken weg, maar het bleef regenen. De meteorologische dienst in Kourou ontdekte echter een gat in de bewolking, hetgeen een lancering mogelijk maakte. Het aftellen was inmiddels 7 minuten vóór de lancering gestopt om deze opklaring af te wachten. Daarnaast was er ook een probleem opgetreden met de Cluster-satellieten: er waren problemen met de klok die de commando’s voor de eerste fase in een baan om de Aarde zou moeten geven. Dit werd echter snel verholpen. Toen door de weersverbetering de raket ook zichtbaar werd voor het volgstation op de Duivelseilanden, zo’n 25 km voor de kust van Frans Guyana, kon men het aftellen hervatten. Dit volgstation volgt de raket met een infraroodtelescoop totdat de twee grote aanjaagraketten worden afgeworpen. Naarmate de klok terugliep steeg de spanning. Opvallend rustig telde de Franse vluchtleider de laatste 10 seconden af tot het moment van ontsteking. ruimd. Op 4 juni brak eindelijk de grote dag aan waarop de eerste Ariane-5 zou worden gelanceerd.

Het vluchtverloop Op T0 werd het ontstekingsignaal aan de hoofdmotor gegeven, die daarna correct opstartte. Na enige seconden tijdsverloop om de juiste werking van de motor te testen, werden 7 seconden na T0 de aanjaagraketten ontstoken. Op hetzelfde moment werden alle verbindingen met het lanceerplatform verbroken en begon de Ariane-5 aan zijn vlucht. Opvallend snel verliet de raket het lanceerplatform, met een veel grotere acceleratie dan men gewend is van de Ariane-4. Na 5 seconden begon de raket in de juiste richting te sturen door de motoren te draaien, en begon zijn klim naar een baan om de Aarde. Tijdens deze fase zijn het met name de straalpijpen


van de aanjaagraketten die de raket sturen. Overal waar men de lancering volgde steeg gejuich en applaus op, en de Ariane-5 vervolgde zijn vlucht hemelwaarts met donderend geraas. Toen, 27 seconden na het verlaten van het platform, begon de Ariane plotseling te draaien, en voordat iemand kon reageren ontplofte de raket. De ontzetting was groot, vooral door het plotselinge karakter van de gebeurtenissen. In een grote fontein van brandende stukken vaste stuwstof kwam de Ariane naar beneden. Onmiddellijk werden alle publieke observatiepunten rond het platform ontruimd, en werd het noodplan in werking gesteld. Ook begon men direct met het onderzoek om uit te vinden wat er verkeerd ging. Het bleek dat 34 seconden na de lancering, op een hoogte van 3,5 km, het besturingssysteem de straalpijpen van de stuwraketten naar hun uiterste stand gecommandeerd had; de hoofdmotor volgde kort daarna. Het gevolg was dat de Ariane een snelle rotatie inzette. De raket vloog op dat moment met hoog-subsone snelheid (Mach 0,7), en door de rotatie werd het aërodynamisch moment op de raket te groot. Het gevolg hiervan was dat de raket ter hoogte van de tweede trap begon te bezwijken. Dit was duidelijk zichtbaar op de videobeelden: een wolk bruine hydrazine ontsnapte uit de raket. Drie seconden nadat de draai was ingezet, blies de raket zichzelf op nadat hij meer dan 100 graden was gedraaid. De raket bevond zich toen op een hoogte van 4 km. Even later werd er ook van de grond een vernietigingscommando gestuurd, maar dat was reeds overbodig.

Wat ging er mis? Nadat men van de allereerste schrik bekomen was, begon men te onderzoeken wat er was misgegaan en hoe het zover had kunnen komen. Daarnaast was men evenzeer geïnteresseerd in de vraag hoe een fout de uitgebreide kwaliteits- en betrouwbaarheidsprocedures had kunnen passeren. Al op de dag van de ontploffing bleek dat de fout waarschijnlijk te wijten was aan een fout in het besturingssysteem, waarschijnlijk een software-matige. Iets later werd bekend dat het inertiale platform de correcte hoeken en


versnellingen had gemeten, maar dat er foutieve gegevens uit de boordcomputer kwamen. Als gevolg hiervan probeerde de Ariane een fout te corrigeren die niet bestond, met het bekende resultaat. Later werd de Vehicle Equipment Bay, het gedeelte van de raket waarin het verdachte besturingssysteem zich bevond, uit de Guyanese mangrovebossen gevist en onderzocht.

Twee Cluster satellieten op elkaar gemonteerd zoals dat ook aan boord van Ariane501 is gebeurd. De Cluster satellieten zijn na de mislukte lancering gedeeltelijk terug gevonden. [ESA]

Inmiddels is bekend geworden dat de fout inderdaad in het besturingssysteem zit. De Ariane-5 gebruikt hetzelfde traagheidsplatform als de Ariane-4, maar een test om te kijken of dat wel kon is uit budgettaire overwegingen niet uitgevoerd. De Ariane-5 is echter een grotere raket die feller accelereert, een hoger trillingsniveau heeft en in een iets andere baan vliegt. In het traagheidsplatform zijn twee routines actief: de eerste zorgt voor het afstellen en ijken van het platform vóór de lancering, en de tweede routine zorgt voor de werking van het platform in de vlucht. Ook na de start blijft de eerste routine nog een 50 seconden doorlopen, hoewel hij dan geen functie meer heeft. Dit is ook gebeurd bij de Ariane-4, en heeft nooit problemen opgeleverd. Door de andere baan, de grotere acceleratie en de hogere trillingen in de Aria-

13

Direct na de ontploffing van Ariane-5 worden medewerkers en gasten geëvacueerd vanaf de uitzichtspunten. [P. Aventurier, N. Le Corre/ Gamma]

ne-5 heeft de ijkingsroutine een software “overflow” gecreëerd. Dit bracht de boordcomputer van slag, die daardoor foutieve gegevens ging genereren. Op haar beurt resulteerde dit erin dat de Ariane een fout ging corrigeren die niet bestond.

