ASTRO-SPAS im Detail

Echelle-SpektrometerSternsensorIMAPSBerkeley-SpektrometerTeleskop-DeckelTübinger Elektronik-BoxIMAPS ElektronikDARA-LogoNASA-LogoDASA-LogoIMAX FilmkameraShuttle-ArmFernsehkamera am ArmAntenneIMAX-FernsehkameraTeleskop, untere HälfteHalterungHalterungHalterungTeleskop, obere HälfteEchelle-ElektronikAntrieb für DeckelAndock-StutzenBerkeley-ElektronikBerkeley-TelemetrieASTRO-SPASReflexHimmel  
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ASTRO-SPAS

Der ASTRO-SPAS war ein wiederverwendbarer Wissenschafts-Satellit, der mit dem Space Shuttle ins All gebracht wurde, dort für die Dauer der wissenschaftlichen Mission frei fliegen konnte und am Ende der Shuttle Mission wieder eingefangen und zur Erde zurück gebracht wurde. Er ließ 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. Eine zweite Nutzlast wurde von der Universität Wuppertal gebaut: Das Instrument CRISTA, mit dem die obere Erdatmosphäre untersucht wurde. Der ASTRO-SPAS wurde von der Deutschen Aerospace AG in München (DASA, später Daimler-Benz Aerospace AG, dann Dornier Satellitensysteme GmbH bei der DaimlerChrysler Aerospace AG, jetzt EADS-Astrium) entwickelt und gebaut. Heute befindet er sich im Deutschen Museum in München.

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Teleskop-Deckel

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.

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Antrieb für Teleskop-Deckel

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.

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Obere Teleskop-Hälfte

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.

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Untere Teleskop-Hälfte

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.

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Echelle-Spektrometer

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.

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Berkeley-Spektrometer

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.

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Datenerfassungs-Elektronik des Berkeley-Spektrometers

Diese Box enthält die Elektronik für die Datenerfassung des Berkeley-Spektrometers.

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Telemetrie-Elektronik des Berkeley-Spektrometers

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.

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IMAPS

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.

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IMAPS-Elektronik

Unter diesem fast quadratischen Zelt aus weißer Mehrschicht-Isolierfolie befindet sich die Elektronik für das IMAPS-Instrument.

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Sternsensor

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.

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DARA-Logo

Logo der Deutschen Agentur für Raumfahrtangelegenheiten, heute Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

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NASA-Logo

Logo der National Aeronautics and Space Administration.

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DASA-Logo

Logo der früheren Deutschen Aerospace AG, heute EADS-Astrium.

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IMAX-Filmkamera

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 Sinsheim und in Speyer.

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IMAX-Sucher-Fernsehkamera

Diese Fernsehkamera dient als Sucherkamera für die IMAX-Filmkamera. Damit konnte während der Filmaufnahmen der aktuelle Bildausschnitt live beobachtet werden.

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Greifarm des Space Shuttle

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.

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Fernsehkamera am Arm

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.

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Andock-Podest für Greifarm

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.

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Antenne

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.

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Halterung

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.

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Spiegelung an der Fensterscheibe

Das Foto wurde aus der Kabine des Space Shuttle durch ein Fenster heraus aufgenommen. Die blaue Fläche ist ein Reflex an der Fensterscheibe.

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Himmel

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.

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Elektronik für Teleskop und Echelle-Spektrometer

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.

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Tübinger Echelle-Elektronik-Box

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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