Voyager 2 ( ‚Reisender‘) ist eine Raumsonde der NASA zur Erforschung des äußeren Planetensystems im Rahmen des Voyager-Programms. Sie wurde am 20. August 1977 vom Launch Complex 41 auf Cape Canaveral mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. Die identisch aufgebaute Sonde Voyager 1 startete 16 Tage später auf einer anderen Flugbahn.
Die Mission von Voyager 2 gilt als einer der größten Erfolge der NASA und der Raumfahrt allgemein, da die Sonde ihre geplante Lebenserwartung weit übertroffen hat und noch regelmäßig Daten zur Erde sendet. Am ist Voyager 2 seit Tagen im All und ca. Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt, das sind etwa Milliarden Kilometer.NASA HelioWeb: Heliocentric Trajectories for Selected Spacecraft, Planets, and Comets. Abfragetool der NASA (englisch). Abgerufen am 12. November 2022.
Seit dem 18. Juni 2023 ist sie nach ihrer Schwestersonde das am zweitweitesten von der Erde entfernte von Menschen gebaute Objekt; zuvor hatte Pioneer 10 diesen Status inne.
Vorgeschichte
Die Wurzeln des Voyager-Programms reichen bis in die Mitte der 1960er-Jahre zurück. Es gab Berechnungen für Flugbahnen für Sonden, die die günstigen Stellungen der äußeren Planeten Ende der 1970er-Jahre ausnutzen könnten. Anfang der 1970er-Jahre wurde der Bau der Voyager 1 und 2 beschlossen. Da sie erst als Erweiterung der Mariner-Serie geplant waren, wurden sie zunächst als „Mariner 11“ und „12“ bezeichnet. Diese Bezeichnung wurde später aufgrund der großen strukturellen Unterschiede der Sonden fallengelassen. Bis zum März 1975 war die Konzeptphase abgeschlossen und der Bau der Sonden begann.
Missionsziele Die Voyager-Sonden hatten keinen besonderen Forschungsschwerpunkt, da es im Vorfeld erst wenige Erkenntnisse über die äußeren Planeten gab, die hätten ausgebaut werden können. Daher sind die Missionsziele relativ weit gefasst: Untersuchung der Atmosphären von Jupiter und Saturn im Hinblick auf Zirkulation, Struktur und Zusammensetzung Analyse der Geomorphologie, Geologie und Zusammensetzung der Monde Genauere Bestimmung der Masse, Größe und Form aller Planeten, Monde und Ringe Untersuchung diverser Magnetfelder im Hinblick auf ihre Feldstruktur Analyse der Zusammensetzung und Verteilung von geladenen Teilchen und Plasma Schwerpunktmäßige Untersuchungen der Monde Io und Titan mini|hochkant=1.1|links|Eine der beiden Voyager-Raumsonden
Ablauf der Mission mini|hochkant=2|Flugbahnen der Voyager-Sonden Start und Flug mini|Start von Voyager 2 mini|Video: Flug der Voyager 2
Voyager 2 wurde am 20. August 1977 vom Startkomplex 41 der Cape Canaveral AFS mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. 16 Tage später startete auch ihre Schwestersonde Voyager 1, aber mit einer leicht unterschiedlichen Flugbahn. Da Voyager 1 eine etwas höhere Startgeschwindigkeit aufwies (15,0 km/s gegenüber 14,5 km/s), wurde Voyager 2 am 15. Dezember 1977 in einer Entfernung von 1,75 AE von ihrer Schwestersonde überholt.
Die Flugzeit bis zum Jupiter betrug etwa 20 Monate.
Technische Probleme Im April 1978 stellte man fest, dass die Kommunikation mit der Sonde nicht funktionierte. Ursache des Problems war, dass man wegen einer Überlastung des Bodenteams lange nicht mehr mit der Sonde kommuniziert hatte. Zur gleichen Zeit wurde das Galileo-Projekt vorbereitet, wodurch viele Ressourcen aus dem Voyager-Programm abgezogen worden waren. Das Steuerungssystem der Sonde hatte das Ausbleiben der Signale als Fehlfunktion des Primärsenders interpretiert und am 5. April 1978 auf den Reservesender umgeschaltet. Bei diesem war allerdings ein Bauteil zur automatischen Anpassung der Sende- und Empfangsfrequenz defekt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Erde und Raumsonde schwankte, je nachdem, wo sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne gerade befand, was zu einem Dopplereffekt führte. Da das defekte Bauteil die Frequenzverschiebungen nicht mehr kompensierte, brach die Funkverbindung sehr häufig ab. Man sendete also am 6. April einen Befehl, der den Primärsender wieder aktivierte. Dieser war aber mittlerweile vollständig ausgefallen und so musste man den teildefekten Reservesender wieder in Betrieb nehmen. Man löste das Problem des Dopplereffektes, indem man ihn vorausberechnete und die Übertragungsfrequenz dann manuell einstellte. Da Voyagers Empfänger nur eine Bandbreite von 96 Hz aufwies, konnten geringste Abweichungen in der Frequenzerzeugung zu einem Verbindungsabbruch führen. Schon eine Erwärmung der Sonde von 0,25 K konnte eine kritische Abweichung hervorrufen, weswegen der Temperaturkontrolle noch höhere Priorität beigemessen wurde.