De toekomst Op het moment van schrijven, wordt eind dit jaar genoemd als mogelijke datum voor de tweede testvlucht van de Ariane-5. Inmiddels is ook de vraag opgeworpen of een derde proefvlucht noodzakelijk is. De Franse minister voor ruimtevaartzaken Fillon heeft al aangekondigd dat volgens hem een derde vlucht noodzakelijk is. Die zou dan wel be-

taald moeten worden door de industrie zelf, met name uit de winsten die men verwacht te behalen uit de lancering van grotere aantallen Ariane-4-raketten, teneinde de verdere vertraging van de Ariane-5 op te vangen. Omdat het Ariane-5-programma haar budget reeds met 20% overschreden heeft en daarmee de ESA-limiet heeft bereikt, is het uitbreiden van het programma moeilijk. De ESA-regel is dat als een programma meer dan 120% van het oorspronkelijk begrote bedrag kost, landen zich zonder meer uit het programma kunnen terugtrekken. Overigens is het erg onwaarschijnlijk dat dit gebeurt; de meeste landen hebben hun onvoorwaardelijke steun toegezegd. Verder twijfelt niemand er aan dat de Ariane-5 een succesvolle lanceerder zal worden als het huidige probleem is opgelost. Toch geeft het ongeluk aan dat conventionele raketten weinig fail-safe zijn: als er onverhoopt iets mis gaat, kan men weinig meer doen dan de raket met lading en al op blazen. Een herbruikbaar lanceervoertuig zou eventueel een noodlanding kunnen maken. Het blijft natuurlijk speculatie of zoiets in dit geval geholpen had, maar er zijn vele mislukte lanceringen te bedenken waarbij een noodlanding in ieder geval de lading had kunnen redden. Dit is eens te meer een reden om naast de Ariane-5 te blijven investeren in herbruikbare lanceersystemen.

Delen van Ariane-5 en de Cluster-satellieten worden opgevist uit het moeras bij Kourou. [Space News]

14


Sloshsat FLEVO Ir. M.G.A. de Brouwer Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium

Het is oktober 1998. Aan boord van de Space Shuttle -vlucht STS-94- lift de 100 kg zware Sloshsat FLEVO (Facility for Liquid Experimentation and Verification in Orbit) mee op een Hitchhiker-brug achterin het laadruim.

Het experiment Sloshsat FLEVO is, zoals de naam al verraadt, een satelliet waarmee men vloeistofdynamica in gewichtloosheid onderzoekt. Naast de gebruikelijke systemen zoals een lichte structuur, voortstuwing, energievoorziening, computer, warmtebeheersing en communicatie, beschikt het satellietje over een lading waarmee zogenaamde klotsexperimenten kunnen worden uitgevoerd. Deze lading bestaat uit een vat met een inhoud van 90 liter, gevuld met 33,5 liter water. Hiervan worden op 270 locaties de laagdikte, alsmede enkele grootheden als temperatuur, druk en snelheid gemeten. De invloed van het klotsende water op de beweging van de satelliet zal met gyroscopen en versnellingsmeters nauwkeurig worden vastgelegd.

versiteiten in Nederland (Groningen, Delft), België en Israël. Deze wetenschappers hebben zich -zoals gebruikelijk in dergelijke onderzoeksprojecten- verenigd in een gebruikersgroep, de Investigators Working Group (IWG). De IWG bepaalt al in het beginstadium van het ontwerp aan welke eisen de satelliet moet voldoen, onder andere met betrekking tot de uitvoering van het klotsvat, het type sensoren en hun nauwkeurigheden, en de benodigde meettijd. Tevens zullen de leden van de IWG de experimenten begeleiden en de meetgegevens na afloop van de vlucht analyseren.

Gedurende de tiendaagse missie van Sloshsat FLEVO worden de gegevens van de 150 sensoren doorgegeven aan de Space Shuttle. Onder andere met behulp van een Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) worden de gegevens doorgegeven naar de Aarde. [F. Boon]

De meetgegevens die de tien dagen durende vlucht oplevert, zullen een nieuwe generatie computermodellen valideren. Deze modellen zullen in staat moeten zijn klotsgedrag van vloeistof in de ruimte beter te simuleren en dus te voorspellen, zodat bij de besturing van een ruimtevaartuig met relatief veel vloeistof aan boord beter rekening gehouden kan worden met het klotsen. Hier valt onder andere te denken aan het koppelen aan het International Space Station Alpha voor bevoorrading van stuwstoffen, de nauwkeurige standregeling van observatiesatellieten en het efficiënter besturen van raketten. Wetenschappelijke interesse Dat er vraag naar deze modellen is, blijkt bijvoorbeeld uit de interesse van onder andere wetenschappers binnen NASA, ESA en uni-


15

Het Wet Satellite Model voerde gedurende een 10 minuten durende vrije val, vloeistofdynamica-experimenten uit. [NLR]

De wetenschappers binnen de IWG kennen elkaar al geruime tijd. Sommigen hadden al contact met elkaar gedurende vorige missies waar vloeistofgedrag in de ruimte werd onderzocht. Te denken valt hier onder andere aan een experiment aan boord van de Space Shuttle D-1-vlucht (met Wubbo Ockels, oktober 1985) en aan experimenten met een module gelanceerd met een Zweedse sondeerraket (het Wet Satellite Model (WSM) van het NLR, april 1992). Deze laatste vlucht maakte gebruik van de ongeveer 10 minuten durende micrograviteit in de vrije val vanuit de sondeerraket terug naar de Aarde. Water bewoog daar tussen de wanden van een binnen- en een buitencilinder, en simuleerde op die manier een tweedimensionale vloeistofbeweging.

Ontwikkeling van het klotsvat De wetenschappers van de IWG stellen een aantal zware en soms tegenstrijdige eisen aan het experiment. Uitgangspositie was een vat met bolvormige uiteinden en een cilindervormig tussenstuk. Dit vat diende voor 38% gevuld te zijn met een vloeistof. Dit percentage komt voort uit de eis dat er nimmer een gasbel mag ontstaan die geen contact met de wand heeft; m.a.w. er dient altijd, ergens op de wand, een zgn. contactlijn (overgang vloeistof/ gas) te zijn. De positie van de vloeistof diende gemeten te kunnen worden zonder de stroming te verstoren. Gekozen is voor een systeem van capacitieve sensorplaatjes. Dit systeem (de Coarse Sensor Array, CSA) meet de capaciteit van het water boven de sensors. De CSA is echter alleen bruikbaar als zowel het tankmateriaal als het water zelf niet geleidend zijn. Dit heeft als consequentie dat het klotsvat uitgevoerd moet worden met kunststof, en dat het water volledig gedemineraliseerd moet zijn (d.w.z. alle geleidende ionen moeten eruit gefilterd zijn). Het bewaren van gedemineraliseerd water (een zeer reactieve stof dat een half jaar voor de vlucht opgesloten

16

in het vat aan NASA geleverd zal worden) gebeurt doorgaans in polyethyleen. Deze zachte kunststof is echter volstrekt ongeschikt als constructiemateriaal. Besloten werd daarom om een met aramidevezel versterkte tank te bouwen en die aan de binnenkant te coaten met polyethyleen. Voor dit coaten bleken slechts methoden beschikbaar te zijn die werken op bolle oppervlakken. Uiteindelijk is daarom besloten voor de volgende productiestrategie: op een aluminium mal wordt polyethyleen gespoten; op de dichte laag wordt lijm aangebracht, waarna de aramidevezel over het geheel gewikkeld wordt; hierna wordt de mal opgelost in natronloog - een stof waartegen polyethyleen bestand is. Het resultaat is een uit één stuk vervaardigde sterke tank, die aan de binnenkant bekleed is met het polyethyleen dat bestand is tegen gedemineraliseerd water. Deze tank wordt geïnstrumenteerd met 150 sensoren, die voor het grootste deel tussen de polyethyleen en de epoxy-laag geïntegreerd zijn. Door elektronisch tussen de sensoren te schakelen kan de vloeistof op 270 verschillende locaties gemeten worden.


Veiligheid Sinds het ongeluk met de Challenger in 1986, gaat NASA heel voorzichtig om met haar bemande lanceervoertuig, de Space Shuttle. Het vliegen als secundaire payload op een Hitchhiker-brug achterin de laadruimte van de Shuttle Orbiter, brengt dan ook een strenge beoordeling van het ontwerp door NASA met zich mee. De Amerikanen letten hierbij op alle aspecten en onderdelen van de lading: voor elk onderdeel van het ontwerp zijn veiligheidseisen beschreven. Gevraagd wordt bijvoorbeeld aan te tonen dat de satelliet de lanceertrillingen overleeft; dat een eventueel lekkende batterij geen kwaad kan; dat de elektronica de verschillende radioverbindingen niet stoort; en dat er geen brandbare stoffen in de satelliet verwerkt zijn. Een manier om aan de veiligheidseisen te voldoen, is het doorlopen van een streng testprogramma, iets dat bijvoorbeeld van toepassing is voor de structuur en de stuwstoftanks. Deze testprogramma’s bestaan onder andere uit het nabootsen van de belastingen op triltafels, het simuleren van de ruimte in vacuümkamers, en het doen van onderzoek aan de gebruikte materialen.

Ontwikkeling In 1993 werd er voor het eerst in het kader van het Technology Demonstration Programme van ESA een haalbaarheidsstudie naar Sloshsat gedaan. Uitgangspunt voor de studie was dat het tijdens WSM uitgevoerde tweedimensionale experiment uitgebreid moest worden naar een driedimensionale versie, terwijl tevens de meettijd langer diende te worden. Aan de basis van het ontwerp stond de lanceerder. Eerste onderzoekingen wezen uit dat het mogelijk was de gehele satelliet op het formaat “wasmachine” te houden, waardoor deze gelanceerd kon worden vanuit een Hitchhiker-brug uit de laadruimte van een Space Shuttle Orbiter. Hierbij neemt NASA de kosten van de lancering voor haar rekening, in ruil voor onderzoeksgegevens.


Een andere manier is een “slim” ontwerp, dat alle risico’s uitsluit. Dit geldt voornamelijk voor alle veranderende situaties, zoals het aanzetten van onderdelen van de energievoorziening, of de besturing door een fout commando van een operator op de grond, of van een fout in een computerprogramma. Zo kan de batterij van Sloshsat FLEVO pas geladen worden door de zonnecellen, als een schakelaar is omgezet tijdens ejectie vanaf de Hitchhiker-brug. Zo kan zelfs menselijk falen nooit leiden tot het te ver laden van deze batterij, met het risico van een explosie of brand. Tijdens regelmatige intensieve discussies met NASA-veiligheidsspecialisten worden alle mogelijke aspecten ten aanzien van veiligheid in detail geanalyseerd, en moet worden aangetoond dat alle maatregelen worden genomen om de risico’s tot een minimum te beperken. Dit heeft behoorlijke invloed op het ontwerp en de operaties tussen de Space Shuttle Orbiter en de satelliet.