Jupiter Als Voyager 2 am 25. April 1979 im Jupitersystem ankam, löste sie ihre Schwestersonde Voyager 1 bei der Erkundung des Planeten beinahe nahtlos ab. Die Flugbahn von Voyager 2 war so gewählt, dass sie einige Monde von jener Seite untersuchen konnte, die Voyager 1 verborgen geblieben war. Auch die neu entdeckten Ringe und die Nachtseite von Jupiter sollten genauer untersucht werden. Erkundet wurden die Monde Amalthea, Io, Europa, Kallisto und Ganymed, alle noch vor der Jupiterpassage. Dabei konnten auch Messungen mittels des PPS-Instruments durchgeführt werden, das bei Voyager 1 ausgefallen war. Während der zweitägigen Primärphase in der Nähe der Monde und beim Jupiter erhielt die Sonde durchgängig Unterstützung durch die 64-m-Antennen des Deep Space Networks, wodurch die maximale Datenrate von 115 kbit/s erreicht werden konnte. Am 9. Juli kam die Sonde Jupiter mit rund 570.000 km am nächsten.Nasaspaceflight.com: Thirty-four years after launch, Voyager 2 continues to explore, 20. August, 2011; abgerufen am 26. Oktober 2018. Als Voyager 2 am 5. August das Jupitersystem verließ, hatte sie 13.350 Bilder zur Erde gesendet und den Planeten in einer Distanz von 643.000 km passiert. Durch das Swing-by-Manöver wurde die Sonde auf 16 km/s beschleunigt und befand sich nun auf dem Kurs zu Saturn.
Saturn Die Erkundung des Saturns zeigte seine sehr hohen Windgeschwindigkeiten, insbesondere in Äquatornähe, wo Voyager 2 Geschwindigkeiten von bis zu 500 Metern pro Sekunde messen konnte. Diese wehen hauptsächlich in östlicher Richtung, werden mit zunehmenden Breitengraden langsamer und ab 35° Nord/Süd dreht die Richtung auf West. Voyager 2 konnte auch eine sehr starke Symmetrie der Windverhältnisse zwischen dem nördlichen und südlichen Teil Saturns feststellen, was einige Wissenschaftler als Hinweis auf Strömungen durch das Planeteninnere werteten.
Die Sonde konnte aufgrund ihrer Flugbahn auch die obere Atmosphäre des Planeten mittels des RSS-Instruments untersuchen. An der Oberfläche wurde eine minimale Temperatur von 82 K (−191 °C) bei einem Druck von 70 mbar gemessen. Bei der größtmöglich messbaren Tiefe herrschte eine Temperatur von 143 K (−130 °C) bei einem Druck von 1200 mbar. Es wurden auch Polarlicht-ähnliche Phänomene nördlich des 65. Breitengrades entdeckt und im UV-Bereich in den mittleren Breitengraden. Letzteres tritt nur bei Sonneneinstrahlung auf und gibt immer noch Rätsel auf, da die geladenen Teilchen der Sonne zumindest auf der Erde nur in den Polarregionen auftreten und nicht in mittleren Breitengraden.
Verlängerung der Mission Bereits im Frühjahr 1981 wurden die ersten Korrekturmanöver durchgeführt, um Voyager 2 zu Uranus bringen zu können. Dies war ursprünglich nicht vorgesehen, da die Sonde bei der Ankunft bereits 8 Jahre unterwegs sein würde. Dies entsprach dem Doppelten der prognostizierten bzw. projektierten Lebensdauer. Interne Studien ergaben eine nur 65-prozentige Chance, dass Voyager 2 Uranus funktionsfähig erreichen würde. Aufgrund der stark begrenzten Rechenkapazitäten der Sonde waren umfangreiche Arbeiten am Boden nötig, die pro Jahr ca. 30 Millionen US-Dollar kosteten. Trotz dieser Umstände bewilligte die NASA eine Weiterführung der Mission, vor allem deshalb, weil es zu jener Zeit außer den beiden Voyager-Sonden mit Viking 1 nur noch eine weitere aktive Planetensonde gab.