De daarop volgende stap was het optimaliseren van het klotsvat binnen de gegeven ruimte. De wetenschappers kwamen met een vatgeometrie die karakteristiek is voor stuwstofvaten aan boord van ruimtevaartuigen: twee bolhelften met daartussen een cilindervormig deel waarvan de lengte gelijk is aan de straal van de bolhelften. De afmetingen werden, binnen de beschikbare ruimte in het Shuttlelaadruim, gemaximaliseerd. Zodoende kon men zo veel mogelijk vloeistof mee omhoog nemen, wat een positief effect op de metingen heeft. Immers: hoe groter het deel klotsende vloeistof aan boord, hoe groter de invloed daarvan op de satelliet is. Tenslotte werden de systemen ingevuld die benodigd zijn voor het functioneren van de satelliet. Behalve randvoorwaarden die opgelegd werden door de Space Shuttle -zoals communicatie- werd zo veel mogelijk gepro-

17

Subsystemen Voor het experiment meet men de beweging van Sloshsat FLEVO met behulp van gyroscopen (die de rotatie van de satelliet meten) en versnellingsmeters (die de lineaire versnelling meten). Dit is uitzonderlijk in de ruimtevaart, omdat van vrijwel elke satelliet tot nu toe de stand bepaald werd, in plaats van de beweging. De stand is voor Sloshsat FLEVO dan ook van minder belang, terwijl die voor bijvoorbeeld observatiesatellieten essentieel is. Een experiment zal bestaan uit het in beweging zetten van de satelliet, waarna vervolgens de beweging zal stoppen en het water zal beginnen te klotsen. Sloshsat FLEVO zal de bewegingen uitvoeren met behulp van een voortstuwingssysteem dat werkt met stikstof onder hoge druk.

De Sloshsat FLEVO satelliet heeft ongeveer de afmetingen van een wasmachine. Duidelijk is het grote klotsvat te zien. [NLR/F. Boon]

beerd om bestaande apparatuur in het ontwerp te verwerken, wat de kosten aanzienlijk drukt.

De computer aan boord is gebaseerd op een al door het NLR ontwikkelde versie die gevlogen heeft tijdens het TPX-experiment (Two Phase Experiment) in februari 1994. De computer zorgt voor het verzenden van de data van de 150 sensoren naar de Space Shuttle, en regelt de beweging van de satelliet tijdens de experimenten.

In mei 1995 is de fase A/B succesvol afgerond, en momenteel bevindt het project zich in fase C/D. In oktober a.s. zal bij ESA de Critical Design Review plaatsvinden. Sloshsat FLEVO kost in totaal ongeveer ƒ 10 miljoen; dit is exclusief de lancering, die voor rekening van NASA komt.

De energievoorziening is gebaseerd op een combinatie van zonnecellen en een accu voor de tijd dat Sloshsat FLEVO in de schaduw van de Aarde verkeert. De (passieve) warmtebeheersing zal gebruik maken van isolerende dekens, speciale verf en verwarmingselementjes.

Deelnemers Sloshsat FLEVO is een samenwerkingsprogramma tussen het Europese Ruimtevaart Agentschap (ESA) en het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart (NIVR). Hoofdaannemer is het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium, met bijdragen van Fokker Space, Verhaert (België), Newtec (België), Rafael (Israël) en NASA. De ontwikkeling van Sloshsat FLEVO wordt uitgevoerd in het kader van het ESA Technology Demonstration Programme (TDP) Phase 2 en het NIVR Ruimte Technologie programma.

18

Een licht maar stijf platform zal gebruikt worden om alle apparatuur aan te bevestigen. Deze constructie is vervaardigd uit aluminium, en voor de zonnepanelen worden composieten gebruikt. Sloshsat FLEVO is een project dat volgens het “smallsat” principe wordt uitgevoerd. Een klein projectteam werkt intensief samen om met een minimum aan bureaucratische overhead en in korte tijd een satelliet te bouwen. Voor communicatie wordt intensief gebruik gemaakt van teleconferencing en het Internet (e-mail en data-overdracht). Het team dat de satelliet ontwerpt, zal ook de samenbouw en de operationele taken op zich nemen.


Blokdiagram waarin de samenhang tussen de subsystemen van Sloshsat FLEVO is weergegeven. [NLR]

De belangrijkste partners zijn het NLR, verantwoordelijk voor het management, het experiment, de computer en de grondapparatuur, en Fokker Space, verantwoordelijk voor de structuur, de warmtehuishouding en de energievoorziening. Tevens wordt er samen-


gewerkt met Verhaert in België, dat een aantal structuurdelen maakt (en tevens onder een ander contract met ESA het ejectiemechanisme), het eveneens Belgische Newtec (communicatiesystemen), Rafael in Israël (voortstuwingssysteem) en NASA (lancering).

19

SAX gaat aan het werk R.M.H. Noteborn

De astronomen hebben er een nieuw instrument bij gekregen. Het is de SAX, wat staat voor Satellite per Astronomia a raggi X. SAX is dus een röntgensatelliet die van Nederlands-Italiaanse origine is. In de pers werd dan ook al gesproken van de “twee-en-eenhalfde” Nederlandse satelliet. De lancering vond plaats op 30 april 1995 met een Amerikaanse Atlas-Centaur-G vanaf het Cape Canaveral Air Station in Florida. Na de lancering werd de satelliet door de Italianen al snel omgedoopt tot “Beppo”-SAX, naar de Italiaanse natuurkundige Giuseppe Occhialini, een van de groten op het gebied van studies naar kosmische straling.

De lancering Het is nog erg vroeg in de morgen als zich in de conferentiezaal van de Stichting RuimteOnderzoek Nederland (SRON) in Utrecht een groep mensen verzameld heeft om de lancering van SAX te volgen. Een deel van de aanwezigen werkt aan het project. De twee Wide-Field Camera’s, onderdeel van het wetenschappelijk instrumentarium van SAX, komen bij dit instituut vandaan. Ook de zonnepanelen en het standregelsysteem komen uit Nederland: de hoofdaannemer hiervan is Fokker Space. De zonnesensoren komen bij TNO-TPD vandaan, de Monitoring & Reconfiguration Unit (voor detectie van defecte systemen) werd bij Stork Product Engineering gebouwd, en het NLR codeerde de software en testte het systeem.

Na vele tests werd het sein gegeven om de satelliet de ruimte in te brengen. In Florida is het op het moment van lancering midden in de nacht, en voor de vluchtleiders is dit zo ongeveer de laatste activiteit van die dag. Om 6:31 uur (Nederlandse tijd) verheft de Atlas zich vanaf platform 36B. Het eerste doel is het bereiken van de parkeerbaan. Vervolgens neemt de Centaur het over om de satelliet in zijn uiteindelijke baan te brengen. Deze cirkelvormige baan ligt min of meer boven de evenaar (inclinatie 4,2°) op ongeveer 600 km hoogte. Als de motor van de laatste trap dooft, is de satelliet in zijn baan. Tijd voor champagne vinden sommige aanwezigen in Utrecht. Eigenlijk is dat nog iets te vroeg, want de lancering is pas echt afgelopen als de satelliet

SAX neemt waar in het röntgen-gebied. De helderste röntgenbronnen zijn neutronensterren of zwarte gaten in een dubbelstersysteem. Materie stroomt van een begeleidende ster naar het sterke zwaartekrachtveld van een neutronenster. Door de draaibeweging ontstaat een platte accretieschijf. Links is een rode dwerg als begeleider in een nauwe röntgendubbelster afgebeeld en rechts een witte dwerg in een zeer nauwe röntgendubbelster. [SRON]

20


De “ogen” van SAX SAX neemt waar in het röntgen-gebied, dat ligt van 0,01 tot 10 nanometer. Het bijzondere aan de satelliet is dat het voor het eerst is dat het hele röntgen-bereik met één satelliet wordt gemeten. Dat kan niet op Aarde, want hier wordt de straling door de atmosfeer afgeschermd. SAX’ doelstelling is het doen van gerichte waarnemingen aan hemelobjecten in het hele röntgen-gebied voor korte of langere tijd, en het scannen van de hemel in een deel van het röntgenbereik om zo meer gegevens te verzamelen over de röntgen-uitstraling van kosmische objecten. De meeste instrumenten kijken in dezelfde richting en hebben een hoge resolutie en klein gezichtsveld. Dit zijn de Narrow Field Instruments (NFI). Alleen de twee Wide Field Camera’s kijken loodrecht op de richting van de NFI’s en hebben een breed gezichtsveld.

– LECS (Low Energy Concentrator Spectrometer): gebouwd door ESTEC om een spectrum van objecten te maken van 0,1 tot 10 keV; – MECS (Medium Energy Concentrator Spectrometer): net als LECS, maar dan voor het bereik van 1-10 keV; – HPGSPC (High Pressure Gas Scintillatation Proportional Counter): 3-120 keV; – PDS (Phoswich Detector System): 15300 keV, doet ook metingen aan achtergrondstraling en wordt tevens gebruikt als gamma-ray burst monitor (60-600 keV). In dat geval kan het instrument meten wanneer en waar er plotselinge uitbarstingen van gamma-straling aan de hemel zijn; - WFC1&2 (Wide Field Camera’s): gebouwd door SRON om regelmatig de hemel af te scannen in een lage resolutie in het bereik 1,8-30 keV en in een gezichtsveld van 20°.

SAX is uitgerust met de volgende instrumenten: gesepareerd is; er kan nog steeds van alles misgaan. Een satelliet met een lange rakettrap er nog aangekoppeld is immers waardeloos. Maar gelukkig gaat ook de separatie goed, en komt SAX veilig aan op zijn plek van bestemming. De Centaur-trap begint nu aan zijn retro-manoeuvre. Dit wil zeggen dat alle resterende stuwstoffen uit de tanks worden geblazen om zo de raket uit de buurt van de satelliet te halen. Vóór de retro-manoeuvre heeft de laatste trap immers dezelfde snelheid als de satelliet zelf, en blijft dus in een omloopbaan. De retro-manoeuvre zorgt er ook voor dat de Centaur stilaan terug naar de Aarde begint te vallen. Launch and Early Operations Phase Terwijl in Utrecht de champagne nu echt open mag en in Florida de vluchtleiders elkaar feliciteren en op weg naar huis gaan, begint nu het werk voor de mensen in Rome waar het Operations Control Centre (OCC) zit. Hier begint de zogenaamde Launch and


Early Operations Phase (LEOP), hetgeen betekent dat de satelliet wordt klaargemaakt voor zijn verblijf in de ruimte. Voor een groot deel gebeurt dat automatisch. Mocht de satelliet niet in een stabiele stand achtergelaten worden door de Centaur, dan is het ook mogelijk om met enkele stuurraketjes de vereiste stand te bereiken. Gelukkig was dit niet nodig: het standregelsysteem kon direct zonder probleem aan het werk. SAX draait zich hoog boven Afrika naar de Zon, vertrouwend op de zonnesensoren en de magnetometers en bewogen door de reactiewielen. Vervolgens worden de zonnepanelen automatisch ontvouwen. Al snel komt de satelliet in het zicht van het grondstation Malindi in Kenya, en wordt er druk gecommuniceerd. SAX stuurt zijn telemetriegegevens naar de Aarde, zodat de vluchtleiders in Rome kunnen verifiëren of alles volgens plan verloopt. Ook wordt met behulp van diverse rangingtechnieken de baan van de satelliet bepaald. Eerder is die baan al bepaald door de lanceerraket zelf, omdat die voor zijn eigen gui-

21

dance moet weten waar hij zit. Nu de satelliet los is van de raket worden de uiteindelijke baanelementen bepaald.