Die Software musste stark überarbeitet werden. Ein Projektwissenschaftler drückte dies so aus: „Die Sonde, die Uranus erreicht, ist nicht dieselbe, welche die Erde verlassen hat.“ Im Wesentlichen gab es drei große Probleme: Die extrem geringe Datenrate aufgrund der großen Entfernung (viermal niedriger als bei Saturn), die verminderte Energieabgabe der Radionuklidbatterien von nur noch 400 Watt (420 Watt waren für den Vollbetrieb notwendig) und die geringe Helligkeit der Uranus-Oberfläche, die längere Belichtungszeiten erforderte und somit die Gefahr von unscharfen Bildern erhöhte.
Das Problem der Datenübertragung wurde von zwei Seiten angegangen: Zum einen wurde das Datenvolumen reduziert, zum anderen wurde der Empfang verbessert. Letzteres erreichte man durch den zusätzlichen Einsatz von weiteren Empfangsantennen. Normalerweise wurde die Telemetrie über eine 64-m-Antenne des DSN abgewickelt, die eine Datenrate von 7,2 bis 9,6 kbit/s ermöglichte. Dies war aber nicht genug, um die große Menge an wissenschaftlichen Daten bei der Uranuspassage zu bewältigen. Daher wurden eine weitere 34-m- und eine 64-m-Antenne hinzugeschaltet, so dass eine Datenrate von 21,6 kbit/s erreicht werden konnte.
Außerdem gelang es, das Datenvolumen deutlich zu reduzieren. So ersetzte man den Golay-Fehlerkorrekturcode durch das fortgeschrittenere Reed-Solomon-Verfahren, das bei ähnlicher Leistung eine deutlich geringere Datenrate beansprucht. Allein durch diese Maßnahme konnte die nutzbare Datenrate um 70 % gesteigert werden. Allerdings hatte diese Vorgehensweise den Nachteil, dass die Hardware für die Reed-Solomon-Codierung nicht doppelt vorhanden war, wie es bei der Golay-Codierung der Fall war, und somit die Ausfallsicherheit nicht mehr gegeben war. Bei den sehr großen Bilddateien, die mit Abstand am meisten Bandbreite beanspruchten, wurde nun verlustbehaftete Kompression angewandt. Ein aufwändiges Verfahren wie die Huffman-Kodierung war hierfür aufgrund der sehr begrenzten Rechen- und Speicherkapazitäten nicht zu realisieren. Man konnte sich aber die Tatsache zunutze machen, dass der Bildbereich außerhalb der Planetenkanten in den vier Ecken des Bildes praktisch keine relevanten Informationen enthielt. Statt 8 bit pro Bildpunkt zu senden, wurden jetzt nur noch 3 bit versendet, welche die Helligkeitsdifferenz zum vorhergehenden Punkt beschrieben. Allerdings musste man auch für diese Maßnahme die Ausfallsicherheit reduzieren, und zwar durch den Verzicht auf den Reserve-FDS-Computer, da dieser nun für die Durchführung der Kompressionsalgorithmen herangezogen wurde. In der Summe dauerte die Übertragung eines Bildes aus dem Uranussystem nun mit 104 Sekunden nur 15 % länger als bei Saturn, bei gerade mal einem Viertel der Datenrate.
Dem Problem der verminderten Stromversorgung begegnete man mit einem Energiemanagement in Form eines festen Zeitplans, der festlegte, wann welches Instrument aktiv sein durfte. Dieser Plan wurde mit Hilfe von Simulationen erstellt, in denen ermittelt wurde, wann welches Instrument den höchsten Nutzen brachte. Komplizierter gestaltete sich der Umgang mit den langen Belichtungszeiten, die aufgrund der geringen Lichtintensität nötig waren. Das größte Problem war hier das Magnetband, das zur Live-Speicherung der Bilddaten mit Beginn der Belichtung anlief und der Sonde einen kleinen Ruck versetzte, der bei einer Belichtungszeit von bis zu 1,44 s zu deutlicher Schlierenbildung führte. Diesen Effekt wollte man mit dem gezielten Einsatz der Schubdüsen kompensieren. Allerdings durften sie nur 5 Millisekunden betrieben werden, was problematisch war, da die verbauten Düsen laut Spezifikation mindestens 10 ms lang arbeiten mussten, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Nachdem man den 5-ms-Zyklus an mehreren baugleichen Modellen auf der Erde und schließlich bei Voyager 1 erprobt hatte, zeigte sich aber, dass man das Verfahren problemlos bei Voyager 2 einsetzen konnte.