Commissioning Phase Na één omloop is de LEOP afgelopen en begint de Commissioning Phase. Deze fase duurt twee maanden, en in deze tijd wordt

Op Koninginnedag 1996, om 06.31 uur (Nederlandse tijd) wordt SAX volgens planning gelanceerd. Voor de Atlas-Centaur raket was het de honderste lancering. [Lockheed-Martin]

22


De kale SAX-satelliet boven op een servicemodule bij ESTEC. De vier röntgentelescopen, waarvan er drie goed te zien zijn, staan verticaal. De twee Wide Field Cameras kijken horizontaal in tegengestelde richtingen. [ESA]

SAX helemaal geconfigureerd. In de eerste week wordt vooral gekeken naar de subsystemen van SAX, en wordt alles grondig getest. Mocht iets niet in orde zijn, dan kan men switchen tussen back-up systemen, of eventueel nieuwe software naar boven sturen. Voor Nederland is het natuurlijk spannend of het standregelsysteem goed werkt. Dit is een van de meest complexe systemen aan boord. Het systeem kan in allerlei zogenaamde modes werken. Er is een mode die gebruikt wordt om de satelliet te richten voor het doen van waarnemingen, modes voor standveran-


deringen, en modes die ervoor zorgen dat SAX niet op de Zon wordt gericht, waardoor alle instrumenten in één klap “blind” zouden worden. De computer van het systeem moet voortdurend in de gaten houden of er ergens misschien iets uitvalt. In geval van een defect kan overgeschakeld worden op een redundante unit; vaak kan de originele unit later weer worden ingeschakeld. De eerste dagen ging alles heel goed. Op 6 mei waren alle boordsystemen operationeel. De magnetometers en gyroscopen waren ondertussen geijkt, en de uitlijnfouten

23

van de star-tracker werden ook vastgesteld. Dit alles is nodig om later, in de operationele fase, de vereiste standnauwkeurigheid voor de waarnemingen te kunnen bereiken. Het enige probleem dat zich voordeed was een te grote drift van gyroscoop nummer 2, die al snel werd vervangen door nummer 4 en later door nummer 6. Dit komt vaker voor; gyroscopen leveren nog al eens problemen op tijdens de vlucht, en ze zijn dan ook altijd meervoudig uitgevoerd. Vanaf 22 mei konden de vluchtleiders ook beginnen met het langzaam opstarten van de instrumenten. Het Phoswich Detector System (PDS, zie aparte tekst) werd al snel aangezet om de achtergrondruis in het röntgen-gebied

Organisatie Project managment Hoofdaannemer satelliet Aannemer grondsegment Aannemer lanceerder Begeleiding AOCS in Nederland Wetenschappelijke consultatie Totaal budget:

Technische gegevens Massa Hoogte Spanwijdte Spanning Zonepaneel Energie-opslag Standregeling

Data-Handling Communicatie

te kunnen meten. Op 3 juni was het PDS operationeel. Twee dagen later waren ook beide Wide Field Camera’s (WFC-1 en -2) volledig in werking. Om de WFC’s te testen werden ze gecalibreerd met de deksels er nog op. Terwijl ze naar een “leeg” stukje hemel keken (tenminste, qua röntgenstraling), werd een ingebouwd calibratie-bronnetje geactiveerd, waarmee het instrument kon worden afgesteld. De daarbij gemeten achtergrondstraling was zoals verwacht. Op 15 juni, nadat ook de drie spectrometers waren geactiveerd, konden voor het eerst de deksels van de kijkers afgehaald worden. Science Verification Phase Als SAX eenmaal goed werkt, kan men be-

ASI, Italië Alenia Spazio Telespazio General Dynamics NIVR Italia Science, SRON, ESTEC ƒ 800 miljoen, waarvan ƒ 70 miljoen door Nederland (OCW en EZ; NWO)

1400 kg (490 kg lading) 3,7 m 2,7 m (zonnepaneel in), 9 m (zonnepaneel uit) 29 V +/- 2% 8700 cellen op 2 niet-Zonvolgende panelen en een body-mounted paneel 2 NiCd-batterijen met elk 36 cellen en max. ontlading 25% 1,5 boogminuut absolute richtfout voor periode van 100.000 sec Maximale Solar Aspect Angle: 30 tot 45° mogelijk. Reactiewielen als actuatoren 460 Mb opslag 2 kbps telecommando 131 kbps real-time telemetrie 917 kbps opgeslagen telemetrie (nominaal) 2-16 kbps lage bitsnelheid voor problemen downlink: 2245,24 MHz; uplink: 2067,5 MHz; SAX staat in directe verbinding met het grondstation in Malindi, dat via Intelsat-5 in contact staat met het OCC in Rome, waar ook het Science Data Centre zit.

SAX in cijfers.

24


ginnen met de instellingen van de wetenschappelijke instrumenten: de Science Verification Phase. Een aantal objecten is gekozen om de instrumenten op te testen. Zo moet de satelliet een bepaalde tijd een bepaalde ster observeren waarbij zijn stand binnen bepaalde grenzen moet blijven (SAX heeft een richtnauwkeurigheid van 60 boogseconden). Op dit moment hebben alle wetenschappelijke instrumenten aan boord de testwaarnemingen achter de rug. Deze werden verricht aan een nauwe dubbelster, waarvan één van de leden een zwart gat is (Cygnus X-1). De resultaten geven aan dat alle instrumenten vooralsnog goed functioneren en dat er vele interessante astronomische ontdekkingen in het verschiet liggen.

Operaties In september, na afwerking en goedkeuring van alle tests, kunnen de astronomen eindelijk beginnen met hun waarnemingen. Opmerkelijk is dat tijdens de hele missie er steeds maar eens in de anderhalf uur contact is met de satelliet, en dat voor slechts maximaal 11 minuten. In die tijd moeten dus telemetrie- en meetgegevens naar beneden, en

telecommando’s naar boven worden verstuurd. Een goede planning en een autonoom werkende satelliet zijn hier dus vereist! Over ongeveer vier jaar is de nominale levensduur van SAX voorbij. De mogelijkheid bestaat dat de satelliet dan nog in goede conditie is. Als men op dat moment besluit tot verlenging van de missie (een financieel besluit), dan kan de baan van SAX weer worden verhoogd, want in vier jaar tijd zal de restweerstand van de atmosfeer op die hoogte de satelliet toch een aanzienlijke afstand hebben laten dalen. Nederland heeft een groot aandeel in de ontwikkeling en bouw van SAX, en heeft daardoor recht op een relatief groot deel van de totale waarnemingstijd: ongeveer 15% van de beschikbare tijd is voor Nederland gereserveerd. De astronomen staan in ieder geval al te popelen om te beginnen. Er is ondertussen al vier keer zo veel waarnemingstijd aangevraagd dan er eigenlijk beschikbaar is. Dat toont in ieder geval het enthousiasme voor SAX aan, en ongetwijfeld zullen vele belangrijke astronomische ontdekkingen volgen. Met dank aan H. Braun, SRON.

Het electromagnetische spectrum met daarin aangegeven de “doorzichtigheid” van de atmosfeer. Röntgenstralen uit het heelal kunnen alleen door satellieten waargenomen worden. [TELEAC]


25

Thomas Reiter: “Half jaar ruimte is niet zo lang” R. Schuurman

Hij is deze maand al weer net zo lang terug op Aarde als dat hij verbleef aan boord van het Russische ruimtestation Mir, maar toch is het leven van de Duitse astronaut Thomas Reiter na die zes maanden in de ruimte niet meer hetzelfde. Hij is niet langer een astronaut-in-opleiding, maar iemand die weet hoe het is om in de ruimte te wonen. Wanneer hij in november in Sterrestad bij Moskou zijn training hervat, benut hij zijn kostbare eigen ervaring bijvoorbeeld bij het verbeteren van de noodprocedures van de Soyuz-capsule. Reiter zal die ervaring overigens binnenkort niet direct nodig hebben, want het zou weleens tot na de eindassemblage van het internationale ruimtestation in 2002 kunnen duren eer de 38-jarige Frankfurter weer in de ruimte komt. Met dat vooruitzicht koesterde hij daarom enerzijds elk woord, dat hij dit voorjaar tijdens talloze persconferenties mocht gebruiken om over zijn Euromir ’95-missie te vertellen. Anderzijds was Reiter tijdens zijn bezoek aan Noordwijk in mei zichtbaar vermoeid om weer hetzelfde te moeten zeggen

over zijn 180-daagse verblijf in Mir, tussen 5 september 1995 en 29 februari 1996. Toen Reiter op 3 september vanaf Baykonur werd gelanceerd samen met Sergei Avdejev en Joeri Gidzenko, was al bij voorbaat duidelijk dat hij met een missieduur van 135 dagen de Europeaan met de meeste dagen in de ruimte zou worden. Nadat hij een maand “boven” was, viel echter het besluit de vlucht met 45 dagen te verlengen, om zo de Russen de kosten van een lancering van een Soyuz te besparen. Het vooruitzicht langer in de ruimte te moeten blijven, deerde Reiter niet: “Voor mijn lancering wist ik van de mogelijkheid dat de vlucht verlengd zou worden. Dat het 45 da-

Dat kan alleen in de ruimte. Reiter, Gidzenko en Avdejev (met de klok mee) doen kunstjes, terwijl Joeri Gagarin vanaf de wand toekijkt. [ESA]

26


Eén van de hoogtepunten van Reiters missie: de tweede ruimtewandeling in februari samen met Gidzenko (onder), wiens ruimtepak niet goed werkte. [ESA]


27

gen extra werden, was voor mij geen probleem. Zo was het nu eenmaal. Na vierenhalve maand waren nog eens zes weken niet zo lang. Bovendien hadden we altijd iets om naar uit te kijken dat de motivatie hoog hield”, zegt Reiter.

Hoogtepunt Het hoogtepunt van dat “iets” was voor de als boordwerktuigkundige opgeleide Duitser, zijn bijna vijf uur durende ruimtewandeling op 20 oktober samen met Avdejev. Daarbij werden sensoren en materiaalmonsters op het European Science Exposure Facility-platform op de Spektr-module gemonteerd. “Het was adembenemend om de ruimte in te stappen, en het beeld van de Aarde en het heelal te aanschouwen. Lichamelijk was de ruimtewandeling heel, heel zwaar. Het probleem is dat je door inspanning enorm gaat transpireren. Die hitte moet door je ruimtepak worden uitgestraald, dat duurt een tijdje.”

Mir in de configuratie zoals Reiter het station bezocht, dus met vier modules. [ESA]

Dankzij de verlenging van de vlucht kreeg Reiter op 5 februari de gelegenheid opnieuw een ruimtewandeling te maken om de experimenten weer te verwijderen. Ook werd het bestuurbare ruimtepak Manned Manoevring Unit (MMU) benut. “Die tweede wandeling in het vooruitzicht was voor mij de motivatie om die extra weken goed door te komen.” De

wandeling werd ingekort, nadat het pak van zijn collega Gidzenko kuren vertoonde.

Beperkingen Gedurende de overige tijd vormden de (toen nog) vier modules van Mir Reiters wereld. De Duitser kwam al snel na zijn aankomst achter de beperkingen van het ruimtestation. “In het begin viel het wel mee, maar na een maand realiseer je je dat de ruimte aan boord van Mir niet zo groot is.” De tien jaar oude Mir toonde duidelijk van een technisch andere generatie te zijn, met modules die tot de laatste uithoek waren volgestouwd met systemen, experimenten, leidingen en dikke buizen. Daartussen had Reiter zijn eigen domein in de Spektr-module, waar hij zich ‘s avonds na het werk kon terugtrekken. Foto’s van vrouw en zoontje op een klein stukje wand konden hem aan thuis doen denken. Op de grond rolde hij elke avond zijn slaapzak uit, die uit voorzorg extra werd vastgezet om te voorkomen dat Thomas door de luchtstroom in Mir het hele station zou worden doorgeblazen. Met oordopjes werd het voortdurende geraas van de ventilatoren onderdrukt, zodat hij aan een goede nachtrust toekwam. Wat dat betreft hoopt en verwacht Reiter dat het internationale ruimtestation een stuk gerieflijker zal zijn, waarbij vooral een eigen kamertje in zijn ogen van groot belang is: “Vanuit psychisch oogpunt is zo’n hoekje voor jezelf heel belangrijk, al is het maar één vierkante meter. Je kunt je er even terugtrekken als de dag erop zit.”

Nooit problemen Ondanks de claustrofobie-bevorderende omgeving heeft Reiter naar eigen zeggen met zijn verblijf in de ruimte nooit problemen gehad. Na de verhalen dat de Amerikaan Norman Thagard zich als niet-Rus tijdens zijn vlucht begin ’95 “cultureel geïsoleerd” had gevoeld, was iedereen benieuwd naar de ervaringen van Reiter. Die stelde: “Ik heb nooit het gevoel gehad dat ik geïsoleerd was, noch fysiek noch cultureel, omdat ik niet Russisch ben. Sergei, Joeri en ik spraken Russisch met

28


elkaar, hadden het regelmatig over het nieuws dat ons werd gestuurd, hadden dezelfde interesses en konden het goed met elkaar vinden. Een voordeel daarbij was dat wij van dezelfde generatie zijn, dat heeft zeker geholpen.” Avdejev nuanceerde overigens de verhalen rond Thagard. “Norman Thagard klaagde niet, maar waarschuwde dat er voor een Amerikaan aan boord van Mir misschien problemen zouden kunnen ontstaan.” Terugkijkend op zijn missie zegt Reiter: “Een half jaar is niet zo lang dat je het niet aan kunt. Je bereidt je er op voor, dan is het niet zo erg. Je wilt natuurlijk graag je familie zien en je kunt je niet voorstellen hoe fijn dat na zes maanden is, maar gelukkig had ik elke veertien dagen op zondag videocontact met mijn vrouw en kind en elke week radiocontact.”

Oefeningen Reiter, Avdejev en Gidzenko waren dagelijks circa 4,5 uur kwijt aan het uitvoeren van de diverse experimenten. In totaal moesten er tijdens Euromir ’95 41 experimenten worden uitgevoerd. Verder waren twee uur per dag lichamelijke oefeningen verplichte kost, om de nadelige gevolgen van het verblijf in de ruimte voor het lichaam beperkt te houden. Daarnaast dienden er huishoudelijke klusjes te worden uitgevoerd om Mir leefbaar te houden. Regelmatige persconferenties vanuit de ruimte voor schoolkinderen en hoogwaardigheidsbekleders als de Duitse bondskanselier Kohl en VN-secretaris-generaal Boutros Ghali braken de maanden ook. Na de ruimtewandelingen was het aanleggen van het Amerikaanse ruimteveer Atlantis in november het andere hoogtepunt van Reiters missie. Gedurende drie dagen vormden Atlantis en Mir een groot ruimteschip, waarbij de Mir-bemanning alles van de Shuttle Orbiter mocht zien en de Amerikanen door Mir werden geleid. Na de dagelijkse werkzaamheden werd het ‘s avonds pas echt gezellig, als in Mir en Atlantis de muziekinstrumenten te voorschijn werden gehaald voor een Mir/ Atlantis “unplugged” muzieksessie. Atlantis nam op zijn terugreis alvast enkele experimenten meer terug naar de Aarde.


Afscheid

Vanaf november is Sterrestad weer Reiters onderkomen. [Schuurman]

Met weemoed namen Reiter, Avdejev en Gidzenko op 29 februari afscheid van de nieuwe bemanning, en maakten zij zich met hun Soyuz-capsule los van Mir voor de afdaling naar de Aarde. Daar viel het niet mee om na een half jaar weer met de zwaartekracht geconfronteerd te worden. “De eerste dagen waren hopeloos. Ik kon nauwelijks staan en bij het lopen nauwelijks een bochtje om. Na vier dagen kon ik al weer normaal lopen. Het duurde zeker tweeënhalf tot drie weken voordat mijn conditie begon te herstellen. Na circa twee maanden was ik weer in de buurt van mijn oude peil. De botten, die in een half jaar ruimte vijf tot tien procent van hun kalk zijn kwijtgeraakt, moesten natuurlijk nog aansterken, maar dat merk je niet”, legde de Duitser zijn herstel uit. Afgelopen juni bracht de voormalige gevechtspiloot door bij de Duitse luchtmacht om het aantal vlieguren voor zijn brevet op peil te houden, waarna een korte vakantie volgde voor zijn terugkeer naar zijn flat in Sterrestad. Voorlopig blijft Reiter daar in training, al heeft hij momenteel geen uitzicht op een nieuwe ruimtevlucht.

29

ESA s wetenschappelijke programma: verleden, heden en toekomst

Recommend Documents